机床数控技术及应用-数控机床的伺服系统

数控机床的伺服系统4.1概述4.2步进电动机及驱动电路4.3直流伺服电动机4.4交流伺服电动机4.5直线伺服电动机传动习题与思考题

本章着重介绍数控机床伺服系统的概念及分类、步进电动机及其驱动电路、交流电动机伺服系统的工作原理及控制方法、典型交流伺服驱动装置、直流电动机的工作原理及调

速特性。通过本章的学习，应掌握步进电动机的工作原理、主要特性及驱动控制，初步了解步进电动机的选择方法，掌握交流电动机伺服系统的工作原理及调整方法。

4.1概述

数控机床伺服系统是以数控机床移动部件(如工作台、主轴或刀具等)的位置和速度为控制对象的自动控制系统，它能准确地执行CNC装置输出的位置和速度指令信号，由伺服驱动电路作一定的转换和放大后，经伺服电机(步进电机、交直流伺服电机等)和机械传动机构，带动机床工作台等运动部件实现工作进给、快速运动以及位置控制。

数控机床的进给伺服系统与普通机床的进给系统有本质上的差别，前者能够根据指令信号精确地控制执行部件的位置和进给速度，使执行部件按一定规律运动，加工出所需的工件尺寸和轮廓。如果将CNC装置比喻成数控机床的“大脑”，是发布“命令”的指挥机构，那么，伺服系统就是数控机床的“四肢”，是执行命令的机构，它忠实而准确地执行由CNC装置发来的运动命令。

伺服系统是数控机床的重要组成部分，是数控装置和机床本体的联系环节，其性能直接影响数控机床的精度、工作台的移动速度和跟踪精度等技术指标。

机床的伺服系统按其功能可分为主轴伺服系统和进给伺服系统。主轴伺服系统用于控制机床主轴的运动，提供机床的切削动力;进给伺服系统通常由伺服驱动电路、伺服电动

机和进给机械传动机构等部件组成，进给伺服传动机构通常由滚珠丝杆副、导轨和工作台等组成。

1.伺服系统的组成

数控机床伺服驱动系统的基本组成如图4.1所示。数控伺服驱动系统按有无反馈检测元件分为开环和闭环(含半闭环)两种类型。这两种类型的伺服系统的基本组成不完全相

同，但不管是哪种类型，执行元件及驱动控制单元都必不可少。驱动控制单元的作用是将进给指令转化为执行元件所需要的信号形式，执行元件则将该信号转化为相应的机械位移。

开环伺服系统由驱动控制单元、执行元件和机床组成。通常，执行元件选用步进电动机，因系统不对输出进行检测，无位置反馈，精度不高(相对于闭环系统)，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，系统稳定性好，调试维修方便，设备投资少。图4.1伺服系统的组成

半闭环伺服系统的位置检测点是从驱动电机(常用交、直流伺服电机)或丝杠端引出的，因此通过检测电机和丝杠的旋转角度来间接检测工作台的位移量，而不是直接检测工

作台的实际位置，故半闭环系统内不包括或只包括少量机械传动环节，可获得较稳定的控制性能。其系统稳定性虽不如开环系统，但比闭环系统要好。另外，在位置环内各组成环

节的误差可得到某种程度的纠正，位置环外不能直接消除的，如丝杠螺距误差、齿轮间隙引起的运动误差等，可通过软件补偿这类误差来提高运动精度，因此半闭环伺服系统在现

代CNC机床中得到了广泛应用。

闭环伺服系统由执行元件、驱动控制单元、机床、反馈检测元件、比较环节组成。反馈检测元件分为速度反馈和位置反馈两类。闭环伺服系统采用位置反馈元件将工作台的实际位置检测后反馈给比较环节，比较环节将指令信号和反馈信号进行比较，以两者的差值作为伺服系统的跟随误差，经驱动控制单元驱动和控制执行元件带动工作台运动。局部闭环伺服系统采用速度反馈单元检测执行元件的速度输出，间接保证工作台的移动精度。这类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机床等。

2.对伺服系统的要求

(1)高精度。伺服系统的精度指输出量能够复现输入量的精确程度。由于数控机床执行机构的运动是由伺服电动机直接驱动的，为了保证移动部件的定位精度和零件轮廓的加

工精度，要求伺服系统具有足够高的定位精度和联动坐标的协调一致精度。一般的数控机床要求的定位精度为0.01~0.001mm，高档设备的定位精度要求达到0.1μm以上。在速度控制中，要求高的调速精度和比较强的抗负载扰动能力，即伺服系统应具有比较好的动、静态精度。

(2)良好的稳定性。稳定性是指系统在给定输入作用下，经过短时间的调节后达到新的平衡状态，或在外界干扰作用下，经过短时间的调节后重新恢复到原有平衡状态的能力。稳定性直接影响数控加工的精度和表面粗糙度，为了保证切削加工的稳定均匀，数控机床的伺服系统应具有良好的抗干扰能力，以保证进给速度均匀、平稳。

(3)动态响应速度快。动态响应速度是衡量伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。目前数控机床的插补时间一般在20ms以下，在如此短的时间内伺服系

