第五章数控机床伺服系统§５－１概述一、对伺服系统性能的要求1.对机床进给伺服系统的要求(1)进给速度范围要大。（5~10000mm/min）(2)位移精度要高。（高精度数控机床位移精度可达全程范围±5um，一般机床脉冲当量为.01~0.005（.0001）mm/p）(3)跟随误差小，即伺服系统的速度响应快。(4)伺服系统的稳定性要好。(5)低速大转矩。(6)可靠性高。2、对主轴伺服系统的要求主轴伺服系统一般为速度控制系统，除上面的一般要求外，还应具有下面的控制功能。（1）主轴与进给驱动的同步控制（2）准停控制（3）角度分度控制（固定等分角位置控制，连续的任意角度控制）二、数控机床伺服系统的基本组成一般由驱动控制环节、执行元件、机床、或加上反馈检测单元和比较控制环节组成。驱动控制环节的作用：是将进给指令转化为驱动执行元件所需要的信号形式。执行元件的作用：是将该信号转化为相应的机械位移。即：开环系统执行步进电机变频电机闭环系统元件交、直流伺服电机三、数控机床伺服系统的分类１．按其用途和功能划分：１）进给驱动：用于机床工作台或刀架坐标的控制系统。控制机床各坐标轴的切削进给运动和所需的转距。要求：转距小；调节范围小；调节精度的高；动态相应速度。２）主轴驱动：用于控制机床主轴的旋转运动，提供驱动功率和切削力。要求：具用足够的功率，宽的恒功率调节范围及速度调节范围。3）辅助驱动：用于刀库、料库等辅助系统控制。２．按其控制原理和有无位置检测反馈环节划分：１）开环控制２）闭环控制半闭环全闭环３．按驱动执行元件的动作原理划分：１）电液伺服驱动系统２）电气伺服驱动系统直流伺服驱动交流伺服驱动§５－２步进式伺服系统一、步进电机的种类、结构及工作原理１．步进电机的种类按产生力距的原理分反应式激磁式按输出力矩大小分伺服式功率式按定、转子数分：单、双、三、多定子式。按各相绕组分布形式分径向分相式轴向分相式２．步进电机的结构我国使用的步进电机多为反应式步进电机。下面介绍两种：１）单定子、径向分相、反应式伺服电机结构原理组成定子：铁心由电工钢片叠压而成圆周分布有六个齿，每齿又开有五个小齿，齿槽等宽，齿间夹角为九度。转子：均匀分布40个小齿，齿槽等宽，齿间夹角也为九度。定子上有绕组，相对的两齿上的线圈串联在一起，构成一相控制绕组，因此构成三相步进电机。三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开1/3齿距，即当A相小齿与转子小齿对齐时，B相的差1/3齿距，C相差2/3齿距２）五定子、轴相分布、反应式伺服步进电机结构原理定子和转子在轴向分为五段，每一段都形成独立的一相定子铁心、定子绕组和转子。定子上的齿在圆周方向均匀分布，彼此之间错开1/5齿距，其转子齿彼此不错开。３．步进电机的工作原理其工作原理实际上是电磁铁作用的原理，即当某相定子激磁后，它吸引转子，使转子的齿与该相定子磁极上的齿对齐。下图是一种最简单的反应式步进电机，其工作原理为：图a）中，当A相绕组通直流电时→AA相产生磁场→吸引转子使转子的齿与定子AA磁极上的齿对齐→A断电，→B通电→转子的齿与BB磁极上的齿对齐→B断电→C通电………可见，若控制线路不停的按A→B→C→A…顺序送电脉冲，步进电机就转动起来。顺序相反则电机反转。此方式称为三相三拍，步进角为60°。还有三相六拍，即A→AB→B→BC→C→CA→A…。步距角为30°。图b）中定子不变，转子四个磁极。则：当三相三拍时，步距角为30°当三相六拍时，步距角为15°由此可得结论：（１）步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转过一个确定的角度，即步进电机的步距角。（２）改变步进电机定子绕组通电顺序，转子的旋转方向随之改变。（３）通电的变化频率越高，转子的转速越高。（４）步进电机步距角α与定子绕组的相数m，转子的齿数z，通电的方式k有关。即：α=360°/（mzk）式中：当为m相m拍时，K=1当为m相2m拍时，K=2４．步进电机的主要特性因步进电机的性能直接影响着伺服系统的性能，所以在选择电机时，要重视其特性。步进电机的性能指标很多，从控制角度来看，我们关注以下特性：１）步距角α：反应步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过的角度。所以它是决定步进伺服系统脉冲当量的重要参数。一般0.5ｏ＿3ｏ之间。２）矩角特性、最大静态转矩Mjmax和启动转矩Mq矩角特性是步进电机的一个重要特性，它是指步进电机产生静态转矩Mj与失调角θ的变化规律。空载时，步进电机某相绕组通电，在电机轴上加一负载转矩M，当出现平衡时，转子受电磁转矩Mj=M。转子逆向转过的角度为θ。此时称Mj为静态转矩，θ为失调角。不断改变M值，对应就有M