第5章 数控伺服驱动系统

1、数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.11第五章第五章 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.11一、数控伺服系统的定义及组成、数控伺服系统的定义及组成1、定义：、定义： 伺服伺服(Servo)，本意为，本意为“服从服从”的含义。进的含义。进给伺服系统给伺服系统(Feed Servo System)就是以移动就是以移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统。部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统。 2、组成：、组成： 进给伺服系统主要由以下几个部分组成：位进给伺服系统主要由以下几个部分组成：位置控制单元；速度控制单元；驱动元件置控制单元；速度

2、控制单元；驱动元件(电机电机)；检测与反馈单元；机械执行部件。检测与反馈单元；机械执行部件。第一节第一节 概概 述述数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.11数控伺服系统的基本组成数控伺服系统的基本组成数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.11 伺服系统伺服系统是指以机械位置或角度作为控制是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。它接受来自数控装置的对象的自动控制系统。它接受来自数控装置的进给指令信号，经变换、调节和放大后驱动执进给指令信号，经变换、调节和放大后驱动执行件，转化为直线或旋转运动。伺服系统是数行件，转化为直线或旋转运动。伺服系统是数控装置控装置( (计算机计

3、算机) )和机床的联系环节，是数控机和机床的联系环节，是数控机床的重要组成部分。床的重要组成部分。 数控机床伺服系统又称为数控机床伺服系统又称为位置随动系统位置随动系统、驱动系统驱动系统、伺服机构伺服机构或或伺服单元伺服单元。 该系统包括了大量的电力电子器件，结构该系统包括了大量的电力电子器件，结构复杂，综合性强。复杂，综合性强。数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.11 进给伺服系统是数控系统主要的子系统。进给伺服系统是数控系统主要的子系统。如果说如果说CNC装置是数控系统的装置是数控系统的“大脑大脑”，是，是发布发布“命令命令”的的“指挥所指挥所”，那么进给伺服，那么进给伺服系统则

4、是数控系统的系统则是数控系统的“四肢四肢”，是一种，是一种“执执行机构行机构”。它忠实地执行由。它忠实地执行由CNC装置发来的装置发来的运动命令，精确控制执行部件的运动方向，运动命令，精确控制执行部件的运动方向，进给速度与位移量。进给速度与位移量。数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.11二、二、对伺服系统的基本要求对伺服系统的基本要求 1 1、位移精度高位移精度高 伺服系统的精度是指输出量能复现输入伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。伺服系统的位移精度是指指令量的精确程度。伺服系统的位移精度是指指令脉冲要求机床工作台进给的位移量和该指令脉脉冲要求机床工作台进给的位移量和该

5、指令脉冲经伺服系统转化为工作台实际位移量之间的冲经伺服系统转化为工作台实际位移量之间的符合程度。两者误差愈小，位移精度愈高。符合程度。两者误差愈小，位移精度愈高。 2 2、稳定性好稳定性好 稳定性是指系统在给定外界干扰作用下，稳定性是指系统在给定外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来平衡状态的能力。要求伺服系统具有较强原来平衡状态的能力。要求伺服系统具有较强的抗干扰能力，保证进给速度均匀、平稳。稳的抗干扰能力，保证进给速度均匀、平稳。稳定性直接影响数控加工精度和表面粗糙度。定性直接影响数控加工精度和表面粗糙度。数控伺服驱动系统重庆三

6、峡学院 赵万军2008.113 3、 动态动态响应要快响应要快 动态动态响应是伺服系统动态品质的重要指标，它响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统跟踪精度。机床进给伺服系统实际上反映了系统跟踪精度。机床进给伺服系统实际上就是一种高精度的位置随动系统，为保证轮廓切就是一种高精度的位置随动系统，为保证轮廓切削形状精度和低的表面粗糙度，要求伺服系统跟削形状精度和低的表面粗糙度，要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快，跟随误差小。踪指令信号的响应要快，跟随误差小。4 4、调速范围宽、调速范围宽 调速范围是指生产机械要求电机能提供的最调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。高转速

7、和最低转速之比。目前数控机床一般要求目前数控机床一般要求进给伺服系统的调速范围是进给伺服系统的调速范围是024m/min，有的，有的已达到已达到240m/min。在数控机床中，由于所用刀在数控机床中，由于所用刀具、加工材料及零件加工要求的不同，为保证在具、加工材料及零件加工要求的不同，为保证在各种情况下都能得到最佳切削条件，就要求伺服各种情况下都能得到最佳切削条件，就要求伺服系统具有足够宽的调速范围。系统具有足够宽的调速范围。 数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.115 5、低速大扭矩、低速大扭矩 要求伺服系统有足够的输出扭矩或驱动功率。要求伺服系统有足够的输出扭矩或驱动功率。机床加

8、工的特点是，在低速时进行重切削。因此，机床加工的特点是，在低速时进行重切削。因此，伺服系统在低速时要求有大的转矩输出。伺服系统在低速时要求有大的转矩输出。 进给坐标的伺服控制属于进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制恒转矩控制，在整个，在整个速度范围内都要保持这个转矩；主轴坐标的伺服速度范围内都要保持这个转矩；主轴坐标的伺服控制在低速时为控制在低速时为恒转矩控制恒转矩控制，能提供较大转矩。，能提供较大转矩。在高速时为在高速时为恒功率控制恒功率控制，具有足够大的输出功率。，具有足够大的输出功率。数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.11 对伺服电机的要求：对伺服电机的要求：（1）调运范围宽且有