统要快速跟踪指令信号，要求伺服电动机能够迅速加减速，以实现执行部件的加减速控制，并且要求很小的超调量。

(4)调速范围要宽，低速时能输出大转矩。机床的调速范围RN

是指机床要求电动机提供的最高转速nmax

和最低转速nmin之比，即

式中:nmax和nmin———额定负载时的电动机最高转速和最低转速，对于小负载的机械也可以是实际负载时的最高转速和最低转速。一般数控机床进给伺服系统的调速范围RN为1∶24000

就足够了，当前先进水平速度控制单元的调速范围已达到1∶100000。要求调速范围的同时要求速度均匀、稳定、无爬行，且速降要小。在平均速度很低的情况下(1mm/min以下)还要求有一定的瞬时速度。零速度时要求伺服电动机处于锁紧状态，以维持定位精度。

机床的加工特点是低速时进行重切削，因此要求伺服系统应具有低速时输出大转矩的特性，以适应低速重切削的加工实际要求;同时具有较宽的调速范围以简化机械传动链，

进而增加系统刚度，提高转动精度。一般情况下，进给系统的伺服控制属于恒转矩控制;而主轴坐标的伺服控制在低速时为恒转矩控制，高速时为恒功率控制。

车床的主轴伺服系统一般是速度控制系统，除了一般要求之外，还要求主轴和伺服驱动系统可以达到同步控制，以实现螺纹切削的加工要求。有的车床要求主轴具有恒线速功能。

(5)系统可靠性好。数控机床的使用率很高，常常是24h连续工作不停机，因而要求其工作可靠。系统的可靠性常用发生故障时间间隔的长短的平均值作为依据，即平均无故障时间，这个时间越长，可靠性越好。

3.伺服系统的分类

1)按调节理论分类

按照调节理论分类，伺服系统可以分为开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统。

2)按使用的驱动元件分类

按使用的驱动元件分类，伺服系统可以分为电液伺服系统和电气伺服系统。

(1)电液伺服系统的执行元件是电液脉冲马达和电液伺服马达，但由于该系统存在噪音、漏油等问题，已逐渐被电气伺服系统所取代。

图4.2所示为注塑机成型工艺中的电液伺服系统简图。注塑机成型工艺是借助螺杆(或柱塞)推力，将已塑化好的熔融状态(即粘流态)的塑料以高压快速方式，注射入闭合好

的模腔内，经冷却固化定型后取得塑料制品的工艺过程。传统的注塑机采用叶片泵和异步电机，泵和马达的耗电量占整个设备耗电量的比例高达80%~90%。

在图4.2所示系统中，采用伺服电机驱动，用齿轮泵(螺杆泵、柱塞泵)取代原叶片泵，另外增加了伺服驱动器，构成注塑机伺服控制系统，从而取代了传统的PQ阀控制来调节注塑机系统压力和流量，对生产所需的压力和流量采用闭环控制，具有节能降耗、精度高、效率高的优点。图4.2电液伺服系统

(2)电气伺服系统全部采用电子元件和电动机部件，操作方便，可靠性高。目前电气伺服系统的驱动元件主要有步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机，有关这些驱

动元件的工作原理将在下一节进行介绍。

3)按反馈比较控制方式分类

按反馈比较控制方式分类，伺服系统可以分为脉冲、数字比较伺服系统，相位比较伺服系统，幅值比较伺服系统和全数字伺服系统。

(1)脉冲、数字比较伺服系统。该系统是闭环伺服系统中的一种控制方式，它将数控装置发出的数字(或脉冲)指令信号与检测装置测得的数字(或脉冲)形式的反馈信号直接进

行比较，以产生位置误差，实现闭环控制。该系统结构简单，容易实现，整机工作稳定，因此得到了广泛应用。

(2)相位比较伺服系统。该系统中的位置检测元件采用相位工作方式，指令信号与反馈信号都变成某个载波的相位，通过相位比较来获得实际位置与指令位置的偏差，实现闭

环控制。该系统适用于感应式检测元件(如旋转变压器、感应同步器)的工作状态，同时由于载波频率高，响应快，抗干扰能力强，因此特别适合于连续控制的伺服系统。

(3)幅值比较伺服系统。该系统以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值，并以此信号作为位置反馈信号，与指令信号进行比较获得位置偏差信号构成闭环控制。

上述三种伺服系统中，相位比较伺服系统和幅值比较伺服系统的结构与安装都比较复杂，因此一般情况下选用脉冲、数字比较伺服系统，同时相位比较伺服系统较幅值比较伺服系统应用得广泛一些。

(4)全数字伺服系统。随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展，数控机床的伺服系统已开始采用高速、高精度的全数字伺服系统，使伺服控制技术从模拟方式、混合方式走向全数字方式。由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化、软件处理数PID，柔性好，使用灵活。全数字控制使伺服系统的控制精度和控制品质大大提高。

4.2步进电动机及驱动电路

步进电动机是一种可将电脉冲转换为机械角位移的控制电动机，它通过丝杠带动工作台移动。通常该系统中无位置、速度检测环节，其精度主要取决于步进电动机的步距角和与之相连的传动链的精度。步进电动机伺服系统的一般构成为典型的开环伺服系统，其基本机构如图4.1所示。步进电动机伺服系统的制造与控制比较容易，在速度和精度要求不太高的场合有一定的使用价值。

