潘维亚1Word文档格式.docx
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高精度的数控机床脉冲当量0.001mm/脉冲以上；
进给速度在0~24m/min的范围内连续可调
三、工作内容和要求：
收集、查阅数控伺服驱动系统资料，了解行业最新动态。
介绍伺服驱动系统的作用、分类、组成及工作原理，数控机床对伺服驱动系统的要求。
着重于开环进给伺服系统和闭环伺服驱动系统论述。
四、主要参考文献：
1.王贵明《数控实用技术》
2.刘文言《机床数控技术》
3.王爱玲刘永姜《数控原理及数控系统》
4.郑晓峰《数控原理系统》
学生（签名）09年8月日
指导教师（签名）09年8月日
教研室主任（签名）年月日
系主任（签名）年月日
毕业设计（论文）开题报告
设计（论文题目）
数控机床的伺服驱动系统的设计
—、选题的背景和意义：
伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。
伺服的主要任务是按控制命令的要求、对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制的非常灵活方便。
伺服系统是以机械运动的驱动设备，电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。
这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。
作为数控机床的执行机构，伺服系统将电力电子器件、控制、驱动及保护等集为一体，并随着数字脉宽调制技术、特种电机材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步，经历了从步进到直流，进而到交流的发展历程。
二、课题研究的主要内容：
1．概述
2．伺服系统的结构
3．伺服系统的分类
4开环进给伺服系统
5闭环伺服驱动系统
6．伺服系统应具有的基本性能
7.伺服驱动系统的发展
8．进给伺服系统的现状与展望
9.结论
三、主要研究（设计）方法论述：
探讨伺服系统的结构，分类其现状与发展。
四、设计（论文）进度安排：
时间
工作内容
2009.8.1～2009.8.4
领取设计任务书，完成开题报告。
2009.8.5～2009.8.7
开题报告审核，修改，确定。
2009.8.7～2009.8.20
毕业设计开展，初稿完成。
2009.8.21～2009.8.30
修改，定稿。
完成设计。
五、指导教师意见：
指导教师签名：
年月日
六、系部意见：
系主任签名：
目录
摘要………………………………………………………………1
1．概述…………………………………………………………1
2．伺服系统的结构…………………………………………………2
3．伺服驱动系统的分类…………………………………………2
4．开环进给伺服系统…………………………………………………3
5．闭环伺服驱动系统…………………………………………………4
6伺服系统应具有的基本性能…………………………………………5
7.伺服系统的发展……………………………………………………10
8.进给伺服系统的现状与展望………………………………………11
参考文献……………………………………………………………16
毕业设计（论文）成绩评定表………………………………………17
数控机床的伺服驱动系统
潘维亚
（常州信息职业技术学院江苏常州）
摘要:
伺服系统是以机械运动的驱动设备，电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。
关键词:
机械运动；
电动机；
控制器；
控制系统
NCMachineToolServeDriveSystem
Panweiya
（ChangzhouCollegofInformationTechnology,Changzhou,Jiangsu）
Abstract:
Servesystemismechanicaldriveequipment,motorcontroltargets,controllersatthecore,thepowertotransformthepowerofelectronicdevicesfortheimplementationofinstitutions,inautomaticcontroltheory,undertheguidanceofanelectricaltransmissionautomaticcontrolsystem.
Keywords:
Mechanicalmorement;
Motor;
Controller;
Controlsystem.
