第5章进给伺服系统

1、提提要要本章介绍进给伺服系统的构成及工作原理，叙本章介绍进给伺服系统的构成及工作原理，叙述步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机等述步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机等伺服驱动元件的结构及调速方法，阐述开环伺伺服驱动元件的结构及调速方法，阐述开环伺服系统、闭环伺服系统的构成及控制原理。服系统、闭环伺服系统的构成及控制原理。学时：学时：4 4学时学时目目标标 掌握伺服系统的功能、分类及其特点：数控机床掌握伺服系统的功能、分类及其特点：数控机床 对伺服系统的要求对伺服系统的要求v 掌握开环伺服系统的组成及工作原理掌握开环伺服系统的组成及工作原理v 了解和掌握步进电机的结构、工作原理、脉冲分配了解和

2、掌握步进电机的结构、工作原理、脉冲分配v 方式方式v了解直流和交流伺服电机位置控制原理了解直流和交流伺服电机位置控制原理建建议议本章内容既有理论分析，又有实验研本章内容既有理论分析，又有实验研究。学习中，应特别注意各种伺服驱究。学习中，应特别注意各种伺服驱动元件的调速方法和调速原理，了解动元件的调速方法和调速原理，了解各种驱动元件之间的性能比较及其应各种驱动元件之间的性能比较及其应用场合。用场合。第一节 概 述 伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自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。它接受来自数控装置的进给指令信号，动控制系统。它接受来自数控装置的进给指令信号，经变

3、换、调节和放大后驱动执行件，转化为直线或旋经变换、调节和放大后驱动执行件，转化为直线或旋转运动。伺服系统是数控装置和机床的联系环节，是转运动。伺服系统是数控装置和机床的联系环节，是数控机床的重要组成部分。数控机床的重要组成部分。 数控机床伺服系统又称为位置随动系统、驱动系数控机床伺服系统又称为位置随动系统、驱动系统、伺服机构或伺服单元。该系统包括了大量的电力统、伺服机构或伺服单元。该系统包括了大量的电力电子器件，结构复杂，综合性强电子器件，结构复杂，综合性强。 进给伺服系统的定义及组成进给伺服系统的定义及组成1. . 定义：定义： 进给伺服系统进给伺服系统(Feed (Feed Servo S

4、ystem)Servo System)以移动部件的以移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制位置和速度作为控制量的自动控制系统系统。一、进给伺服系统的定义及组成一、进给伺服系统的定义及组成 进给伺服系统的作用进给伺服系统的作用 接受数控装置发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动装置作一定的转换和放大后，经伺服电机和机械传动机构，驱动机床的工作台等执行部件实现工作进给或快速运动。 进给伺服系统能根据指令信号精确地控制执行部件的运动速度与位置，以及几个执行部件按一定规律运动所合成的运动轨迹。 如把数控装置比作数控机床“大脑”，是发布“命令”的指挥机构，则伺服系统就是数控机床的“四肢”，是执行“命

5、令”的机构。 组成： 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(电机)；检测与反馈单元；机械执行部件。位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元+-电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈第一节 概 述 图5-1 进给伺服系统组成 NC NC机床对数控进给伺服系统的要求机床对数控进给伺服系统的要求q 调速范围要宽且要有良好的稳定性调速范围要宽且要有良好的稳定性( (在调速范围内在调速范围内) ) 调速范围：调速范围： 一般要求：一般要求： 稳定性：指输出速度的波动要少，尤其是在稳定性：指输出速度的波动要少，尤其是在低速时

6、的平稳性显得特别重要。低速时的平稳性显得特别重要。minmaxnnRn 输出位置精度要高输出位置精度要高 静态静态：定位精度和重复定位精度要高，即定位误差：定位精度和重复定位精度要高，即定位误差和重复定位误差要小。和重复定位误差要小。( (尺寸精度尺寸精度) ) 动态动态：跟随精度，这是动态性能指标，用跟随误差：跟随精度，这是动态性能指标，用跟随误差表示。表示。 ( (轮廓精度轮廓精度) ) 灵敏度灵敏度要高，有足够高的分辩率。要高，有足够高的分辩率。 负载特性要硬负载特性要硬 在系统负载范围内，在系统负载范围内，q当负载变化时，输出速当负载变化时，输出速度应基本不变。即度应基本不变。即F F

