智能数控加工技术 课件 第五章 数控伺服系统

第五章数控伺服系统Chapter5CNCServoSystem导入：

在学习了数控编程及计算机数控系统后得知，数控程序经过计算机数控系统处理后，输出控制脉冲给伺服系统执行程序要求的轨迹。如果把数控系统比喻成“大脑”的话，那么伺服系统就是“四肢”。下面我们来讲解一下这个“四肢”。第五章数控伺服系统Chapter5CNCServoSystemKeypoints:1、数控机床上的检测传感器及原理2、直流伺服电动机及其速度控制3、交流伺服电动机及其速度控制4、步进电动机及其驱动系统5、位置控制原理第五章数控伺服系统Chapter5CNCServoSystem立式铣床

一、概述主轴头的上下运动，工作台的左右，前后运动等均有手动摇动手柄来完成。在上下，左右和前后位置上安装有限位传感器。第一节数控伺服系统基本知识Chapter5CNCServoSystem主轴电机伺服电机刀库刀具定位电机机械手旋转定位电机带制动器伺服电机加工中心第一节数控伺服系统基本知识Chapter5CNCServoSystem实现X,Y,Z精确运动的叫做伺服系统第一节数控伺服系统基本知识Chapter5CNCServoSystem1、数控机床伺服系统的定义

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”2、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第一节数控伺服系统基本知识Chapter5CNCServoSystem2、伺服系统的组成

第一节数控伺服系统基本知识Chapter5CNCServoSystem3、

数控机床伺服系统的分类1）按伺服系统控制方式分开环系统步进电机，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。第一节数控伺服系统基本知识Chapter5CNCServoSystem3、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第一节数控伺服系统基本知识Chapter5CNCServoSystem4、

数控机床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0.01-0.005mm。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。第一节数控伺服系统基本知识Chapter5CNCServoSystem第二节直流伺服电动机及其速度控制一、直流伺服电动机概述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。Chapter5CNCServoSystem

2.直流伺服电动机的组成

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。永磁式直流伺服电机结构示意图转子（电枢）2-电刷（负极）3-整流子

4-电刷（正极）5-编码器6-机壳7-定子（产生磁场）第二节直流伺服电动机及其速度控制Chapter5CNCServoSystem3.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。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。第二节直流伺服电动机及其速度控制Chapter5CNCServoSystem3.直流伺服电动机的工作原理与调速方法

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。a）电磁力偶矩产生示意b）电磁力偶矩的方向维持不变原理第二节直流伺服电动机及其速度控制Chapter5CNCServoSystem（2）直流伺服电机的速度控制原理MEaUФuf

他励直流电动机

转子回路的电势平衡方程：Ea＝U－RaIa式中Ra—转子回路电阻(Ω)

Ia—转子回路电流(A)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)第二节直流伺服电动机及其速度控制Chapter5CNCServoSystem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

（2）直流伺服电机的速度控制原理第二节直流伺服电动机及其速度控制Chapter5CNCServoSystem－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。（2）直流伺服电机的速度控制原理第二节直流伺服电动机及其速度控制Chapter5CNCServoSystem

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。4.永磁直流伺服电机的工作特性第二节直流伺服电动机及其速度控制Chapter5CNCServoSystem4.永磁直流伺服电机的工作特性

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。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ⅡⅢⅠ05001000150020004000600080001000012000T/(N∙cm)n/(r/min)第二节直流伺服电动机及其速度控制Chapter5CNCServoSystem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ⅡⅢⅠ05001000150020004000600080001000012000T/(N∙cm)n/(r/min)

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。4.永磁直流伺服电机的工作特性

第二节直流伺服电动机及其速度控制Chapter5CNCServoSystem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ⅡⅢⅠ05001000150020004000600080001000012000T/(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。4.永磁直流伺服电机的工作特性

第二节直流伺服电动机及其速度控制Chapter5CNCServoSystem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.

