数控伺服系统.docx

伺服系统：
汽轮机叶片高曲率半径数控加工伺服速度控制
五轴联动、数控铣床、伺服系统、速度控制、
直流脉宽调速
交流变频调速
硬件结构，变频调速原理，控制 刀具

工件、旋转还直线

五轴联动数控铣床伺服系统（以AV1200/2五坐标立式数控铣床进行说明）
伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。它接受来自数控装置的进给指令信号，经变换、调节和放大后驱动执行件，转化为直线或旋转运动。伺服系统是数控装置(计算机)和机床的联系环节，是数控机床的重要组成部分。
数控伺服系统的基本组成
数控系统按照调节理论来分，可以分为开环、闭环和半闭环三种数控系统，分别如下图所示：
开环数控系统
没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置→进给系统），故系统稳定性好。
无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度。一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般用于经济型数控机床。

半闭环数控系统
半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置(常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除。因此，其精度较闭环差，较开环好。但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在现代CNC机床中得到了广泛应用。

闭环数控系统
闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直接对运动部件的实际位置进行检测。从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。 由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。AV1200/2五坐标立式数控铣床正是采用的这种数控系统。

伺服系统按用途和功能分为进给驱动系统和主轴驱动系统。按有无反馈检测元件分为开环控制系统和闭环控制系统。按执行元件的不同，分为步进伺服系统、直流伺服系统和交流伺服系统。伺服电动机为数控伺服系统的重要组成部分，是速度和轨迹控制的执行元件。

步进伺服系统
进伺服系统接受脉冲信号，它的转速和转过的角度取决于指令脉冲的频率或个数。由于没有检测和反馈环节，步进电机的精度取决于步距角的精度，齿轮传动间隙等，所以它的精度较低。而且步进电机在低频时易出现振动现象，它的输出力矩随转速升高而下降。又由于步进伺服系统为开环控制，步进电机在启动频率过高或负载过大时易出现“丢步”或“堵转”现象，停止时转速过高容易出现过冲的现象。另外步进电机从静止加速到工作转速需要的时间也较长，速度响应较慢。但是由于其结构简单，易于调整，工作可靠，价格较低的特点，在许多要求不高的场合还是可以应用的。
直流伺服系统
直流伺服电机具有良好的宽调速性能。输出转矩大，过载能力强，伺服系统也由开环控制发展为闭环控制，因而在工业及相关领域获得了更加广泛的运用。但是，随着现代工业的快速发展，其相应设备如精密数控机床、工业机器人等对电伺服系统提出越来越高的要求，尤其是精度可靠性等性能。而传统直流电动机采用的是机械式换向器，在应用过程中面临很多问题，如电刷和换向器易磨损，维护工作量大，成本高;换向器换向时会产生火花，使电机的最高转速及应用环境受到限制;直流电机结构复杂、成本高、对其他设备易产生干扰。
交流伺服系统
交流伺服系统除了具有稳定性好、快速性好、精度高的特点外，与直流伺服电机系统相比有一系列优点:
1、 交流电机不存在换向器圆周调速限制，也不存在电枢元件中电抗电势数值限制，其转速限制可以设计得比相同功率的直流电机高。
2、 调速范围宽，目前大多数的交流伺服电机的变速比可以达到1:5000，高性能的伺服电机的变速比已达1:10000以上。满足数控机床传动调速范围宽、静差率小的要求。
3、 矩频特性好，交流电机为恒力矩输出，即在其额定转速以内输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。并且具有转矩过载能力，可克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。满足机床伺服系统输出转矩大、动态相应好、定位精度高的要求。

根据AV1200/2五坐标立式数控铣床是根据机床向高速、高精发展的需要和吸收世界先进设计理念而开发设计的一种新结构机床，不但布局形式不同于传统的C型立式铣床，而且其综合机械性能、参数也优于它们。AV1200/2是根据叶轮加工的需要在AV1200机床上增加了可倾斜数控转台而开发研制的五轴立式数控铣床。
交流伺服电机通过联轴节与滚珠丝杠直联。且采用德国高精度、高强度、小惯量联轴器。滚珠丝杠与螺母进行了预紧，安装时进行了预拉伸，提高了伺服系统的传动刚性，确保机床的位置精度。配有集中润滑装置，定时定量对导轨和滚珠丝杠进行润滑。使机床保持高响应特性和高刚性。

工作台在线性滚珠导轨上作X向运动, Z轴滑枕上配置五轴联动铣头。Y轴采用双线性滚珠导轨安装呈垂直分布状态, Z轴采用大规格线性滚珠导轨与双平衡液压缸装置,三轴均采用伺电机与滚珠丝杠螺母副通过联轴器直接的形式。

交流伺服电机是由定子和转子构成。定子上有励磁绕组和控制绕组，如下图，这两个绕组在空间相差90°电角度。一相为励磁绕组f，它始终接在交流电源Uf上；另一相为控制绕组k，接输入信号电夺Uk。Uf与Uk二者频率相同，若在两相绕组上加以幅值相等、相位差90°电角度的对称电压，则在电机的气隙中产生圆形的旋转磁场。若两个电压的幅值不等或相位不为90°电角度，则产生的磁场将是一个椭圆形旋转磁场。加在控制绕组Uk上的信号不同，产生的磁场椭圆度也不同。故当负载转矩一定，改变控制信号，就可以改变磁场的椭圆度，从而控制伺服电机的转速。而当控制电压的相位相反时，伺服电动将反转。
k
Uf
f
C
Uk
k