7、尽尽可能小；可能小；q当负载突变时，要求速当负载突变时，要求速度的恢复时间短且无振度的恢复时间短且无振荡。即荡。即t t尽可能短；尽可能短；q应有足够的过载能力。应有足够的过载能力。 这是要求伺服系统有良好的这是要求伺服系统有良好的静态与动态刚度。静态与动态刚度。 t F t F 响应速度快且无超调响应速度快且无超调 这是对伺服系统动态性能的这是对伺服系统动态性能的要求，即在无超调的前提下，执要求，即在无超调的前提下，执行部件的运动速度的建立时间行部件的运动速度的建立时间 t tp p 应尽可能短。应尽可能短。 通常要求从通常要求从 0F0Fmaxmax（F Fmaxmax00），其时间应小于

8、），其时间应小于200ms200ms，且不能有超调，否则对机械部件且不能有超调，否则对机械部件不利，有害于加工质量。不利，有害于加工质量。 t F tp 能可逆运行和频繁灵活启停能可逆运行和频繁灵活启停。 系统的可靠性高系统的可靠性高，维护使用方便，成本低。，维护使用方便，成本低。 综上所述：综上所述：q对伺服系统的要求包括静态和动态特性两方面；对伺服系统的要求包括静态和动态特性两方面；q对高精度的数控机床，对其动态性能的要求更对高精度的数控机床，对其动态性能的要求更严。严。 数控机床的伺服系统按其控制原理和有无位数控机床的伺服系统按其控制原理和有无位置反馈装置分为置反馈装置分为开环开环和和闭

9、环闭环伺服系统；伺服系统； 按其用途和功能分为按其用途和功能分为进给伺服系统进给伺服系统和和主轴伺主轴伺服系统服系统； 按其驱动执行元件的动作原理分为按其驱动执行元件的动作原理分为电液伺服电液伺服驱动系统驱动系统和和电气伺服驱动系统电气伺服驱动系统。 电气伺服驱动系统又分为电气伺服驱动系统又分为直流伺服驱动系统直流伺服驱动系统、交流伺服驱动系统交流伺服驱动系统及及直线电动机伺服系统直线电动机伺服系统。第二节第二节 伺服系统的分类伺服系统的分类 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，因此设备投资低，调试维修方便

10、，但精度差，和速度反馈回路，因此设备投资低，调试维修方便，但精度差，高速扭矩小，主要用于中、低档数控机床及普通机床改造。高速扭矩小，主要用于中、低档数控机床及普通机床改造。 步进电机转过的角度与指令脉冲个数成正比，其速度由进给脉步进电机转过的角度与指令脉冲个数成正比，其速度由进给脉冲的频率决定。冲的频率决定。 特点：特点：没有位置测量装置，信号流是单向的没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置（数控装置进给系统），故系统稳定性好。进给系统），故系统稳定性好。电机电机机械执行部件机械执行部件A A相、相、B B相相C C相、相、f f、n nCNCCNC插补指令插补指令脉冲频率脉冲频率f f脉

11、冲个数脉冲个数n n换算换算脉冲环脉冲环形分配形分配变换变换功率功率放大放大开环伺服系统开环伺服系统 半闭环伺服系统半闭环伺服系统 半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置装置( (常用伺服电机常用伺服电机) )或丝杠引出，采样旋转角度进或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。位置控制调位置控制调节器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单检测与反馈单元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CNCCNC

12、插插补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 全闭环伺服系统全闭环伺服系统 全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直接对运动部件的实际位置进行检测。直接对运动部件的实际位置进行检测。位置控制调位置控制调节器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CNCCNC插插补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 进给驱动系统与主轴驱动系统进给驱动系统与主轴驱动系统 进给伺服系统包括速度控制环和

13、位置控制环，用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架坐标的控制系统，控制机床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进给运动，并提供切削过程所需转矩。各坐标轴的切削进给运动，并提供切削过程所需转矩。主轴伺服系统只是一个速度控制系统，控制机床主轴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，为机床主轴提供驱动功率和所需的切削的旋转运动，为机床主轴提供驱动功率和所需的切削力，且保证任意转速的调节。力，且保证任意转速的调节。 直流伺服系统、交流伺服系统与直线电直流伺服系统、交流伺服系统与直线电动机伺服系统动机伺服系统 直流伺服系统就是控制直流

14、电机的系统。目前使直流伺服系统就是控制直流电机的系统。目前使用比较多的是永磁式直流伺服电机。永磁直流伺服电用比较多的是永磁式直流伺服电机。永磁直流伺服电机（也称为大惯量宽调速直流伺服电机），调速范围机（也称为大惯量宽调速直流伺服电机），调速范围宽，输出转矩大，过载能力强，而且电机转动惯量较宽，输出转矩大，过载能力强，而且电机转动惯量较大，应用较方便。大，应用较方便。 但直流电机有电刷，限制了转速的提高，而且结构复杂，价格也高。进入20世纪80年代后，由于交流电机调速技术的突破，交流伺服驱动系统进入电气传动调速控制的各个领域。交流伺服电机，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

