4.3 数控机床的伺服驱动系统 伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统，而在数控机床中，伺服系统主要指各坐标轴进给驱动的位置控制系统，它由执行组件（如步进电机、交直流电动机等）和相应的控制电路组成，包括主驱动和进给驱动。伺服系统接收来自CNC装置的进给脉冲，经变换和放大，再驱动各加工坐标轴按指令脉冲运动。这些轴有的带动工作台，有的带动刀架，通过几个坐标轴的综合联动，使刀具相对于工件产生各种复杂的机械运动，加工出所要求的复杂形状工件。

4.3.1 伺服系统的性能 由于各种数控机床所完成的加工任务不同，它们对进给伺服系统的要求也不尽相同，但通常可概括为以下几方面。 4.3.1 伺服系统的性能 由于各种数控机床所完成的加工任务不同，它们对进给伺服系统的要求也不尽相同，但通常可概括为以下几方面。 调速范围宽 要求伺服电动机有很宽的调速范围和优良的调速特性，不仅要满足低速切削的要求，如5mm／min，还要能满足高速进给的要求，如1000mm／min，甚至更大的范围。

快速响应并无超调　位置伺服系统要有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快。这就对伺服系统的动态性能提出两方面的要求。一般要求电机速度由零到最大，或从最大减少到零，时间应控制在200ms以下，甚至少于几十ms，且速度变化时不应有超调。另一方面当负载突变时，过渡过程前沿要陡，恢复时间要短，且无震荡，这样才能得到光滑的加工表面。

高精度 为了满足数控加工精度的要求，关键是保证数控机床的定位精度和进给跟踪精度。位置伺服系统的定位精度一般要求能达到0. 01～0 高精度　为了满足数控加工精度的要求，关键是保证数控机床的定位精度和进给跟踪精度。位置伺服系统的定位精度一般要求能达到0.01～0.001mm，高的可达到0.1μm。相应地，对伺服系统的分辨率也提出了要求。当伺服系统接受CNC送来的一个脉冲时，工作台相应移动的单位距离叫分辨率。目前的闭环伺服系统都能达到1μm的分辨率。高精度数控机床也可达到0.1μm的分辨率，甚至更小。

低速大转矩　机床在低速切削时，切深和进给都较大。现代数控机床通常是伺服电动机与丝杠直连，没有降速齿轮，这就要求主轴电动机输出较大转矩，即在低速时进给驱动要有大的转矩输出。 较高的工作稳定性　伺服系统的工作稳定性要好，并具有较强的抗干扰的能力，保证进给速度均匀、平稳，才能加工出高表面质量的零件。 较强的过载能力　由于电动机加减速时要求有很快的响应速度，而使电动机可能在过载条件下工作。这就要求电动机有较强的抗过载能力。通常要求在数分钟内过载4～6倍而不损坏。

4.3.2 伺服系统的执行组件 伺服系统的执行组件主要有功率步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机等。其作用是将电控信号的变化，转换成电动机输出轴的角速度和角位移的变化，从而带动机床的机械部件作相应的进给运动。 伺服系统对执行组件的基本要求是： （1）控制简单，并具有较宽的调速范围； （2）动作迅速，时间常数小；

4.3.2.1 步进电动机 （3）具有稳定的机械特性； （4）工作可靠，无自转现象（当输入信号为零时，伺服电动机应立即停止转动）。 4.3.2.1 步进电动机 普通电动机是连续运转的。步进电动机是在外加电脉冲信号的作用下一步一步的运转，正因为它的运动形式是步进式的，故称为步进电动机。步进电动机是一种将脉冲信号变换成相应的角位移或线位移的电磁装置。

由于步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电机绕组的通电顺序，便可获得所需的转角、转速和转动方向。无脉冲输入时，在绕组电源的激励下，气隙磁场使转子保持原有的位置处于定位状态。步进电机具有独特的优点，作为伺服电动机应用于控制系统时，可以使系统简化、工作可靠，而且可获得较高的控制精度。因而在工业上大量用作状态伺服组件、状态指示组件、位置控制和速度控制组件。

（1）步进电动机的分类 按工作原理 激磁式 定子和转子均有绕组，靠电磁力矩使转子转动 反应式 转子无绕组，定子绕组励磁后产生反应力矩，使转子转动 混合式 与反应式的主要区别是转子上置有磁钢 按输出转矩大小 快速步进电机 输出扭矩一般为0.07～4Nm 功率步进电机 输出扭矩一般为5～40Nm

按定子排列方式 多段式（轴向式）定子各相按轴向依次排列 单段式（径向式）定子各相在圆周依次排列 按励磁相数不同 分为三相、四相、五相、六相等。相数越多步距角越小，但结构越复杂。 （2）步进电动机的工作原理 图4-18所示为数控机床中广泛应用的反应式步进电动机工作原理示意图。

