数控技术 第五章 伺服驱动系统 § 5-1 概述 § 5-2 检测装置 § 5-3 步进电动机及其驱动系统

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1 数控技术 第五章 伺服驱动系统 § 5-1 概述 § 5-2 检测装置 § 5-3 步进电动机及其驱动系统
第五章 伺服驱动系统 § 5-1 概述 § 检测装置 § 5-3 步进电动机及其驱动系统 § 5-4 直流伺服电动机及其速度控制 § 5-5 交流伺服电动机及其速度控制 § 5-6 主轴驱动 § 5-7 位置控制

2 § 5-1 概述 立式铣床

3 带制动器伺服电机 加工中心 主轴电机 刀库刀具定位电机 机械手旋转定位电机 伺服电机

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5 伺服驱动系统（Servo System) CNC系统 控制信号 驱动电机 光栅尺 反馈信号 检测装置 伺服驱动系统

6 一、数控机床伺服系统的定义 伺服系统的组成 伺服系统是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。
CNC装置是数控机床的“大脑” ， “指挥机构” 伺服系统是数控机床的“四肢” ， “执行机构”。 伺服系统的组成 检测装置：感应同步器、旋转变压器、光栅、脉冲编码器等。 驱动电机：步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机

7 数控加工与传统加工的比较 本质区别 由人操作，机床进给系统能保证切削过程继续进行，不能控制执行件的位移和轨迹.
由CNC装置按照零件程序完成零件的加工。能精确地控制执行件的速度、方向、和位置，且可使几个执行件按一定的运动规律合成轨迹。

8 二、数控机床伺服系统的分类 1、按伺服系统控制方式分 2、按控制对象和使用目的不同分 开环系统 步进电机，无位置反馈，投资低，精度低
开环系统 步进电机，无位置反馈，投资低，精度低 闭环系统 直接测量实际位移进行反馈，精度高 半闭环系统 间接测量位移进行反馈，精度低于闭环 2、按控制对象和使用目的不同分 进给伺服系统 控制各坐标轴的切削进给运动 主轴驱动伺服系统 控制主轴的旋转运动 辅助伺服系统 控制刀库、料库等辅助系统的运动，多采用建议的位置控制。

9 二、数控机床伺服系统的分类（续） 3、按反馈比较控制方式分 脉冲比较伺服系统 相位比较伺服系统 幅值比较伺服系统 全数字伺服系统。
4、按所用驱动元件的类型分 步进电动机驱动系统 直流伺服驱动系统 交流伺服驱动系统 直线电动机驱动系统

10 三、数控机床对伺服系统的要求 高精度 要求定位准确（定位误差持别是重复定位误差要小），跟随精度高（跟随误差小）。一般定位精度要求达到mm级，高的达0.01~0.005 mm。 灵敏度高，响应快 提高生产率和保证加工质量，一般电机升降速过渡过程，时间在0.2s以下。另外，当负载突变时，要求速度的恢复时间短，且无振荡，这样才能得到光滑的加工表面。 调速范围宽 保证在任何情况下都能得到最佳切削条件和加工质量，一般要求调速范围 ：最低转速/最高转速=1/1000~1/10000，且通常是无级调速。 低速大转矩 一般是在低速进行重切削，所以在低速时进给驱动要有大的转矩输出。 可靠性高 对环境的适应性强，性能稳定，使用寿命长。

11 § 5-2 检测装置 作用 检测位置和速度，发送反馈信号，构成闭环或半闭环， 要求 工作可靠，抗干扰能力强 性能指标
检测装置是伺服系统的重要组成部分。 作用 检测位置和速度，发送反馈信号，构成闭环或半闭环， 对驱动装置进行控制。 要求 工作可靠，抗干扰能力强 满足精度、分辨率、测量范围 使用维修方便、成本低 性能指标 系统精度：是指在一定长度或转角内测量积累误差的最大值，如±0.002～0.02mm/m，±10"/360°等。 系统分辨率：是测量元件所能正确检测的最小位移量，如目前直线位移的分辨率为0.001～0.01mm。角位移分辨率为2"。

12 检测装置的分类 按检测信号分：数字式、模拟式 按测量基准分：增量式、绝对式 按安装位置关系分：直接测量、间接测量 常见检测装置

13 一、旋转变压器 1．旋转变压器的结构 旋转变压器是一种角度测量装置。 在结构上和两相绕线式异步电动机相似，由定子和转于组成。
一、旋转变压器 旋转变压器是一种角度测量装置。 1．旋转变压器的结构 在结构上和两相绕线式异步电动机相似，由定子和转于组成。 定子绕组为变压器的一次绕组 转子绕组为变压器的二次绕组。 根据转子绕组两种不同的引出方式旋转变压器分 有刷式 无删式

14 旋转变压器的内部结构图

15 2．旋转变压器 的工作原理 根据互感原理工作的，定子绕组加上励磁电压，通过电磁耦合，转子绕组产生感应电功势。
输出感应电功势大小与转子位置有关，就是通过测量被测轴的转速来间接测量工作台的位移。

16 3．旋转变压器的应用 特点 应用 实际使用中采用的是正余弦旋转变压器，其定子和转子均由两组匝数相等、互相
结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便．输出信号幅度大，抗干扰能力强，工作可靠，广泛应用于数控机床上。 应用 实际使用中采用的是正余弦旋转变压器，其定子和转子均由两组匝数相等、互相 垂直的绕组构成。

17 二、感应同步器 感应同步器的结构 圆型感应同步器 由定子和转子组成，用 于测量角位移 直线型感应同步器 于测量直线位移
感应同步器是旋转变压器演变而来，也是一种电磁感应式的位移检测装置。 感应同步器的结构 圆型感应同步器 由定子和转子组成，用 于测量角位移 直线型感应同步器 于测量直线位移

18 2. 直线感应同 步器的结构 利用两个平面形印刷绕组，其间保持均匀气隙约为(0.25±0.05)mm
作相对平行移动，根据交变磁场和互感原理而工作的。

19 定尺为连续绕组，节距W2＝2(a2＋b2)，其中a2为导电片宽，b2为片间间隙，定尺节距即为检测周期W，常取W＝2mm。
滑尺为分段绕组，分为正弦和余弦绕组两部分, 两绕组的节距都为W1＝2(a1＋b1)，其中a1为导电片宽，b1为片间间隙，一般取W1＝W2或W1＝W2/3。 2＇ 1 2 1＇ L1 W1 a1 b1

20 3. 直线感应同步器的工作原理 根据交变磁场和互感原理而工作的。
滑尺上有正弦和余弦励磁绕组，在空间位置上相差1/4节距，定尺和滑尺绕组的节距相同。若滑尺绕组加励磁电压，则由于电磁感应而在定尺绕组上产生感应电压，其大小取决于滑尺与定尺的相对位置。 2τ τ/2 E 定尺 正弦绕组 滑尺 余弦绕组 Vs Vc i1 i2

21 可以看出：滑尺在移动一个节距的过程中，感应电势变化了一个周期。
W 可以看出：滑尺在移动一个节距的过程中，感应电势变化了一个周期。 若励磁电压u＝Umsinωt，那么在定尺绕组产生的感应电势e为 e＝kUmcosθcos ωt

22 若励磁电压 u＝Umsinωt 则定尺绕组产生的感应电势e e＝kUmcosθcos ωt 式中 Um—励磁电压幅值(V)；
ω—励磁电压角频率(rad/s)； k—比例常数，其值与绕组间 最大互感系数有关； θ—滑尺相对定尺在空间的相 位角。 在一个节距W内，位移x与θ的关系应为 θ＝2πx/W 感应同步器就是利用感应电势的变化，来检测在一个节距W内的位移量，为绝对式测量。

23 3. 感应同步器输出信号的处理方式 常用的有鉴相方式和鉴幅方式 滑尺上的正弦、余弦励磁绕组提供同频率、同幅值、相位差90°的交流电压，即
3. 感应同步器输出信号的处理方式 常用的有鉴相方式和鉴幅方式 滑尺上的正弦、余弦励磁绕组提供同频率、同幅值、相位差90°的交流电压，即 us＝Umsinωt uc＝Umcosωt us和uc单独励磁，在定尺绕组上感应电势分别为 es＝kUmcosθcosωt ec＝－kUmcos(θ＋ π/2)sinωt ＝kUmsinθsinωt （1）鉴相方式 根据感应输出电压的相位来检测位移量

24 根据叠加原理，定尺绕组上总输出感应电势e为
e＝es＋ec ＝kUmcosθcosωt＋kUmsinθsinωt ＝kUmcos(ωt－θ) ＝kUmcos(ωt－ 2πx/W) 根据上式，通过鉴别定尺输出的感应电势的相位，即可测量定尺和滑尺之间的相对位置。 感应同步器的鉴相方式用在相位比较伺服系统中。 例：感应电势与励磁电压相位差θ=1.8°，节距W=2mm， 由θ= 2πx/W=0.01mm

25 （2）鉴幅方式 根据定尺输出的感应电势的振幅变化来检测位移量。 us＝Umsinθdsinωt uc＝Umcosθdsinωt
滑尺的正弦、余弦绕组励磁电压为同频率、同相位，但不同幅值，即 us＝Umsinθdsinωt uc＝Umcosθdsinωt 式中 θd—励磁电压的给定相位角 分别励磁时，在定尺绕组上产生的输出感应电势分别为 es＝kUmsinθdcosθcosωt ec＝kUmcosθdcos(θ＋π/2)cosωt ＝－kUm cosθd sinθcosωt