1.概述
数控机床伺服系统是以数控机床移动部件（如工作台、主轴或刀具等）的位置和速度为控制对象的自动控制系统，也称为随动系统、拖动系统或伺服机构。
它接受CNC装置输出的插补指令，并将其转换为移动部件的机械运动（主要是转动和平动）。
伺服系统是数控机床的重要组成部分，是数控装置和机床本体的联系环节，其性能直接影响数控机床的精度、工作台的移动速度和跟踪精度等技术指标。
通常将伺服系统分为开环系统和闭环系统。
开环系统通常主要以步进电动机作为控制对象，闭环系统通常以直流伺服电动机或交流伺服电动机作为控制对象。
在开环系统中只有前向通路，无反馈回路，CNC装置生成的插补脉冲经功率放大后直接控制步进电动机的转动；
脉冲频率决定了步进电动机的转速，进而控制工作台的运动速度；
输出脉冲的数量控制工作台的位移，在步进电动机轴上或工作台上无速度或位置反馈信号。
在闭环伺服系统中，以检测元件为核心组成反馈回路，检测执行机构的速度和位置，由速度和位置反馈信号来调节伺服电动机的速度和位移，进而来控制执行机构的速度和位移。
图1闭环伺服系统典型结构
数控机床闭环伺服系统的典型结构如图1所示。
这是一个双闭环系统，内环是速度环，外环是位置环。
速度环由速度调节器、电流调节器及功率驱动放大器等部分组成，利用测速发电机、脉冲编码器等速度传感元件，作为速度反馈的测量装置。
位置环是由CNC装置中位置控制、速度控制、位置检测与反馈控制等环节组成，用以完成对数控机床运动坐标轴的控制。
数控机床运动坐标轴的控制不仅要完成单个轴的速度位置控制，而且在多轴联动时，要求各移动轴具有良好的动态配合精度，这样才能保证加工精度、表面粗糙度和加工效率。
2.伺服系统的结构
从基本结构来看，伺服系统主要由三部分组成：
控制器、功率驱动装置、反馈装置和电动机。
控制器按照数控系统的给定值和通过反馈装置检测的实际运行值的差，调节控制量；
功率驱动装置作为系统的主回路，一方面按控制量的大小将电网中的电能作用到电动机之上，调节电动机转矩的大小，另一方面按电动机的要求把恒压恒频的电网供电转换为电动机所需的交流电或直流电；
电动机则按供电大小拖动机械运转。
根据驱动电动机的类型，可将其分为直流伺服和交流伺服；
根据控制器实现方法的不同，可将其分为模拟伺服和数字伺服；
根据控制器中闭环的多少，可将其分为开环控制系统、单环控制系统、双环控制系统和多环控制系统。
3.伺服系统的分类
（1）按照调节理论分类，伺服系统可以分为开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统。
（2）按使用的驱动元件分类，伺服系统可以分为电液伺服系统和电气伺服系统，电液伺服系统的执行元件是电液脉冲马达和电液伺服马达。
但由于该系统存在噪音、漏油等问题，其逐渐被电气伺服系统所取代。
电气伺服系统全部采用电子元件和电动机部件，操作方便，可靠性高。
目前电气伺服系统的驱动元件主要有步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机，有关这些驱动元件的工作原理可以参阅本章中的相关内容。
（3）按反馈比较控制方式分类
1）脉冲、数字比较伺服系统该系统是闭环伺服系统中的一种控制方式，它是将数控装置发出的数字（或脉冲）指令信号与检测装置测得的数字（或脉冲）形式的反馈信号直接进行比较，以产生位置误差，实现闭环控制。
该系统机构简单，容易实现，整机工作稳定，因此得到广泛地应用。
2）相位比较伺服系统该系统中位置检测元件采用相位工作方式，指令信号与反馈信号都变成某个载波的相位，通过相位比较来获得实际位置与指令位置的偏差，实现闭环控制。
该系统适应于感应式检测元件（如旋转变压器、感应同步器）的工作状态，同时由于载波频率高、响应快，抗干扰能力强，因此特别适合于连续控制的伺服系统。
3）幅值比较伺服系统该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，并以此信号作为位置反馈信号，与指令信号进行比较获得位置偏差信号构成闭环控制。
上述三种伺服系统中，相位比较伺服系统和幅值比较伺服系统的结构与安装都比较复杂，因此一般情况下选用脉冲、数字比较伺服系统，同时相位比较伺服系统较幅值比较伺服系统应用得广泛一些。
4）全数字伺服系统随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展，数控机床的伺服系统已开始采用高速、高精度的全数字伺服系统，使伺服控制技术从模拟方式、混合方式走向全数字方式。
由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化、软件处理数字PID，柔性好，使用灵活。
全数字控制使伺服系统的控制精度和控制品质大大提高。
4.开环进给伺服系统
开环伺服系统由步进电动机和步进电动机驱动线路组成。
数控装置根据输入指令，经过运算发出脉冲指令给步进电动机驱动线路，从而驱动工作台移动一定距离。
这种伺服系统比较简单，工作稳定，容易掌握使用，但精度和速度的提高受到限制。
只用于经济型数控机床。
开环控制是指控制装置与被控对象之间只有按顺序工作，没有反向联系的控制过程,按这种方式组成的系统称为开环控制系统,其特点是系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响，没有自动修正或补偿的能力
开环控制没有反馈环节，系统的稳定性不高,响应时间相对来说很长,精确度不高,使用于对系统稳定性精确度要求不高的简单的系统.