同时，步进电动机细分技术的应用，使步进电动机开环伺

服系统的定位精度显著提高，并可有效地降低步进电动机的低速振动，从而使步进电动机伺服系统得到更加广泛的应用，它特别适合于中、低精度的经济型数控机床和普通机床的

数控化改造。

步进电动机伺服系统主要应用于开环位置控制中，该系统由环形分配器、步进电动机、驱动电源等部分组成。这种系统具有控制简单、运行可靠、无累积误差、维修方便等优

点，已获得较广泛应用。

4.2.1步进电动机的分类和工作原理

1.步进电动机的分类

步进电动机的分类方法很多，根据不同的分类方式，可将步进电动机分为多种类型，如表4.1所示。

2.步进电动机的工作原理

步进电动机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。现以图4.3所示三相反应式步进电动机为例说明步进电动机的工作原理。当A相绕组通电时，转子的齿与定子AA上的齿对齐。当A相断电时，

B相通电，由于磁力的作用，转子的齿与定子BB上的齿对齐，转子沿顺时针方向转过30°。如果控制线路不停地按A→B→C→A…的顺序控制步进电动机绕组的通断电，步进电动机的转子便不停地顺时针转动。若通电顺序改为A→C→B→A…，步进电动机的转子将逆时针转动。

这种通电方式称为三相三拍，而通常的通电方式为三相

六拍，其通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA→A…及A→AC→C→CB→B→BA→A…，相应地，定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过15°。因此在本例中，三相三拍的通电方式其步距角α=30°，三相六拍通电方式其步距角α=15°。图4.3步进电动机工作原理图

综上所述，可以得到如下结论：

(1)步进电动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，即步距角α;

(2)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;

(3)步进电动机定子绕组通电状态的改变速度越快，其转子旋转的速度越快，即通电状态的变化频率越高，转子的转速越高;

(4)步进电动机的步距角α与定子绕组的相数m、转子的齿数z、通电方式k有关，可用下式表示:

式中：

m相m拍时，k=1;m相2m拍时，

k=2。

对于单定子、径向分相、反应式步进电动机，当它以三相三拍通电方式工作时，其步距角为

若按三相六拍通电方式工作，则步距角为

3.单段三相反应式步进电动机

上述反应式步进电动机的步距角较大，若在数控机床中使用，就会影响到加工精度。目前使用得最多的是一种单段反应式步进电动机。

单段反应式步进电动机的特点是定子的磁极数通常为相数的两倍，每个磁极上都装有控制绕组并接成m相。在定子磁极的极面上开有小齿，转子沿圆周也开有均匀分布的小

齿，它们的齿形和齿距完全相同。这种结构制造简便，精度易于保证，步距角较小，容易得到较高的启动和运行频率。为了获得较大的静转矩，齿宽和齿距之比通常选为0.32~0.38。

图4.4所示的一种具有代表性的单段三相反应式步进电动机，它的定子上有6个磁极，上面的绕组按星形联接成A、B、C三相。每相绕组有两个磁极，转子铁芯上均匀分布40个小齿，定子每个极靴上均布5个小齿。图4.4单段三相反应式步进电动机结构图

图4.5所示为其定、转子展开图。定子、转子的齿数适当配合，即要求在A-A相一对磁极下，定子、转子齿一一对齐时，下一相(B相)绕组所在一对极下的定子、转子齿错开一齿距t/m(m为相数);再下一相(C相)的一对极下的定子、转子齿错开2t/m，依此类推。图4.5定、转子展开图

这说明，当A相一对极下的定子、转子齿轴线一一对齐时，

B相转子齿轴线沿ABC方向滞后于定子齿轴线1/3齿距；同理，

C相转子齿轴线沿ABC方向滞后于定子齿轴线2/3齿距。

当A相断电B相通电时，在定子磁场的作用下，由于转子力图取得最大磁导(即磁阻最小)的位置，所以每一拍，转子转过相当于1/3齿距的角度，即3°，转子轴线前移了1/3齿距。这时C相绕组的一对极下，定子、转子齿轴线只相距1/3齿距，所以在B相断电而C相通电时，每拍转子仍转过1/3齿距(角)。

由此可见，

m相反应式步进电动机转子每转过一个齿距t，齿距角为360°/Zr，而每一步(即每一拍)转过的步距角是齿距角的1/N(N是运行拍数)，则步距角为

可见，当转子齿数、齿距角均不变时，若拍数增加一倍，则步距角减小一半。图4.4中，当电动机三相三拍运行时，步距角为3°;三相六拍运行时，步距角为1.5°。由上式可知，转子齿数与系统对步进电动机要求的步距角有关，也与相数、拍数有关，其值不能任意选取。只要在错开的条件下增加转子齿数Zr、电源的相数m及运行拍数N，就可满足小步距角的要求，如1.2°/0.6°或1.5°/0.75°等。

步进电动机中，一个通电循环的拍数N(通常N=m或N=2m)与步距角θb的乘积为一个齿距角，对应360°电角度。定子一相控制绕组通电时，在气隙周围形成的磁极个数为2P(一般极对数P=1)，所以，当通电的脉冲频率为f(脉冲数/秒)时，步进电动机的转速为