15、，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。 直线电动机的实质是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。 在机床进给系统中，采用直线电动机直接驱动与旋转电动机的最大区别是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。步进电动机又称脉冲电动机。对应每一个指令脉冲，步步进电动机又称脉冲电动机。对应每一个指令脉冲，步进电

16、机就旋转一个规定角度进电机就旋转一个规定角度( (步距角步距角) )。步进电动机输出角位移量步进电动机输出角位移量与输入指令脉冲数与输入指令脉冲数K K成正比；成正比；步进电动机的转速步进电动机的转速n n与脉冲指令脉冲与脉冲指令脉冲f f频率成正比。频率成正比。第三节第三节 步进电机的工作原理、结构及特性步进电机的工作原理、结构及特性在步进电机负载能力允许下，这种线性关系随着负载变化等因素而变化，可在较宽范围内；通过对指令脉冲频率和数量的控制，控制机床运动速度和位置。机理机理：步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号 转换成线位移或角位移的电机。每来一个转换成

17、线位移或角位移的电机。每来一个 电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移 动一小段距离。动一小段距离。特点特点：(1)(1)来一个脉冲，转一个步距角。来一个脉冲，转一个步距角。 (2)(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。控制脉冲频率，可控制电机转速。 (3)(3)改变脉冲顺序，改变方向。改变脉冲顺序，改变方向。步进电机的实物图步进电机的实物图种类种类： 有励磁式和反应式两种。两种的区别在于励磁式步有励磁式和反应式两种。两种的区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，反应式步进电机的转子进电机的转子上有励磁线圈，反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。上没有励磁线圈。

18、应用：应用： 步进电机应用广泛。如数控机床、自动绘图仪等步进电机应用广泛。如数控机床、自动绘图仪等设备中都得到应用。设备中都得到应用。 下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。和工作原理。 结构结构步进电机主要由两部分构成：定子和转子。它们均步进电机主要由两部分构成：定子和转子。它们均由磁性材料构成，其上分别有六个、四个磁极由磁性材料构成，其上分别有六个、四个磁极 。定子定子转子转子定子绕组定子绕组定子上有绕组分为若干相，每相磁极上有极齿。定子上有绕组分为若干相，每相磁极上有极齿。左图为三相定子：左图为三相定子：AA,BB,CCAA,BB

19、,CCA A、B B、C C三相每相两极，三相每相两极，每极上五个齿每极上五个齿定子定子五个极齿五个极齿 定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相。组成一相。 注意：注意：这里的相和三相交流电中的这里的相和三相交流电中的“相相”的概念的概念不同。步进电机通的是直流电脉冲，这主要是指线不同。步进电机通的是直流电脉冲，这主要是指线图的联接和组数的区别。图的联接和组数的区别。A AB BC C定子定子转子转子I IA AI IB BI IC C定子上线圈的绕法定子上线圈的绕法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

20、子齿间夹角为转子齿间夹角为9 9o o后面以四十齿为例来后面以四十齿为例来说明步进电机的原理说明步进电机的原理工作方式工作方式 步进电机的工作方式可分为：步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。单双六拍、三相双三拍等。（一）、三相单三拍（一）、三相单三拍（1 1）三相绕组联接方式：）三相绕组联接方式：Y Y 型型（2 2）三相绕组中的通电顺序为：）三相绕组中的通电顺序为：A A 相相 B B 相相 C C 相相通电顺序也可以为：通电顺序也可以为： A A 相相 C C 相相 B B 相相 （3 3）工作过程）工作过程吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁

21、路的吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁路的磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动。磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动。A A 相通电，相通电，A A 方向的磁通方向的磁通经转子形成闭合回路。若经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向原有转子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁场的作一定角度，则在磁场的作用下，转子被磁化，用下，转子被磁化，A A 相通电使转子相通电使转子1 1、3 3齿和齿和 AA AA 对齐对齐。C CAAB BBBCCA A3 34 41 12 2C CAAB BBBCCA A3 34 41 12 2同理，同理，B B相通电，转子相通电，转子2 2、4 4齿和齿和B B相轴

22、线对齐，相相轴线对齐，相对对A A相通电位置转相通电位置转3030 ；C C相通电再转相通电再转3030 。1 1CC3 34 42 2C CAAB BBBA A 这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。单三拍。三相单三拍的特点：三相单三拍的特点：（1 1）每来一个电脉冲，）每来一个电脉冲，转子转过转子转过 3030 。此角称为。此角称为步距角，用步距角，用 S S表示。表示。（2 2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，）转子的旋转方向取决于三相