六个磁极 激磁线圈 每两个相对的磁极为一相，有U、V、W三相 定子 转子——带等距齿的铁心 当U、V、W三对磁极的绕组依次轮流通直流电，依次轮流产生磁场吸引转子转动。 U相↓→转子1、3两齿被磁极U吸引，如图（a）。 U相↑，V相↓→磁场吸引最近的2、4齿，转子逆时针转了30°，如图（b）。

V相↑，W相↓→磁场吸引最近的1、3齿，转子逆时针又转了30°，如图（c）。 这样按U-V-W-U-V-W的次序通电，步进电机就一步一步地按逆时针方向转动30°。 步进电机每步转过的角度称为“步距角” 。 如果通电相序改为U-W-V-U-W-V，步进电动机将按顺时针方向旋转。

（3）三相步进电动机的通电方式及步距角 三相单三拍 其通电顺序为U-V-W-U。 “三相”——是指三相步进电机 “单”——是指每次只有一相绕组通电 “三拍”——是指三种通电状态为一个循环 这种方式每次只有一相通电，容易使转子在平衡位置上发生振荡，稳定性不好。而且在转换时，由于一相断电时，另一相刚开始通电，容易“失步”（指不能严格地对应一个脉冲转一步），因而不常采用这种通电方式。

三相双三拍 其通电顺序为UV-VW-WU-UV。两相同时通电，转子受到的感应力矩大，静态误差小，定位精度高，而且切换时始终有一相通电，所以工作稳定，不易失步。双三拍通电方式运行时，步距角与单三拍通电方式相同。 三相六拍 其通电顺序为U-UV-V-VW-W-WU-U。单、双相轮流通电的方式，它具有双三拍的特点，由于通电状态数增加一倍，而使步距角减少一倍。且切换时始终有一相通电，工作比较稳定。这种控制方式增大了步进电动机的稳定区域，改善了步进电动机的性能，故多采用这种控制方式。

从上面的分析可以看出，步进电动机转动的角度取决于定子绕组的相数、转子齿数及供电的逻辑状态。若以θb表示步距角，则有 （4-12） 式中　m—步进电动机相数；z—转子齿数；K—由步进电动机控制方式确定的拍数和相数的比例系数，如三相三拍时，K＝１；而三相六拍制时，K＝２。 为了提高加工精度，一般要求步距角很小，数控机床中常用的步进电动机步距角为0.36ｏ～3ｏ

图4-18中的步进电动机模型，转子仅有４个齿，步距角较大。在实际应由中要求步距角小得多，为此可以增大转子齿数。 图4-19所示是目前广泛应用的一种三相六极步进 电动机结构图。每个定子磁极上有5个齿。转子上共有40个齿和定子磁极上的齿宽相等。因此定转子的齿距都为360ｏ/40＝9ｏ。在单三拍时，步距角为3ｏ，在三相六拍时，步距角为1.5ｏ。

（4）步进电动机的主要特点 ① 步进电动机受脉冲信号的控制，每输入一个脉冲，就变换一次绕组的通电状态，电动机就相应转动一步。因此角位移与输入脉冲个数成严格的比例关系。 ② 一旦停止送入控制脉冲，只要维持控制绕组电流不变，电动机可以保持在其固定的位置上，不需要机械制动装置。 ③ 输出转角精度高，虽有相邻齿距误差；但无积累误差。

④ 改变步进电动机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向随之改变。 ⑤ 步进电动机定子绕组通电状态的改变速度越快，其转子旋转的速度就越快，即通电状态的变化频率越高，转子的转速就越高。 步进电动机的主要缺点是效率较低，输入功率的大部分转为热能耗散；另外，步进电动机没有过载能力，只有在规定范围内，才能获得好的步进性能。 （5）步进电动机的性能 步距误差 步进电动机运行时，转子每一步实际转过的角度与理论步距角之差称为步距误差。

连续走若干步时，上述步距误差的累积值称为步距的累积误差。由于步进电动机转过一圈后，将重复上一圈的稳定位置，即步进电动机的步距累积误差将以一圈为周期重复出现。所以步距的累积误差最大值可以在一圈范围内测出。影响步进电动机的步距误差和累积误差的主要因素有齿和磁极的机械加工及装配精度、各相矩角特性之间的差别等。 矩角特性、最大静态转矩 当步进电动机在某相通电时，转子处于不动状态。