26 根据叠加原理，定尺上输出总感应电势为 e＝es ＋ ec ＝k Um (sinθd cosθ－cosθd sinθ) cosωt ＝k Um sin(θd －θ) cosωt ＝k Um sin(θd－ 2πx /W) cosωt 设初始状态θd＝θ，则e＝0。当滑尺相对定尺有一位移，使θ变为θ＋Δθ，则感应电势增量为 Δe≈k Um Δx cosωt 式中Δθ= 2π Δx / W 由此可知，在Δx较小的情况下，Δe与Δx成正比，也就是鉴别Δe幅值，即可测Δx大小。当Δx较大时，通过改变θd，使θd＝θ,使Δe＝0，根据θd可以确定θ，从而确定位移量Δx。

27 4.感应同步器的特点 精度高 输出的电压是许多对极感应电压的平均值 适用性强 电磁感应，不怕油污和灰尘，不易受干扰
精度高 输出的电压是许多对极感应电压的平均值 适用性强 电磁感应，不怕油污和灰尘，不易受干扰 可用于长距离测量 可多根定尺接长 使用寿命长，维护简单 工艺性好，成本低 应用广泛

28 三、光栅 1. 光栅的种类 光栅属于光学元件，是一种高精度的位移传感器。 物理光栅 计量光栅 圆光栅 直线光栅 透射光栅 反射光栅
主要介绍一下直线计量透射光栅。

29 透射光栅 光栅检测装置的结构

30 反射光栅 1 0,0 0,1 1,0 1,1

31 2. 直线透射光栅 （1）组成 光栅检测装置基本结构示意图

32 （2） 直线透射光栅的工作原理 由于挡光效应和光的衍射，在与线纹几乎垂直方向上，会出现明暗交替、间隔相等的粗大条纹，称为“莫尔条纹” 。

33 莫尔条纹的特点 放大作用 莫尔条纹纹距B 与光栅节距w和倾角θ之间的关系： 由于θ很小，因此 2 2sin / q w = B µ
例：当 w = 0.01mm， θ= 0.01 red， 则 B = 1mm，将栅距放大100倍的莫尔条纹宽度。

34 B 2B 2 2sin / q w = B 光栅尺横向莫尔条纹及其参数

35 莫尔条纹的特点（续）： 逆时针方向 选择(＋θ) 顺时针方向 选择(－θ) 左 下 上 右 均化误差作用
莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，栅距之间的相邻误差被均化。短光栅的工作长度愈长,这一均化误差的作用愈显著。 根据莫尔条纹的移动与栅距移动的对应关系 逆时针方向 选择(＋θ) 顺时针方向 选择(－θ) 左 下 上 右 光栅移 动方向 莫尔条纹 移动方向 θ角的旋 转方向

36 （3） 辨向 为了辨别运动方向，需配置两个彼此错开1/4纹距的光电元件，使输出电信号彼此在相位上差90°，若以其中的一个作为参考信号，则另一个信号将超前或滞后参考信号90°，由此来确定运动方向。 （4） 倍频 倍频又称为细分，倍频数就是指在莫尔条纹一个周期的范围内，等距离安装的感光元件的数目，从而在一个周期内产生若干个脉冲，达到细分的目的。 提高倍频数可以提高光栅的最小读数值，提高分辨率，精密机床的测量常采用高倍频。 例：栅距 w = 0.01mm， 十倍频后，最小读数值1mm.

37 四倍频电路

38 （5）特点 优点： 1）精度高 测直线：精度 0.5-3mm，分辨率 0.1mm 2）易实现动态测量和自动化测量 3）较强的抗干扰能力 缺点： 1）对环境要求高，怕振动，怕油污 2）高精度光栅制作成本高 目前多用于精密定位的数控机床，数显机床中也应用较多。

39 四、编码器 一种旋转式的检测角位移的传感器。
将角位移用数字(脉冲)形式表示，故 又称脉冲编码器。广泛应用于NC机床的 位置检测，也常用它作为速度检测元件。 1、编码器分类 按码盘信号的读取方式可分为：光电式、接触式和电磁式 以光电式的精度和可靠性最好，NC机床常用光电式编码器 按测量坐标系又可分为：增量式和绝对式 按每转发出的脉冲数分为：高分辨率 p/r 普通分辨率 p/r

40 2. 增量式光电脉冲编码器 （1）组成 由光源、聚光镜、光电盘、光栏板、光敏元件(光电管)、整形放大电路和数字显示装置等组成。

41 光电编码器在旋转工作台上的安装

42 （2） 工作原理 光电盘按装在被测轴上，随主轴一起转动。光电盘转动时，光电元件把通过光电盘和光栏板射过来的忽明忽暗的光信号(近似于正弦信号)转换为电信号，经整形、放大等电路的变换后变成脉冲信号，通过计算脉冲的数目，即可测出工作轴的转角，并通过数显装置进行显示。通过测定计数脉冲的频率，即可测出工作轴的转速。

43 （3）脉冲编码器的辨向 光栏板上两条狭缝中的信号A和B(相位差90°)，通过整形，成为两相方波信号。根据先后顺序，即可判断光电盘的正反转。若A相超前于B相，对应电动机正转；若B相超前A相，对应电动机反转。若以该方波的前沿或后沿产生计数脉冲，可以形成代表正向位移和反向位移的脉冲序列。 A相 B相 90°

44 （4）提高光电脉冲编码器分辨率的方法 提高光电盘圆周的等分狭缝的密度，实际上是使光电盘的 狭缝变成了圆光栅线纹。
增加光电盘的发信码道，使盘上不仅只有一圈透光狭缝， 而且有若干大小不等的同心圆环狭缝(称为码道)，光电盘 回转一周发出的脉冲信号数增多，使分辨率提高。

45 3. 绝对式光电脉冲编码器 （1）结构 绝对式脉冲编码器结构与增量式相似，就是在码盘的每一转角位置刻有表示该位置的唯一代码，称为绝对码盘。绝对式脉冲编码器是通过读取编码盘上的代码(图案)来表示轴的位置。

46 码盘的种类 按码制不同分二进制码、格雷码（循环码）、十进制码、六十进制码等，最常用的是二进制循环码盘。
纯二进制码有一个缺点：相邻两个二进制数可能有多位二进制码不同，当数码切换时有多个数位要进行切换，增大了误读的机率。 而格雷码则不同，相邻两个二进制数码只有一个数位不同，因此两数切换时只在一位进行，提高了读数的可靠性。

47 （3）工作原理 光源经过柱面镜，变成一束平行光照射在码盘上，通过码盘经狭缝形成一束很窄的光束照射在光电元件上，光电元件的排列与码道一一对应，亮区输出为“1”，暗区输出为“0”，再经信息处理电路，进行放大、整形、锁存与译码，输出自然二进制代码，从而实现了角度的绝对值测量。

48 （4）应用 在实际应用过程中，用绝对脉冲编码器来检测轴的位置和速度时，当编码器旋转超过一周时，读出准确数值的解决方法：
在旋转轴上安装多个码盘，其中一些盘是专门用来计量所转过的圈数N，而另一部分码盘是用来检测一圈以内的度数θ。之后将两个码盘所检测的进行(N×360°＋θ)的叠加。 在软件设计时，设置一个专门的计数器，并规定码盘上的一个专门的代码为“零”代码，当码盘转过“零”代码时，计数器的值就被自动加一，这样也可以实现即测圈数又测度数的目的。

49 开环伺服系统 ☆ 开环伺服系统采用步进电机作为驱动元件； ☆ 没有位置反馈回路和速度反馈回路；
☆ 开环伺服系统采用步进电机作为驱动元件； ☆ 没有位置反馈回路和速度反馈回路； ☆ 设备投资低，调试维修方便，但精度差，高速扭矩小； ☆ 用于中、低档数控机床及普通机床改造。 

50 闭环伺服系统 ☆闭环伺服系统的位置检测装置安装在机床的工作台上； ☆检测装置构成闭环位置控制。
☆闭环方式被大量用在精度要求较高的大型数控机床上。

51 半闭环伺服系统 ☆位置检测元件安装在电动机轴上或丝杠上，用以精确控制电机的角度，为间接测量；
☆坐标运动的传动链有一部分在位置闭环以外，其传动误差没有得到系统的补偿； ☆半闭环伺服系统的精度低于闭环系统。 ☆适用于精度要求适中的中小型数控机床。

52 数控技术 第五章 伺服驱动系统 § 5-1 概述 § 5-2 检测装置 § 5-3 步进电动机及其驱动系统
第五章 伺服驱动系统 § 5-1 概述 § 检测装置 § 5-3 步进电动机及其驱动系统 § 5-4 直流伺服电动机及其速度控制 § 5-5 交流伺服电动机及其速度控制 § 5-6 主轴驱动 § 5-7 位置控制

53 伺服系统（Servo System) CNC系统 控制信号 驱动电机 光栅尺 反馈信号 检测装置 伺服驱动系统

54 § 5-3 步进电动机及其驱动系统 步进电动机主要用于开环位置控制系统。它由步进电动机驱动电源和步进电动机组成，没有反馈环节。 这种系统较简单，控制较容易，维修也较方便，而且为全数字化控制。 由于开环系统精度不高，且步进电动机的功率和速度不高，因此步进电动机驱动系统仅用于小容量、加工速度低、脉冲当量和精度不太高的场合，如经济型数控机床和电加工机床、计算机的打印机、绘图仪等设备。