23、线圈通电的顺序，改变通电顺序即可改变转向。改变通电顺序即可改变转向。（二）、三相单双六拍（二）、三相单双六拍三相绕组的通电顺序为：三相绕组的通电顺序为： A AABABB BBCBCC CCACAA A 共六拍。共六拍。工作过程：工作过程：A A 相通电，相通电，转子转子1 1、3 3齿和齿和A A相对齐。相对齐。C CAAB BBBCCA A3 34 41 12 2所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA AA 通电，转子转了通电，转子转了1515。（1 1）BB BB 磁场对磁场对 2 2、4 4 齿有磁拉力，该拉力齿有磁拉力，该拉力使转子顺时针方向

24、转动。使转子顺时针方向转动。A A、B B 相同时通电相同时通电（2 2）AA AA 磁场继续对磁场继续对1 1、3 3齿有拉力。齿有拉力。C CAAB BBBCCA A3 34 41 12 2总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称为三相六拍，步距角为为三相六拍，步距角为1515 。C CAAB BBBCCA A3 34 41 12 2B B 相通电，相通电，转子转子2 2、4 4齿和齿和B B相对齐，又转了相对齐，又转了1515 。（三）、三相双三拍（三）、三相双三拍三相绕组的通电顺序为：三相绕组的通电顺序为： ABAB BCBC CACA AB

25、AB 共三拍。共三拍。AB AB 通电通电C CAAB BBBCCA A3 34 41 12 2C CAAB BBBCCA A3 34 41 12 2BC BC 通电通电以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。六拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。工作方式为三相双三工作方式为三相双三拍时，每通入一个电拍时，每通入一个电脉冲，转子也是转脉冲，转子也是转3030 ，即，即 S S = 30= 30 。CACA通电通电C CAAB BBBCCA A3 34 41 12 2小步距角的步进电动机小步距角的步进电动机 实际采用的步进电机

26、的步距角多为实际采用的步进电机的步距角多为3 3度和度和1.51.5度，步距角越小，机加工的精度越高。度，步距角越小，机加工的精度越高。为产生小步距角，定、转子都做成多齿的，为产生小步距角，定、转子都做成多齿的，图中转子图中转子4040个齿，定子仍是个齿，定子仍是 6 6个磁极，但每个磁个磁极，但每个磁极上也有五个齿。极上也有五个齿。转子的齿距转子的齿距等于等于360360 / 40=9/ 40=9 ，齿宽、齿槽各，齿宽、齿槽各4.54.5 。 为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿，为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿，齿宽和齿槽和转子相同。齿宽和齿槽和转子相同。结论：1.1.步进电机定子

27、绕组的通电状态每改变一次，它的转子步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转过一个确定的角度便转过一个确定的角度即步进电机的步距角即步进电机的步距角；2.2.改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向将随之改变；将随之改变；3.3.步进电机定子绕组通电状态的变换频率越高，转子的步进电机定子绕组通电状态的变换频率越高，转子的转速越高；转速越高；4.4.步进电机的步距角步进电机的步距角与定子绕组的相数与定子绕组的相数m m，转子的齿，转子的齿数数z z，通电方式，通电方式K K有关，由如下关系：有关，由如下关系：式中，三相三拍时（式中，三相

28、三拍时（m m相相m m拍）时：拍）时：K K1 1； 三相六拍（三相六拍（m m相相2m2m拍）时：拍）时：K K2 2。 )(3600mzK如右图所示步进电机，若转子齿数如右图所示步进电机，若转子齿数z z4040，以三相三拍通电时，步距角为以三相三拍通电时，步距角为图图4 432 32 反应式三相步进电机工作原理图反应式三相步进电机工作原理图031403360360mzK 相数 分配方式 名称状态数K步距角33344445555：mmAB CAB B C C AAAB B B C C CAAB C DAB B C C DDAAAB B B C C C DDDAAB AB C BC B C

29、 DC DC DADADABAB C DEAB B C C DDE E AAB B B C C C DDDE E E AAABABCBCBCDCDCDE DE DEAEA E AB三相单三状态三相双三状态三相六状态四相单四状态四相双四状态四相八状态四相八状态五相单五状态五相双五状态五相十状态五相十状态：m相m状态m相2 m状态3364488551 01 0m2 m11211221122123 6 00/ 3 z3 6 00/ 3 z3 6 00/ 6 z3 6 00/ 4 z3 6 00/ 4 z3 6 00/ 8 z3 6 00/ 8 z3 6 00/ 5 z3 6 00/ 5 z3 6 0