第二节直流伺服电动机及其速度控制Chapter5CNCServoSystem5、直流伺服电动机的速度控制

常采用两种速度调节系统：1、晶闸管调速系统

2、晶体管脉宽调制调速系统（PWM)。第二节直流伺服电动机及其速度控制Chapter5CNCServoSystem1）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。5、直流伺服电动机的速度控制第二节直流伺服电动机及其速度控制Chapter5CNCServoSystem

单相可控硅整流器改变触发角时的电枢电压和电流波形5、直流伺服电动机的速度控制第二节直流伺服电动机及其速度控制Chapter5CNCServoSystem

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。2）PWM脉宽调制原理与系统5、直流伺服电动机的速度控制第二节直流伺服电动机及其速度控制Chapter5CNCServoSystem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。2）PWM脉宽调制原理与系统第二节直流伺服电动机及其速度控制Chapter5CNCServoSystem速度调节器电流调节器脉宽调制基极驱动主回路整流u-++振荡器电流反馈-UsrTGUsfPWM直流调速系统的原理框图++-+MTGUsf第二节直流伺服电动机及其速度控制Chapter5CNCServoSystem（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。第二节直流伺服电动机及其速度控制Chapter5CNCServoSystem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。2、PWM直流调速系统的原理框图第二节直流伺服电动机及其速度控制Chapter5CNCServoSystem单极性H形开关电路

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。第二节直流伺服电动机及其速度控制Chapter5CNCServoSystem双极性H形开关电路

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。第二节直流伺服电动机及其速度控制Chapter5CNCServoSystem

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。第二节直流伺服电动机及其速度控制Chapter5CNCServoSystem

双极性H形电路电枢电压和电流波形。第二节直流伺服电动机及其速度控制Chapter5CNCServoSystem

(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。（A）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。（B）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。第二节直流伺服电动机及其速度控制Chapter5CNCServoSystem三角波发生器三角波发生器

比较放大器uΔ三角波指令电压uerub1ub2ub3ub4三角波发生器比较放大器脉宽调制波形图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。第二节直流伺服电动机及其速度控制Chapter5CNCServoSystem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。第二节直流伺服电动机及其速度控制Chapter5CNCServoSystem③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。第二节直流伺服电动机及其速度控制Chapter5CNCServoSystem

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。第三节交流伺服电动机及其速度控制Chapter5CNCServoSystem一、交流伺服电动机分类与特点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。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。第三节直流伺服电动机及其速度控制Chapter5CNCServoSystem2.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，起动较困难第二节直流伺服电动机及其速度控制Chapter5CNCServoSystem3、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。图5-15交流伺服电机横截面图

图5-16永磁交流伺服电动机的纵剖面图1-定子2-永久磁铁3-轴向通风孔4-转轴l-定子

2-转子

3-压板

4-定子三相绕组5-脉冲编码器

6-出线盒第三节交流伺服电动机及其速度控制Chapter5CNCServoSystem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—磁极对数第三节交流伺服电动机及其速度控制Chapter5CNCServoSystem4.调速原理分析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。第三节交流伺服电动机及其速度控制Chapter5CNCServoSystem5、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。第三节交流伺服电动机及其速度控制Chapter5CNCServoSystem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)6、SPWM（正弦波脉宽调制）第三节交流伺服电动机及其速度控制Chapter5CNCServoSystem（1）调制脉冲信号的形成：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第三节交流伺服电动机及其速度控制Chapter5CNCServoSystem（2）变频器的工作原理

A.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。B、调制波为负半周，VT4导通、VT1关断。C、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）。D、通过改变调制波的幅值，可改变逆变器输出电压的幅值；E、通过改变调制波的频率，可改变逆变器输出基波的频率。第三节交流伺服电动机及其速度控制Chapter5CNCServoSystem2、调制波为负半周，VT4导通、VT1关断。3、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）。4、通过改变调制波的幅值，可改变逆变器输出电压的幅值；5、通过改变调制波的频率，可改变逆变器输出基波的频率。第三节交流伺服电动机及其速度控制Chapter5CNCServoSystem第四节交流伺服电动机的矢量控制Chapter5CNCServoSystem