55 一、步进电动机 1. 步进电动机的分类 (1) 按运动方式分：旋转式、直线运动式、平面运动式和滚 切运动式。
(2) 按工作原理分：反应式(磁阻式)、电磁式、永磁式、永磁 感应子式(混合式)。 (3) 按结构分：单段式(径向式)、多段式(轴向式)，印刷绕组式 (4) 按相数分：三相、四相、五相、六相和八相等。 (5) 按使用频率分：高频步进电动机和低频步进电动机。

56 2. 步进电动机的控制原理 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的控制电动机。
2. 步进电动机的控制原理 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的控制电动机。 位移量的控制 向步进电动机送一个控制脉冲，其转轴就转过一个角度或移动一个直线位移，称为一步；脉冲数增加，角位移(或线位移)随之增加，即脉冲数决定位移量。 进给速度的控制 脉冲频率高，则步进电动机的旋转速度就高，反之则低，即脉冲频率决定进给速度。 运动方向的控制 改变分配脉冲的相序，实现步进电动机的正、反转，从而改变运动方向。 与一般交流和直流电动机所不同的是，步进电动机定子绕组所加的电源形式为脉冲电压，而不是正弦电压或者恒定直流电压。

57 3. 反应式步进电动机 （1）反应式步进电动机的结构 单段式三相反应式步进电动机的结构：
3. 反应式步进电动机 （1）反应式步进电动机的结构 绕组 定子铁心 转子铁心 单段式三相反应式步进电动机的结构： 定子铁心上有六个均匀分布的磁极，沿直径相对两个极上的线圈串联，构成一相励磁绕组。 极与极之间的夹角为60°，每个定子磁极上均匀分布了五个齿，齿槽距相等，齿距角为9°。转子铁心上无绕组，只有均匀分布的40个齿，齿槽距相等，齿距角为360°/40＝9°。

58 （2）反应式步进电动机的工作原理 按电磁吸引的原理工作的。必须抓住两点： 磁力线力图走磁阻最小的路径，从而产生反应力矩
各相定子齿之间彼此错齿1/m齿距，m为相数 几个概念的含义： “拍”——定子相绕组每改变一次 通电状态，称为“一拍”。 “单”——指只有一相绕组通电。 “双”——指有两相绕组同时通电。

59 步进电机工作原理

60 “单三拍”供电方式的步进电动机的工作原理：
第一拍：A相励磁绕组通电，B、C相励磁绕组断电。A相定子磁极的电磁力要使相邻转子齿与其对齐(使磁阻最小)，B相和C相定、转子错齿分别为1/3齿距(3°)和2/3齿距(6°)。 第二拍：B相绕组通电，A、C相绕组断电。电磁反应力矩使转子顺时针方向转动3°，与B相的定子齿对齐，此时A、C相的定、转子齿互相错开。 第三拍：C相绕组通电，A、B相绕组断电。电磁反应力距又使转子顺时针方向转动了3°，与C相定子齿对齐，同时A相、B相定、转子齿错开 重复通电顺序，A B C A ……

61 单三拍步进电动机的步距角 单三拍步进电动机的反转 单三拍通电控制方式的缺点
重复单三拍的通电顺序，A B C A ……，步进电机就顺时针方向旋转起来，对应每个指令脉冲，转子转动一固定角度3°(步距角) 。 单三拍步进电动机的反转 若定子绕组通电顺序为A C B A ……，则电动机转子就逆时针方向旋转起来，其步距角仍为3°。 单三拍通电控制方式的缺点 由于每拍只有一相绕组通电，在切换瞬间可能失去自锁力矩，容易失步。而且，只有一相绕组通电吸引转子，易在平衡位置附近产生振荡。因此，单三拍通电控制方式，工作稳定性差，一般较少采用。

62 双三拍工作方式 采用双三拍通电控制方式，能克服单三拍工作的缺点。
若定子绕组的通电顺序为 AB BC CA AB ……，则步进电动机的转子就顺时针方向转动，从一个磁场最强处走到了另一个磁场最强处，故其步距角仍为3°。 若定子绕组的通电顺序为 AB BC CA AB ……， 则步进电动机的转子就逆时针方向转动。

63 三相六拍工作方式 通电顺序：A AB B BC C CA A ……
每切换一次，步进电动机就顺时针方向转动1.5°，步距角减小一半。原因是：当由A相切换到AB相通电时，A相定子磁极力图不让转子转动，而保持与其定子齿对齐，而B相定子磁极的电磁反应力矩也力图使其顺时针转动3°，与B相定子齿对齐，此时，转子齿与A相、B相定子齿均未对齐，此位置是A相、B相定子合成磁场的最强方向，即转子顺时针方向转动1.5°。 若通电顺序为：A AC C BC B AB A ……则步进电动机的转子就逆时针方向运动，步距角仍为1.5°。 三相六拍控制方式比三相三拍控制方式步距角小一半；在切换时，保持一相绕组通电，工作稳定，比双三拍增大了稳定区。所以三相步进电动机常采用这种控制方式。

64 4. 永磁式步进电动机 工作原理：转子或定子的一方具有永久磁钢，另一方有软磁材料制成，由绕组轮流通电产生的磁场与永久磁钢相互作用，产生转矩是转子转动。 特点：步距角大，内阻较大，效率高 断电后有一定的定位转矩。 5. 混合式步进电动机 （永磁感应子式） 定子结构与反应式基本相同，转子由环形磁钢及两段铁心组成。兼有以上两种的主要优点，是步进电动机的新产品。

65 二、反应式步进电动机主要性能指标及选择 1.步距角 步进电动机每步的转角称为步距角，计算公式： 式中 m—步进电动机相数 Z—转子齿数
K—控制方式系数， K=拍数p/相数m 厂家对于每种步进电动机给出两种步距角，彼此相差一倍。大步距角系指控制供电拍数与相数相等时的步距角；小步距角系指供电拍数是相数两倍时的步距角。 θ＝ (°)

66 根据总体方案要求，综合考虑，通过下式进行：
步距角的选择： 根据总体方案要求，综合考虑，通过下式进行： 式中 δ—脉冲当量 S—丝杠螺距(mm) θ—步距角 —电动机与丝杠间的齿轮传动减速比 δ＝ (mm/脉冲) 如果步进电动机的步距角θ和丝杠螺距S(基本导程)不能满足脉冲当量δ的要求时，应在步进电动机与丝杠之间加入齿轮传动，用减速比来满足δ的要求。

67 2. 最大静转距 Tjmax (N·m) 静态：当步进电动机不改变通电状态时，转子处在不动状态。
静态转距：如果在电动机轴上外加一个负载转距，使转子 转过一个角度θe，这时转子受的电磁转距T。 矩角特性：描述静态时电磁转距T与θe之间的关系曲线。 在静态稳定区内，当外加转距去除时，转子在电磁转距作用下，仍能回到稳定平衡点位置(θe＝0)。 π π/2 -π -π/2 静稳定区 不稳定平衡点 稳定平衡点 T θe Tjmax

68 最大静转距 Tjmax 的选择 负载转矩 F ——切削力（N） w——工作台及工件重量（kg） m——摩擦系数 h——效率 i ——减速比
TF 应满足 TF =（0.2~0.4） Tjmax

69 3. 空载起动频率fq （步/s） 空载时步进电动机由静止突然起动，进入不丢步的正常运行的最高频率。是衡量步进电动机快速性能的重要技术数据。
起动频率要比连续运行频率低得多，这是因为步进电动机起动时，既要克服负载力矩，又要克服运转部分的惯性矩，电动机的负担比连续运转时重。步进电动机带负载的起动频率比空载的起动频率要低。 起动频率fq 的选择 先计算电机轴上的等效负载转动惯量： 式中 J1、J2——齿轮的转动惯量(N·m·s2)；J3——丝杠的转动惯量 d ——冲当量(mm／脉冲)。 然后进行负载启动频率fqF 的估算； 式中 fq——空载启动频率(Hz)，T——由矩频特性决定的力矩(Nm) J——电机转子转动惯量(N·m·s2)。 依照机床要求的启动频率fqF ，可选择fq

70 4. 起动矩频特性 描述步进电动机起动频率与负载力矩的关系曲线。
4. 起动矩频特性 描述步进电动机起动频率与负载力矩的关系曲线。 当步进电动机带着一定的负载转距起动时，作用在电动机轴上的加速转矩为电磁转矩与负载转矩之差。负载转矩越大，加速转矩就越小，电动机就不易转起来。因此，其起动频率随着负载的增加而下降。 T f

71 5. 空载运行频率fmax （步/s） 6. 运行矩频特性
运行矩频特性T＝f(F)是描述步进 电动机连续稳定运行时，输出转矩T与连续运行频率之间的关系。它是衡量步进电动机运转时承载能力的动态性能指标。 T f

72 三、步进电动机驱动电源 1. 作用 发出一定功率的电脉冲信号，使定子励 磁绕组顺序通电。 2. 基本要求
1. 作用 发出一定功率的电脉冲信号，使定子励 磁绕组顺序通电。 2. 基本要求 （1）电源的基本参数与电动机相适应； （2）满足步进电动机起动频率和运行频率 的要求； （3）抗干扰能力强，工作可靠； （4）成本低，效率高，安装维修方便。

