第四章伺服控制系统
内容提要
第一节概述
第二节伺服系统的驱动元件第三节位置控制系统
第四节伺服系统的特性对数控机床加工精度的影响
第一节概述
●伺服系统的概念
●数控机床对伺服系统的
要求
伺服系统的概念
伺服系统是一种反馈控制系统，以指令脉冲为输入给定值，与输出量进行比较，利用偏差值对系统进行自动调节，以消除误差，使输出量紧密跟踪给定值
•伺服系统一般由驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件、执行件和检测反馈环节等组成
•伺服系统的性能直接关系到数控机床执行部件的静态和动态特性、工作精度、负载能力、响应快慢和稳定程度等
•进给系统的作用在于保证切削过程能够继续进行，不能控制执行件的位移和轨迹；伺服系统将指令信息加以转换和放大，不仅能控制执行件的速度、方向，而且能精确控制其位置，以及几个执行件按一定的运动规律合成的轨迹
数控机床对伺服系统的要求●调速范围宽
调速范围是指最高进给速度和最低
进给速度之比。
由于加工所用的刀
具、被加工零件材质以及零件加工
要求的变化范围很广，为了保证在
所有加工情况下都能得到最佳的切
削条件和加工质量，要求有很大的
同时要求在调速范围内，速度均匀、稳定，低速时无爬行，在零速时
伺服电机处于电磁锁住状态，以保
证定位精度不变
●精度高
数控机床是按预定的程序自动进行加工的，不可能像普通机床那样用
手动操作来调整和补偿各种因素对
加工精度的影响，故要求数控机床
的实际位移和指令位移之差要小
●响应快
要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快，即灵敏程度要高，达到最大
稳定速度的时间要短，这种过渡一
般都在200ms以内，甚至几十毫秒
响应的快慢反映了系统跟踪精度的高低，且直接影响轮廓加工精度的
高低和加工表面质量的好坏
●低速大扭矩
数控机床的进给系统常在相对较低的速度下进行切削，故要求伺服系
统能够输出大的转矩。
普通加工直
径为400mm的车床，纵向和横向的
驱动力矩都在10Nm以上
为了输出大的扭矩，数控机床的进给传动链应尽量短，传动的摩擦系
数尽量小，并减少间隙，提高刚度
，减少惯量，提高效率
第二节伺服系统的驱动元件 驱动元件(伺服电机)是伺服系统
的关键部件，它接受控制系统
发来的进给指令信号，并将其
转变为角位移或直线位移，以
驱动数控机床的进给部件实现
所要求的运动
对伺服驱动元件的要求●这种运动要能进、能退、能快
、能慢，既精确又灵敏。
它应
满足
调速范围宽
精度高
电机负载特性好
电机的结构简单
直流伺服电机
●工作原理
直流伺服电机与一般直流电机的工作原理完全相同，他励直流电机转
子上的载流导体(即电枢绕组)在定
子磁场中受到电磁转矩M的作用，
使电机转子旋转
直流伺服电机
直流伺服电机
直流伺服电机
直流电机的静态特性
上式表示电机转速与电磁力矩的关系，称为机械特性，即静
态特性。
稳定运行时，电磁转
矩与所带负载转矩相等
当电机带动某一负载时，电机转速与理想空载转速会有一个
差值，这一差值表明了机械特
性的硬度，差值越小，机械特
性越硬
在数控机床的进给伺服系统中，电机经常处于过渡过程工作
状态，其动态特性直接影响生
产率、加工质量和表面质量
本小节结束
直流伺服电机具有良好的调速性能，但直流电机的电刷和换向器易磨
损，需要经常维护，而且换向器换
向时会产生火花，使电机的转速和
应用环境受到限制。
交流电机则没
有上述缺点，且转子惯量比直流电
机小，动态响应更好
●一般在同样的体积下，交流电机
的输出功率可比直流电机提高
10%-70%。
同时，交流电机的容
量可比直流电机大些，电压和转
速也更高
●在数控机床上主要应用的是永磁
式交流伺服电机
交流伺服电机的调速方法
●交流伺服电机的调速采用变频调速
的方法，即改变电源的频率
●交流伺服电机变频调速的关键问题
是要获得变频、调压的交流电源
●变频调压常用交流-直流-交流方法，
即将工频交流电整流成直流电，再
将直流逆变为频率可调的交流电
直线电机
将旋转电机沿径向剖开后，拉直展开便形成了直线电机。
它
省去了联轴器、滚珠丝杠螺母
副等传动环节，直接驱动工作
台移动
直线电机
目前应用较多的是交流直线电机，原来的定子称为“初级”
，原来的转子称为“次级”。
将“初级”和“次级”分别安
装在机床的运动部件和固定部
件上，初级的三向绕组通电时
即可实现部件间的相对运动
步进电机
●步进电机是一种将电脉冲信号转换
为机械角位移的机电执行元件
●步进电机的转子上无绕组，且均匀
分布若干个齿，定子上有激磁绕组。
当输给激磁绕组一个电脉冲时，
转子就转过一个相应的角度，称为
步距角。
步进电机
步进电机的角位移和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上
与输入脉冲同步。
步进电机的
调速范围、响应特性、位置精
度等都能满足一定场合的应用
要求
步进电机的工作原理
以三相三拍步进电机为例，如果按照A-B-C-A的顺序通电，转子则沿逆
时针方向一步一步地转动，每步转
过30度，显然，单位时间内通入的
电脉冲数越多，即电脉冲的频率越
高，电机转速越高
如果按照A-C-B-A的顺序通电，步进电机将沿着顺时针方向一
步步地转动。
因而只要控制输
入脉冲的数量、频率和通电绕
组的相序，即可获得所需转角
、转速及旋转方向
●从一相通电换接到另一相通电
称为一拍。
每一拍转子转动一
个步距角
●步进电机的步距角越小，则所
能达到的位置精度越高。
为此
需要将转子做成多齿
在步进电机步距角不能满足使用的条件下，可采用细分驱动
器来驱动步进电机，细分驱动
器的原理是通过改变相邻(A，B)
电流的大小，以改变合成磁场
的夹角来控制步进电机运转的
步进电机的主要特性
步进电机的主要特性
步进电机的主要特性 步进电机运行时，当控制脉冲的转换间隔小于电机的电磁和机械的过
渡过程，即前一个脉冲信号使步进
电机步距运动速度尚未达到零，新
的脉冲随即到来时，步进电机是按
与控制脉冲频率相应的同步速度作
连续运行的。
在连续运行状态下，
步进电机的电磁力矩是随着频率的
对主轴驱动系统的要求●机床的主轴驱动和进给驱动有很大
的差别，机床主轴运动通常是旋转
运动，无需丝杠或其他直线运动装
置
●在上世纪60年代中期，采用三相感
应电机配上多级变速箱被认为是机
床主轴传动的满意结构
随着生产率的不断提高，机床结构有了很大的改进，由于要求进一步
提高机床的生产率和刀具的利用率
，对主轴驱动提出了更高的要求，
既要能输出大功率，又要求结构简
单，有更大的无极调速范围
在一些机床上对主轴传动有特殊的要求，如为使数控车床等具有螺纹
切削功能，要求主轴能与进给运动
实现同步控制。
在加工中心上为了
实现自动换刀，要求主轴能进行高
精度准停控制。