第五章伺服驱动系统

§ 5-1概述 § 5-2 检测装置 § 5-3 步进电动机及其驱动系统 § 5-4 直流伺服电动机及其速度控制 § 5-5 交流伺服电动机及其速度控制 § 5-6 主轴驱动 § 5-7 位置控制第五章伺服驱动系统

立式铣床 § 5-1概述

带制动器伺服电机 加工中心主轴电机刀库刀具定位电机机械手旋转定位电机伺服电机

伺服驱动系统（Servo System) CNC系统控制信号驱动电机光栅尺反馈信号检测装置伺服驱动系统

一、数控机床伺服系统的定义 伺服系统是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。 CNC装置是数控机床的“大脑” ， “指挥机构” 伺服系统是数控机床的“四肢” ，“执行机构”。伺服系统的组成检测装置：感应同步器、旋转变压器、光栅、脉冲编码器等。驱动电机：步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机

数控加工与传统加工的比较 本质区别 • 由人操作，机床进给系统能保证切削过程继续进行，不能控制执行件的位移和轨迹. • 由CNC装置按照零件程序完成零件的加工。能精确地控制执行件的速度、方向、和位置，且可使几个执行件按一定的运动规律合成轨迹。

二、数控机床伺服系统的分类 • 1、按伺服系统控制方式分 • 开环系统步进电机，无位置反馈，投资低，精度低 • 闭环系统直接测量实际位移进行反馈，精度高 • 半闭环系统间接测量位移进行反馈，精度低于闭环 2、按控制对象和使用目的不同分 • 进给伺服系统控制各坐标轴的切削进给运动 • 主轴驱动伺服系统控制主轴的旋转运动 • 辅助伺服系统控制刀库、料库等辅助系统的运动，多采用建议的位置控制。

二、数控机床伺服系统的分类（续） 3、按反馈比较控制方式分 • 脉冲比较伺服系统 • 相位比较伺服系统 • 幅值比较伺服系统 • 全数字伺服系统。 4、按所用驱动元件的类型分 • 步进电动机驱动系统 • 直流伺服驱动系统 • 交流伺服驱动系统 • 直线电动机驱动系统

三、数控机床对伺服系统的要求 • 高精度要求定位准确（定位误差持别是重复定位误差要小），跟随精度高（跟随误差小）。一般定位精度要求达到mm级，高的达0.01~0.005 mm。 • 灵敏度高，响应快提高生产率和保证加工质量，一般电机升降速过渡过程，时间在0.2s以下。另外，当负载突变时，要求速度的恢复时间短，且无振荡，这样才能得到光滑的加工表面。 • 调速范围宽保证在任何情况下都能得到最佳切削条件和加工质量，一般要求调速范围：最低转速/最高转速=1/1000~1/10000，且通常是无级调速。 • 低速大转矩一般是在低速进行重切削，所以在低速时进给驱动要有大的转矩输出。 • 可靠性高对环境的适应性强，性能稳定，使用寿命长。

§ 5-2 检测装置 • 检测装置是伺服系统的重要组成部分。 • 作用检测位置和速度，发送反馈信号，构成闭环或半闭环，对驱动装置进行控制。 • 要求工作可靠，抗干扰能力强满足精度、分辨率、测量范围使用维修方便、成本低 • 性能指标系统精度：是指在一定长度或转角内测量积累误差的最大值，如±0.002～0.02mm/m，±10"/360°等。系统分辨率：是测量元件所能正确检测的最小位移量，如目前直线位移的分辨率为0.001～0.01mm。角位移分辨率为2"。

检测装置的分类 按检测信号分：数字式、模拟式按测量基准分：增量式、绝对式按安装位置关系分：直接测量、间接测量常见检测装置

一、旋转变压器 旋转变压器是一种角度测量装置。 1．旋转变压器的结构在结构上和两相绕线式异步电动机相似，由定子和转于组成。 • 定子绕组为变压器的一次绕组 • 转子绕组为变压器的二次绕组。 • 根据转子绕组两种不同的引出方式旋转变压器分 • 有刷式 • 无删式