73 3. 组成 由环形分配器和功率放大器组成。 （1） 环形分配器 主要功能是将CNC装置的插补脉冲，按 步进电动机所要求的规律分配给步进电动机驱动电源的各相输入端，以控制励磁绕组的导通或关断。同时由于电动机有正反转要求，所以环形分配器的输出是周期性的，又是可逆的。 硬件环形分配器 根据步进电机的相数和控制方式设计的真值表或逻辑关系式，采用逻辑门电路和触发器来实现。一般由与非门和J－K触发器组成。常用的是专用集成芯片或通用可编程逻辑器件组成的环形分配器。 软件环形分配器 按步进电动机的要求编制不同的软环分程序，存入EPROM中。常用的是查表法

74 例：专用集成芯片CH250

75

76 软件环形分配器举例 对于三相六拍环形分配器，每当接收到一个进给脉冲指令，环形分配器软件根据下表所示真值表，按顺序及 方向控制输出接口将A、B、C的值输出即可。如果上一个进给脉冲到来时，控制输出 接口输出的A、B、C的值是 100，则对于下一个正向进 给脉冲指令，控制输出接口 输出的值是110，再下一个 正向进给脉冲，应是010，而 使步进电机正向地旋转起来。 实现较为简单，灵活方便。 三相六拍环形分配器真值表

77 两坐标步进电机伺服进给系统 x向和Z向步进电机的三相定子绕组分别为A、B、C相和abc相，分别经各自的放大器、光电耦合器与计算机的PIO(并行输入／输出接口)的PA0一PA5相连。

78 （2）功率驱动器（功率放大电路） 将环形分配器输出的脉冲信号放大，以用足够的功率来驱动步进电动机。 最早的功率驱动器采用单电压驱动电路，后来出现了双电压(高电压)驱动电路、斩波电路、调频调压和细分电路等。

79 单电压驱动电路 图中L为步进电机励磁绕组的电感，Ra为绕组电阻， 并串接一电阻Rc，为了减小回路的时间常数，电阻Rc并联一电容C，从而提高电机的快速响应能力和启动性能。续流二极管VD和阻容吸收回路RC，是功率管VT的保护线路。 单电压驱动电路的优点是线路简单，缺点是电流上升不够快，高频时带负载能力低。

80 高低压驱动电路 其特点是供给步进电机绕组有两种电压：一种是高电压U1，由电机参数和晶体管特性决定，一般在80v至更高范围，另一种是低电压U2，即步进电机绕组额定电压，一般为几伏，不超过20v。
高压U1 ，以提高绕组中电流上升率，当电流达到规定值时、VT1关断、VT2仍然导通，则自动切换到低压U2。 该电路的优点是在较宽的频率范围有较大的平均电流，能产生较大且稳定的平均转矩，其缺点是电流波顶有凹陷，电路较复杂。

81 斩波驱动电路 可以克服高低压驱动电路的波顶的凹陷造成高频输出转矩的下降，使励磁绕组中的电流维持在额定值附近。
斩波驱动电路 可以克服高低压驱动电路的波顶的凹陷造成高频输出转矩的下降，使励磁绕组中的电流维持在额定值附近。 工作原理：环形分配器输出的正脉冲将VT1、VT2导通，由于U1电压较高，绕组回路又没串电阻，所以绕组电流迅速上升，当绕组电流上升到额定值以上的某一数值时，由于采样电阻Re的反馈作用，经整形、放大后送至VT1的基极，使VT1管截止。接着绕组由U2低压供电，绕组中的电流立即下降，但刚降到额定 值以下时，由于采样电阻Re 的反馈作用，使整形电路无信号输出，此时高压前置放大电路又使VT1导通，电流又上升。如此反复进行，形成一个在额定电流值上下波动呈锯齿状的绕组电流波形，近似恒流。

82 三种驱动电路的电流波形比较

83 数控技术 第五章 伺服驱动系统 § 5-1 概述 § 5-2 检测装置 § 5-3 步进电动机及其驱动系统
第五章 伺服驱动系统 § 5-1 概述 § 检测装置 § 5-3 步进电动机及其驱动系统 § 5-4 直流伺服电动机及其速度控制 § 5-5 交流伺服电动机及其速度控制 § 5-6 主轴驱动 § 5-7 位置控制

84 伺服系统（Servo System) CNC系统 控制信号 驱动电机 光栅尺 反馈信号 检测装置 伺服驱动系统

85 § 5-4 直流伺服电动机及其速度控制 一、直流伺服电动机 1. 直流伺服电动机分类及结构特点
伺服电动机是指能够精密地控制其位置的一种电动机。直流伺服电动机是伺服电动机的一种。 1. 直流伺服电动机分类及结构特点 永磁直流伺服电动机 无槽转子直流伺服电动机 空心杯转子直流伺服电动机 印刷绕组直流伺服电动机 后三种直流伺服电动机为小惯量直流伺服电动机。

86 直流伺服电动机的组成 电动机本体 主要由机壳、 检测部件 有高精度的测速 特点 定子磁极和转子组成。 发电机、旋转变压器以及 脉冲编码器等。
电动机本体 主要由机壳、 定子磁极和转子组成。 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。 特点 小惯量直流伺服电动机 惯量小，响应速度快， 但过载能力低。 永磁直流伺服电动机　转矩大，惯量大，稳定性 好，调速范围宽。 但有电刷，限制速度的提高（1000~1500r/min）。

87 2. 直流伺服电动机的工作原理与调速方法 （1）工作原理 与一般直流电动机的工作原理相同，是建立在电磁力和电磁感应基础上的。
（1）工作原理  与一般直流电动机的工作原理相同，是建立在电磁力和电磁感应基础上的。 如图（a）所示，直流电流从电刷 A 流入，经过线圈abcd，从电刷 B 流出，载流导体ab和cd受到电磁力的作用，使得转子逆时针转动。 当转子转到如图（b）所示的位置，电刷 A 和换向片2接触，电刷 B 和换向片1接触，直流电流从电刷 A 流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷 B 流出。此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。 外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。

88 （2）直流伺服电机的速度控制原理 他励直流电动机 转子回路的电势平衡方程： Ea＝U－Ra Ia Ф 式中 Ra—转子回路电阻(Ω)
Ia—转子回路电流(A) M Ea U Ф uf 感应电动势Ea可由下式求得 Ea＝CeФn 式中 Ce—电机械常数 Ф—励磁磁通(Wb) n—电动机转速(r/min)

89 由上两式可得 － n＝ 电动机的电磁转矩Te(N∙m)为 Te＝CTФIa 式中 CT—转矩系数，是电动机的结构常数。 所以可得电动机转速 － n＝ ＝n0－Δn 式中 n0—理想空载转速 Δn—转速降落 根据上式可知，他励直流电动机有三种调速方法，即改变外加电压、改变励磁磁通及改变转子回路电阻调速。

90 永磁直流伺服电动机的调速方法 － n＝ ＝n0－Δn 根据上式：励磁磁通不可变，只有二种调速方法，而改变转子回路电阻一般不能满足要求，通常采用改变转子回路外加电压的调速方法。 这种调速方法是从额定电压往下降低转子电压，即从额定转速向下调速。该种调速方法属恒转矩调速，机械特性是一组斜率不变的平行直线，特性比较硬，且调速范围宽。另外，这种调速方法是用减小输入功率来减小输出功率的，所以具有比较好的经济性。

91 3. 永磁直流伺服电机的工作特性 对于永磁直流伺服电动机，由于其伺服系统的要求，已经不能简单地用电压、电流、转数等参数描述其性能，而需要用一些特性曲线对其性能做全面描述。 瞬时换向极限线 转速极限线 转矩极限线 换向极限线 温度极限线 Ⅱ Ⅲ Ⅰ 500 1000 1500 2000 4000 6000 8000 10000 12000 T/(N∙cm) n/(r/min) 转矩—速度特性曲线 从图中可以得出，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。

92 Ⅰ区域为连续工作区。在该区域中，转矩和转速的任意组合都可长期连续工作。
Ⅱ区域为断续工作区，在该区域内，电动机只能根据负载周期曲线所决定的允许工作时间 tR 和断电时间 tF 作间歇工作。 瞬时换向极限线 转速极限线 转矩极限线 换向极限线 温度极限线 Ⅱ Ⅲ Ⅰ 500 1000 1500 2000 4000 6000 8000 10000 12000 T/(N∙cm) n/(r/min) Ⅲ区域为加速和减速区域，在该区域内，电动机只能用于加速或减速，工作一段极短的时间。

93 表示在满足机械所需转矩而又确保电动机不过热，允许电动机的工作时间.
负载周期曲线 表示在满足机械所需转矩而又确保电动机不过热，允许电动机的工作时间. 图中各条曲线为不同的过载倍数曲线. 横坐标为工作时间tR (min)，纵坐标为加载周期比。 d＝tR／(tR十tF) (％) 过载倍数: tmd＝负载转矩／连续额定转矩.

