第四章 伺服驱动系统 东北石油大学华瑞学院 韩彦勇 Email：hyyszx11@126.com 2010.9 主要内容.

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1 第四章 伺服驱动系统 东北石油大学华瑞学院 韩彦勇 2010.9 主要内容

2 教学目标： 内容分析 掌握步进电机及其驱动控制、直流伺服电机及其速度控制； 了解交流电机变频调速、矢量控制的原理；
了解位置伺服控制的原理与类型；

3 4.1 概述 闭环进给伺服系统组成 位置控制单元 速度控制 单元 电流控制 功放驱动 工作台 电流反馈 速度反馈 位置反馈 M G 主要内容

4 4.1 概述 数控机床对进给伺服系统的要求？ 高精度（输出量能复现输入量的精确程度） 稳定性好（抗干扰能力） 响应速度快（系统跟踪精度）
电机调速范围宽（最高转速和最低转速比） 低速大转矩（便于直接驱动） 可靠性高(对环境的适应性) 主要内容

5 4.1 概述 伺服系统的分类: 按控制原理和有无检测反馈装置：开环、半闭环、闭环 按被控对象：进给驱动、主轴驱动；
按使用的执行元件：电液、电气伺服（步进、直流、交流、直线电机）； 按反馈比较控制方式分类：脉冲—数字比较伺服系统，相位比较伺服系统 ，幅值比较伺服系统，全数字伺服系统 主要内容

6 4.1 概述 开环数控系统 f、n 功率放大 脉冲环形分配变换 A相、B相 脉冲频率f CNC 脉冲个数n 插补指令 C相、… 换算
机械执行部件 A相、B相 C相、… f、n CNC 插补指令 脉冲频率f 脉冲个数n 换算 脉冲环形分配变换 功率放大

7 4.1 概述 半闭环数控系统 - + - 位置控制单元 主要内容 速度控制单元 位置控制调节器 速度控制 调节与驱动 + 机械执行部件
CNC插补 指令 位置控制调节器 速度控制 调节与驱动 + + 机械执行部件 - - 实际速度反馈 实际位置反馈 电机 检测与反馈单元

8 4.1 概述 闭环数控系统 - + - 位置控制单元 主要内容 速度控制单元 CNC插补 指令 位置控制调节器 + 速度控制 调节与驱动
机械执行部件 - 实际速度反馈 实际位置反馈 检测与反馈 单元

9 4.1 概述 伺服电机是速度和轨迹控制的执行元件。 数控机床中常用伺服电机？各自特点？ 直流伺服电机（良好的调速性能）
交流伺服电机（调速性能接近直流，成为目前数控应用的主流产品） 步进电机（适于中低速、轻载、负荷较稳定） 直线电机（高速、高精度）

10 4.2 步进电机及其驱动控制系统 “步进电机及其驱动"教学目标： 步进驱动的特点； 步进电机的原理； 主要性能参数；
驱动控制：环形分配器，功放电路。 主要内容

11 步进电机是一种脉冲控制的执行元件，可将输入脉冲转换为机械角位移。每给步进电机输入一个脉冲，其转轴就转过一个角度，称为步距角。
4.2 步进电机及其驱动控制系统 步进驱动的特点： 步进电机是一种脉冲控制的执行元件，可将输入脉冲转换为机械角位移。每给步进电机输入一个脉冲，其转轴就转过一个角度，称为步距角。 脉冲数量----位移量； 脉冲频率----电机转速； 各相的通电顺序----方向。 主要内容

12 4.2 步进电机及其驱动控制系统 优点：结构简单，价格便宜，工作可靠； 缺点： 容易失步（尤其在高速、大负载时），影响定位精度；
在低速时容易产生振动； 细分技术的应用，明显提高了定位精度，降低了低速振动。 应用：要求一般的开环伺服驱动系统，如经济型数控机床的进给驱动。 主要内容

13 按电磁吸引原理工作（以反应式步进电机为例）
4.2 步进电机及其驱动控制系统 按电磁吸引原理工作（以反应式步进电机为例） B' A' C C' B A 3 4 1 2 B 相通电，转子2、4齿和B相轴线对齐 B ' A' C C' B A 3 4 1 2 A C' B 3 4 1 2 A 相通电使转子1、3齿和 AA' 对齐 C B' C 相通电，转子1、3齿和C 相轴线对齐 A'

14 1）三相单三拍： 4.2 步进电机及其驱动控制系统 步进电机的工作方式(通电顺序)可分为： 三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。
主要内容 1）三相单三拍： （1）三相绕组联接方式：Y 型 （2）三相绕组中的通电顺序为： A 相  B 相  C 相 通电顺序也可为上述的反向： A 相  C 相 B 相

