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第 6 章 数控伺服系统 6﹒1 概 述 数控机床伺服系统是数控系统的重要组成部分, 它是以机床移动部件的位置和速度为控 制量的自动控制系统，又称位置随动系统、驱动系统、伺服机构或伺服单元。在数控机床中， 伺服系统是数控装置和机床主机的联系环节，接收 CNC 装置插补器 （由硬件或软件组成） 发出的进给脉冲或进给位移量信息，经过变换和放大由伺服电机带动传动机构，最后转化为 机床的直线或转动位移。由于伺服系统中包含了大量的电力电子器件，并应用反馈控制原理 和许多其它新技术，因此系统结构复杂，综合性强。在一定意义上，伺服系统的静、动态性 能，决定了数控机床的精度、稳定性、可靠性和加工效率。因此，研究与开发高性能的伺服 系统一直是现代数控机床的关键技术之一。 6.1.1 伺服系统的组成 数控伺服系统由伺服电机 （M ）、驱动信号控制转换电路、电力电子驱动放大模块、电流 调解单元、速度调解单元、位置调解单元和相应的检测装置 （如光电脉冲编码器 G 等）组成。 一般闭环伺服系统的结构如图 6.1 所示。这是一个三环结构系统，外环是位置环，中环是速 度环，内环为电流环。 CNC 位置调解 速度调解 电流调解 转换驱动 M 工作台 电流反馈 G 速度反馈 位置反馈 图 6.1 伺服系统结构图 位置环由位置调节控制模块、位置检测和反馈控制部分组成。速度环由速度比较调节器、 速度反馈和速度检测装置 （如测速发电机、光电脉冲编码器等）组成。电流环由电流调节器、 电流反馈和电流检测环节组成。电力电子驱动装置由驱动信号产生电路和功率放大器等组成。 位置控制主要用于进给运动坐标轴，对进给轴的控制是要求最高的位置控制，不仅对单个轴 的运动速度和位置精度的控制有严格要求，而且在多轴联动时，还要求各进给运动轴有很好 的动态配合，才能保证加工精度和表面质量。 位置控制功能包括位置控制、速度控制和电流控制。速度控制功能只包括速度控制和电 流控制，一般用于对主运动坐标轴的控制。 6.1.2 对伺服系统的基本要求 伺服系统为数控系统的执行部件，不仅要求稳定地保证所需的切削力矩和进给速度，而 且要准确地完成指令规定的定位控制或者复杂的轮廓加工控制。对伺服系统的基本要求如下： 1．精度高 伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。作为数控加工，对定 位精度和轮廓加工精度要求都比较高，定位精度一般允许的偏差为 0 ﹒01～0 ﹒001mm ，甚至 221 0 ﹒1µm 。轮廓加工精度与速度控制、联动坐标的协调一致控制有关。在速度控制中，要求较 高的调速精度，具有比较强的抗负载扰动能力。即对静态、动态精度要求都比较高。 2 ．稳定性好 稳定是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，达 到新的或者恢复到原来的平衡状态，对伺服系统要求有较强的抗干扰能力。稳定性是保证数 控机床正常工作的条件，直接影响数控加工的精度和表面粗糙度。 3 ．快速响应 快速响应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。为 了保证轮廓切削形状精度和低的加工表面粗糙度，要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快。 一方面要求过渡过程 （电机从静止到额定转速）时间要短，一般在 200ms 以内，甚至小于几 十毫秒；另一方面要求超调要小。这二方面的要求往往是矛盾的，实际应用中要采取一定措 施，按工艺加工要求做出一定的选择。 4 ．调速范围宽 调速范围R 是指生产机械要求电机能提供的最高转速 n 和最低转速 n max nmin 之比。通常表示为