94 二、直流伺服电动机的速度控制 1. 晶闸管调速系统 常采用两种速度调节系统： 晶闸管调速系统 晶体管脉宽调制调速系统。
　　　　　　　　　　　　 晶体管脉宽调制调速系统。 1. 晶闸管调速系统 利用晶闸管的单向导电可控性，输出可控制的电压；利用可控硅整流器提供直流电源；通过改变晶闸管触发角，改变外加电压，从而达到调速的目的。

95 单相可控硅整流器改变触发角时的电枢电压和电流波形

96 例 典型的双环调速系统工作原理 速度反馈的闭环系统 由速度调节器对电动机的速度 误差进行调节 电流反馈环节 由电流调节器对电枢回路引起的滞后 进行补偿，抑制主回路电流的变化

97 2. PWM脉宽调制原理与系统 　　晶体管脉宽调制调速系统(PWM)的调速性能优于晶闸管调速系统的调速性能；而且，功率晶体管的功率、耐压等都已有很大提高，现代数控机床的直流进给伺服系统中多采用晶体管脉宽调制调速系统。 原理： 利用脉宽调制器，将直流电压转换成某一频率的矩形波电压，加到直流电动机的转子回路两端，通过对矩形波脉冲宽度的控制，改变转子回路两端的平均电压，从而达到调节电动机转速的目的。 调速系统的组成：由控制电路、主回路及功率整流电路三部分组成。其中控制电路由速度调节器、电流调节器和脉宽调制器（包括固定频率振荡器、调制信号发生器、脉宽调制及基极驱动电路）组成。系统的核心部分是主回路和脉宽调制器。

98 主 回 路 PWM 直流调速系统的原理框图 u- + + + + + - - Usr Usf Usf M 整流 振荡器 速度调节器
电流调节器 脉宽调制 基极驱动 - - Usr 电流反馈 Usf Usf M TG TG

99 （1）主回路 即脉宽调制式开关功率放大器。 开关功率放大器通常有两种形式，即T形和H形。在PWM直流调速系统中，多采用H形开关功率放大器作为主回路。 H形开关功率放大器 由四个大功率开关管和四个续流二极管构成桥式电路。 有单极性和双极性两种工作方式。

100 单极性H形开关电路 单极性开关电路，将两个相位相反的脉冲信号分别加在VT1、VT2管的基极，VT3管的基极加截止控制电压，VT4管的基极加饱和导通电压。 在0≤t＜t1区间，VT1管饱和导通，VT2管截止，由于VT4管处于饱和导通状态，电动机两端A、B间电压为＋Ed。 在t1≤t＜T区间，VT1管截止， VT2管饱和导通，由于VT3管始终 处于截止状态，电动机两端A、B 间电压为0。转子绕组电感能量 沿VT4、VD2通道释放，维持转子 绕组电流继续流通。 要使电动机反转，只要将VT3 管基极加饱和导通电压，VT4管 加截止电压即可。

101 双极性H形开关电路 给VT3、VT4管基极也加脉冲控制电压，并且保证ub1＝ub4，ub2＝ub3＝－ub1，就变成双极性工作方式。 在0≤t＜t1区间，VT1、VT4管饱和导通，电源电压＋Ed加在电动机转子绕组的A、B端、即uAB＝＋Ed。 在t1≤t＜T区间，VT2、VT3管饱和导通，电源电压＋Ed加在电动机转子绕组的B、A端，即uAB＝－Ed。 当t1＞T/2时，加在A、B两端的平 均电压大于零，电动机正转。 当t1＜T/2时，加在A、B两端的平 均电压小于零，电动机反转。 当t1＝T/2时，加在A、B两端的平 均电压等于零，电动机停转。

102 双极性H形 电路电枢电 压和电流波 形。

103 (2) 脉宽调制器 作用 产生脉冲宽度可由控制信号调节的脉冲电压。控制信号为来自电流调节器的电压信号，是由CNC装置插补器输出的速度指令转化而来的。 组成 主要由调制信号发生器和比较放大器组成。 调制信号发生器 调制信号发生器通过自激振荡的原理产生三角波或者锯齿波。作为比较放大器的比较电压uΔ。 比较放大器 三角波电压uΔ与速度控制指令电压uer比较后送入运算放大器。运算放大器输出电压的频率与基准三角波电压的频率一致，输出电压的脉冲宽度取决于速度控制指令电压uer。可见运算放大器的输出是一个脉宽调制波，经放大后与主回路四个功率开关管的基极相接。

104 三角波发生器 uΔ 三角波 比较放大器 ub1 ub2 ub3 ub4 指令电压uer

105 三角波发生器 比较放大器 脉宽调制波形图

106 　脉宽调制电路的工作原理(如下图所示)： 当控制指令电压uer＝0时，比较放大器输出ub1、ub2、ub3、ub4的正负半波脉冲宽度相等。前半周期，VT1、VT3管饱和导通，VT2、VT4管截止；后半周期，VT2、VT4管饱和导通，VT1、VT3管截止。显然，不会有电流流过电动机转子绕组，uAB＝0。 当uer＞0时，ub1、ub2为(uΔ＋uer)产生的输出，ub3、ub4为(uΔ－uer)产生的输出。 ① 在0≤t＜t1时间区间，ub1、ub4为正电压，VT1、VT4 管饱和导通，电流由电源的＋Ed经VT1管、转子绕组、VT4管到地。 ②在t1≤t＜t2时间区间，ub2、ub4为负电压，电流被切断。此时，ub1为正电压，VT1管处于饱和导通状态。转子绕组电感能量经VD3、VT1管释放，维持转子绕组电流。

107 ③在t2≤t＜t3时间区间，与0≤t＜t1时间区间的情况相同。
④在t3≤t＜T时间区间，ub1、ub3为负电压,VT1、VT3管截止，电流被切断。此时，ub4为正电压，VT4管处于饱和导通状态，转子绕组电感能量经VT4、VD2管释放，维持转子绕组电流。 显然，主回路工作在单极性工作方式下。uer增大，uAB的脉冲宽度变宽，加在电动机转子绕组上电压的平均值增大，电动机转子转速就上升。反之亦然。 当uer＜0时，uAB的极性改变，电动机反转。 以上就是晶体管脉宽调制调速(PWM)的整个过程。

108 脉宽调制波形图

109

110 FANUC PWM直流进给驱动框图 CNC与驱动装置的信号传递。 PWM主电路由V1—V4功率开关晶体管组成H型驱动电路。
其中，电阻CDR用于检测电枢电流，作为电流反馈，其压降由CD1和CD2端输出；热继电器MOL串联于电枢电路，用于电动机的过载保护；能耗制动电阻DBR并联于电枢，当主电路电源切断时，MCC常开触点闭合，实现电动机的能耗制动。

111 数控技术 第五章 伺服驱动系统 § 5-1 概述 § 5-2 检测装置 § 5-3 步进电动机及其驱动系统
第五章 伺服驱动系统 § 5-1 概述 § 检测装置 § 5-3 步进电动机及其驱动系统 § 5-4 直流伺服电动机及其速度控制 § 5-5 交流伺服电动机及其速度控制 § 5-6 主轴驱动 § 5-7 位置控制

112 伺服驱动系统 CNC系统 控制信号 驱动电机 光栅尺 反馈信号 检测装置 伺服驱动系统

113 § 5-4 交流伺服电动机及其速度控制 直流伺服电动机具有优良的调速性能，但直流伺服电动机的电刷和换向器容易磨损，需要经常维护；由于换向器换向时会产生火花而使最高转速受到限制，也使应用环境受到限制；直流伺服电动机结构复杂、制造困难，成本高。 自20世纪80年代中期以来，以交流伺服电动机作为驱动元件的交流伺服系统得到迅速发展，有逐渐代替直流伺服电机的趋势。

114 § 5-4 交流伺服电动机及其速度控制 一、交流伺服电动机 二、永磁同步交流伺服电动机的结构 三、永磁同步交流伺服电动机的工作原理
§ 5-4 交流伺服电动机及其速度控制 一、交流伺服电动机 二、永磁同步交流伺服电动机的结构 三、永磁同步交流伺服电动机的工作原理 四、同步交流伺服电动机的变频调速 五、直线电机

115 一、交流伺服电动机 交流伺服电动机分类 异步型 同步型 同步型交流伺服电动机又分为永磁式和励磁式。
同步型 同步型交流伺服电动机又分为永磁式和励磁式。 数控机床进给伺服系统中多采用永磁同步交流伺服电动机。 2. 永磁同步交流伺服电动机的特点： 结构简单，运行可靠，效率较高 调速方便 由于它的转速与所接电源频率之间存在一种严格关系，所以可获得与频率成正比的可变速度，并且可以得到非常硬的机械特性及宽的调速范围。 缺点 体积较大，起动较困难

116 二、永磁同步交流伺服电动机的结构 组成：定子、转子和检测元件。
定子具有齿槽，内有三相绕组，形状与普通交流电动机的定子相同，但其外形多呈多边形，且无外壳，利于散热。 转子由多块永久磁铁和冲片组成。这种结构的优点是气隙磁密较高，极数较多。

117 三、永磁同步交流伺服电动机的工作原理 定子三相绕组接上交流电源后，就会产生一个旋转磁场，以同步转速ns旋转。定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极互相吸引，并带着转子一起旋转。使转子也以同步转速ns旋转。 当转子加上负载转矩之后，将造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合，其夹角为θ。若负载发生变化，θ角也跟着变化，但只要不超过一定的限度，转子始 终跟着定子的旋转磁场以恒定的同步转 速ns旋转。转子转速为 n＝ns＝60f/p (r/min) 式中 f—电源的频率 p—磁极对数 n