这时，在电动机轴上加一个负载转矩，转子就按一定方向转过一个角度θ，此时转子所受的电磁转矩T称为静态转矩，角度θ称为失调角。T和θ的关系叫矩角特性，如图4-20所示，该特性上的电磁转矩最大值称为最大静转矩。在一定范围内，外加转矩越大，转子偏离稳定平衡的距离越远。在静态稳定区内，外加转矩除 去时，转子在电磁转 矩作用下，仍能回到 稳定平衡点位置。

起动频率 空载时，由静止状态起动，达到不失步的正常运行的最高频率，称为起动频率。起动时指令脉冲频率应小于起动频率，否则将产生失步。步进电动机在带负载下的起动频率比空载要低。 连续运行频率 起动后，不失步工作的最高工作频率，称为连续运行频率。通常是起动频率的4～10倍。随着运行频率增加，其输出转矩相应下降，所以运行频率也受所带负载转矩的影响。对于某特定步进电动机，单拍工作频率要比双拍工作时低。好的驱动方式和功率驱动电源可以提高起动频率和运行频率。

加减速特性 步进电动机的加减速特性是描述步进电动机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加减速过程中，定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系。步进电动机起动和停止时，加减速时间不能过小，否则会出现失步或超步。步进电动机的升速和降速特性用加速时间常数Ta和减速时间常数Td来描述。为了保证运动部件的平稳和准确定位，根据步进电动机的加减速特性，在起动和停止时应进行加减速控制。

4.3.2.2 直流伺服电动机 直流伺服电动机是数控机床伺服系统中应用最早的，也是使用最广泛的执行组件。直流伺服电动机有永磁式和电磁式两种结构类型。随着磁性材料的发展，用稀土材料制作的永磁式直流伺服电动机的性能超过了电磁式直流伺服电动机，目前广泛应用于机床进给驱动。直流伺服电动机的工作原理与普通直流电动机完全相同，但工作状态和性能差别很大。机床进给伺服系统中使用的多为大功率直流伺服电动机，如低惯量电动机和宽调速电动机等。

（1）永磁式直流伺服电动机的结构和工作原理 一般永磁式直流伺服电动机本体由三部分组成：机壳、定子磁极和转子电枢。它还具有一定的伺服特性和快速响应能力结构上往往与反馈部件做成一体。其定子磁极是个永久磁体，一般采用铝镍钴合金、铁氧体、稀土钴等材料，它们的矫顽力很高，可以产生极大的峰值转矩；而且在较高的磁通密度下保持性能稳定（即不出现退磁）。这种电机的电枢铁心上槽数较多，且在一个槽内分布几个虚槽即减少转矩波动。

这种电动机的工作原理与一般直流电动机相同。用永久磁铁代替普通直流电动机的励磁绕组和铁心，在电机的气隙中建立主磁通，产生感应电势和电磁转矩。 直流电机电枢电路的电压平衡方程为 （4-13） 感应电势为 （4-14）

由以上两式可得电动机转速特性 （4-15） 式中　Ud、Id、Rd —分别为电枢回路的电压、电流和电阻； Ke —电势系数（Ke=CeΦ）； Φ —气隙磁通量。 电动机的电磁转矩为 （4-16）

因此可得电动机机械特性方程为 （4-17） 式中　Cm—转矩系数。 由式（4-17）可见，直流电动机的调速方法主要采用改变电枢电压和改变气隙磁通量两种方法。改变电压的调速性能可满足数控机床的需要，其特点是具有恒转矩的调速性能，机械特性和经济性能好。

（2）低惯量直流伺服电动机 低惯量直流伺服电动机结构上与一般直流电动机的差别和特点是：电枢铁心是光滑无槽的圆柱体，电枢绕组用环氧树脂固化成型并粘接在电枢铁心表面上，电枢的长度与外径之比在5倍以上，气隙尺寸比一般直流电动机大10倍以上。由于结构上这些特点，使其性能具有以下优点。 ① 由于转子长而细，大大减小了电动机的转动惯量，其转动惯量约为一般直流电动机的1／10。

② 由于气隙较大，限制了电枢反应，换向性能好，电动机时间常数为5～l0ms。 ③ 由于电枢表面无槽，大大减小了低速时电磁转矩的波动和不稳定性，保证了低速运转稳定而均匀，在转速低达10rpm时，无爬行现象。 ④ 由于不存在齿部磁饱和的问题，气隙磁密可达1T以上，为一般直流电动机的1.5倍。电气性能良好，过载能力强，最大电磁转矩可达额定值的10倍。 目前，这种电动机的输出功率在几十W至十KW以内，主要用于要求快速动作、功率较大的系统，如数控加工中心和数控车床、磨床等。