除上面介绍的两种形式的反应式步进电机之外，常见的步进电动机还有永磁式步进电动机和永磁反应式步进电动机，它们的结构虽不相同，但工作原理相同。

4.2.2步进电动机的主要特性及参数

1.步距角

步进电机的步距角反映了步进电动机定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过的角度，它是决定步进伺服系统脉冲当量的重要参数。数控机床中常见的反应式步进电机的步

距角一般为0.5°~3°。步距角越小，数控机床的控制精度越高。

2.矩角特性、最大静态转矩Mjmax和启动转矩Mq

矩角特性是步进电机的一个重要特性，它是指步进电动机产生的静态转矩M

j与失调角θ的变化规律。空载时，若步进电动机某相绕组通电，根据步进电动机的工作原理，电磁力矩会使得转子齿槽与该相定子齿槽相对齐，这时，转子上没有力矩输出。如果在电机轴上加一逆时针方向的负载转矩M，则步进电动机的转子就将逆时针方向转过一个角度θ才能重新稳定下来，这时转子上受到的电磁转矩M

j和负载转矩M相等。我们称M

j为静态转矩，

θ为失调角。不断改变M值，相应地就有不同的M

j值及θ角，

M

j与θ的函数曲线如图4.6所示。

我们称M

j=f(θ)曲线为转矩失调角特性曲线，或称为矩角特性。图4.6中画出了三相步进电机按照A—B—C—A…方式通电时，

A、B、C各相的矩角特性曲线，三

相矩角特性曲线在相位上互差1/3周期。曲线上峰值所对应的转矩叫做最大静态转矩，用Mjmax表示，它表示步进电动机承受负载的能力。Mjmax愈大，自锁力矩愈大，静态误差愈小。换句话说，最大静态转矩Mjmax愈大，电动机带负载的能力愈强，运行的快速性和稳定性愈好。

图4.6中曲线A和曲线B的交点所对应的力矩Mq

是电机运行状态的最大启动转矩。当负载力矩Mf

小于Mq

时，电机才能正常启动运行；否则，将造成失步，电机也不能正常启动。一般地，随着电机相数的增加，由于矩角特性曲线变密，相邻两矩角特性曲线的交点上移，会使Mq

增加；改变m相m拍通电方式为m相2m拍通电方式，同样会使Mq

得以提高。图4.6步进电动机静态矩角特性曲线

3.启动频率fq

空载时，步进电机由静止突然启动，并进入不丢步的正常运行所允许的最高频率，称为启动频率或突跳频率。若启动时频率大于突跳频率，步进电动机就不能正常启动。空载启动时，步进电动机定子绕组通电状态变化的频率不能高于该突跳频率。

4.连续运行的最高工作频率fmax

步进电机连续运行时，它所能接受的，即保证不丢步运行的极限频率fmax，称为最高工作频率。它是决定定子绕组通电状态最高变化频率的参数，它决定了步进电机的最高转速。

5.矩频特性与动态转矩

矩频特性Md=F

(f)所描述的是步进电动机连续稳定运行时输出转矩与连续运行频率之间的关系。图4.7为步进电动机的矩频特性曲线，该特性曲线上每一频率f

所对应的转矩为动态转矩Md

。可见，动态转矩变化的基本趋势是随连续运行频率的增大而降低。图4.7步进电动机的矩频特性曲线

6.加减速特性

步进电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。当要求步进电动机启动到大于突跳频率的工作频率时，变化速度必须逐渐上升;同样，从最高工作频率或高于突跳频率的工作频率停止时，变化速度必须逐渐下降。逐渐上升和下降的加速时间、减速时间

不能过小，否则会出现失步或超步。我们用加速时间常数Ta

和减速时间常数Td

来描述步进电动机的加速和减速特性，如图4.8所示。图4.8加减速特性曲线

除以上介绍的几种特性外，惯频特性和动态特性等也都是步进电动机很重要的特性。其中，惯频特性所描述的是步进电动机带动纯惯性负载时启动频率和负载转动惯量之间的

关系;动态特性所描述的是步进电动机各相定子绕组通断电时的动态过程，它决定了步进电动机的动态精度。

4.2.3步进电动机的驱动控制

由步进电动机的工作原理可知，要使电动机正常地一步一步地运行，控制脉冲必须按一定的顺序分别供给电动机各相，例如三相单拍驱动方式，供给脉冲的顺序为A→B→C→A或A→C→B→A，称为环形脉冲分配。脉冲分配有两种方式:一种是硬件脉冲分配(或称为脉冲分配器);另一种是软件脉冲分配，是由计算机的软件完成的。

1.脉冲分配器

脉冲分配器用于控制步进电动机的通电方式，它通过将CNC装置送来的一系列指令脉冲按照一定的循环规律依次分配给电动机的各相绕组，控制各相绕组的通电和断电，也

即提供符合步进电动机控制指令所需的顺序脉冲。目前已经有很多可靠性高、尺寸小、使用方便的集成电路脉冲分配器供选择，按其电路结构不同，脉冲分配器可分为TTL集成

电路和CMOS集成电路。

目前市场上提供的国产TTL脉冲分配器有三相(YB013)、四相(YB014)、五相(YB015)和六相(YB016)，均为18个管脚的直插式封装。CMOS集成脉冲分配器也有不同型号，例如CH250型用来驱动三相步进电动机，封装形式为16脚直插式。