旋转变压器的内部结构图

2．旋转变压器 的工作原理根据互感原理工作的，定子绕组加上励磁电压，通过电磁耦合，转子绕组产生感应电功势。输出感应电功势大小与转子位置有关，就是通过测量被测轴的转速来间接测量工作台的位移。

3．旋转变压器的应用 • 特点结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便．输出信号幅度大，抗干扰能力强，工作可靠，广泛应用于数控机床上。 • 应用实际使用中采用的是正余弦旋转变压器，其定子和转子均由两组匝数相等、互相垂直的绕组构成。

二、感应同步器 感应同步器是旋转变压器演变而来，也是一种电磁感应式的位移检测装置。 • 感应同步器的结构 • 圆型感应同步器由定子和转子组成，用于测量角位移 • 直线型感应同步器由定子和转子组成，用于测量直线位移

2. 直线感应同步器的结构 利用两个平面形印刷绕组，其间保持均匀气隙约为(0.25±0.05)mm 作相对平行移动，根据交变磁场和互感原理而工作的。

L1 W1 a1 片宽a2 W2 间隔b2 1 2 1＇ b1 2＇定尺为连续绕组，节距W2＝2(a2＋b2)，其中a2为导电片宽，b2为片间间隙，定尺节距即为检测周期W，常取W＝2mm。滑尺为分段绕组，分为正弦和余弦绕组两部分, 两绕组的节距都为W1＝2(a1＋b1)，其中a1为导电片宽，b1为片间间隙，一般取W1＝W2或W1＝W2/3。

2τ τ/2 定尺 E i2 滑尺 i1 余弦绕组正弦绕组 Vs Vc 3. 直线感应同步器的工作原理根据交变磁场和互感原理而工作的。滑尺上有正弦和余弦励磁绕组，在空间位置上相差1/4节距，定尺和滑尺绕组的节距相同。若滑尺绕组加励磁电压，则由于电磁感应而在定尺绕组上产生感应电压，其大小取决于滑尺与定尺的相对位置。

W 可以看出：滑尺在移动一个节距的过程中，感应电势变化了一个周期。若励磁电压u＝Umsinωt，那么在定尺绕组产生的感应电势e为 e＝kUmcosθcos ωt

若励磁电压 u＝Umsinωt 则定尺绕组产生的感应电势e e＝kUmcosθcos ωt 式中 Um—励磁电压幅值(V)； ω—励磁电压角频率(rad/s)； k—比例常数，其值与绕组间最大互感系数有关； θ—滑尺相对定尺在空间的相位角。在一个节距W内，位移x与θ的关系应为 θ＝2πx/W 感应同步器就是利用感应电势的变化，来检测在一个节距W内的位移量，为绝对式测量。

3. 感应同步器输出信号的处理方式 常用的有鉴相方式和鉴幅方式滑尺上的正弦、余弦励磁绕组提供同频率、同幅值、相位差90°的交流电压，即 us＝Umsinωt uc＝Umcosωt us和uc单独励磁，在定尺绕组上感应电势分别为 es＝kUmcosθcosωt ec＝－kUmcos(θ＋ π/2)sinωt ＝kUmsinθsinωt （1）鉴相方式根据感应输出电压的相位来检测位移量

根据叠加原理，定尺绕组上总输出感应电势e为根据叠加原理，定尺绕组上总输出感应电势e为 e＝es＋ec ＝kUmcosθcosωt＋kUmsinθsinωt ＝kUmcos(ωt－θ) ＝kUmcos(ωt－ 2πx/W) 根据上式，通过鉴别定尺输出的感应电势的相位，即可测量定尺和滑尺之间的相对位置。感应同步器的鉴相方式用在相位比较伺服系统中。例：感应电势与励磁电压相位差θ=1.8°，节距W=2mm，由θ= 2πx/W=0.01mm