15 A→AB→B→BC→C→CA→A…（逆时针） A→AC→C→BC→B→BA→A…（顺时针） 每步转过15°，步距角是三相三拍工作方式的一半，
4.2 步进电机及其驱动控制系统 通电顺序： A→AB→B→BC→C→CA→A…（逆时针） A→AC→C→BC→B→BA→A…（顺时针） 每步转过15°，步距角是三相三拍工作方式的一半， 三相六拍的特点： 电机运转中始终有一相定子绕组通电，运转比较平稳。 主要内容

16 4.2.2 步进电机的主要特性 ——电机选择的依据，重点内容！ 4.2 步进电机及其驱动控制系统 1．步距角α ——控制精度
步进电机的主要特性 ——电机选择的依据，重点内容！ 主要内容 1．步距角α ——控制精度 每给一个脉冲信号，电机转子转过角度的理论值。

17 2．矩角特性、最大静态转矩Mjmax和启动转矩Mq
4.2 步进电机及其驱动控制系统 2．矩角特性、最大静态转矩Mjmax和启动转矩Mq ——反映电机的带载能力。 主要内容 3．启动频率fq和启动时的惯频特性 ——起动特性 4．运行矩频特性 ——运行特性

18 4.2.3 步进电机的分类 4.2 步进电机及其驱动控制系统 1．根据相数分类 三、四、五、六相等。相数越多，步距角越小。
主要内容 2．根据产生力矩的原理分类 反应式、永磁式、混合式——各有何特点？ 3．根据绕组分布结构分类 轴向分相式（多段式）、径向分相式（单段式）

19 反应式：转子为径向均分小齿的硅钢片，由被激磁的 定子绕组产生反应力矩； 有较高的力矩转动惯量比，步进频率较高，频率响应快，结构简单；
但消耗功率大，断电时无定位转矩。 永磁式：转子为一对或多对极的星形磁钢； 断电时有定位转矩，消耗功率小； 步距角较大，启动和运行频率较低。 混合式：反应式和永磁式的结合； 兼有反应式和永磁式的优点：步距角小，启动和运行频效率高，消耗率功小，断时有定位转矩，不能自由转动； 但制造工艺较复杂。

20 4.2.4 步进电机的环形分配器 4.2 步进电机及其驱动控制系统 步进电机的驱动控制由环形分配器和功率放大器组成。 A 环形分配器
主要内容 A 环形分配器 功率放大器 B C

21 4.2 步进电机及其驱动控制系统 硬件环形分配器 方向控制信号 CNC 装置 电源 环形 分配器 A相驱动 B相驱动 C相驱动 M 主要内容
FULL/HALF DIR CLK M 方向控制信号

22 7.2 步进电机及其驱动控制系统 软件环形分配器 主要内容 A PA X B C a b Z c PIO 向 光电 放大 步进电机 耦合器
1 2 3 4 5 光电 耦合器 放大 X 向 步进电机 Z a b c A B C

23 4.2 步进电机及其驱动控制系统 环形分配表： 16进制

24 4.2 步进电机及其驱动控制系统 练习思考题： 。 已知技术条件： 通电方式为三相六拍
P1口的输出线P1.x为“1”时，步进电机相应的绕组通电，P1.x为“0”时，则失电。（P1口高4位值为0） 要求：列出X坐标步进电机绕组通电顺序表；设计X正向走步的软件环形分配程序。 用MCS-51单片机控制某机床x 坐标工作台运动 。

25 4.2.5 功率放大电路 步进脉冲须经过功率放大才能驱动步进电机。
电机绕组是电感，流经其中的电流不能突变，产生延时，影响电机性能；且截止时会产生很高的反相电动势，威胁功率器件的安全。 对驱动电路的要求： 能够提供快速升降的电流，电流波形尽量接近方波； 截止期间，具有快速放电回路，降低相绕组两端的反相电动势，加快电流衰减； 功耗低，效率高。

26 驱动电路的类型 功率放大驱动部件：以功率晶体管等开关器件为核心的功率放大电路。 单电压驱动电路 高低压驱动电路 可结合具体电路分析特点
高低压驱动电路 可结合具体电路分析特点 斩波恒流驱动电路 细分驱动电路 功放电路中，都是使晶体功率管或场效应晶体管工作于开关状态，不仅提高效率，并可提高步进电机的工作频率、转矩，减少噪声。