（3）宽调速直流力矩电动机 低惯量直流伺服电动机必须经齿轮减速才能与大惯量的机床相连接，因此其精度、低速性能都与齿轮相关，而且带来齿轮噪声。而宽调速直流力矩电动机是用提高转矩的方法来改善其动态特性，所以其负载能力强，可与丝杠直接连接，其精度、低速性能不受齿轮等传动装置的影响，因此在闭环伺服系统中得到广泛应用。宽调速直流力矩电动机的结构形式与一般直流电动机相似，通常采用他激式，目前几乎都用永磁式电枢控制，它具有下列特点。

① 转矩大 这种电机采用增加极对数和电枢导体数等办法，以提高电动机的电磁转矩，增大电动机的转矩与惯量的比值，从而使电动机的加速性能和动态响应都有明显改善。 ② 调速范围宽 它采用增加槽数和换向片数、齿槽分度均匀、极弧宽度与齿槽配合合理以及斜槽等措施，减小电动机转矩的波动，提高低速转动的精度，从而大大扩大了调速范围。它不但在低速时能提供足够的转矩，在高速时也能提供所需的功率。

③ 动态响应好 由于永磁式定子采用矫顽力很高的铁氧体永磁材料，在电动机电流过载10倍的情况下也不会去磁，这就大大提高了电动机的瞬时加速转矩，改善了动态响应。 ④ 过载能力强　由于采用高级的绝缘材料，转子惯性又不太大，允许过载转矩达5～10倍，而且在密闭的自然空冷条件下，可以长时间超负荷运转。 ⑤ 易于调试 由于电动机转子惯量接近于普通电动机，负载惯量对伺服系统的影响较小，在调试时可以不加负载预调，联机后再作少量调整即可。

这种电动机在特性上能很好地满足机床传动要求，同时又能以极高的精度实现机床的无齿轮驱动。因此，近来被广泛应用于机床的进给系统中。 4.3.2.3　交流伺服电动机 由于直流电机具有优良的调速性能，长期以来，在要求调速性能较高的场合，直流电机调速系统一直占据主导地位。但直流电机却存在一些固有的缺点，如电刷和换向器易磨损，需要经常维护；换向器换向时会产生火花，使电机的最高转速受到限制，也使应用环境受到限制；直流电机的结构复杂，制造困难，所用铜铁材料消耗大，制造成本高。

但交流电机，特别是感应电机则无上述缺点，且转子惯量较直流电机小，动态响应好，一般来说，在同样体积下，交流电机的输出功率可比直流电机提高10％～70％。另外，交流电机的容量比直流电机要大，因此，人们一直在寻找用交流电机调速来代替直流电机调速方案。 随着电力电子技术、微电子技术及自动控制理论的发展，现代交流调速有了飞速发展，它不仅克服了直流电动机结构上的不足，而且发挥了交流电动机坚固耐用、经济可靠等优点，在调速性能上可与直流拖动相媲美，并有取而代之的趋势。

交流伺服电动机分为交流永磁式伺服电动机和交流感应式伺服电动机。永磁式相当于交流同步电动机，常用于进给系统；感应式相当于交流感应异步电动机，常用于主轴伺服系统。旋转机理都是由定子绕组产生旋转磁场使转子运转。不同点是交流永磁式伺服电动机的转速和外加电源频率存在严格的关系；而交流感应式伺服电动机由于需要转速差才能在转子上产生感应磁场，所以转速比其同步转速小，外加负载越大，转速差越大。旋转磁场的同步速度由交流电的频率来决定，因而交流电动机可以用改变供电频率的方法来调速。

交流伺服电动机的工作原理与普通异步电动机相似，由于它在数控机床中作为执行组件，将交流电信号转换为轴上的角位移或角速度，所以要求转子速度的快慢能反映控制信号的强弱，转动的方向能反映控制信号的相位，无控制信号时它不应转动，特别是当它已在转动时，如果控制信号消失，它应能立即停止转动。 交流伺服电动机的调速方法　根据电机学理论，交流异步电动机的转速可由下式表示

（4-18） 式中　f — 定子电源频率； s — 转差率； p — 极对数。 由式（4-18）可见，改变交流电动机的转速有三种方法，即变频调速、变极对数调速和变转差率调速。 变极对数调速是有级调速且调速范围窄； 变转差率调速可以通过在转子绕组中串电阻和改变定子电压两种方法来实现，但这两种改变转差率的方法都存在损耗大的缺陷，不是理想的调速方法；

变频调速范围宽、平滑性好、效率高、具有优良的静态和动态特性。目前高性能的交流调速系统都是采用变频调速技术来改变电动机的转速。 在异步电动机中，定子绕组的反电势为 （4-19） 式中　 f1 — 定子电源频率； N1 — 定子每相绕组匝数； K1 — 定子每相绕组等效匝数系数； Φ— 每极气隙磁通量。 如果略去定子的阻抗压降，则定子绕组端电压