9、良好的稳定性，低速时速度）调运范围宽且有良好的稳定性，低速时速度平稳。平稳。（2 2）电机应具有大的、较长时间的过载能力，以电机应具有大的、较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。满足低速大转矩的要求。（3 3）反应速度快，电机必须具有较小的转动惯量、反应速度快，电机必须具有较小的转动惯量、较大的转矩、尽可能小的机电时间常数和很大较大的转矩、尽可能小的机电时间常数和很大的加速度的加速度(4000rad/s(4000rad/s2 2以上以上) )。（4 4）能承受频繁的起动、制动和正反转。）能承受频繁的起动、制动和正反转。 数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.11驱动电路驱动电路步

10、进电机步进电机工作台工作台脉冲脉冲指令指令伺服电机伺服电机速度检测速度检测速度控制速度控制位置控制位置控制位置检测位置检测伺服电机伺服电机速度控制速度控制位置控制位置控制工作台工作台脉冲编码器脉冲编码器指令指令1按调节理论分类按调节理论分类（1）开环伺服系统）开环伺服系统（2）闭环伺服系统）闭环伺服系统（3）半闭环伺服系统）半闭环伺服系统三、伺服系统的分类三、伺服系统的分类数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.11电电机机机械执行部件机械执行部件 A相相 B相相 C相相fnCNC插 补 指插 补 指令令脉冲频率脉冲频率f脉冲个数脉冲个数n换算换算脉冲环脉冲环形分配形分配变换变换功功率率

11、放放大大（1）开环数控系统）开环数控系统开环伺服系统采用步进电机作为驱动元开环伺服系统采用步进电机作为驱动元件，它没有位置反馈回路和速度反馈回件，它没有位置反馈回路和速度反馈回路，系统稳定性好。路，系统稳定性好。数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.11无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度。动机构的性能和精度。一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。这类系统具有结构简单、工作稳定、调试这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、

12、维修简单、价格低廉等优点，在精方便、维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般用于经济型数控机床。得到广泛应用。一般用于经济型数控机床。数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.11位置控制位置控制调节器调节器速度控制速度控制调节与驱动调节与驱动检测与反馈检测与反馈单元单元位置控制单元位置控制单元速度控制单元速度控制单元+-电机电机机械执行部件机械执行部件CNC插补插补指令指令实际实际位置位置反馈反馈实际实际速度速度反馈反馈2）半闭环数控系统）半闭环数控系统半闭环伺服系统一般将位置检测元件安装在半闭环伺服系统一般

13、将位置检测元件安装在电动机轴上或丝杠端部，用以精确控制电机的电动机轴上或丝杠端部，用以精确控制电机的角度，然后通过滚珠丝杠等传动部件，将角度角度，然后通过滚珠丝杠等传动部件，将角度转换成工作台的位移，为间接测量。转换成工作台的位移，为间接测量。数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.11半闭环环路内不包括或只包括少量机械半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。环要好。由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难

14、以消除。因此，其精度较闭环运动误差难以消除。因此，其精度较闭环差，较开环好。但可对这类误差进行补偿，差，较开环好。但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。因而仍可获得满意的精度。半闭环数控系统结构简单、调试方便、半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在现代精度也较高，因而在现代CNC机床中得到机床中得到了广泛应用。了广泛应用。数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.11检测与反馈检测与反馈单元单元位置控制调节位置控制调节器器速度控制速度控制调节与驱调节与驱动动位置控制单元位置控制单元速度控制单元速度控制单元+-电电机机机械执行部件机械执行部件CNC插补插补指令指令实际

15、位实际位置反馈置反馈实际速实际速度反馈度反馈3）闭环数控系统）闭环数控系统 闭环伺服系统的位置检测装置安装在机床闭环伺服系统的位置检测装置安装在机床的工作台上，检测装置测出实际位移量或者的工作台上，检测装置测出实际位移量或者实际所处位置，并将测量值反馈给实际所处位置，并将测量值反馈给CNC装置，装置，与指令进行比较，求得差值，依此构成闭环与指令进行比较，求得差值，依此构成闭环位置控制。位置控制。数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.11从理论上讲，可以消除整个驱动和传动从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量。具有很高环节的误差、间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。

16、的位置控制精度。 由于位置环内的许多机械传动环节的摩由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。的设计、安装和调试都相当困难。该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。机床等。数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.112 2、按使用的执行元件分类按使用的执行元件分类 （1）电液伺服系统）电液伺服系统 电液脉冲马达电液脉冲马达和和