（2）鉴幅方式 根据定尺输出的感应电势的振幅变化来检测位移量。滑尺的正弦、余弦绕组励磁电压为同频率、同相位，但不同幅值，即 us＝Umsinθdsinωt uc＝Umcosθdsinωt 式中θd—励磁电压的给定相位角分别励磁时，在定尺绕组上产生的输出感应电势分别为 es＝kUmsinθdcosθcosωt ec＝kUmcosθdcos(θ＋π/2)cosωt ＝－kUm cosθd sinθcosωt

根据叠加原理，定尺上输出总感应电势为 e＝es ＋ ec ＝k Um (sinθd cosθ－cosθd sinθ) cosωt ＝k Um sin(θd－θ) cosωt ＝k Um sin(θd－ 2πx /W) cosωt 设初始状态θd＝θ，则e＝0。当滑尺相对定尺有一位移，使θ变为θ＋Δθ，则感应电势增量为 Δe≈k UmΔx cosωt 式中Δθ= 2π Δx / W 由此可知，在Δx较小的情况下，Δe与Δx成正比，也就是鉴别Δe幅值，即可测Δx大小。当Δx较大时，通过改变θd，使θd＝θ,使Δe＝0，根据θd可以确定θ，从而确定位移量Δx。

4.感应同步器的特点 • 精度高输出的电压是许多对极感应电压的平均值 • 适用性强电磁感应，不怕油污和灰尘，不易受干扰 • 可用于长距离测量可多根定尺接长 • 使用寿命长，维护简单 • 工艺性好，成本低应用广泛

透射光栅 反射光栅物理光栅计量光栅圆光栅直线光栅三、光栅光栅属于光学元件，是一种高精度的位移传感器。 1. 光栅的种类主要介绍一下直线计量透射光栅。

透射光栅 光栅检测装置的结构

0 1 1,1 0,0 0,1 1,0 反射光栅

2. 直线透射光栅 （1）组成光栅检测装置基本结构示意图

（2）直线透射光栅的工作原理 由于挡光效应和光的衍射，在与线纹几乎垂直方向上，会出现明暗交替、间隔相等的粗大条纹，称为“莫尔条纹” 。

q = w B / 2sin 2 w 由于θ很小，因此 µ B q • 莫尔条纹的特点 • 放大作用莫尔条纹纹距B与光栅节距w和倾角θ之间的关系：光栅横向移动一个节距w，莫尔条纹正好沿刻线上下移动一个节距B，用光电元件检测莫尔条纹信号的变化就可以测量光栅的位移。例：当w = 0.01mm， θ= 0.01 red，则 B = 1mm，将栅距放大100倍的莫尔条纹宽度。

2B B q = w B / 2sin 2 光栅尺横向莫尔条纹及其参数

莫尔条纹 移动方向 θ角的旋转方向光栅移动方向莫尔条纹的特点（续）： • 均化误差作用 • 莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，栅距之间的相邻误差被均化。短光栅的工作长度愈长,这一均化误差的作用愈显著。 • 根据莫尔条纹的移动与栅距移动的对应关系

（3）辨向 为了辨别运动方向，需配置两个彼此错开1/4纹距的光电元件，使输出电信号彼此在相位上差90°，若以其中的一个作为参考信号，则另一个信号将超前或滞后参考信号90°，由此来确定运动方向。（4）倍频倍频又称为细分，倍频数就是指在莫尔条纹一个周期的范围内，等距离安装的感光元件的数目，从而在一个周期内产生若干个脉冲，达到细分的目的。提高倍频数可以提高光栅的最小读数值，提高分辨率，精密机床的测量常采用高倍频。例：栅距w = 0.01mm，十倍频后，最小读数值1mm.

四倍频电路

（5）特点 • 优点： 1）精度高测直线：精度 0.5-3mm，分辨率0.1mm 2）易实现动态测量和自动化测量 3）较强的抗干扰能力 • 缺点： 1）对环境要求高，怕振动，怕油污 2）高精度光栅制作成本高目前多用于精密定位的数控机床，数显机床中也应用较多。