（4-20） 由此可见，若端电压不变，随着频率f1的升高，气隙磁通Φ 将减小。 电动机转矩关系为 （4-21） 式中　 I2 — 转子电流； φ2 — 转子电流的相位角； Cm — 转矩常数；

（4-21） 由式（4-21）可以看出，Φ值减小，转子感应电流I2相应减小，必然使得电机的输出转矩T和最大转矩下降。因而在变频调速时，为了使输出转矩保持不变，需要同时改变定子端电压，以使气隙磁通保持不变，进而使输出转矩保持不变。由此可见交流伺服电机变频调速的关键是要获得调频、调压的交流电源。

4.3.3 开环伺服系统 步进电动机伺服系统是典型的开环伺服系统。在开环伺服系统中，执行组件是步进电动机。步进电动机把进给脉冲转换为机械角位移，并由传动丝杠带动工作台移动。由于该系统中无位置和速度检测环节，因此它的精度主要由步进电动机的步距和与之相连的丝杠等传动机构决定。步进电动机的最高极限速度通常要比伺服电动机低，并且在低速时容易产生振动，影响加工精度。

但步进电动机开环伺服系统的控制和结构简单，容易调整，在速度和精度要求不太高的场合有一定的使用价值。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明显提高，并且降低了步进电动机的低速振动，使步进电动机在低速场合的开环伺服系统中得到广泛应用。 4.3.3.1 步进电动机的驱动系统

脉冲信号源 是一个从几HZ到20KHZ左右的连续可调信号发生器，可以是计算机或专用的硬件电路，按照一定的规律（如加工指令等）输出各种数字脉冲序列。 环形分配器 是将数控装置的插补脉冲，按步进电机所要求的规律分配给步进电机驱动电源的各相输入端，以控制励磁绕组的导通或关断。

环形分配器的功能可由硬件、软件以及软硬件相结合的方法来实现。图4-22为由Ｄ触发器组成的三相六拍通电方式分配器示意图，其工作状态如表4-4所示。开机通电后由分配器置“0”信号将分配器置成“100”状态，为初始的锁相状态。

功率放大器 由环形分配器输出的脉冲功率很小，需要进行功率放大，才足以驱动步进电机旋转。由于功放中的负载为步进电机的绕组，是感性负载，较大的电感影响快速性，另外感应电势也带来的功率管保护等问题。功率放大器最早采用单电压驱动电路，后来出现了双电压（高低压）驱动电路、斩波电路、调频调压和细分电路等。

4.3.3.2 步进电动机的微机控制 微机控制步进电动机的驱动系统，不仅可用程序代替可变频率脉冲源和环形分配器等硬件，还很容易用程序实现步进电动机按其固有特性实现升降频等功能。现以MCS-51单片机为例说明微机对步进电动机的控制。 （1）步进电动机与单片机的连接 步进电动机与单片机的联接一般有两种形式：由硬件或软件完成脉冲分配功能。

硬件进行脉冲分配 图4-23所示为原理框图，环形分配器、驱动电路由硬件完成。单片机只提供步进脉冲和正、反转信号。步进脉冲的产生与停止，步进脉冲的频率和个数都可用软件控制。单片机输出步进脉冲后，再由环形分配器按程序顺序控制各相的通断。P1.0口产生步进脉冲，P1.1口提供正反转信号。 用软件控制P1.0口为“1”或“0”的次序和长短，构 成了脉冲序列。脉冲序列的周期和步进电动机的步距有关。

硬件线路脉冲分配的缺点是电路固定后，步进电动机的运行方式也就固定下来，不易更改。 软件进行脉冲分配 用软件完成脉冲分配的优点是线路简化，成本下降，可以灵活地改变步进电动机的控制方案，而驱动功能由硬件完成。图4-24为单片机直接带动步进电动机的一种接口方法。单片机P1口的低三位被设成输出位，P1.0控制U相绕组通断， P1.1控制V相绕组通断，P1.2控制W相绕组通断。

以U相控制为例：当P1. 0输出为“1”时，光电耦合器中的发光二极管不发光，故其中的光敏三极管截止，U相绕组通电；反之当P1 以U相控制为例：当P1.0输出为“1”时，光电耦合器中的发光二极管不发光，故其中的光敏三极管截止，U相绕组通电；反之当P1.0输出为“0”时，U相绕组断电，光电耦合器的作用是使单片机与步进电动机隔离，以免两者之间产生共地干扰。 用软件来代替硬件的环形分配器，是用软件改变P1口低三位的输出值，来控制三相绕组的通电顺序和方式。现以三相六拍方式来说明。