这两种脉冲分配器的工作方法基本相同，当各个引脚连接好之后，主要通过一个脉冲输入端控制步进的速度，另一个输入端控制电动机的转向，并有与步进电动机相数同数目

的输出端分别控制电动机的各相。这种硬件脉冲分配器通常直接包含在步进电动机驱动控制电源内。数控系统通过插补运算得出每个坐标轴的位移信号，通过输出接口，只要向步

进电动机驱动控制电源定时发出位移脉冲信号和正反转信号，就可实现步进电动机的运动控制。

2.软件脉冲分配

在计算机控制的步进电动机驱动系统中，可以采用软件的方法实现环形脉冲分配。软件环形分配器的设计方法有很多，如查表法、比较法、移位寄存器法等，它们各有特点，其中常用的是查表法。

图4.9所示是一个8031单片机与步进电动机驱动电路接口连接的框图。P1口的三个引脚经过光电隔离、功率放大之后，分别与电动机的A、B、C三相连接。当采用三相六拍方式时，电动机正转的通电顺序为→AB→B→BC→C→CA→A;电动机反转的顺序为A

→AC→C→CB→B→BA→A。它们的环形分配如表4.2所示。把表中的数值按顺序存入内存的EPROM中，并分别设定表头的地址为TAB0，表尾的地址为TAB5。计算机的P1口按从表头开始逐次加1的顺序变化，电动机正向旋转;如果按从TAB5逐次减1的顺序变化，则电动机反转。图4.9单片机控制的步进电动机驱动电路框图

采用软件进行脉冲分配虽然增加了软件编程的复杂程度，但它省去了硬件环形脉冲分配器，系统减少了器件，降低了成本，也提高了系统的可靠性。

4.2.4步进电动机伺服系统的功率驱动

环形分配器输出的电流很小(为毫安级)，需要放大功率后，才能驱动步进电动机。功率放大电路的结构对步进电动机的性能有着十分重要的作用。功率放大器的作用是将脉冲分配器发出的电平信号放大后送至步进电动机的各相绕组，驱动电动机运转，每一相绕组分别有一组功率放大电路。目前较多采用的是恒流斩波、调频调压和细分电路型驱动电路。

1.单电压驱动电路

图4.10所示，功率放大电路中L为步进电动机励磁绕组的电感、Ra

为绕组的电阻，Rc

是外接限流电阻;电阻Rc并联一电容C，使回路电流上升沿变陡，减小了回路的时间常数L/(Ra+Rc

)，提高了步进电动机的高频性能和启动性能。续流二极管VD

和阻容吸收回路Rc

，是功率管VT的保护电路，在VT

由导通到截止的瞬间释放电动机电感产生的高的反电势。步进电动机的每一相绕组都有一套这样的电路。图4.10单电源功率放大电路原理图

此电路的优点是电路结构简单，不足之处是Rc

消耗能量大，电流脉冲前后沿不够陡，在改善了高频性能后，低频工作时会使振荡有所增加，使低频特性变差。

2.斩波恒流功放电路

斩波恒流功放电路如图4.11(a)所示。该电路的特点是工作时Vin

端输入方波步进信号：当Vin

为“0”电平时，由与门A2输出Vb

为“0”电平，功率管(达林顿管)VT

截止，绕组W上无电流通过，采样电阻R3

上无反馈电压，

A1

放大器输出高电平；而当Vin

为高电平时，由与门A2

输出的Vb

也是高电平，功率管VT

导通，绕组W上有电流，采样电阻R3上出现反馈电压Vf，由分压电阻R1、R2

得到设定电压与反馈电压相减，确定A1

输出电平的高低，

来决定Vin信号能否通过与门A2

。

若Vref>Vf

，

Vin

信号通过与门，形成Vb正脉冲，打开功率管VT;反之，

Vref<Vf

，

Vin

信号被截止，无Vb

正脉冲，功率管VT

截止。这样在一个Vin脉冲内，功率管VT

会多次通断，使绕组电流在设定值上下波动。各点的波形如图4.11(b)所示。

在这种控制方法中，绕组上的电流大小和外加电压大小+U无关，由于采样电阻R3的反馈作用，使绕组上的电流可以稳定在额定的数值上，是一种恒流驱动方案，所以对电源的要求很低。

这种驱动电路中绕组上的电流不随步进电动机的转速而变化，从而保证在很大的频率范围内，步进电动机都输出恒定的转矩。这种驱动电路虽然复杂，但绕组的脉冲电流边沿

陡，由于采样电阻R3的阻值很小(一般小于1Ω)，所以主回路电阻较小，系统的时间常数较小，反应较快，功耗小，效率高。这种功放电路在实际中经常使用。

4.3直流伺服电动机

一般的直流电动机转动惯量过大，而其输出转矩相对过小，动态特性较差，不是理想的伺服电动机。小惯量直流电动机，转动惯量小，反应灵敏，动态特性好，适用于高速且负载惯量较小的场合。大惯量宽调速直流伺服电动机，既具有一般直流电动机的各项优点，又具有小惯量直流电动机的快速响应性能，易与较大的负载惯量匹配，能较好地满足伺服驱动的要求。因此，在数控机床、工业机器人等机电一体化产品中得到了广泛的应用。