第四节交流伺服电动机的矢量控制Chapter5CNCServoSystem二、矢量控制的理论基础

在产生相同的旋转磁场并保持功率不变这一等效原则下，将交流电动机的三相绕组A、B、C与两个正交并以同步转速旋转的直流绕组d、q相等效，从而将三相交流量（电压、电流等）变换为d-q坐标系下的直流量。在此基础上，即可仿照直流电动机来对交流电动机的动态性能进行分析，并实现对电磁转矩的快速精确控制，从而使交流电动机达到与直流电动机相同的动态性能。第四节交流伺服电动机的矢量控制Chapter5CNCServoSystem1、永磁交流伺服电机的数学模型

PMSM交流伺服电机等效结构O为3相定子绕组的轴线，取转子轴线与相定子绕组轴线的电气角为θ第四节交流伺服电动机的矢量控制Chapter5CNCServoSystem1、永磁交流伺服电机的数学模型

PMSM交流伺服电机的物理模型

第四节交流伺服电动机的矢量控制Chapter5CNCServoSystem2、三相/二相变换(CLARK变换)

第四节交流伺服电动机的矢量控制Chapter5CNCServoSystem2、三相/二相变换(CLARK变换)

从电机学原理可知，对称的多相绕组通过对应的多相平衡正弦交流电流后，将产生角频率为ω的旋转磁场。a是三相绕组及通以三相交流电流产生的旋转磁场，b是二相绕组及通以二相交流电流产生的旋转磁场。如果旋转磁场的大小和角频率都相等，则这两组绕组等效。三相/二相变换就是将交流伺服电机定子的三相绕组等效为二项绕组，实现三相交流量到二相交流量的等效变换。第四节交流伺服电动机的矢量控制Chapter5CNCServoSystem2、三相/二相变换(CLARK变换)

方法：使用三相A－B－C坐标系描述三相绕组形成的旋转磁场下各磁势分量。同时使用二相α-β坐标系描述二相绕组形成的旋转磁场下各磁势分量，根据磁势相等原则，建立如下关系式。FA、FB、FC是三相坐标系下的磁势分量，单位为AT；Fα、Fβ是二相坐标系下的磁势分量，单位为AT。第四节交流伺服电动机的矢量控制Chapter5CNCServoSystem2、三相/二相变换(CLARK变换)

经折算变换，可将上式所给磁势关系转换为电流关系。

第四节交流伺服电动机的矢量控制Chapter5CNCServoSystem2、三相/二相变换(CLARK变换)

由此可得三相A－B－C坐标系到二相α-β坐标系的变换矩阵

第四节交流伺服电动机的矢量控制Chapter5CNCServoSystem3、静止/旋转变换（二相/直流）（Park变换）

静止/旋转变换是将二相交流绕组等效为旋转坐标系下的正交直流绕组d、q，由此可导出二相交流量到正交直流量的变换矩阵.

式中，φ是磁通位置角，单位为°（磁通Φ与A轴或a轴的夹角）。通过以上变换后，如果站在d-q坐标系框架上看，d、q绕组就是两个通以直流电流的正交固定绕组。由此即实现了三相交流量到直流量的等效转换。第四节交流伺服电动机的矢量控制Chapter5CNCServoSystem4、逆变换

同样，将上述变换式求逆运算，得到直流量到三相交流量的逆变换。与上述过程相对应，也可得到正交直流量到二相交流量的逆变换矩阵（Park-1逆变换）

以及二相交流量到三相交流量的逆变换矩阵（Clarke-1逆变换）

第四节交流伺服电动机的矢量控制Chapter5CNCServoSystem五、同步交流伺服电机（PMSM）的驱动控制

（一）PMSM的电磁转矩控制原理由d-q坐标系和同步电动机的数学模型可知，在磁场定向控制（永磁励磁磁链方向与d轴正方向一致）的前提下，永磁同步电动机的电磁转矩公式为

式中，T是电磁转矩；ψf是永磁励磁磁链；id、iq为d轴和q轴的电流A；Ld、Lq为d轴和q轴的电感。从上式可以看到，如果通过电流控制使d轴电流id=0，则有M=kψf

iq

。由于永磁励磁磁链ψf为常数，因此，此时电动机输出的电磁转矩将与q轴电流iq成正比。这意味着控制iq就可以像控制直流伺服电动机一样实现对交流永磁同步电动机电磁转矩的直接控制。这一控制过程主要通过下述两种方法实现。第四节交流伺服电动机的矢量控制Chapter5CNCServoSystem五、同步交流伺服电机（PMSM）的驱动控制