开环控制数控机床
这类控制的数控机床是其控制系统没有位置检测元件，伺服驱动部件通常为反应式步进电动机或混合式伺服步进电动机。
数控系统每发出一个进给指令，经驱动电路功率放大后，驱动步进电机旋转一个角度，再经过齿轮减速装置带动丝杠旋转，通过丝杠螺母机构转换为移动部件的直线位移。
移动部件的移动速度与位移量是由输入脉冲的频率与脉冲数所决定的。
此类数控机床的信息流是单向的，即进给脉冲发出去后，实际移动值不再反馈回来，所以称为开环控制数控机床。
开环控制系统的数控机床结构简单，成本较低。
但是，系统对移动部件的实际位移量不进行监测，也不能进行误差校正。
因此，步进电动机的失步、步距角误差、齿轮与丝杠等传动误差都将影响被加工零件的精度。
开环控制系统仅适用于加工精度要求不很高的中小型数控机床，特别是简易经济型数控机床。
5.闭环伺服驱动系统
闭环伺服系统由伺服电动机、比较线路、伺服放大线路、速度检测器和安装在工作台上的位置检测器组成。
这种系统对工作台实际位移量进行自动检测并与指令值进行比较，用差值进行控制。
这种系统定位精度高，但系统复杂，调试和维修困难，价格较贵，主要用于高精度和大型数控机床。
闭环控制有反馈环节，通过反馈系统是系统的精确度提高,响应时间缩短,适合于对系统的响应时间,稳定性要求高的系统.
闭环控制数控机床
闭环控制数控机床是在机床移动部件上直接安装直线位移检测装置，直接对工作台的实际位移进行检测，将测量的实际位移值反馈到数控装置中，与输入的指令位移值进行比较，用差值对机床进行控制，使移动部件按照实际需要的位移量运动，最终实现移动部件的精确运动和定位。
从理论上讲，闭环系统的运动精度主要取决于检测装置的检测精度，也与传动链的误差无关，因此其控制精度高。
闭环控制数控机床的定位精度高，但调试和维修都较困难，系统复杂，成本高。
6.伺服系统应具有的基本性能
（1）高精度：
伺服系统的精度指输出量能够复现输入量的精确程度。
由于数控机床执行机构的运动是由伺服电动机直接驱动的，为了保证移动部件的定位精度和零件轮廓的加工精度，要求伺服系统应具有足够高的定位精度和联动坐标的协调一致精度。
一般的数控机床要求的定位精度为0.01~0.001mm，高档设备的定位精度要求达到0.1μm以上。
在速度控制中，要求高的调速精度和比较强的抗负载扰动能力。
即伺服系统应具有比较好的动、静态精度。
（2）良好的稳定性稳定性是指系统在给定输入作用下，经过短时间的调节后达到新的平衡状态；
或在外界干扰作用下，经过短时间的调节后重新恢复到原有平衡状态的能力。
稳定性直接影响数控加工的精度和表面粗糙度，为了保证切削加工的稳定均匀，数控机床的伺服系统应具有良好的抗干扰能力，以保证进给速度的均匀、平稳。
（3）动态响应速度快动态响应速度是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。
目前数控机床的插补时间一般在20ms以下，在如此短的时间内伺服系统要快速跟踪指令信号，要求伺服电动机能够迅速加减速，以实现执行部件的加减速控制，并且要求很小的超调量。
（4）调速范围要宽，低速时能输出大转矩。
机床的调速范围RN是指机床要求电动机能够提供的最高转速nmax和最低转速nmin之比。
一般的数控机床进给伺服系统的调速范围RN为1：
24000就足够了，代表当前先进水平的速度控制单元的技术已可达到1：
100000的调速范围。
同时要求速度均匀、稳定、无爬行，且速降要小。
在平均速度很低的情况下（1mm/min以下）要求有一定瞬时速度。
零速度时要求伺服电动机处于锁紧状态，以维持定位精度。
机床的加工特点是低速时进行重切削，因此要求伺服系统应具有低速时输出大转矩的特性，以适应低速重切削的加工实际要求，同时具有较宽的调速范围以简化机械传动链，进而增加系统刚度，提高转动精度。
一般情况下，进给系统的伺服控制属于恒转矩控制，而主轴坐标的伺服控制在低速时为恒转矩控制，高速时为恒功率控制。
车床的主轴伺服系统一般是速度控制系统，除了一般要求之外，还要求主轴和伺服驱动可以实现同步控制，以实现螺纹切削的加工要求。
有的车床要求主轴具有恒线速功能。
（5）高性能电动机伺服电动机是伺服系统的重要组成部分，为使伺服系统具有良好的性能，伺服电动机也应具有高精度、快响应、宽调速和大转矩的性能。