三相六拍方式的通电顺序为U-UV-V-VW-W-WU-U-…，所以P1口输出如下控制字： P1.2（W） P1.1 （V） P1.0 （U） 正转的顺序为 001 011 010 110 100 101 001 U UV 　V VW W WU U 反转的顺序为 001 101 100 110 010 011 001 U UW W WV V　VU　U 在控制字间还应加入软件延时来保证一定的时间间隔，例如要求时间间隔为1ms，控制电动机按三相六拍方式正转的程序框图如图4-25所示。

（2）步进电动机对位移量进行控制 在数控机床上进刀深度等控制为位移量的控制，控制的方法是将位移折算成步进脉冲的个数。机床上步进电动机大都与丝杠结合使用，将角位移转化为直线位移。如丝杠每转一周相当于4mm位移，当采用三相六拍步进电动机工作方式，步距角为1.5ｏ时，可算出240个步进脉冲才能使丝杠转一周，即有4mm的直线位移。因此，要想平移20mm，需产生1200个步进脉冲，调用步进脉冲子程序，可编出位移20mm的控制程序。

如果要求间断地完成几段位移，必须计算出每一段位移所对应的脉冲个数，并依次存放在一个数据区中。程序执行时，取出相应的脉冲个数，控制循环程序（取脉冲）的次数，以实现所要求的位移。 （3）微机控制步进电动机转速的方法 某些数控系统，不仅要求精确地控制位移，而且要求在规定的时间内完成规定的位移，即按规定的速度运行。仍以丝杠结构为例，假设要求实现在2s内走完20mm。因为20mm／2s相当于2s发出 1200个脉冲，故步进脉冲的间隔为1666μs，按这种时间间隔发出1200个脉冲就能满足要求。

4.3.4 闭环伺服系统 如图4-26所示，为了获得比开环进给系统精度更高、速度更快、驱动功率更大的特性指标，数控装置设置了位置控制和速度控制两个回路。 如果将位置检测装置安装在驱动电机的端部，或安装在传动丝杠的端 部，间接测量实际位置 或位移，就是半闭环伺 服系统。如图4-27所示。

3.4.4.1 闭环伺服系统的反馈比较形式 1 （1）相位比较伺服系统 1　 3.4.4.1 闭环伺服系统的反馈比较形式 （1）相位比较伺服系统 结构形式与所用的位置检测组件有关，常用的位置检测组件有旋转变压器和感应同步器，并且工作在相位状态。图4-28为相位比较伺服系统框图。 基准信号发生器，输出一系列有一定频率的脉冲信号，其作用是为伺服系统提供一个相位比较基准。

脉冲调相器又称为数字相位转换器，是将进给脉冲信号，转换为相位信号，可用正弦信号或方波信号表示。 检测组件及信号处理线路，是将工作台的位移量检测出来，并表达成与基准信号之间的相位差。 鉴相器将来自脉冲调相器的指令信号和实际位移反馈信号进行比较，求出相位差，输出与此相位差成正比的电压信号。 电压和功率放大，是将鉴相器的输出的微弱信号放大去驱动执行组件。

（2）幅值比较伺服系统 是以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值，并以此作为位置反馈信号与指令信号进行比较构成的闭环控制系统，所用的位置检测组件为旋转变压器或感应同步器，以幅值工作方式工作。如图4-29所示。 这里检测组件是以鉴幅方式工作的；比较器所比较的是数字脉冲量，而不是相位。

（3）数字脉冲比较伺服系统 随着数控技术的发展，在位置控制伺服系统中，采用数字脉冲的方法构成位置闭环控制，受到了普遍的重视。这种系统的主要优点是结构比较简单。数字脉冲的方法构成的伺服系统如图4-32所示。

4.3.4.2 直流伺服电机调速系统 直流电动机调速主要是调整电枢电压。早期的直流电动机调速系统采用直流发电机-直流电动机机组（G-M），此方法因为机组复杂，目前已基本被淘汰。后来发展了一种晶闸管整流器-直流电动机（SCR-M），这种方法在深调速时电枢电流的波形很差，使电动机的工作情况恶化，限制了调速范围的进一步提高。目前使用最广的是晶体管脉宽调制器-直流电动机调速系统PWM-M （PWM为Pulse Width Modulation）。由于具有响应快、效率高、调速范围宽、噪声污染小、简单可靠等优点，而获得广泛应用。

（1）直流伺服电动机的PWM调速系统 图4-33为原理框图。为一转速电流双闭环控制系统，系统的核心是晶体管脉宽放大器。电流控制器的输出电压UC，将电压UT进行脉宽调制，得到调宽的脉冲电压作为控制信号输送到晶体管脉宽放大器各相关晶体管的基极，使脉冲电压得到放大，作为直流伺服电动机电枢的输入电压。