30、0/ 1 0 z3 6 00/ 1 0 z3 6 00/ mz3 6 00/ 2 mz以三相六拍通电时，以三相六拍通电时，步距角为步距角为 各种步进电机的不同分配方式及相应的步距角各种步进电机的不同分配方式及相应的步距角is0360 步距角是两个相临脉冲时间内转子转过的角度。一般步距角是两个相临脉冲时间内转子转过的角度。一般来说步距角越小来说步距角越小, ,控制越精确。同一相数的步进电机可控制越精确。同一相数的步进电机可有两种步距角。有两种步距角。 通常为通常为1.2/0.61.2/0.6、1.5/0.751.5/0.75、1.8/0.91.8/0.9、3/1.53/1.5度等。度等。步距误差

31、直接影响执行部件的定位精度步距误差直接影响执行部件的定位精度. .步进电动机单步进电动机单相通电时相通电时, ,步距误差取决于定子和转子的分齿精度步距误差取决于定子和转子的分齿精度, ,和和各相定子错位角度的精度。各相定子错位角度的精度。二、步进电机的主要性能指标二、步进电机的主要性能指标 1.1. 步距角和步距误差步距角和步距误差 步距误差是指步进电机运行时，转子每一步实际转步距误差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。连续走若干步时，上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步距的累积误差。由于步进述步距误差的累积值称为步距的累积误差。

32、由于步进电机转过一转后，将重复上一转的稳定位置，步进电电机转过一转后，将重复上一转的稳定位置，步进电机的步距累积误差将以一转为周期重复出现。机的步距累积误差将以一转为周期重复出现。 2. 2. 静态转矩与矩角特性静态转矩与矩角特性 当步进电机上某相定子绕组通电之后，转当步进电机上某相定子绕组通电之后，转子齿力求与定子齿对齐，使磁路中磁阻最小，子齿力求与定子齿对齐，使磁路中磁阻最小，转子处在平衡位置不动（转子处在平衡位置不动（0 0）。）。 如在电机轴上外加一负载转矩如在电机轴上外加一负载转矩M Mz z，转子会，转子会偏离平衡位置向负载转矩方向转过一个角度偏离平衡位置向负载转矩方向转过一个角度

33、，称为失调角。称为失调角。有失调角之后，步进电机就产生有失调角之后，步进电机就产生一个静态转矩，这时静态转矩等于负载转矩。一个静态转矩，这时静态转矩等于负载转矩。静态转矩与失调角静态转矩与失调角的关系叫矩角特性，如图的关系叫矩角特性，如图5-35-3，近似为正弦曲线。近似为正弦曲线。该矩角特性上的静态该矩角特性上的静态转矩最大值称为最大静转矩转矩最大值称为最大静转矩MjmaxMjmax。在静态稳。在静态稳定区内，定区内，当外加负载转矩除去时，转子在电磁当外加负载转矩除去时，转子在电磁转矩作用下，仍能回到稳定平衡点位置（转矩作用下，仍能回到稳定平衡点位置（0 0）。）。 图5-3 静态矩角特性

34、O Mjmax M 静态稳定区 - -/2 /2 3.3.最大启动转矩最大启动转矩 图图5-45-4为三相单三拍矩角特性曲线，图中为三相单三拍矩角特性曲线，图中的的A A、B B分别是相邻分别是相邻A A相和相和B B相的静态矩角特性曲相的静态矩角特性曲线，线，它们的交点所对应的转矩是步进电机的最它们的交点所对应的转矩是步进电机的最大启动转矩大启动转矩。如果外加负载转矩大于，电机就。如果外加负载转矩大于，电机就不能启动。如图不能启动。如图5-45-4所示所示, ,当当A A相通电时，若外相通电时，若外加负载转矩，对应的失调角为，当励磁电流由加负载转矩，对应的失调角为，当励磁电流由A A相切换到

35、相切换到B B相时，对应角，相时，对应角，B B相的静转矩为。相的静转矩为。从图中看出从图中看出, ,电机不能带动负载做步进运动，电机不能带动负载做步进运动，因而启动转矩是电机能带动负载转动的极限转因而启动转矩是电机能带动负载转动的极限转矩。矩。a bA B C图5-4 步进电机的启动转矩 4. 4. 启动频率启动频率 空载时，步进电机由静止状态突然起动，空载时，步进电机由静止状态突然起动，并进入不失步的正常运行的最高频率，称为并进入不失步的正常运行的最高频率，称为启启动频率或突跳频率动频率或突跳频率， 加给步进电机的指令脉冲频率如大于启动加给步进电机的指令脉冲频率如大于启动频率，就不能正常工