17、电液伺服马达电液伺服马达。 优点：在低速下可以得到很高的输出力矩，刚优点：在低速下可以得到很高的输出力矩，刚性好，时间常数小、反应快和速度平稳。性好，时间常数小、反应快和速度平稳。 缺点：液压系统需要供油系统，体积大。噪声、缺点：液压系统需要供油系统，体积大。噪声、漏油。漏油。数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.11（2）电气伺服系统）电气伺服系统 1）直流伺服系统）直流伺服系统 进给运动系统采用大惯量宽调速永磁直流伺服电机和进给运动系统采用大惯量宽调速永磁直流伺服电机和中小惯量直流伺服电机；主运动系统采用他激直流伺服电机。中小惯量直流伺服电机；主运动系统采用他激直流伺服电机。 优点

18、：调速性能好（调速范围宽），输出转矩大，过优点：调速性能好（调速范围宽），输出转矩大，过载能力强。载能力强。 缺点：有电刷，速度不高。缺点：有电刷，速度不高。 2）交流伺服系统）交流伺服系统 交流感应异步伺服电机（一般用于主轴伺服系统）和交流感应异步伺服电机（一般用于主轴伺服系统）和永磁同步伺服电机（一般用于进给伺服系统）。永磁同步伺服电机（一般用于进给伺服系统）。 优点：转子惯量比直流电机小，动态响应好。而且容优点：转子惯量比直流电机小，动态响应好。而且容易维修，制造简单，适合于在较恶劣环境中使用，易于向大易维修，制造简单，适合于在较恶劣环境中使用，易于向大容量、高速度方向发展，其性能更加优

19、异，已达到或超过直容量、高速度方向发展，其性能更加优异，已达到或超过直流伺服系统，交流伺服电机已在数控机床中得到广泛应用。流伺服系统，交流伺服电机已在数控机床中得到广泛应用。 数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.113 3、按被控对象分类、按被控对象分类 （1）进给伺服系统）进给伺服系统进给伺服系统包括速度控进给伺服系统包括速度控制环和位置控制环，用于数控机床工作台或刀制环和位置控制环，用于数控机床工作台或刀架坐标的控制系统，控制机床各坐标轴的切削架坐标的控制系统，控制机床各坐标轴的切削进给运动，并提供切削过程所需转矩。进给运动，并提供切削过程所需转矩。 （2）主轴伺服系统）主轴伺服

20、系统主轴伺服系统只是一个速主轴伺服系统只是一个速度控制系统，控制机床主轴的旋转运动，为机度控制系统，控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴提供驱动功率和所需的切削力，且保证床主轴提供驱动功率和所需的切削力，且保证任意转速的调节。任意转速的调节。 C 轴控制功能。轴控制功能。数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.114、按反馈比较控制方式分类、按反馈比较控制方式分类 （1）脉冲、数字比较伺服系统）脉冲、数字比较伺服系统 （2）相位比较伺服系统）相位比较伺服系统 （3）幅值比较伺服系统）幅值比较伺服系统 （4）全数字伺服系统）全数字伺服系统数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.11第二

21、第二 节节 开环步进驱动系统开环步进驱动系统一、步进电机的分类一、步进电机的分类步进电机：步进电机：是一种是一种将电脉冲转变成机械角位移的装置将电脉冲转变成机械角位移的装置 v按输出转矩分：按输出转矩分： 快速步进电机、快速步进电机、功率功率步进电机。步进电机。 v按励磁相数分：按励磁相数分： 三相、四相、五相、三相、四相、五相、 六相、八相等六相、八相等 v按工作原理分：按工作原理分： 反应式、激磁式、反应式、激磁式、 混合式（永磁反应式）混合式（永磁反应式） 数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.111 1、反应式步进电机、反应式步进电机定子定子:定子上有绕组分为若干相，每相磁极上

22、有极齿。定子上有绕组分为若干相，每相磁极上有极齿。下图为三相定子：下图为三相定子：AA,BB,CCA、B、C三相每相两极。三相每相两极。1）结构：由转子和定子两部分组成）结构：由转子和定子两部分组成数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.11定子上线圈的绕法定子上线圈的绕法A相A相B相B相C相C相A相相B相相C相相数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.11转子转子转子上有均匀分布的转子上有均匀分布的齿，没有绕组。齿，没有绕组。转子齿间夹角为转子齿间夹角为9o左图为一转子示意图：左图为一转子示意图：以四十齿为例来说以四十齿为例来说明步进电机的原理明步进电机的原理数控伺服驱动系统重庆

23、三峡学院 赵万军2008.11步进电机的实物图步进电机的实物图数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.11数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.11数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.11数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.11工作原理工作原理定子绕组通断电顺序定子绕组通断电顺序 转子转向转子转向 定子绕组通断电转换频率定子绕组通断电转换频率 转子转速转子转速 定子绕组通断电次数定子绕组通断电次数 转子转角转子转角 三相单三拍三相单三拍 A(U)B(V)C(W)A(U) A(U)B(V)C(W)A(U) A(U)C(W)B(V)A(U)A(U)C(W)B(V)

24、A(U)三相双三拍三相双三拍 AB(UV)BC(VW)CA(WU)AB(UV)AB(UV)BC(VW)CA(WU)AB(UV) BA(VU)AC(UW)CB(WV)BA(VU)BA(VU)AC(UW)CB(WV)BA(VU)三相单双六拍三相单双六拍 A(U)AB(UV)B(V)BC(VW)A(U)AB(UV)B(V)BC(VW) C(W)CA(WU)A(U) C(W)CA(WU)A(U) A(U)AC(UW)C(W)CB(WV)A(U)AC(UW)C(W)CB(WV) B(V)BA(VU)A(U) B(V)BA(VU)A(U)v 通断电方式通断电方式数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008