四、编码器 • 一种旋转式的检测角位移的传感器。 • 将角位移用数字(脉冲)形式表示，故又称脉冲编码器。广泛应用于NC机床的位置检测，也常用它作为速度检测元件。 • 1、编码器分类 • 按码盘信号的读取方式可分为：光电式、接触式和电磁式以光电式的精度和可靠性最好，NC机床常用光电式编码器 • 按测量坐标系又可分为：增量式和绝对式 • 按每转发出的脉冲数分为：高分辨率 20000-30000p/r 普通分辨率 2000-3000p/r

2. 增量式光电脉冲编码器 （1）组成由光源、聚光镜、光电盘、光栏板、光敏元件(光电管)、整形放大电路和数字显示装置等组成。

光电编码器在旋转工作台上的安装

（2）工作原理 光电盘按装在被测轴上，随主轴一起转动。光电盘转动时，光电元件把通过光电盘和光栏板射过来的忽明忽暗的光信号(近似于正弦信号)转换为电信号，经整形、放大等电路的变换后变成脉冲信号，通过计算脉冲的数目，即可测出工作轴的转角，并通过数显装置进行显示。通过测定计数脉冲的频率，即可测出工作轴的转速。

A相 A相 A相 A相 B相 B相 B相 B相 90° 90° 90° 90° （3）脉冲编码器的辨向光栏板上两条狭缝中的信号A和B(相位差90°)，通过整形，成为两相方波信号。根据先后顺序，即可判断光电盘的正反转。若A相超前于B相，对应电动机正转；若B相超前A相，对应电动机反转。若以该方波的前沿或后沿产生计数脉冲，可以形成代表正向位移和反向位移的脉冲序列。

（4）提高光电脉冲编码器分辨率的方法 • 提高光电盘圆周的等分狭缝的密度，实际上是使光电盘的狭缝变成了圆光栅线纹。 • 增加光电盘的发信码道，使盘上不仅只有一圈透光狭缝，而且有若干大小不等的同心圆环狭缝(称为码道)，光电盘回转一周发出的脉冲信号数增多，使分辨率提高。

3. 绝对式光电脉冲编码器 （1）结构绝对式脉冲编码器结构与增量式相似，就是在码盘的每一转角位置刻有表示该位置的唯一代码，称为绝对码盘。绝对式脉冲编码器是通过读取编码盘上的代码(图案)来表示轴的位置。

码盘的种类 按码制不同分二进制码、格雷码（循环码）、十进制码、六十进制码等，最常用的是二进制循环码盘。纯二进制码有一个缺点：相邻两个二进制数可能有多位二进制码不同，当数码切换时有多个数位要进行切换，增大了误读的机率。而格雷码则不同，相邻两个二进制数码只有一个数位不同，因此两数切换时只在一位进行，提高了读数的可靠性。

（3）工作原理 光源经过柱面镜，变成一束平行光照射在码盘上，通过码盘经狭缝形成一束很窄的光束照射在光电元件上，光电元件的排列与码道一一对应，亮区输出为“1”，暗区输出为“0”，再经信息处理电路，进行放大、整形、锁存与译码，输出自然二进制代码，从而实现了角度的绝对值测量。

（4）应用 • 在实际应用过程中，用绝对脉冲编码器来检测轴的位置和速度时，当编码器旋转超过一周时，读出准确数值的解决方法： • 在旋转轴上安装多个码盘，其中一些盘是专门用来计量所转过的圈数N，而另一部分码盘是用来检测一圈以内的度数θ。之后将两个码盘所检测的进行(N×360°＋θ)的叠加。 • 在软件设计时，设置一个专门的计数器，并规定码盘上的一个专门的代码为“零”代码，当码盘转过“零”代码时，计数器的值就被自动加一，这样也可以实现即测圈数又测度数的目的。

开环伺服系统 ☆ 开环伺服系统采用步进电机作为驱动元件； ☆ 没有位置反馈回路和速度反馈回路； ☆ 设备投资低，调试维修方便，但精度差，高速扭矩小； ☆ 用于中、低档数控机床及普通机床改造。

闭环伺服系统 ☆闭环伺服系统的位置检测装置安装在机床的工作台上； ☆检测装置构成闭环位置控制。 ☆闭环方式被大量用在精度要求较高的大型数控机床上。

第五章 伺服驱动系统