36、作。步进电机在带负载下频率，就不能正常工作。步进电机在带负载下的启动频率比空载要低。而且，随着负载加大的启动频率比空载要低。而且，随着负载加大启动频率会进一步降低。启动频率会进一步降低。 5. 5. 连续运行频率连续运行频率 步进电机起动后，其运行速度能根据指令步进电机起动后，其运行速度能根据指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率，脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率，称为连续运行频率。其值远大于启动频率，它称为连续运行频率。其值远大于启动频率，它也随着电机所带负载的性质和大小而异，与驱也随着电机所带负载的性质和大小而异，与驱动电源也有很大关系。动电源也有很大关系。 6. 6. 矩频特性

37、与动态转矩矩频特性与动态转矩 矩频特性是描述步进电机连续稳定运行时矩频特性是描述步进电机连续稳定运行时输出转矩与连续运行频率之间的关系（见下输出转矩与连续运行频率之间的关系（见下图），图），该特性上每一个频率对应的转矩称为动该特性上每一个频率对应的转矩称为动态转矩。态转矩。当步进电机正常运行时，若输入脉冲当步进电机正常运行时，若输入脉冲频率逐渐增加，则电动机所能带动负载转矩将频率逐渐增加，则电动机所能带动负载转矩将逐渐下降。在使用时，一定要考虑动态转矩随逐渐下降。在使用时，一定要考虑动态转矩随连续运行频率的上升而下降的特点。连续运行频率的上升而下降的特点。 M M 矩频特性矩频特性 f f 典

38、型进给伺服系统典型进给伺服系统( (位置控制位置控制) )一. 开环进给伺服系统开环进给伺服系统(Open-Loop System)(Open-Loop System)q 不带位置测量反馈装置的系统；不带位置测量反馈装置的系统；q 驱动电机只能用步进电机；驱动电机只能用步进电机；q 主要用于经济型数控或普通机床的数控化改造主要用于经济型数控或普通机床的数控化改造A相、B相C相、A相、B相C相、f、nCNC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步进电机步进电机开环系统设计步进电机开环系统设计 步进电机开环系统设计要解决的主要问题：步进电机开环系统设计要解决的主要问题： 动力计算

39、动力计算 、传动计算、传动计算、 驱动电路设计或选择驱动电路设计或选择 目的：传动计算选择合适的参数以满足脉冲当量目的：传动计算选择合适的参数以满足脉冲当量 和进和进 给速度给速度F F的要求。的要求。 图中：图中：f f 脉冲频率（脉冲频率（H HZ Z ） 步距角步距角 （度）（度） Z Z1 1、Z Z2 2 传动齿轮齿数传动齿轮齿数 t t 螺距螺距( (mmmm) ) 脉冲当量（脉冲当量（mmmm）步进电机Z1Z2tf，脉冲当量脉冲当量是指数控系统发出一个指令脉冲，工作台所移动的距离。是指数控系统发出一个指令脉冲，工作台所移动的距离。它决定了数控机床的加工精度和驱动系统的最高工作频率

40、。它决定了数控机床的加工精度和驱动系统的最高工作频率。 1 1传动计算传动计算 如下图所示的直线进给系统，进给系统的脉冲当量为如下图所示的直线进给系统，进给系统的脉冲当量为(mm)(mm)，步进电机的步距角为，步进电机的步距角为，齿轮传动链的传动比为，齿轮传动链的传动比为i i，滚珠丝杠的导程为，滚珠丝杠的导程为t(mm)t(mm)，它们之间的关系如下：，它们之间的关系如下：si0360则有则有 对于图(b)所示的圆周进给系统(如数控转台等)，设脉冲当量为0，蜗杆为Zk头，蜗轮为Zw齿，则有021wkzzzz 步进电机开环进给系统的脉冲当量一般取为步进电机开环进给系统的脉冲当量一般取为0.01

41、mm0.01mm或或0.0010.0010 0，也有选用，也有选用0.005-0.002mm0.005-0.002mm或者或者0.0050.0050 0-0.002-0.0020 0，这时，这时脉冲位移的分辨率和精度较高，但是由于进给速度脉冲位移的分辨率和精度较高，但是由于进给速度 v=60fmm/min v=60fmm/min 或或60f(60f(0 0)/min, )/min, 在同样的最高工作在同样的最高工作频率频率f f时时越小则最大进给速度之值也越小。越小则最大进给速度之值也越小。 步进电机的进给系统使用齿轮传动，不仅是为了求得必步进电机的进给系统使用齿轮传动，不仅是为了求得必需的脉