25、.11有关术语有关术语u相数：相数：电动机定子上有磁极，磁极对数电动机定子上有磁极，磁极对数称为相数。如称为相数。如6个磁极，则为三相，称该个磁极，则为三相，称该电动机为三相步进电动机。电动机为三相步进电动机。10个磁极为个磁极为五相，称该电动机为五相步进电动机。五相，称该电动机为五相步进电动机。u拍数：拍数：电动机定子绕组每改变一次通电电动机定子绕组每改变一次通电方式称为一拍。方式称为一拍。数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.11AABBCCAABBCCAABBCC1112223333444逆时针转300逆时针转300逆时针转300三相单三拍三相单三拍 A(U)B(V)C(W)A(

26、U)数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.11三相单双六拍三相单双六拍 AABBBCCCAA数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.11 A A B B C C 定子 转子 绕组 小步距角的三相反应式步进电机小步距角的三相反应式步进电机转子均匀分布转子均匀分布40齿，齿，定子每段极弧上有定子每段极弧上有5个齿，定转子齿个齿，定转子齿宽、齿距相同。宽、齿距相同。实际步进电机结构实际步进电机结构数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.1133636312345678910111213123451234512345VUW6060定子、转子展开图定子、转子展开图数控伺服驱动系统重庆

27、三峡学院 赵万军2008.112）混合式步进电机）混合式步进电机（c c）N N极性转子径极性转子径 向剖面图向剖面图混合式步进电动机结构原理图混合式步进电动机结构原理图（a）S极性转子段极性转子段 径向剖面图径向剖面图（b）轴向视图）轴向视图A-A与与B-B两块齿片在空间错开半个齿距，两块齿片在空间错开半个齿距，保证转矩的连续性。保证转矩的连续性。数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.11 混合式步进电机与反应式的主要区别是转子上混合式步进电机与反应式的主要区别是转子上置有磁钢。产生的转矩比反应式步进电机大，且步置有磁钢。产生的转矩比反应式步进电机大，且步距角常可以做的较小，因此在工

28、作空间受限而需要距角常可以做的较小，因此在工作空间受限而需要小步距角和大转矩的应用中。小步距角和大转矩的应用中。 反应式电动机转子上无磁钢，输入能量全靠定反应式电动机转子上无磁钢，输入能量全靠定子励磁电流供给，静态电流比永磁式大许多。转子子励磁电流供给，静态电流比永磁式大许多。转子得到机械惯量较混合式步进电机低，可以实现更快得到机械惯量较混合式步进电机低，可以实现更快的加减速。的加减速。混合式步进电机与反应式步进电机的比较：混合式步进电机与反应式步进电机的比较：数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.11三、步进电机的特性三、步进电机的特性1 1、步距角与步距角误差步距角与步距角误差步距

29、角步距角：每输入一个电脉冲信号，步进电机转子转过每输入一个电脉冲信号，步进电机转子转过的角度，称为步进电机的步距角，用的角度，称为步进电机的步距角，用 表示。表示。mzk360360rmz cmm步进电机的相数步进电机的相数Z Z（ZrZr）步进电机转子齿数步进电机转子齿数K K（C C）状态系数（与通电有关的系数）状态系数（与通电有关的系数） K K1 1：单拍或双三拍：单拍或双三拍 K K2 2：单双六拍：单双六拍数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.11（1）某步进电动机）某步进电动机转子有转子有4040齿并且采用单三齿并且采用单三拍工作的，其步距角为：拍工作的，其步距角为：oo

30、o=360 /mzc=360 /40 3 1=3 ooo=360 /mzc=360 /40 3 2=1.5 步距角计算示例：步距角计算示例：（2）按单、双相通电方式运行的三相步进）按单、双相通电方式运行的三相步进电动机，转子齿数电动机，转子齿数z=40，其步距角为：，其步距角为：数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.11若步进电动机的频率为若步进电动机的频率为f f，则步进电动机的转速为：，则步进电动机的转速为：60( /min)srfnrmz c计算示例：计算示例：1 1、某步进电机定子、某步进电机定子6060齿，齿，5 5相十拍工作相十拍工作方式，直接驱动机床工作台，其转速为方式，

31、直接驱动机床工作台，其转速为600r/min600r/min，计算其稳定工作频率和步距角计算其稳定工作频率和步距角解：由解：由60srfnmz c有：有：5 40 2 60040006060rsmz cnfHZ ooor=360 /mz c=360 /50 5 2=0.72 数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.11步距角误差：步距角误差：是指步进电机运行时，转子每一是指步进电机运行时，转子每一步实际转过的角度与理论步距角之差值。步实际转过的角度与理论步距角之差值。连续走若干步时，上述步距误差的累积值称为连续走若干步时，上述步距误差的累积值称为步距的累积误差。由于步进电机转过一转后，将