具体是：
1）电动机从最低速到最高速的调速范围内能够平滑运转，转矩波动要小，尤其是在低速时要无爬行现象；
2）电动机应具有大的、长时间的过载能力，一般要求数分钟内过载4~6倍而不烧毁；
3）为了满足快速响应的要求，即随着控制信号的变化，电动机应能在较短的时间内达到规定的速度；
4）电动机应能承受频繁启动、制动和反转的要求。
7.伺服驱动系统的发展
最早的数控机床采用步进电机和液压转矩放大器（又称电液脉冲马达）作为驱动电机。
功率型步进电机出现后，因为其功率较大，可直接驱动机床，使用方便，逐渐取代了电脉冲马达。
60年代初期，美国和欧洲采用液压伺服系统。
同期，日本首先研制出一种新型小惯量直流伺服电机，其动态响应快，不亚于液压伺服系统，同时，用来驱动直流伺服电机的大功率晶闸管整流器的价格下降，所以在60年代中后期数控机床上普遍采用小惯量直流伺服电机。
小惯量直流伺服电机最大的特点是转速高，用于机床进给驱动时，必须使用齿轮减速箱，为了省去齿轮箱，70年代，美国盖梯茨公司首先研制成功了大惯量直流伺服电机，又称宽调速直流伺服电机，可以直接与机床的丝杠相连。
目前，许多数控机床都是使用大惯量直流伺服电机。
直流伺服电机结构复杂，经常需要维修。
80年代初期美国通用电气公司研制成功笼型异步交流伺服电机。
交流伺服电机的优点是没有电刷，避免了滑动摩擦，运转时无火花，进一步提高了可靠性，交流伺服电机也可以直接与滚珠丝杠相互连接，调速范围与大惯量直流伺服电机相近。
根据统计，欧美日近年生产的数控机床，采用交流伺服电机进行调速占80％以上，采用直流伺服电机所占比例不足20％。
可以看出，采用交流伺服电机的调速系统已经成为数控机床的主要调速方法。
8.进给伺服系统的现状与展望
进给伺服以数控机床的各坐标为控制对象，产生机床的切削进给运动。
为此，要求进给伺服能快速调节坐标轴的运动速度，并能精确地进行位置控制。
具体要求其调速范围宽、位移精度高、稳定性好、动态响应快。
根据系统使用的电动机，进给伺服可细分为步进伺服、直流伺服、交流伺服和直线伺服。
8.1步进伺服系统
步进伺服是一种用脉冲信号进行控制，并将脉冲信号转换成相应的角位移的控制系统。
其角位移与脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率可调节电动机的转速。
如果停机后某些绕组仍保持通电状态，则系统还具有自锁能力。
步进电动机每转一周都有固定的步数，如500步、1000步、50
000步等等，从理论上讲其步距误差不会累计。
步进伺服结构简单，符合系统数字化发展需要，但精度差、能耗高、速度低，且其功率越大移动速度越低。
特别是步进伺服易于失步，使其主要用于速度与精度要求不高的经济型数控机床及旧设备改造。
但近年发展起来的恒斩波驱动、PWM驱动、微步驱动、超微步驱动和混合伺服技术，使得步进电动机的高、低频特性得到了很大的提高，特别是随着智能超微步驱动技术的发展，将把步进伺服的性能提高到一个新的水平。
8.1.1步进电动机伺服系统
步进电动机伺服系统一般构成典型的开环伺服系统。
在这种开环伺服系统中，执行元件是步进电动机。
步进电动机是一种可将电脉冲转换为机械角位移的控制电动机，并通过丝杠带动工作台移动。
通常该系统中无位置、速度检测环节，其精度主要取决于步进电动机的步距角和与之相联传动链的精度。
步进电动机的最高转速通常均比直流伺服电动机和交流伺服电动机低，且在低速时容易产生振动，影响加工精度。
但步进电动机伺服系统的制造与控制比较容易，在速度和精度要求不太高的场合有一定的使用价值，同时步进电动机细分技术的应用，使步进电动机开环伺服系统的定位精度显著提高，并可有效地降低步进电动机的低速振动，从而使步进电动机伺服系统得到更加广泛的应用。
特别适合于中、低精度的经济型数控机床和普通机床的数控化改造。
步进电动机伺服系统主要应用于开环位置控制中，该系统由环形分配器、步进电动机、驱动电源等部分组成。
这种系统简单容易控制，维修方便且控制为全数字化，比较适应当前计算机技术发展的趋势。
8.2直流伺服系统
直流伺服的工作原理是建立在电磁力定律基础上。