42、冲当量，而且还有满足结构要求和增大转矩作用。需的脉冲当量，而且还有满足结构要求和增大转矩作用。 2 2 步进电动机的选择步进电动机的选择 总体设计时，应根据工件加工精度及表面粗糙度、工总体设计时，应根据工件加工精度及表面粗糙度、工件尺寸，最高和最低运行速度等要求，初步确定机械传动件尺寸，最高和最低运行速度等要求，初步确定机械传动系统的参数，如滚珠丝杠的尺寸及螺距系统的参数，如滚珠丝杠的尺寸及螺距S(mm)S(mm)；电机与丝杠；电机与丝杠联接的减速箱的传动比联接的减速箱的传动比i i。(1) (1) 步距角选择及脉冲当量的设定步距角选择及脉冲当量的设定 步距角选择及脉冲当步距角选择及脉冲当量设

43、定的原则已如前述。量设定的原则已如前述。(2)(2)负载力矩计算及最大静转矩的选择负载力矩计算及最大静转矩的选择 负载转矩计算，考负载转矩计算，考虑伺服系统等因素的影响，并留有一定裕度虑伺服系统等因素的影响，并留有一定裕度 (3)(3)负载转动惯量估算负载转动惯量估算 依照机床要求的起动频率，参照电依照机床要求的起动频率，参照电机的起动惯频特性、并留有一定裕度，以满足伺服系统的机的起动惯频特性、并留有一定裕度，以满足伺服系统的快速响应及最高运行速度要求。快速响应及最高运行速度要求。 第四节第四节 伺服电动机伺服电动机 直流伺服电动机和交流伺服电动机等。直流伺服电动机和交流伺服电动机等。2 2、

44、伺服电动机分类、伺服电动机分类： 伺服电动机的作用是驱动控制对象。被控对伺服电动机的作用是驱动控制对象。被控对象的转距和转速受信号电压控制，信号电压的大象的转距和转速受信号电压控制，信号电压的大小和极性改变时，电动机的转动速度和方向也跟小和极性改变时，电动机的转动速度和方向也跟着变化着变化。1 1、伺服电动机的作用、伺服电动机的作用一一 直流伺服电机及驱动直流伺服电机及驱动 直流电机的工作原理是建立在电磁力定律基础上的，电磁力的大直流电机的工作原理是建立在电磁力定律基础上的，电磁力的大小正比于电机中的气隙磁场，直流电机的励磁绕组所建立的磁场是小正比于电机中的气隙磁场，直流电机的励磁绕组所建立的

45、磁场是电机的主磁场，按对励磁绕组的励磁方式不同，直流电机可分为：电机的主磁场，按对励磁绕组的励磁方式不同，直流电机可分为：他激式、并激式、串激式、复激式、永磁式。他激式、并激式、串激式、复激式、永磁式。2020世纪世纪80-9080-90年代中年代中期，永磁式直流伺服电机在期，永磁式直流伺服电机在NCNC机床中广泛采用。机床中广泛采用。功率步进电机用作开环进给系统的伺服驱动装置。由它组功率步进电机用作开环进给系统的伺服驱动装置。由它组成的开环进给系统，性能不能满足使用要求，而且它的性成的开环进给系统，性能不能满足使用要求，而且它的性能的提高也受到了很大的限制。因此，从能的提高也受到了很大的限制

46、。因此，从2020世纪世纪6060年代初年代初期出现了小惯量直流伺服电机，期出现了小惯量直流伺服电机，7070年代初出现了大惯量直年代初出现了大惯量直流伺服电机（又称宽调速电机）。目前许多数控机床均采流伺服电机（又称宽调速电机）。目前许多数控机床均采用了大惯量直流伺服电机组成的闭环或半闭环进给系统用了大惯量直流伺服电机组成的闭环或半闭环进给系统直流伺服电动机伺服系统直流伺服电动机伺服系统 直流伺服电动机与一般直流电机的基本原理是完全直流伺服电动机与一般直流电机的基本原理是完全相同的，所示转子上的载流导体（即电枢绕组）在定子相同的，所示转子上的载流导体（即电枢绕组）在定子磁场中，受到电磁转距磁场

47、中，受到电磁转距M M的作用，使电机转子旋转。的作用，使电机转子旋转。直流伺服电动机的调速直流伺服电动机的调速：1.1.改变电枢电阻改变电枢电阻U;U;2.2.改变磁通量改变磁通量; ;改变激磁回路的电阻改变激磁回路的电阻R RJ J以改变激磁电流以改变激磁电流I Ij, j, 可以达到改变磁通的目的可以达到改变磁通的目的; ;3.3.在电枢回路串联调节电阻在电枢回路串联调节电阻; ;4.4.在激磁回路串联调节电阻在激磁回路串联调节电阻. .结构：结构：与直流电动机基本相同。为减小转动惯量做与直流电动机基本相同。为减小转动惯量做得细长一些。得细长一些。工作原理：工作原理：与直流电动机相同。与直