32、步距的累积误差。由于步进电机转过一转后，将重复上一转的稳定位置，即步进电机的步距累积重复上一转的稳定位置，即步进电机的步距累积误差将以一转为周期重复出现。误差将以一转为周期重复出现。步距角误差步距角误差数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.112、静特性、静特性 1）静态矩角特性）静态矩角特性 当步进电动机某相通电时，转子处于不动状态，当步进电动机某相通电时，转子处于不动状态，这时转子上无转矩输出。如果在电动机轴上加一个这时转子上无转矩输出。如果在电动机轴上加一个负载转矩，转子按一定方向转过一个角度负载转矩，转子按一定方向转过一个角度，重新，重新处于不动（稳定）状态，这时转子上受到的电

33、磁转处于不动（稳定）状态，这时转子上受到的电磁转矩矩T称为静态转矩，它与负载转矩相等，转过的角称为静态转矩，它与负载转矩相等，转过的角度度称为失调角。静态时称为失调角。静态时T与与的关系称为矩角特性，的关系称为矩角特性，它近似于正弦曲线。它近似于正弦曲线。数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.11静态矩角特性静态矩角特性数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.11 2)最大静转矩最大静转矩 静态矩角特性上的电磁转矩最大值称为最大静转矩。在静静态矩角特性上的电磁转矩最大值称为最大静转矩。在静态稳定区域内，当外转矩除去后，转子在电磁转矩的作用下，态稳定区域内，当外转矩除去后，转子在电

34、磁转矩的作用下，仍能回到稳定平衡点位置。仍能回到稳定平衡点位置。 最大静转矩表示步进电动机承受负载的能力。它越大，电最大静转矩表示步进电动机承受负载的能力。它越大，电动机带动负载能力越强，运行的快速性和稳定性越好。动机带动负载能力越强，运行的快速性和稳定性越好。 数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.113、动特性、动特性 （1 1）最大起动转矩最大起动转矩 电动机相邻两相的静态矩角特性曲线交点所对应电动机相邻两相的静态矩角特性曲线交点所对应的转矩即为最大起动转矩的转矩即为最大起动转矩TqTq。当外界负载超过最大起。当外界负载超过最大起动转矩时，步进电动机就不能起动。如下图所示。动转矩

35、时，步进电动机就不能起动。如下图所示。 a bCAB qTBTqTAT数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.11 （2 2）最大启动频率最大启动频率 空载时，步进电动机由静止状态空载时，步进电动机由静止状态启启动，达到不动，达到不丢步的正常运行的最高频率称为丢步的正常运行的最高频率称为最大起动频率最大起动频率。 启启动时指令脉冲频率应小于起动频率，否则将动时指令脉冲频率应小于起动频率，否则将产生产生失步失步。 步进电机在带负载下的启动频率比空载要低。步进电机在带负载下的启动频率比空载要低。而且，随着负载加大（在允许范围内），启动频率而且，随着负载加大（在允许范围内），启动频率会进一步降

36、低。这种特性称为会进一步降低。这种特性称为启动矩频特性启动矩频特性。启动矩频特性曲线启动矩频特性曲线数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.11 当电动机带有负载力矩当电动机带有负载力矩M时，随外部惯量的增大，时，随外部惯量的增大，启动频率将明显下降，其关系称为启动频率将明显下降，其关系称为启动矩频特性启动矩频特性。J/kgcms2数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.11 （3）连续运行频率）连续运行频率 步进电动机在最大起动频率以下起动后，步进电动机在最大起动频率以下起动后，当输入脉冲信号频率连续上升时，能不失步当输入脉冲信号频率连续上升时，能不失步运行的最大输入信号频率，称

37、为连续运行频运行的最大输入信号频率，称为连续运行频率。该频率远大于最大起动频率。率。该频率远大于最大起动频率。数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.11（4 4）矩频特性与动态转矩矩频特性与动态转矩 步进电动机在连续运行状态下所产生的转矩，称步进电动机在连续运行状态下所产生的转矩，称为为动态转矩动态转矩。最大动态转矩和脉冲频率的关系称为。最大动态转矩和脉冲频率的关系称为矩矩频特性频特性。该特性上每一个频率对应的转矩成为动态转。该特性上每一个频率对应的转矩成为动态转矩。最大动态转矩小于最大静转矩，使用时要考虑动矩。最大动态转矩小于最大静转矩，使用时要考虑动态转矩随连续运行频率的升高而降低

38、的特点。态转矩随连续运行频率的升高而降低的特点。 MqOFq/HZM/(Nm)数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.11四、步进电机的开环控制四、步进电机的开环控制 1、步进电机的控制系统、步进电机的控制系统数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.112、环形分配器、环形分配器 环形分配器是用于控制步进电机的通电方式的，环形分配器是用于控制步进电机的通电方式的，其作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按照一其作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按照一定的顺序和分配方式加到功率放大器上，控制各相定的顺序和分配方式加到功率放大器上，控制各相绕组的通电、断电。绕组的通电、断电。硬件环形分