交流伺服电动机调速
交流伺服电动机调速常由调频调速的方法实现。脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置来实现开关稳压电源输出晶 体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定。
脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。

M
3～
UI
UR
图1中包括正弦波形成、SPWM形成逻辑控制及保护电路、晶体管模块和驱动电路等，其主要部分为脉宽调制及自动调节的工作过程，即如何把正弦波信号转换成脉冲宽度变化的调制波去驱动交流伺服电机。SPWM交–直–交变压变频器的原理框图如下：

UR–整流器 固定电压不可控整流器，常采用六个二级管桥式整流器结构将交流变为直流，电压幅值不变。 为逆变器的供电。
UI –逆变器 由六个功率开关器件组成，常采用大功率晶体管。其控制极（大功率晶体管GTR为基极 ）输入由基准正弦波（由速度指令转化过来的）和三角波叠加出来的SPWM调制波（等幅、不等宽的矩形脉冲波 ，使这些大功率晶体管按一定规律导通、截止，输出一系列功率级等效于正弦交流电的可变频变压的等幅、不等宽的矩形脉冲电压波，即功率级SPWM电压，使电机转动。功率开关器件还可采用：可关断晶闸管GTO、功率场效应晶体管MOSFET、绝缘门极晶体管IGBT等。

根据AV1200/2五坐标立式数控铣床其所采用的伺服系统是鉴幅式伺服系统
鉴幅式伺服系统是以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值，并以此作为位置反馈信号民与指令信号进行比较构成的闭环控制系统。利用这种伺服系统，使用AV1200/2五坐标立式数控铣床工作可靠、抗干扰性强、精度高等优点，并增加了位置检测、反馈、比较等元件。
鉴幅式系统的工作原理如下：
进进比较器的信号有两路：一路来自数控装置插补器或插补软件的进给脉冲，它代表了数控装置要求机床工作台移动的位移；另一路来自测量元件及信号处理线路，也是以数字脉冲形式出现，它代表了工作台实际移动的间隔。鉴幅系统工作前，数控装置和测量元件的信号处理线路都没有脉冲输出，比较器的输出为零。这时，执行元件不能带动工作台移动。出现进给脉冲信号之后，比较器的输出不再为零，执行元件开始带动工作台移动，同时，以鉴幅式工作的测量元件又将工作台的位移检测出来，经信号处理线路转换成相应的数字脉冲信号，该数字脉冲信号作为反馈信号进进比较器与进给脉冲进行比较。若两者相等，比较器的输出为零，说明工作台实际移动的间隔即是指令信号要求工作台移动的间隔，执行元件停止带动工作台移动；若两者不相等，说明工作台实际移动的间隔还不即是指令信号要求工作台移动的间隔，执行元件继续带动工作台移动，直到比较器输出为零时停止。
在鉴幅式伺服系统中，数模转换电路的作用是将比较器输出的数字量转化为直流电压信号，下图为测量元件及信号处理线路该信号经驱动线路进行电压和功率放大，驱动执行元件带动工作台移动。测量元件及信号处理线路是将工作台的机械位移检测出来并转换为数字脉冲量。

测量元件及信号处理线路是如何将工作台的机械位移检测出来并转换为数字脉冲的呢?测量元件的工作原理在第四章中已经具体地介绍过，下面重点介绍信号处理线路的工作原理。
图5-26是测量元件及信号处理线路的框图，它主要由测量元件、解调电路、电压频率转换器和sin／cos发生器组成。由测量元件的工作原理可知，当工作台移动时，测量元件根据工作的位移量，即丝杠转角θ输出电压信号

α是此时测量元件激磁信号的电气角。VB的幅值代表着工作台的位移。VB经滤波、放大、检波、整流以后，变成方向与工作台移动方向相对应，幅值与工作台位移成正比的直流电压信号，这个过程称为解调。解调电路也称鉴幅器。解调后的信号经电压频率转换器变成计数脉冲，脉冲的个数与电压幅值成正比，并用符号触发器表示方向。一方面，该计数脉冲及其符号送到比较器与进给脉冲比较；另一方面，经sin／cos发生器，产生驱动测量元件的两路信号sin和cos，使α角与此相对应发生改变。该驱动信号是方波信号，它的脉宽随计数脉冲的多少而变。根据傅里叶展开式，当该方波信号作用于测量元件时，其基波信号分量为
   （5-5）
   （5-6）
α1角的大小由方波的宽度决定。若测量元件的转子没有新位移，因激磁信号电气角由α变为α1，它所输出的幅值信号也随之变化，而且逐步趋于零。若输出的新的幅值信号

不为零，V'B将再一次经电压频率转换器、sin／cos信号发生器，产生下一个激磁信号，该激磁信号将使测量元件的输出进一步接近于零，这个过程的不断重复，直到测量元件的输出为零时止。在这个过程中，电压频率转换器送给比较器的脉冲数目正好即是θ角所代表的工作台的位移量。通常，我们总希看测量过度过程尽可能短，假如这个过程很长，当有连续的进给脉冲时，由于来自测量元件的反馈脉冲不能及时到来，比较器输出的误差信号本身就带有很大的误差，因而必定要造成伺服系统的拖动误差，从而影响加工精度。