48、流电动机相同。供电方式：供电方式：他励。励磁绕组和电枢他励。励磁绕组和电枢( (绕组绕组) )由两个由两个独立电源供电：独立电源供电：M MU U1 1I If fI Ia aU U2 2放放大大器器U UU U1 1为励磁电压，为励磁电压，U U2 2为电枢电压。为电枢电压。由机械特性可知：由机械特性可知：(1)(1)励磁电压励磁电压U U1 1（即磁通（即磁通 ）不变时，一定的负载下，电枢电压）不变时，一定的负载下，电枢电压U U2 2 , ,n n 。(2)(2)电枢电压电枢电压U U2 2=0=0时，电机立即停转。时，电机立即停转。反转：反转：电枢电压的极性改变，电机反转。电枢电压的极

49、性改变，电机反转。直流伺服电机的机械特性直流伺服电机的机械特性公式与他励直流电机一样：公式与他励直流电机一样：TKKRKUnTEaE22机械特性曲线机械特性曲线U U2 20.8U0.8U2 20.6U0.6U2 20.4U0.4U2 2n nT T 直流伺服电机的特性较交流伺服直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬。经常用在功率稍大的系统中，电机硬。经常用在功率稍大的系统中，它的输出功率一般为它的输出功率一般为1-600W1-600W。其用途。其用途很多，如随动系统中的位置控制等。很多，如随动系统中的位置控制等。应用：应用：直流伺服电机的特点过载倍数大，时间长； 具有大的转矩/惯量比，电机的加速

50、大，响应快。低速转矩大，惯量大，可与丝杆直接相联，省去了齿轮等传动机构。可提高了机床的加工精度。调速范围大，与高性能的速度控制单元组成速度控制系统时，调速范围超过12000。带有高精度的检测元件(包括速度和转子位置检测元件)； 电机允许温度可达150180，由于转子温度高，它可通过轴传到机械上去，这会影响机床的精度由于转子惯性较大，因此电源装置的容量以及机械传动件等的刚度都需相应增加。电刷、维护不便二、交流伺服电机及驱动二、交流伺服电机及驱动 由于直流伺服电机具有优良的调速性能，由于直流伺服电机具有优良的调速性能， 8080年代初至年代初至9090年代中，在要求调速性能较高的年代中，在要求调速

51、性能较高的场合，直流伺服电机调速系统的应用一直占据场合，直流伺服电机调速系统的应用一直占据主导地位。但其却存在一些固有的缺点，即：主导地位。但其却存在一些固有的缺点，即：电刷和换向器易磨损，维护麻烦电刷和换向器易磨损，维护麻烦结构复杂，制造困难，成本高结构复杂，制造困难，成本高 而交流伺服电机则没有上述缺点。特别是而交流伺服电机则没有上述缺点。特别是在同样体积下，交流伺服电机的输出功率比直在同样体积下，交流伺服电机的输出功率比直流电机提高流电机提高10%10%70%70%，且可达到的转速比直流，且可达到的转速比直流电机高。因此，人们一直在寻求交流电机调速电机高。因此，人们一直在寻求交流电机调速

52、方案来取代直流电机调速的方案。方案来取代直流电机调速的方案。 在交流伺服系统中，按电机种类可分在交流伺服系统中，按电机种类可分为同步型和异步型（感应电机）两种。为同步型和异步型（感应电机）两种。 数控机床进给伺服系统中多采用永磁数控机床进给伺服系统中多采用永磁式同步电机，同步电机的转速是由供电式同步电机，同步电机的转速是由供电频率所决定的，即在电源电压和频率固频率所决定的，即在电源电压和频率固定不变时，其转速稳定不变。由变频电定不变时，其转速稳定不变。由变频电源供电给同步电机时，能方便地获得与源供电给同步电机时，能方便地获得与频率成正比的可变速度，可以得到非常频率成正比的可变速度，可以得到非常硬的机械特性及宽的调速范围。硬的机械特性及宽的调速范围。 交流伺服电动机交流伺服电动机 原理原理与两相交流异步电机相同，定子上装有两与两相交流异步电机相同，定子上装有两个绕组个绕组 励磁绕组和控制绕组。励磁绕组和控制绕组。励磁绕组和控制绕组在空间相隔励磁绕组和控制绕组在空间相隔9090 。控制绕组控制绕组励磁绕组励磁绕组转子转子励磁绕组中串联电容励磁绕组中串联电容C C 的目的是为了产生两相旋的目的是为了产生两相旋转磁场。转磁场。接线：接线：励磁绕组的接线励磁绕组的接线放放大大器器控制绕组的接线控制绕组的接线检检测测元元件件控制信号控制信号UI1U1UUcU2I2