4.3.1直流伺服电动机的结构特点

宽调速直流伺服电动机的基本结构和工作原理与普通直流电动机基本相同，只是为满足快速响应的要求，从结构上做得细长些。按磁极的种类，宽调速直流伺服电动机分为电励磁和永久磁铁两种。电励磁的特点是励磁量便于调整，易于安排补偿绕组和换向极，电动机的换向性能得到改善，成本低，可以在较宽的速度范围内得到恒转矩特性。

永久磁铁一般没有换向器和补偿绕组，其换向性能受到一定限制，但它不需要励磁功率，因而效率高，且电动机在低速时能输出较大转矩。此外，这种结构温升低，电动机直径可以做得小些，加上目前永磁材料性能不断提高，成本逐渐下降，因此这种结构用得较多。下面以永磁式宽调速直流电动机为例，介绍直流伺服电动机的结构特点。

永久磁铁励磁的宽调速直流伺服电动机的结构如图4.

12所示。电动机定子2采用不易去磁的永磁材料，转子1直径大并且有槽，因而热容量大，结构上又采用了通常凸极式和隐极式永磁电动机磁路的组合，提高了电动机气隙磁密。在电动机尾部通常装有低纹波(纹波系数一般在2%以下)测速发电动机作为闭环伺服系统必不可少的速度反馈元件，这

样不仅使用方便，而且保证了安装精度。图4.12永磁铁励磁的宽调速直流伺服电动机结构图

由于宽调速直流伺服电动机在结构上采取了上述措施，因而其性能上有如下特点：

(1)输出力矩大。在相同的转子外径和电枢电流情况下，因宽调速直流电动机设计的力矩系数较大，所以可产生较大力矩，使电动机的转矩和惯量比值增大，因而可满足足够快的加减速要求，且在低速时能输出较大力矩，还能直接驱动丝杠。

(2)过载能力强。电动机转子有槽，热容量大，因而热时间常数大，耐热性能好，过载能力强，可以过载运行几十分钟。

(3)动态响应性能好。电动机定子采用高性能永磁材料，提高了电动机效率，使动态响应性能大大提高。

(4)低速运转平稳。由于电动机转子直径大，电动机槽数和换向片数可以增多，使电动机的输出力矩波动减小，有利于电动机低速平稳运转。

(5)易于调试。电动机转子惯量较大，外界负载转动惯量对伺服系统的影响相对减小，工作稳定。

此外，宽调速直流伺服电动机还同时装有高精度低纹波的测速发电动机、旋转变压器(或编码盘)及制动器，为速度环提供了较高的增益，能获得优良的低速刚度和动态性能，因而宽调速直流伺服电动机是目前机电一体化闭环伺服系统中应用较多的控制电动机。

4.3.2直流伺服电动机的调速方式

直流伺服电动机由直流电源供电。为调节电动机转速，需要灵活控制直流电压的大小和方向。目前直流伺服电动机常用的调速方式有以下两种:

1.晶闸管直流调速(SCR)

晶闸管直流调速是通过调节触发装置的控制电压大小(控制晶闸管的开放角)来移动触发脉冲的相位，从而改变整流电压的大小，使直流电动机电枢电压变化而平滑调速。

2.脉宽调制直流调速(PWM)

脉宽调制直流调速是在大功率开关晶体管的基极上，加上脉宽可调的方波电压，控制开关管的导通率，达到调速的目的的。晶体管脉宽调制直流调速是目前使用最为广泛的方

法。与晶闸管调速相比，

PWM调速具有以下特点:

(1)频带宽晶体管的“结电容”小，截止频率高于晶闸管，因此允许系统有较高的工作频率，

PWM调速的开关工作频率多为2kHz或5kHz，远大于SCR调速，整个系统的快速响应性好，能给出极快的定位速度和很高的定位精度，适合于启动频繁的场合。

(2)电动机脉动小，输出转矩平稳，对低速加工有利。

(3)电源的功率因数高。

(4)动态硬度好，系统具有良好的线性。

脉宽调制器的基本工作原理是，利用大功率晶体管的开关作用，将直流电压转换成一定频率的方波电压，加到直流电动机的电枢上。通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢的

平均电压，从而调节电动机的转速。图4.13所示是PWMM系统的工作原理图。设将图4.13(a)中的开关S周期地闭合、断开，开和关的周期是T。

在一个周期内，闭合的时间为τ，断开的时间为T-τ。若外加电源的电压U是常数，则电源加到电动机电枢上的电压波形将是一个方波序列，其高度为U，宽度为τ，如图4.

13(b)所示。它的平均值Ua

为

式中:δ=τ/T———导通率。当T不变时，只要连续地改变τ(0~T)，就可使电枢电压的平均值Ua由0连续变化至U，从而连续地改变电动机的转速。实际的PWMM系统用大功率三极管代替开关S。其开关频率是2000Hz，即T=1/2000=0.5ms。图4.13脉宽调制原理图

图4.13(a)中的二极管是续流二极管，当S断开时，由于电枢电感La

的存在，电动机的电枢电流Ia可通过它形成回路而泄流。

如图4.13(a)所示的电路只能实现电动机单方向的速度调节。为使电动机实现双向调速，必须采用桥式电路。图4.