118 永磁同步交流伺服电动机工作特性曲线： 即转矩—速度特性曲线 特点：（与永磁直 流伺服电动机相比） Ⅰ为连续工作区 Ⅱ为断续工作区
机械特性更硬，其直线更接近水平线。 断续工作区的范围更大。 T / N cm n (r /min)

119 四、同步交流伺服电动机的变频调速 1. 调速原理分析 2. 变频器 根据永磁同步交流伺服电动机转子转速公式
n＝ns＝60f/p (r/min) 可以通过改变电动机电源频率 f 来调节电动机的转速。 此法可以实现无级调速，能够较好地满足数控机床的要求。变频调速的关键是设计能为电动机提供变频电源的变频器。 2. 变频器 交—交变频器 直接将固定频率的交流电变换为另一种频率的交流电。 交—直—交变频器 先将电网交流电通过整流变为直流，再经过电容或电感或电容、电感组合电路滤波后供给逆变器。逆变器输出的是电压和频率可调的交流电。

120

121 目前应用比较多的是交—直—交变频器，交—直—交变频器中的逆变器有多种类型。数控机床进给伺服系统中所用电动机的容量都比较小，一般采用PWM逆变器。PWM逆变器的关键技术是PWM的调制方法。现已研制出的调制方法有十余种之多，其中最基本、应用最广泛的一种调制方法是SPWM(正弦波脉宽调制) 3. SPWM（正弦波脉宽调制）

122 （1）调制脉冲信号的形成： 电路原理图 三角波为载波，由三角波发生器生成 正弦波为调制波，有电压调节器产生，其频率和幅值可调
两波形交点决定逆变器U相VT1、VT4管的通断时间，形成控制VT1、VT4管基极的调制脉冲信号 电路原理图

123 （2）变频器的工作原理 调制波为正半周，当正弦波高于三角波时，VT1导通、VT4关断，使负载上得到的相电压为uA=＋Ed/2；当正弦波低于三角波时，VT1关断、VD4续流二极管释放能量，负载上的相电压为uA=－Ed/2；实现双极性调制。 调制波为负半周，VT4导 通、VT1关断。 逆变器输出电压为一组等 幅、等距，但不等宽的脉冲 系列，其脉宽按正弦分布 （等效正弦电压波）。 通过改变调制波的幅值，可 改变逆变器输出电压的幅值； 通过改变调制波的频率，可 改变逆变器输出基波的频率。

124 4. SPWM变频调速系统

125 五、直线电机 1. 直线电机的结构和工作原理 (1)直线电机的结构 直线电机是指一种利用电磁作 用原理，将电能直接转换成直线
运动动能的驱动装置，是一种能 实现往复直线运动的电动机。直 线电机是从旋转电机转化而来的。 (1)直线电机的结构 可以认为直线电机是将旋转电 机沿其轴向剖开，然后将其定子 和转子展开，变成如图所示的由 定子和动子组成的直线电机。

126 (2)直线电机工作原理 在旋转电机中，当三相绕组中通入三相对称正弦电流后，会在气隙中产生按正弦分布的旋转磁场。
与此类似，在直线电机中通入三相电流后，也会在气隙中产生磁场，如果不考虑端部效应，磁场在直线方向也呈正弦分布，只是这个磁场是平移而不是旋转的，因此称为行波磁场。行波磁场与次级相互作用便产生电磁推力，驱动动子沿定子作往复直线运动。这就是直线电机运行的基本原理。 在数控机床上实际使用的直线电机如左图所示。

127 2. 直线电机的分类及特点 (1) 直线电机的分类 　按工作原理分类 　　与旋转电机相对应，直线电机有：直线直流电机、直线感应电机、直线同步电机、直线磁阻电机、直线压电电机等。 按结构形式分类 　　根据不同的使用场合，直线电机的结构形式可分为：平板式、U 形、圆筒式。图中红色为动子，蓝色为定子。

128 按性能参数分类 ①高推力（高推力、大位移）直线电机：
按性能参数分类 ①高推力（高推力、大位移）直线电机： 主要应用在高速、高精数控机床、高速加工中心和并联机床等；也可用于其他数控机械，如传输机械、冶金机械、纺织机械等；及其他高速、高精且需要高推力、大位移的场合，如飞行模拟器、弹射器，加速滑轨等。 ②高响应（高频响、小位移）直线电机： 主要应用在往返频率高、位移小、推力不高的各类精密机床，如非圆截面加工机床、高速磨床、电火花成型加工机床等；也可用于快速成形、图像传递、光电医疗、激光加工等设备或装置上的三维振镜扫描动态聚焦系统；电子制造行业的装备：插件机、线路板检测和钻孔、半导体行业：芯片加工、切片、连线、离子注入、光刻、芯片检验等装备；计算机外围驱备：X-Y绘图机、高速打印机、扫描仪、数控坐标测量仪、软盘驱动设备等。

129 （2）直线电机的特点 取消了从电动机到工作台之间的机械传动环节，没有机械接触，传动力是在气隙中产生的，除了导轨外没有其它摩擦；
结构简单，体积小，以最少的零部件数量实现直线驱动，而且是只有一个运动的部件； 理论上行程不受限制，而且性能不会因为行程的改变而受到影响； 可以提供很宽的速度范围，从每秒几微米到数米，特别适于高速，加速度很大，最大可达10g； 运动平稳，这是因为除了起支撑作用的直线导轨或气浮轴承外，没有其它机械连接或转换装置的缘故； 精度和重复精度高，因为消除了影响精度的中间环节，系统的精度取决于位置检测元件，有合适的反馈装置可达亚微米级； 维护简单，由于部件少，运动时无机械接触，从而大大降低了零部件的磨损，只需很少甚至无需维护，使用寿命更长。 但端部磁场有畸变，控制难度大，安装困难、需要隔磁、成本高等。

130 3. 直线电机的应用 直线电动机的实质 把旋转电动机沿径向剖开，然后拉直演变而成，利用电磁作用原理，将电能直接转换成直线运动动能的一种推力装置，是一种较为理想的驱动装置。 与旋转电动机的最大区别 在机床进给系统中，取消了从电动机到工作台之间的机械传动环节，把机床进给传动链的长度缩短为零。正由于这种传动方式，带来了旋转电动机驱动方式无法达到的性能指标和优点。 应用前景 由于直线电动机在机床中的应用目前还处于初级阶段，还有待进一步研究和改进。随着各相关配套技术的发展和直线电动机制造工艺的完善，直线电动机在机床进给驱动中将会得到广泛应用。

131 § 5-6 主轴驱动 主轴驱动的主要要求： 数控机床的主轴驱动不同于进给驱动，主轴的工作运动通常为旋转运动。
§ 5-6 主轴驱动 数控机床的主轴驱动不同于进给驱动，主轴的工作运动通常为旋转运动。 主轴驱动的主要要求： 输出功率大 2.2~250kw，结构上不能采用永磁式 宽的调速范围 1：100~1000恒转矩，1：10恒功率调速 主轴既能正转、又能反转，且能快速制动 特殊要求 如：加工螺纹，要求主轴驱动与进给驱动实行同步控制；为了保证端面加工的光洁度，要求主轴驱动系统具有恒线速切削控制；在加工中心上，由于自动换刀的需要，要求主抽驱动系统具有高精度的停位控制；有的数控机床还要求主轴驱动系统具有角度控制功能等。

132 分类 直流主轴驱动系统 早期的数控机床多采用直流主轴驱动系统。
直流主轴驱动系统 早期的数控机床多采用直流主轴驱动系统。 交流主轴驱动系统 自20世纪70年代末80年代初，在数控机床主轴驱动中开始采用交流主轴驱动系统。 现代数控机床多采用交流主轴驱动系统。

133 一、直流主轴电动机及其速度控制 1. 直流伺服电动机的结构 与一般直流电动机一样，只是为了减小转动惯量而做得细长一些。它的励磁绕组和电枢分别由两个独立电源供电。 2. 特性曲线 　基本速度以下： 恒转矩范围，用改变转子绕组电压调速。 　基本速度以上： 恒功率范围，用控制定子激磁来调速。

134 3. 速度控制 （直他激流伺服电动机） 定子磁动势：由励磁电流产生 转子反应磁动势：由转子绕组电流产生 电磁转矩：
3. 速度控制 （直他激流伺服电动机） 定子磁动势：由励磁电流产生 转子反应磁动势：由转子绕组电流产生 电磁转矩： 由于被控制量电动机磁通f 和电枢电流Ia，互相独立，其电磁转矩与磁通和电枢电流分别成正比关系。可以方便地分别进行调节，因此直流伺服 电机具有优良的调速性能。 恒转矩调速： 用改变转子绕组电压调速。 恒功率调速： 用控制定子激磁来调速。

135 直流主轴电动机双域调速系统框图

136 二、交流主轴电动机及其速度控制 1. 交流主轴电动机的结构
交流主轴电机多采用交流异步电机，很少采用永磁同步电机。主要因为永磁同步电机的容量做得不够大，且电机成本较高。另外主轴驱动系统不象进给系统那样要求很高的性能，调速范围也不要太大。因此，采用异步电机完全可以满足数控机床主轴的要求，笼型异步电机多用在主轴驱动系统中。