39、配器硬件环形分配器软件环形分配器软件环形分配器数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.111）硬件环形分配器（）硬件环形分配器（CH250集成芯片）集成芯片）A）管脚图）管脚图B）三相六拍接线图）三相六拍接线图A、B、C：A、B、C相相 输出端输出端R、R*:确定初始励磁相确定初始励磁相 10：A相相 01：AB相相 00：环形分配器工作：环形分配器工作J3r、J3L、J6r、J6L:控制三拍、控制三拍、 六拍的控制端六拍的控制端数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.11B）三相六拍接线图）三相六拍接线图 CL、EN:进给脉冲输入端进给脉冲输入端 若若ENl，进给脉冲接，进给脉冲

40、接CL，脉冲上升沿使环形分配器工脉冲上升沿使环形分配器工作；若作；若CL0，进给脉冲接，进给脉冲接EN，脉冲下降沿使环形分配器工作。脉冲下降沿使环形分配器工作。不符合上述规定则为环形分不符合上述规定则为环形分配器状态锁定配器状态锁定(保持保持)。UD、Us:电源端。电源端。 左边接线图的功能是三相六左边接线图的功能是三相六拍工作方式；步进电动机的初拍工作方式；步进电动机的初始励磁相为始励磁相为AB，进给脉冲，进给脉冲CP的上升沿有效；方向信号为的上升沿有效；方向信号为1，则正转；为则正转；为0，则反转。，则反转。数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.11三相硬件环形分配的硬件驱动原理图

41、三相硬件环形分配的硬件驱动原理图经济型数控铣床硬件原理图经济型数控铣床硬件原理图数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.112）软件环形分配器）软件环形分配器D7D6D5D4D3D2D1D0100110010011001101三相单、双六拍步进控制字节的存放格式三相单、双六拍步进控制字节的存放格式TABLEAABBBCCCA数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.11取偏移量取偏移量取方向控制位取方向控制位DD1?1 1 5? 0以以TABLE+ 为为地址取控制字地址取控制字C向输出寄存器向输出寄存器写入控制字节写入控制字节C返回主程序返回主程序-1-1 NNNYYY环分中断子程序

42、框图环分中断子程序框图数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.113、功率驱动器、功率驱动器1）对驱动电源的要求）对驱动电源的要求 理想驱动电源使电机绕组电流理想驱动电源使电机绕组电流尽量接近矩形波。尽量接近矩形波。 实际上，步进电机是感性负载，实际上，步进电机是感性负载，绕组中电流不能突变，而是按指绕组中电流不能突变，而是按指数规律上升或下降数规律上升或下降, ,从而使整个通从而使整个通电周期内，绕组电流平均值下降，电周期内，绕组电流平均值下降，电机输出转矩下降。电机输出转矩下降。而当电机运行频率很高时，电流而当电机运行频率很高时，电流峰值显著小于额定励磁电流，从峰值显著小于额定励磁电

43、流，从而导致电机转矩进一步下降，严而导致电机转矩进一步下降，严重时不能启动。重时不能启动。 数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.11 上升时电流时间常数上升时电流时间常数 i = L/Rs L步进电机绕组平均电感量步进电机绕组平均电感量 Rs通电回路电阻，包括：通电回路电阻，包括： 绕组内阻、功率放大器输出级内阻、串联电阻绕组内阻、功率放大器输出级内阻、串联电阻 下降时电流时间常数下降时电流时间常数 d = L/RD RD放大回路电阻放大回路电阻 为了提高步进电机动态特性，必须改善电流波形，为了提高步进电机动态特性，必须改善电流波形，使前后沿陡度增大。使前后沿陡度增大。 数控伺服驱动

44、系统重庆三峡学院 赵万军2008.111）单电压驱动电源）单电压驱动电源A+12V+60VVT1VT2VT3LCSRSVD前置放大前置放大VD：续流二极管：续流二极管CS：加速电容：加速电容RS:限制绕组电流限制绕组电流 减小时间常数减小时间常数 数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.11lRS:作用是限制绕组电流，减小时间常数作用是限制绕组电流，减小时间常数 太小则电流前沿不陡，电机带负载能力下降太小则电流前沿不陡，电机带负载能力下降 太大则功率消耗过大太大则功率消耗过大l单电压功放电源的特点单电压功放电源的特点 优点是线路简单，缺点是电流上升不够快，优点是线路简单，缺点是电流上升不

45、够快， RS的接入使无功功耗增大，高频时带负载能力低，的接入使无功功耗增大，高频时带负载能力低，晶体管的耐压要求高。晶体管的耐压要求高。l单电压功放电源的应用单电压功放电源的应用 一般用于小功率步进电机驱动一般用于小功率步进电机驱动数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.112）双电压（高低压）驱动电源）双电压（高低压）驱动电源高压建流高压建流低压定流低压定流数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.11高低压电路的工作原理：高低压电路的工作原理： 当环形分配器输出高电平时，两只功率放大管当环形分配器输出高电平时，两只功率放大管VTd，VTg同时导通，电机绕组以同时导通，电机绕组以6

46、0V高压供电，高压供电，绕组电流快速上升，前沿很陡，当接近额定电流时，绕组电流快速上升，前沿很陡，当接近额定电流时，单稳延时时间到，单稳延时时间到， VTg管截止，改由低压管截止，改由低压12V供供电，维持绕组额定电流。若高低压之比为电，维持绕组额定电流。若高低压之比为U1/U2，则电流上升也提高则电流上升也提高U1/U2倍，上升时间明显减小。倍，上升时间明显减小。当低压断开时，电感中储能通过构成的放电回路放当低压断开时，电感中储能通过构成的放电回路放电，因此也加快电，因此也加快了放电过程。了放电过程。it数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.11优点：优点： 由于加快了绕组电流的上升