14所示的桥式电路为PWMM系统的主回路电气原理图。图中4个大功率三极管VT1~VT4

组成电桥。如果在VT1

和VT3的基极加正脉冲的同时，在VT2

和VT4的基极加负脉冲，这时VT1和VT3

导通，

VT2

和VT4截止，电流沿+90V→c→VT1→d→M→b→VT3→a→0V的路径流通。

设此时电动机的转向为正向。反之，如果在三极管

VT1

和VT3

的基极加负脉冲，在VT2

和VT4的基极加正脉冲，则VT2和VT4

导通，

VT1

和VT3

截止，电流沿+90V→c→VT2→b→M→d→VT4→a→0V的路径流通。电流的方向与前一种情况相反，电动机反向旋转。显然，如果改变加到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δ，就可以改变电动机的转向和转速。

脉宽调制调速具有一定优势，但它必须使用大功率开关管，成本较高，功率也不能太大，这使得它在大功率直流伺服电动机上的应用受到一定的限制。

4.4交流伺服电动机

直流伺服电动机以易于调节速度，启动、运行和制动灵活、方便等特点，在调速方面得到了广泛的应用。但是它有个致命的弱点，就是制造和维护比较困难。因为在直流伺服电动机中，换向器运转时，会因碳刷磨损而产生大量的具有导电性的碳粉，容易出现局部放电现象。换向器是由多种材料制成的，由于各种材料的热膨胀系数及机械强度各不相同，且形状非常复杂，故给制造和维护都带来了很大的困难。人们一直在设法解决这个问题。交流伺服电动机的诞生使这个问题得到了彻底的解决。

4.4.1交流伺服电动机的结构

交流伺服电动机的基本结构和异步电动机相似，它的定子铁芯也是由冲有槽和齿的硅钢片叠压而成的。定子槽中要嵌放励磁绕组与控制绕组，这两种绕组可有相同或不同的

匝数。

交流伺服电动机的转子常做成鼠笼式，但它的电阻比一般异步电动机大得多。为了使伺服电动机反应迅速，必须减小转子的转动惯量，所以转子做得较细长。近年来多采用铝

合金制成空心杯形转子，杯壁很薄，仅0.2~0.3mm。为了减少磁路的磁阻，在空心杯转子内放置固定的内定子，如图4.15所示。空心杯转子的转动惯量很小，反应迅速，而且运转平稳，因此被广泛采用。图4.15杯形转子交流伺服电动机结构

4.4.2交流伺服电动机的工作原理

交流伺服电动机的工作原理与单相异步电动机相似，如图4.16所示。它的定子上装有空间相差90°电角度的两相分布绕组，一相为励磁绕组f，它始终接在交流电源Uf上;另一相为控制绕组k，接输入信号电压Uk。Uf与Uk

二者频率相同。控制电压为零时，定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场，电动机无启动转矩，转子不能启动。若有控制电压加在控制绕组上，且控制绕组内流过的电流和励磁绕组内的电流不同，则在定子内会产生一定大小的椭圆形旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向旋转。在负载恒定的情况下，电动机的转速将随控制电压的大小而变化。当控制电压的相位相反时，伺服电动机将反转。

与单相异步电动机相比，伺服电动机有三个显著特点:

(1)启动转矩较大。由于转子电阻很大，可使临界转差率S0>1，定子一有控制电压，转子就立即旋转起来。

(2)运行范围宽。如图4.17所示，在转差率S从0到1的范围内，伺服电动机都能稳定运转。

(3)无自转现象。正常运转的伺服电动机只要失去控制电压，电机立即停止运转。当伺服电动机失去控制电压后，它处于单相运行状态，由于转子电阻大，与一般的单相异步电动机的转矩特性不同。这时，合成转矩M是制动转矩，使电动机迅速停止。图4.18给出了定子中两个相反方向旋转的旋转磁场与转子作用所产生的两个转矩的特性(M1-S1

、M2-S2曲线)以及合成转矩的特性(M-S曲线)。图4.16交流伺服电动机工作原理图4.17伺服电动机M-S曲线图4.18伺服电动机单相运行M-S曲线

图4.19是伺服电动机的机械特性曲线。由图4.19可见，负载一定时，控制电压愈高，转速愈高;控制电压一定时，负载增加，转速下降。图4.19伺服电动机的n=f(M)曲线

4.5直线伺服电机传动

4.5.1直线伺服电机的发展在常规的机床进给伺服系统中，仍一直采用“旋转电机+滚珠丝杠”的传动体系。随着近几年来超高速加工技术的发展，现代机加工对机床的加工速度和加工精度提出了越来越高的要求，传统的伺服系统已不能很好满足高速度和高加速度的要求，此时直线电机开始展示出其强大的生命力。