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138 2. 交流主轴电动机的工作原理 与普通三相异步电动机同。 据电机学知，交流异步电机的转速表达式为： （r/min）
2. 交流主轴电动机的工作原理 与普通三相异步电动机同。 据电机学知，交流异步电机的转速表达式为： （r/min） 式中 f1—定子电源频率（Hz）； p—磁极对数； s—转差率。 由上式可知异步电机的调速方法，可以有变转差率、变极对数及变频三种。靠改变转差率对异步电机进行调速时，低速时转差率大，转差损耗功率也大，效率低。变极调速只能产生二种或三种转速，不可能做成无级调速，应用范围较窄。变频调速是从高速到低速都可以保持有限的转差率，故它具有高效率、宽范围和高精度的调速性能，可以认为是一种理想的调速方法。

139 3. 功率—速度特性曲线 由上述分析可知改变频率f1，可平滑调节同步转速。但在实际调速时，只改变频率是不够的，现在来看一下变频时电动机的机械特性的变化情况，由电机学知： 式中 E1—感应电势； Kr1—基波绕组系数； N1—定子每相绕组串联匝数； Φm—每极气隙磁通量。 当略去定子阻抗压降时，定子相电压U1为 式中 KE—电势系数，KE＝4.44Kr1 N1。

140 由上式可见，定子电压不变时，随f1的上升，气隙磁通fm将减小。又从转矩公式
式中 CT—转矩常数； I2—折算到定子上的转子电流； cos y 2 —转子电路功率因数。 可以看出，f 减小导致电机允许输出转矩Te下降，则电机利用率下降，电机的最大转矩也将降低，严重时可能发生负载转矩超过最大转矩，电机就带不动了，即所谓堵转现象。 又当电压U1不变，减小f 1时，f 上升会造成磁路饱合，激磁电流会上升，铁芯过热，功率因数下降，电机带负载能力降低。故在调频调速中，要求在变频的同时改变定子电压U1，以维持 f 接近不变，由U1，f 1不同的相互关系,而得出不同的变频调速方式、不同的调速机械特性。

141 (1)  恒转矩调速 由转子电流与主磁通作用而产生的电磁转矩公式可知，T与φ、I2成正比。要保持T不变，即要求U1/f1为常数，可以近似地维持φ 恒定。此时的机械特性曲线族如图所示。 由图可见，保持U1/f1为常数进行变频调速时，这些特性曲线的线性段基本平行，类似直流电机的调压特性。但最大转矩Tm随着f1下降而减小。这是因为f1高时，E1数值较大，此时定子漏阻抗压降在U1中所占比例较小，可以认为U1近似于定子绕组中感应电势E1。而当f1相对很较低时，E1数值变小， U1值也变小， 此时定子漏阻抗压降在U1中 所占比例增大， E1与U1相差 很大，所以φ 减小，从而 使Tm下降。

142 (2)  恒最大转矩（Tm）调速 为了在低速时保持最大转矩Tm不变，就必须采取E1/f1=常数的协调控制，显然，这是一种理想的保持磁通恒定的控制方法。恒Tm调速的机械特性如图所示。 对应于同一转矩，转速降基本不变，即直线部分斜率不变，机械特性平行地移动。

143 （3） 恒功率调速 为了扩大调速范围，可以在额定频率以上进行调速。因电机绕组是按额定电压等级设计的，超过额定电压运行将受到绕组绝缘强度的限制，因此定子电压不可能与频率成正比地提高。若频率上升，额定电压不变，那么气隙磁通φm将随着f1的升高而降低。这时，相当于额定电流时的转矩也减小，特性变软。如图所示，随着频率增加，转矩减少，而转速增加，可得近似恒功率的调速特性。

144 矢量控制理论最先是在1971年由德国学者F.Blachke提出的。
4. 交流主轴电动机的矢量变换控制 矢量控制理论最先是在1971年由德国学者F.Blachke提出的。 在伺服系统中，直流伺服电机具有优良的调速性能，其根本原因是被控制量只有电机磁场f 和电枢电流Ia，且这两个量是独立的。其电磁转矩与磁通和电枢电流分别成正比关系。 交流主轴电动机的电磁转矩与磁通和转子电流不是独立的，磁通是由励磁电流产生，励磁电流是定子电流和转子电流的合成电流。 如果能够模拟直流电机，求出交流电机与之对应的磁场与电枢电流，分别而独立地加以控制，就会使交流电机具有与直流电机近似的优良特性。为此，必须将三相交变量（矢量）转换为与之等效的直流量（标量），建立起交流电机的等效模型，然后按直流电机的控制方法对其进行控制。

145 将交流电动机模拟成直流电动机，用对直流电动机的控制方法来控制交流电动机。
矢量控制的实质 将交流电动机模拟成直流电动机，用对直流电动机的控制方法来控制交流电动机。 其方法是以交流电动机转子磁场定向，把定子电流分解成与转子磁场力向相平行的磁化电流分量Id 和相垂直的转矩电流分量Iq ，分别对应直流电动机中的励磁电流If 和电枢电流Ia 在转子旋转坐标系上，分别对磁化电流分量、和转矩电流分量进行控制，以达到对实际的交流电动机速度控制的目的。

146 （1）矢量变换控制原理 通过绕组等效来实现。图a所示三相异步交流电机在空间上产生一个角速度为ωo的旋转磁场f。如果用图b中的两套空间相差900的绕组α和β来代替，并通以两相在时间上相差900的交流电流，使其也产生角速度为ω0的旋转磁场f ，则可以认为图a和图b中的两套绕组是等效的。若给图c所示模型上两个互相垂直绕组d和q，分别通以直流电流id和iq，则将产生位置固定的磁场f ，如果再使绕组以角速度ω0旋转，则所建立的磁场也是旋转磁场，其幅值和转速也与图a一样。 图a 图b 图c

147 （2）矢量变换数学模型 交流电动机三相/二相电动机变换 三相A、B、C系统变换到两相α、β系统
三相A、B、C绕组的作用，完全可以用在空间上互相垂直的两个静止的α、β绕组代替，并给两相通以在时间上相差90°的交流平衡电流 ，使其产生的旋转磁场的幅值和角速度也分别为f 和ω0，则可以认为图a、b中的两套绕组是等效的。 图a 图b 图c

148 iB iβ 应用三相/二相的数学变换公式，将其化为二相交流绕组的等效交流磁场。其磁动势为
按照磁动势与电流成正比关系，可求得对应的电流值ia和ib iB iβ 600 iα iA iC 除磁动势的变换外，变换中用到的其它物理量，只要是三相平衡量与二相平衡量，则转换方式相同。这样就将三相电机转换为二相电机。

149 矢量旋转变换 将三相电机转化为二相电机后，还需将二相交流电机 变换为等效的直流电机。若设图中d为激磁绕组，通以
激磁电流 ，q为电枢绕组，通以电枢电流 ，则产生固 定幅度的磁场 ，在定子上以角速度ω0 旋转。这样就可 看成是直流电机了。将二相交流电机转化为直流电机的 变换，实质就是矢量向标量的转换，是静止的直角坐标 系向旋转的直角坐标系之间的转换。即把 、 转化 为 、 ，转化条件是保证合成 磁场不变。 转换公式为 iβ φ β a id iα iq θ i1

150 矢量控制中，还要用到直角坐标系与极坐标系的变换。由 和 求 ，其公式为
直角坐标与极坐标的变换 矢量控制中，还要用到直角坐标系与极坐标系的变换。由 和 求 ，其公式为 采用矢量变换的感应电机 具有和直流电机一样的控制 特点，而且结构简单、可靠， 电机容量不受限制，与同等直流电机相比机械 惯量小，其前景非常可观。 iβ φ β a id iα iq θ i1

151 矢量变换控制原理框图

152 数控技术 第五章 伺服驱动系统 § 5-1 概述 § 5-2 检测装置 § 5-3 步进电动机及其驱动系统
第五章 伺服驱动系统 § 5-1 概述 § 检测装置 § 5-3 步进电动机及其驱动系统 § 5-4 直流伺服电动机及其速度控制 § 5-5 交流伺服电动机及其速度控制 § 5-6 主轴驱动 § 5-7 位置控制

153 伺服系统（Servo System) CNC系统 控制信号 驱动电机 光栅尺 反馈信号 检测装置 伺服驱动系统

154 § 5-7 位置控制 一、脉冲比较伺服系统 1. 系统组成： 位置控制按伺服系统分为开环、闭环和半闭环控制。本节介绍闭环和半闭环位置控制。
§ 5-7 位置控制 位置控制按伺服系统分为开环、闭环和半闭环控制。本节介绍闭环和半闭环位置控制。 一、脉冲比较伺服系统 用脉冲比较的方法构成闭环和半闭环控制。 1. 系统组成： 采用光电编码器产生位置反馈脉冲信号； 实现指令脉冲与反馈脉冲的脉冲比较，以取得位置 偏差信号； 以位置偏差作为速度给定的伺服电机速度调节系统。

155 2. 脉冲比较伺服系统的闭环和半闭环的比较

156 脉冲比较伺服系统的闭环和半闭环的区别 在检测元件上的不同点： 在半闭环控制中，多采用光电编码器作为检测元件；在闭环控制中，多采用光栅作为检测元件。 在安装位置上的不同点：半闭环的检测元件一般安装在丝杠轴上，而闭环的检测元件则安装在工作台上。