47、和下降过程，有由于加快了绕组电流的上升和下降过程，有利于提高步进电机的启动频率和最高连续工作频利于提高步进电机的启动频率和最高连续工作频率。率。 由于额定电流是由低压维持的，只需较小的由于额定电流是由低压维持的，只需较小的限流电阻，功耗小。该电路能在较宽的频率范围限流电阻，功耗小。该电路能在较宽的频率范围内有较大的平均电流，能产生较大且较稳定的电内有较大的平均电流，能产生较大且较稳定的电磁转矩。磁转矩。缺点：缺点： 高低压电路波形连接处有凹形高低压电路波形连接处有凹形,使电机输出转使电机输出转矩降低矩降低 。特点特点数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.11恒流斩波驱动电路原理图恒流斩

48、波驱动电路原理图 高压前高压前 置放大置放大 低压前低压前 置放大置放大 控制控制 门门 整整 形形VD1VD2VT1VT2Re输入输入U2R U1L3）恒流斩波驱动电路）恒流斩波驱动电路数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.11 环形分配器输出的正脉冲将环形分配器输出的正脉冲将VT1，VT2导通，导通，由于由于U1电压较高，绕组回路又没串电阻，所以绕电压较高，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，由于采样电阻的某一数值时，由于采样电阻Re的反馈作用，经的反馈作用，经整形、放大后送自整形、放大后送自V

49、T1的基极，使的基极，使VT1管截止。管截止。接着绕组接着绕组由由U2低压供电，绕组中的电流立即下降，低压供电，绕组中的电流立即下降，但刚降到额定值以下时，由于采样电阻但刚降到额定值以下时，由于采样电阻Re的反馈的反馈作用，使整形电路无信号输出，此时高压前置放作用，使整形电路无信号输出，此时高压前置放大电路又使大电路又使VT1导通，电流又上升。如此反复进导通，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。绕组电流波形，近似恒流。 恒流斩波驱动电路工作原理恒流斩波驱动电路工作原理数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万

50、军2008.11恒流斩波驱动电路电流波形恒流斩波驱动电路电流波形数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.11it三种电路电流波形三种电路电流波形 itti数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.114）调频调压驱动电源）调频调压驱动电源产生原因产生原因：前述的各种驱动电源都是为保证步进：前述的各种驱动电源都是为保证步进电机有较好的上升沿和幅值而设计的，能够有效地电机有较好的上升沿和幅值而设计的，能够有效地提高步进电机的工作频率，但在低频时会给绕组注提高步进电机的工作频率，但在低频时会给绕组注入过多的能量而引起电动机的低频振荡和噪声。因入过多的能量而引起电动机的低频振荡和噪声。因此产

51、生了调频调压驱动电源。此产生了调频调压驱动电源。基本原理：基本原理：当步进电机在低频运行时使供电电压当步进电机在低频运行时使供电电压降低，在高频运行时供电电压升高，即供电电压随降低，在高频运行时供电电压升高，即供电电压随步进电机的转速升高而升高。这样，即解决了低频步进电机的转速升高而升高。这样，即解决了低频振荡问题，又保证了高频时的输出转矩。振荡问题，又保证了高频时的输出转矩。数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.11接口接口CPUU1VT2LSVT1R1R2RsVD1VD2VT3UcpUctWCtton调频调压驱动电源调频调压驱动电源+U2数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008

52、.11 调频调压驱动是由软硬件配合实现的，调频调压驱动是由软硬件配合实现的，UCP是步是步进脉冲信号进脉冲信号ton ，UCT是开关调压信号。当是开关调压信号。当UCT输出一输出一个负脉冲信号，晶体管个负脉冲信号，晶体管VT1和和VT2导通，电源电压作导通，电源电压作用在电感用在电感LS和电机绕组和电机绕组W上，上，LS感出负电动势，电流感出负电动势，电流逐渐增大，并对电容逐渐增大，并对电容C充电，充电时间由负脉冲宽度充电，充电时间由负脉冲宽度ton确定。在确定。在CUT负脉冲过后，负脉冲过后，VT1和和VT2截止，截止，LS又产又产生感应电动势，方向是生感应电动势，方向是U2处为正。此时，若

53、处为正。此时，若VT3导通，导通，这个反电动势经这个反电动势经W-RS-VT3-地地-VD1-LS-W泄放，同时泄放，同时电容也向绕组电容也向绕组W放电。放电。 可见，向电动机供电的电压取决于可见，向电动机供电的电压取决于VT1和和VT2开通开通的时间，即取决于负脉冲的宽度。负脉冲宽度越大，的时间，即取决于负脉冲的宽度。负脉冲宽度越大，U2越高，因此，根据越高，因此，根据UCP的频率，调整负脉冲的频率，调整负脉冲UCT的的宽度，便可以实现调频调压。宽度，便可以实现调频调压。工作原理：工作原理：数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.115）细分驱动电路）细分驱动电路 细分的目的：细分的目