（2）直流电动机的脉宽调速原理 图4-34所示为脉宽调速原理示意图。一个固定的直流电压U经过以一定频率开关S的控制作用来改变加到电枢上的电压，假定开闭周期为T，每次闭合的时间为τ，则电枢两端的平均电压为 （4-22） 式中　r—开关导通率，或称占空比。

（4-22） 可见，当T不变（频率固定）时，只要改变接通时间τ ，就可改变电枢两端的平均电压（如图τ1 → τ2 ，则Udl→Ud2），从而改变电动机的转速。一般T选得比电动机的时间常数小得多，因此用这种方法来控制电动机不会引起转速脉动。通常选开关频率为500～ 2500Hz，频率太低，电枢电流容易断续，使机械特性变坏，精确度降低；

频率过高，三极管单位时间内转换次数太多，管耗增大。为了保证开关断开时，电枢电流还能维持连续，在电枢两端并联一个续流二极管，当开关断开时，贮存在电枢电感中的能量可以通过续流二极管释放，这样尽管电压呈脉冲状，电流仍然连续。 图4-34所示电路只能控制电动机单方向旋转。 在机床进给系统中一般是可逆电路，为使电动机实现双向调速，必须采用桥式电路。

图4-35所示为PWM-M系统的主回路，四个大功率三极管VT1～VT4组成电桥。在VT1和VT3的基极上加以正脉冲的同时，在VT2和VT4的基极上加以负脉冲，这时VT1和VT3导通，VT2和VT4截止，电流将沿+Ed-VT1-A-M-B-VT3-0的路径流通，此时电机正转； 反之，VT1、VT3的基极上加负脉冲，VT2、VT4的基极上加正脉冲，电机反转。

可见，改变加到VT1和VT3、VT2和VT4这两组管子基极上控制脉冲的正负和导通率就可以改变电机的转向和转速。为了不致造成VT1和VT4、VT2和VT3同时导通而烧坏晶体管，在电路设计时，要保证上述两对管子先截止后导通，而中间的时间应大于晶体管的关断时间。 4.3.4.3　交流伺服电机调速系统

在异步电动机的变频调速中，希望保持磁通不变。磁通减弱，铁心材料利用不充分，电动机输出转矩下降，导致带负载能力减弱。磁通增强，引起铁芯饱和、励磁电流急剧增加，电动机绕组发热，可能烧毁电机。 由式（4-20）可知 （4-20） 要实现恒磁通调速，应满足U / f=常数。 （1）交流伺服电动机的调速主电路 变频的方法改变电动机供电频率的方法有：直接的交-交变频和间接的交-直-交变频。

交-交变频（图4-36a）是用晶闸管整流器直接把工频交流电直接变成频率较低的脉动交流电，正组输出正脉冲，反组输出负脉冲。这个脉动交流电的基波就是所需变频电压。这种方法得到的交流电波动较大。

图4-36b是交-直-交变频，它由担任交-直变换的二极管整流器和担任直-交变换、同时完成调频和调压任务的脉冲宽度调制逆变器组成。所得交流电波动小，调频范围宽，调节线性度好，数控机床上经常用这种变频方法。

在交-直-交变频中，根据中间直流电压是否可调，分为中间直流电压可调PWM逆变器和中间直流电压固定的PWM逆变器；根据中间直流电路上的储能组件是大电容或大电感分为电压型PWM逆变器和电流型PWM逆变器。交-直-交变频中典型的逆变器是固定电流型PWM逆变器。 （2）交流伺服电动机的PWM调速系统 图4-37所示为采用正弦波调制方法的PWM变频器（称为SPWM变频器）的主回路，这是一个双极型SPWM的通用型主回路。

SPWM波调制变频器不仅适用于交流永磁式伺服电动机，也适用于交流感应式伺服电动机。PWM采用正弦规律脉宽调制原理，具有功率因数高，输出波形好等优点，因而在交流调速系统中获得广泛应用。 右侧是逆变器，用VT1～VT6六个大功率开关管把直流电变成脉宽按正弦规律变化的等效正弦交流电，用来驱动交流伺服电动机。 图4-37左侧是桥式整流电路，将工频交流电变成直流电 VD7～VD12是续流二极管，用来导通电动机绕组产生的反电势。功放输出端接伺服电动机 VT1～VT6的基极由图4-38所示的SPWM调制波控制

图4-37中三相整流器的输出直流电压为Ed。在正半周，VT1工作在调制状态，VT4处于截止，U相绕组的相电压为+(1/2)Ed，而当VT1截止时，电机绕组中的磁场能量通过VD10续流，使该绕组承受-(1/2)Ed电压，从而实现了双极性SPWM调制特性。在负半周时， VT4工作在调制状态，VT1处于截止。SPWM的输出脉冲的宽度正比于相交点的正弦控制波的幅值。逆变器输出端为一具有控制波的频率，且有某种谐波畸变的调制波形，而其基波幅值为 图4-38所示为调制波的形成，三角波VT为载波，其幅值为ET，频率为fT，正弦波Vs为控制波（如U相），其幅值为Es，频率为fs。而这两种波形的交点，决定了逆变器某相元件的通断时间，此时为VT1和VT4的通断。