采用直线电动机直接驱动与原旋转电机传动的最大区别是，取消了从电机到工作台(拖板)之间的机械传动环节，把机床进给传动链的长度缩短为零，因而这种传动方式又被称为“零传动”。这种“零传动”方式带来了原旋转电机驱动方式无法达到的性能指标和优点。表4.3所示是采用直线电机的直线伺服系统与采用“旋转电机+滚珠丝杠”的旋转伺服系统的一些特性比较

直线电机是指可以直接产生直线运动的电机，可作为进给驱动系统，如图4.20所示。图(a)为直线电机驱动系统组成，图(b)为微纳科技有限公司生产销售的直线电机实体图。图4.20直线电机驱动

世界上第一台使用直线电机驱动工作台的高速加工中心是德国ExCellO公司于1993年生产的，它采用了德国Indrament公司开发成功的感应式直线电机。同时，美国

Ingersoll公司和Fort汽车公司合作，在HVM800型卧式加工中心中采用了美国Anorad公司生产的永磁式直线电机。日本的FANUC公司于1994年购买了Anorad公司的专利

权，开始在亚洲市场销售直线电机，直线电机逐渐越来越多为数控机床所应用。

4.5.2直线伺服电机的工作原理

直线伺服电机的工作原理与旋转电机相比，并没有本质的区别，可以将其视为旋转电机沿圆周方向拉开展平，如图4.21所示。对应于旋转电机的定子部分，称为直线电机的初

级;对应于旋转电机的转子部分，称为直线电机的次级。以直线感应电动机为例:当初级绕组通入交流电源时，便在气隙中产生行波磁场，次级在行波磁场切割下，将感应出电动势并产生电流，该电流与气隙中的磁场相作用就产生电磁推力。如果初级固定，则次级在推力作用下做直线运动;反之，则初级做直线运动。图4.21旋转电机展平为直线电机的过程

直线电机可以分为直流直线电机、步进直线电机和交流直线电机三大类。在数控机床上主要使用交流直线电机。当多相交变电流通入多相对称绕组时，就会在直线电机初级和

次级之间的气隙中产生一个行波磁场，从而使初级和次级之间相对移动。当然，二者之间也存在一个垂直力，可以是吸引力，也可以是推斥力。

在实际应用时，将初级和次级制造成不同的长度，以保证在所需行程范围内初级与次级之间的耦合保持不变。直线电机可以是短初级长次级，也可以是长初级短次级。考虑到

制造成本、运行费用，目前一般采用短初级长次级。如图4.

22(a)所示为短次级形式。为了减少发热量和降低成本，高速机床用直线电机一般采用如图4.22(b)所示的短初级结构。图4.22直线电机的形式

在励磁方式上，交流直线电机可以分为永磁(同步)式和感应(异步)式两种。永磁式直线电机的次级是一块一块铺设的永久磁钢，其初级是含铁芯的三相绕组。感应式直线电机

的初级和永磁式直线电机的初级相同，而次级用自行短路的不馈电栅条来代替永磁式直线电机的永久磁钢。永磁式直线电机在单位面积推力、效率、可控性等方面均优于感应式直

线电机，但其成本高，工艺复杂，而且给机床的安装、使用和维护带来不便。感应式直线电机在不通电时是没有磁性的，因此有利于机床的安装、使用和维护。近年来，其性能不断

改进，已接近永磁式直线电机的水平，在机械行业的应用已受到欢迎。

4.5.3直线伺服电机的应用及特性

1.直线伺服驱动

典型的直线伺服驱动应用系统如图4.23所示。它包括控制器部件、伺服放大器、直线电机(定子和动子)、反馈光栅尺和限位检测构成。控制器发出运动控制信号经伺服放大器放大后，控制直线电机运动。光栅尺固定在定子底座上，读数头随动子运动，并将动子运动的位置信号反馈给控制器部件，从而达到对电机运动实行精密运动控制的目的。图4.23直线电机伺服控制组成

图4.24所示是典型的直线伺服驱动系统———单轴直线伺服平台，其主要部件说明

如下:

底座6一般使用铸铁材料，是整个平台的基础，用来固定安装导轨、电机、光栅尺和运动挡块等。

直线电机7、8分动子和定子两部分，定子固定在底座上，动子与负载平台连接，提供运动动力。

负载平台5为支撑负载的平台，安装在直线导轨滑块上，并由动子提供驱动力。光栅读数头4安装在运动的平台上。

直线导轨包括导轨2和滑块，负载平台安装在滑块上。

位置反馈包括光栅尺和光栅读数头，光栅尺3贴装在底座，光栅读数头4随负载平台运动。

运动挡块1固定在底座两光栅侧，确保电机安全运行。图4.24单轴直线伺服电机驱动平台

2.在磁悬浮列车上的应用

磁悬浮列车是一种全新的列车，其牵引的动力是由直线电机完成的。它工作原理如图4.25所示。磁悬浮列车属于单边长定子直线同步凸极电动机。直线电机的一个极(长定子)固定于地面称为轨道(里面沿着轨道铺设有磁化线圈)，如图4.25中所示铁轨。转子由车载电磁铁构成(有的就是兼用直线电机的线圈)，电磁体随列车运动时，使铺设在轨道上的线圈(或金属板)中产生感应电流，感应电流的磁场和列车上的磁体(或线圈)之间的