与电磁转矩相关的是互相独立的两个变量主磁通与电枢电流，它们分别控制励磁电流与电枢电流，可方便地进行转矩与转速控制。
另一方面从控制角度看，直流伺服的控制是一个单输入单输出的单变量控制系统，经典控制理论完全适用于这种系统，因此，直流伺服系统控制简单，调速性能优异，在数控机床的进给驱动中曾占据着主导地位。
然而，从实际运行考虑，直流伺服电动机引入了机械换向装置。
其成本高，故障多，维护困难，经常因碳刷产生的火花而影响生产，并对其他设备产生电磁干扰。
同时机械换向器的换向能力，限制了电动机的容量和速度。
电动机的电枢在转子上，使得电动机效率低，散热差。
为了改善换向能力，减小电枢的漏感，转子变得短粗，影响了系统的动态性能。
8.2.1直流伺服电动机及其速度控制
以直流伺服电动机作为驱动元件的伺服系统即为直流伺服系统。
直流伺服电动机具有良好的调速性能，尤其是他励（永磁）直流伺服电动机，其机械特性比较硬，即负载增加时，电动机转速的降幅很小。
（1）直流伺服电动机
数控机床直流主轴驱动系统中所用的直流主轴电动机与普通直流电动机基本相同。
而在直流进给伺服驱动系统中，永磁直流伺服电动用得较为普遍。
1）直流主轴电动机。
直流主轴电动机的结构与普遍直流电动机的结构基本相同。
其定子也有主磁极和换向磁极，采用矽钢片叠成。
在主磁极上除了绕有主磁极绕组外，还绕有补偿绕组，其作用是为了抵消转子反应磁动势对气隙主磁通的影响，改善电动机的调速性能。
换向磁极的作用是为了改善电动机的换向性能。
直流主轴电动机都采用轴向强迫通风冷却或热管冷却，以改善冷却效果，避免电动机热量传到主轴 电动机尾部还同轴安装有测速发电机作为速度反馈元件。
2）进给直流伺服电动机。
在数控机床的直流进给伺服驱动系统中，多采用永磁直流伺服电动机作为驱动元件。
永磁直流伺服电动机由电动机本体和检测部件组成。
电动机本体主要由机壳、定子磁极和转子三部分组成。
反馈用的检测部件有高精度的测速发电机、旋转变压器以及脉冲编码器等，它们同轴安装在电动机的尾部（非轴伸出端）。
永磁直流伺服电动机的定子磁极是一个永磁体。
永磁直流伺服电动机的转子分为普通型和小惯量型两类。
与一般直流电动机相比，转子铁芯长度对直径的比大些，气隙小些。
小惯量型转子又可分无槽转子、空心杯形转子和印刷绕组转子。
三种小惯量型转子直流伺服电动机的共同特点是转子惯量小，适合于快速响应的伺服系统。
但其过载能力低，当用于数控机床等进给伺服系统中时，由于转子惯量与机械传动系统匹配较差，电动机械传动系统不能直接相连，必采取一些措施。
永磁直流伺服电动机的转矩一速度特性曲线，又叫工作曲线。
伺服电动机的工作区域被温度极限线、转速极限线、换向极限线、转矩极限线以及瞬时换向极限线划分成三个区域：
Ⅰ区为连续工作区，在该区域内转矩和转速的任意组合都可以长时间连续工作。
Ⅱ区为断续工作区，在该区域内电动机只能按允许的工作时间和断电时间歇工作。
Ⅲ区为加速和减速区，在该区域内电动机只能作加速或减速，工作极短的时间。
（2）直流伺服电动机的速度控制方法
1）直流主轴电动机的速度控制。
直流主轴电动机为他励直流电动机,调速系统为双域调速系统，由转子绕组控制回路和磁场控制回路两部分组成。
在转子绕组控制回路中，通过改变转子绕组电压（即外加电压）调速，适于基本速度以下的恒转矩范围。
在磁场控制回路中，通过改变励磁电流（即改变磁通φ）调速，为恒功率调速，适于基本速度以上的恒功率范围。
2）永磁直流伺服电动机的速度控制。
用于数控机床进给伺服系统中的永磁直流伺服电动机多采用改变外加电压的调速方法。
这是因为这种调速方法具有恒转矩调速特性、机械特性好、经济性能好等特点。
常采用的调速系统有两种，即晶闸管调速系统和晶体管脉宽调制（PWM－PulseWidthModulation）调速系统。
现代数控机床的直接进给伺服系统中多采用晶体管脉宽调制调速系统。
所谓脉宽调制调速，就是将直流电压转换成某一频率的矩形波电压，加到直流电动机转子绕组两端，通过对矩形波脉冲宽度的控制，改变转子绕组两端的平均电压，从而达到调节电动机转速的目的。
8.3交流伺服系统
针对直流电动机的缺陷，如果将其做“里翻外”的处理，即把电驱绕组装在定子、
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