54、的：若励磁电流若励磁电流以方波以方波达到额定值，则达到额定值，则转子转过转子转过一个步距角一个步距角；而若励磁电流以；而若励磁电流以若干级若干级上上升到额定值，则转子以升到额定值，则转子以同样同样的的若干级若干级转过一个步转过一个步距角，即可距角，即可使步进电机步距变小使步进电机步距变小。 细分的方法：细分的方法：细分即使电机通电电流由细分即使电机通电电流由矩形波矩形波转转变为变为阶梯波阶梯波，即使励磁电流以，即使励磁电流以若干个等幅、等宽若干个等幅、等宽的阶梯上升到额定值，并以同样的阶梯从额定值的阶梯上升到额定值，并以同样的阶梯从额定值下降到零。下降到零。 数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万

55、军2008.11细分驱动的优点：细分驱动的优点：步距角减小、运行平稳、提高匀步距角减小、运行平稳、提高匀 速性、减弱或消除振荡。速性、减弱或消除振荡。数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.11数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.11数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.11 为了保证运动部件的平稳和准确定位，根据步进电动机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。加减速的加减速特性，在起动和停止时应进行加减速控制。加减速控制的具体实现方法很多，常用的有指数规律和直线规律加控制的具体实现方法很多，常用的有指数规律和直线

56、规律加减速控制。指数加减速控制具有较强的跟踪能力，但当速度减速控制。指数加减速控制具有较强的跟踪能力，但当速度变化较大时平衡性较差；指数规律加减速控制一般适用于跟变化较大时平衡性较差；指数规律加减速控制一般适用于跟踪响应要求较高的切削加工中；直线规律加减速平稳性较好，踪响应要求较高的切削加工中；直线规律加减速平稳性较好，适用在速度变化范围较大的快速定位方式中。适用在速度变化范围较大的快速定位方式中。 步进电机加减速控制步进电机加减速控制数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.11五、步进电机的选用五、步进电机的选用Z1J1MZ2uMJ2P步进电机驱动工作台典型结构步进电机驱动工作台典型结

57、构数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.11步进电机选择要求：步进电机选择要求： 步矩角步矩角 与机械系统相匹配，以得到系统所需的与机械系统相匹配，以得到系统所需的 保证电机输出转矩，大于负载所需转矩保证电机输出转矩，大于负载所需转矩 能与机械系统的负载惯量相匹配能与机械系统的负载惯量相匹配, ,推荐推荐: : 电机运行速度和最高工作频率能满足工作台切削电机运行速度和最高工作频率能满足工作台切削加工和快移要求。加工和快移要求。 360Pi14mdJJJm:电机转子惯量电机转子惯量Jd：负载惯量：负载惯量数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.11（一）（一）选择步进电机类型，初选

58、其型号选择步进电机类型，初选其型号功率式步进电动机：功率式步进电动机： 数控机床多用数控机床多用反应式步进电动机：如反应式步进电动机：如 110BF、130BF、150DF 等，其价格低于混合式步等，其价格低于混合式步 进电动机进电动机混合式步进电动机：性能较好，混合式步进电动机：性能较好， 价格较贵价格较贵 （二）根据机床的加工精度要求，选择进（二）根据机床的加工精度要求，选择进给轴的给轴的脉冲当量脉冲当量，如，如0.001mm0.001mm或或0.005mm0.005mm。数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.11（三）初定步进电机步距角，计算减速比，确定齿轮副（三）初定步进电机步

59、距角，计算减速比，确定齿轮副360Pi 步进电动机的步距角步进电动机的步距角(脉冲脉冲) P一一丝杠螺距一一丝杠螺距(mm) 脉冲当量脉冲当量(mm脉冲脉冲)Z1J1MZ2uMJ2Pq 确定齿轮副齿数时，尽量选择一级降速确定齿轮副齿数时，尽量选择一级降速; ;q若需二级，则降速比大的齿轮副应远离电机，以利若需二级，则降速比大的齿轮副应远离电机，以利 于提高传动系统的刚度和精度。于提高传动系统的刚度和精度。数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.11例：某数控机床脉冲当量为例：某数控机床脉冲当量为0.001mm，步进电机，步进电机驱动，其步距角为驱动，其步距角为0.72，十步细分，丝杠螺距

60、，十步细分，丝杠螺距为为5mm，采用一级减速，试选择齿轮齿数。，采用一级减速，试选择齿轮齿数。解：解：360Pi1.5 430.610 360 0.0015i 齿轮齿数选为齿轮齿数选为24、40或或30、50注意：在有些机床上，机床参数中的注意：在有些机床上，机床参数中的“电子齿轮比电子齿轮比”即为即为 此，在参数中要设置。此，在参数中要设置。数控伺服驱动系统重庆三峡学院 赵万军2008.11（四）负载转矩计算及最大静转矩选择（四）负载转矩计算及最大静转矩选择1、负载惯量计算、负载惯量计算设传动系统如下图所示：设传动系统如下图所示：Z1J1MZ2uMJ2P伺服系统总惯量：伺服系统总惯量：mdJ