157 3. 脉冲比较伺服系统的工作原理 (闭环) (1) 开始时，指令脉冲 F＝0，且工作台处于静止状态，则反馈脉冲Pf =0，经比较环节 e＝F一Pf ＝0，伺服电机的速度给定为0，伺服电机不动，工作台仍处于静止状态。 (2) 当指令脉冲 F＞o， (3) 当指令脉冲F＜o，其控制过程与正向指令脉冲的控制过程相类似，只是此时e＜o，工作台向反方向进给。最后，工作台稳定在指令所规定的反向位置上。 (2) 当指令脉冲 F＞o，工作台在没有移动之前，反馈脉冲Pf 仍为0 ，经比较环节 e＝F一Pf＞0，调速系统驱动工作台向正向进给。随着电机的运转，检测元件的反馈脉冲信号进入比较环节。按负反馈原理，当 F=Pf 时，偏差 e＝F一Pf＝0，工作台重新稳定在指令所规定的位置。 (2) 当指令脉冲 F＞o， (3) 当指令脉冲F＜o， (4) 比较环节输出的位置偏差信号e是一个数字量，经D／A转换后，变为模拟给定电压，使模拟调速系统工作。

158 4. 特点 结构比较简单，易于实现数字化控制。在控制性能上数字比较伺服系统要优于模拟方式、混合方式的伺服系统。

159 二、相位比较伺服系统 1. 主要组成 用相位比较的方法构成闭环和半闭环控制。
基准信号发生器、脉冲调相器、检测元件、鉴相器、伺服放大器、伺服电动机等。

160 2. 相位比较伺服系统的闭环和半闭环的比较

161 相位比较伺服系统的闭环和半闭环的区别 在检测元件上的不同点： 在半闭环控制中，多采用旋转变压器作为检测元件；在闭环控制中，多采用感应同步器作为检测元件。 在安装位置上的不同点：半闭环的检测元件一般安装在丝杠轴上，而闭环的检测元件则安装在工作台上。 脉冲调相器的作用: 将来自数控装置的进给脉冲信号转换为相位变化信号，该相位变化信号，可用正弦信号或方波信号表示。 当进给脉冲 F=0，则脉冲调相器的输出与基准信号发生器发出的基准信号同相位，没有相位差。 当输出一个正向或反向进给脉冲，则脉冲调相器就输出超前或滞后基准信号一个相应的相位角。

162 3. 相位比较伺服系统的工作原理 (闭环) (1) 开始时，指令脉冲 F＝0，工作台处于静止状态，PA、PB为同频率同相位的脉冲信号，经鉴相器鉴相判别，△q＝0，伺服放大器速度给定为0，伺服电机不动，工作台仍处于静止状态。 (2) 当指令脉冲 F＞0，经脉冲调相器，PA ＝ +qo，因工作台原来静止，PB＝0，鉴相器的输出△q ＝PA一PB＝ +qo＞o，伺服驱动使工作台作正向运动，直至△q ＝0。 (2) 当指令脉冲 F＞0， (3) 当指令脉冲F＜0，其控制过程与正向指令脉冲的控制过程相类似，只是此时PA ＝ - qo ，工作台向反方向进给。直至△q ＝0 。

163 特点: 结构比较简单，易于实现数字化控制。在控制性能上数字比较伺服系统要优于模拟方式、混合方式的伺服系统。

164 三、幅值比较伺服系统 1. 主要组成 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值，用幅值比较的方法构成闭环和半闭环控制。
基准信号发生器、脉冲调相器、检测元件、鉴相器、伺服放大器、伺服电动机等。

165 2. 幅值比较伺服系统的闭环和半闭环的比较

166 幅值比较伺服系统的闭环和半闭环的区别 在检测元件上的不同点： 在半闭环控制中，多采用旋转变压器作为检测元件；在闭环控制中，多采用感应同步器作为检测元件。 在安装位置上的不同点：半闭环的检测元件一般安装在丝杠轴上，而闭环的检测元件则安装在工作台上。 鉴幅器的任务 通过检测出检测元件输出电压信号的幅值，获得励磁信号qd与q的相对关系。 检测的电压幅值需经电压—频率变换电路变成相应的数字脉冲，一方面与F比较以获得位置偏差信号△s，另一方面作为修改励磁信号中qd值的设定输入。

167 3. 幅值比较伺服系统的工作原理 (闭环) (1) 开始时，指令脉冲 F＝0，工作台处于静止状态， qd=q 经鉴幅器检测到检测元件输出电压幅值为0，由电压—频率变换电路所得的Pf=0，比较环节的位置偏差信号△s＝F一Pf＝o，伺服放大器的速度给定为0，伺服电机不动，工作台仍处于静止状态。 (2) 当指令脉冲 F＞0， △s＝F一Pf ＞0 ，经D/A变换后作为伺服电机速度给定值，伺服驱动使工作台作正向运动。随着Pf的增加，偏差△s逐渐减小，直至F＝Pf， △s ＝0，达到新的平衡，工作台停止正向运动。 (2) 当指令脉冲 F＞0， (3) 当指令脉冲F＜0，其控制过程与正向指令脉冲的控制过程相类似，只是此时△s＝F一Pf ＜ 0 ，工作台向反方向进给。直至△s ＝0 。

168 概述 在进给伺服系统的研究开发中，一直致力于用软件控制尽可能多地取代硬件电路，以降低系统的成本和提高系统的性能。
四、全数字进给伺服系统 概述 　 在进给伺服系统的研究开发中，一直致力于用软件控制尽可能多地取代硬件电路，以降低系统的成本和提高系统的性能。 随着高速数字信号处理器、单片微型计算机、大规模集成电路的出现；可用逻辑电平控制其通断的功率晶体管、功率场效应管的商品化，使得高精度、多功能的全数字进给伺服系统发展很快，并将逐渐成为进给伺服系统的主流。 在全数字进给伺服系统中，位置控制、速度控制和电流控制环节的数字（软件）控制运算均由单片微机的CPU来完成，与CNC系统的计算机有双向通讯联系。 　　在系统内部各个环节之间使用同一RAM实行高速通讯处理。各环节可以采用不同的控制调节策略，通过软件可以设定、改变其结构和参数。

169 图中所示是一种全数字进给伺服系统

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171 工作原理 　　 由脉宽调制（PWM）调速的直流伺服电机驱动，系统中的位置控制，速度控制和电流控制等控制调节环节由软件（数字）控制，通过单片微机的CPU来完成。 　　电流控制器向PWM功率放大器输送逻辑电平型脉冲调宽控制信号，脉冲编码器PG提供位置与速度反馈信号，电流检测器发送电流反馈信号、PWM功率放大器输出可调直流电压驱动直流伺服电机完成位置伺服控制任务。 　　系统最后输出逻辑电平型的脉宽调制信号，直接送至PWM功率放大器模块，该功率模块上也可以有电机的电流检测和脉冲编码器的中继传送等电路。

172 2. 全数字伺服系统的特点 在全数字系中，对逻辑电平以下的信号漂移、噪声干扰将不予响应，而且还可用软件进行自动补偿，因而提高了速度、位置控制的精度和稳定性。 在全硬件的模拟控制系统中，微弱信号的信、噪分离很困难，很难将控制精度提高到毫微级别以上，而在全数字伺服系统中，可以通过增加数字信号的位长，达到所要求的控制精度。 由于是软件控制，在全数字伺服系统中，可以预先设定数值进行反向间隙补偿；可以进行定位精度的软件补偿；甚至因热变形或机构受力变形所引起的定位误差，也可以在实测出数据后通过软件进行补偿。

173 全数字伺服系统中控制调节环节全部软件化，很容易引进经典和现代控制理论中的许多控制策略，如比例（P），比例-积分（PI）和比例-积分-微分（PID）控制等，而且这些控制调节环节的结构和参数可以根据负载惯量等条件的不同，通过软件进行设定和修改。这样可以使系统的控制性能达到最完善的程度，得到最佳的控制效果。 　系统能够高速传递多种状态参数信息，进行系统故障的自诊断和报警。

174 3. 全数字进给伺服系统的发展 为了适应高速、高精度加工的需要，提高系统的性能，在全数字伺服系统中，目前发展的方法有
3. 全数字进给伺服系统的发展 　为了适应高速、高精度加工的需要，提高系统的性能，在全数字伺服系统中，目前发展的方法有 前馈控制（feedforward control） 　在数控机床高速加工时，传统进给伺服系统的位置误差（位置滞后）很大，反映到被加工零件上是其轨迹误差很大，增大位置环的增益系数可以减小位置误差，但是会影响系统的稳定性，或者会产生惯性冲击。 　　　引入前馈控制可以改善这一缺陷。实际上进给伺服系统成了具有反馈与前馈控制的复合型系统。这种系统理论上可以完全消除系统的静态位置误差，即实现了"无差调节"。 　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　 　 　

175 自调整控制 　 系统的伺服控制性能和机械负载有紧密的联系，系统具有自动调整功能，能根据机械负载特性的变化，自动完成控制器结构和参数的整定，以获得最优的控制性能。
如伺服系统的速度控制采用PI控制方式，并且系统中引入自校正机构，使系统形成自适应PI控制方式。一方面系统可以自动辨识被控机械对象的参数，主要是机械负载的转动惯量，自动整定控制器参数，以适应被控对象参数的变化。另一方面系统具有常规PI调节器结构简单、工作稳定、鲁棒性较强等优点。 其他控制 　　由于全数字伺服系统，以通用微型计算机的硬件为基础，进行软件控制，可以很灵活地采用不同的控制策略。目前发展的控制方法还有：预测控制、学习控制和各种自适应控制等等。