（4-23） 由此可见，只要改变调制系数M就可灵活地调节输出基波的幅值。只要改变fs就可改变输出基波的频率 。而且fT／fs的升高 ，输出波形的谐波分量不断减 小，输出的正弦性越来越好。由于电动机绕组电感的滤波作用，使电流变成准正弦波。三相输出电压（电流）相位上互差120ｏ。

图4-39为SPWM变频调速系统框图。 在基极回路中输出信号至功率晶体管基极，对SPWM的主回路进行控制，实现对永磁交流伺服电机的变频调速； 电压频率变换器将电压转换为频率，经分频器、环形计数器产生方波，和经三角波发生器产生的三角波一并送入调制回路； 电压调节器产生频率与幅度可调的控制正弦波，送入调制回路，它和电压检测器构成闭环控制； 在调制回路中进行PWM变换产生三相的脉冲宽度调制信号； 函数发生器是为了在输出低频信号时，保持电机气隙磁通一定，补偿定子电压降的影响而设； 平稳起动回路使起动加、减速时间可随机械负载情况设定达到软起动目的； 频率（速度）给定器给定信号，用以控制频率、电压及正反转； 电流检测器为过载保护而设。

目前SPWM的生成方法有分立元件法、专用集成电路和微机生成几种方法。国内外PWM变频器的产品大多采用微机控制PWM技术。 4.3.4.4 主轴驱动 对于主轴驱动，既要求输出较大功率，又要求主轴结构简单；要改善主轴的动态性能，需要主传动有更大的无级调速范围；有四象限的驱动能力等。另外，不同的数控机床对主轴驱动还提出一些特殊的要求，如要求主轴与进给驱动同步控制、主轴能高精度定位控制、主轴具有角度分度控制功能等。

为实现上述的要求，采用直流、交流主轴驱动系统。现在，国际上新生产的数控机床85％采用交流主轴驱动系统。 交流主轴电机均采用鼠笼式异步电机。这是因为受永磁体的限制，当容量做得很大时，永磁同步电机成本太高，使得数控机床无法采用。一般说来，交流主轴电机的结构与一般鼠笼式异步电机不同，是专门设计的。为了增加输出功率，缩小电机体积，采用了定子铁心在空气中直接冷却的办法，没有机壳，而且在定子铁心上开了轴向孔，以利通风。此外，电机外形呈多边形而非圆形。

交流主轴电机的控制单元，广泛采用矢量控制的方法进行变频调速，即矢量控制PWM变频调速控制系统。 交流异步电机矢量控制的基本思想是分析直流电动机和异步电动机旋转原理不同而提出的一种控制方案。 直流电动机有一旋转的整流子式电枢和一个用来产生磁场的定子，磁极上的气隙磁通Ф是由磁极绕组中的电流If激励产生的，Ф正比于If而与电枢电流Ia的大小无关。

直流电动机的转矩是由Ф和Id的相互作用而产生的，由于Ф与Id无关，且励磁绕组电路和电枢电路是各自独立的，因而可以通过分别调节If和Id来进行磁通控制和转速、转矩控制。直流电动机就是由于具有如此特点，才能有优良的调速特性。 在交流异步电机中，磁极磁通量Ф是一个矢量，由定子电流I1和转子电流I2合成的电流I0产生的。 与直流电机相比，交流异步电机没有独立的激磁回路，若把Ｉ2比作电枢电流Id，则I2变化时刻影响Ф的变化，而且交流异步电机的输入量为随时间变化的

量，其磁通量也为空间的交变矢量，如果仅仅控制定子电压和电源频率，则其输出特性（n＝f（T））显然不是线性的。 为此，利用等效概念，将三相交流输入电流变为等效的直流电机中彼此独立的激磁电流If和电枢电流Id，然后和直流电机一样，通过对这两个量的反馈控制，实现对电机的转矩控制。最后，再通过相反的变换，将直流量还原为三相交流量，控制实际的三相异步电机，获得与直流电机同样的调节特性。

矢量控制是很有发展前途的一种控制方案，采用矢量变换的感应电动机具有和直流电动机一样的控制特点，具有结构简单、可靠，电动机容量不受限制以及与同等直流电动机相比机械惯量小等优点。因此可望能取代直流电动机，如采用微处理器来完成坐标变换和控制功能，可大大降低成本，对机床传动系统设计必将产生重大影响。