1、同步交流伺服电机的转子磁场定向控制磁场定向控制示意图第四节交流伺服电动机的矢量控制Chapter5CNCServoSystem五、同步交流伺服电机（PMSM）的驱动控制

2、同步交流伺服电机的定子电流闭环控制第四节交流伺服电动机的矢量控制Chapter5CNCServoSystem五、同步交流伺服电机（PMSM）的驱动控制

1）、直流闭环控制

第四节交流伺服电动机的矢量控制Chapter5CNCServoSystem五、同步交流伺服电机（PMSM）的驱动控制

3、同步交流伺服电机的转速和转角控制系统

第四节交流伺服电动机的矢量控制Chapter5CNCServoSystem五、同步交流伺服电机（PMSM）的驱动控制

1）、直流闭环控制（1）i*`d、i*q电流控制指令经变换电路得定子坐标系中的i*A、i*B、i*C电流控制指令；（2）iA、iB、iC为实测的电流值，与i*A、i*B、i*C电流控制指令比较形成控制PWM逆变电路的控制信号；（3）电流控制电路输出控制指令控制PWM逆变电路实现对电动机的驱动控制。第四节交流伺服电动机的矢量控制Chapter5CNCServoSystem六、异步交流伺服电机的驱动控制

1、异步伺服电动机的电磁转矩控制原理

异步交流伺服电动机运行时，转子导条切割定子旋转磁场的磁力线，产生感应电流，感应电流通过转子端部处的短路环形成回路，产生转子磁场。异步电动机的电磁转矩公式

第四节交流伺服电动机的矢量控制Chapter5CNCServoSystem六、异步交流伺服电机的驱动控制

1、异步伺服电动机的电磁转矩控制原理根据电机学理论及交流电动机矢量变换方法，异步交流伺服电动机在α-β坐标系中，其定子磁场的磁链方程、转子磁场的磁链方程存在下述关系

第四节交流伺服电动机的矢量控制Chapter5CNCServoSystem六、异步交流伺服电机的驱动控制

3、异步交流伺服电动机的定子电流闭环控制

第四节交流伺服电动机的矢量控制Chapter5CNCServoSystem六、异步交流伺服电机的驱动控制

4、异步交流伺服电动机的转速和转角控制系统该系统的速度控制环以上述基于矢量变换控制的电磁转矩控制系统为被控对象，通过检测装置获取伺服电动机的实际运动速度，实现对电动机速度的快速准确控制。该系统的外环为位置控制环，它以整个速度内环为被控对象，通过角位移检测装置获取电动机实际转角信息，最终实现对异步电动机旋转角位移的精确快速控制。

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。第五节步进电机及其驱动系统Chapter5CNCServoSystem一、

步进电动机分类步进电动机的分类(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。第五节步进电机及其驱动系统Chapter5CNCServoSystem二、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。第五节步进电机及其驱动系统Chapter5CNCServoSystem反应式步进电动机

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°。绕组定子铁心转子铁心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：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。第五节步进电机及其驱动系统Chapter5CNCServoSystem2、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。第五节步进电机及其驱动系统Chapter5CNCServoSystem步进电机工作原理

按照图示，电机转子就逆时针旋转起来。在实际中，每步旋转的角度较小。下面介绍一下实际应用的时候的工作原理。第五节步进电机及其驱动系统Chapter5CNCServoSystemA“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°)。第五节步进电机及其驱动系统Chapter5CNCServoSystem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。第五节步进电机及其驱动系统Chapter5CNCServoSystem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，ABCA……第五节步进电机及其驱动系统Chapter5CNCServoSystem若定子绕组的通电顺序为ABBCCAAB……，则步进电动机的转子就逆时针方向转动。

B.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ABBCCAAB……，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°。第五节步进电机及其驱动系统Chapter5CNCServoSystem

单三拍步进电动机的反转

若定子绕组通电顺序为ACBA……，则电动机转子就逆时针方向旋转起来，其步距角仍为3°。

单三拍步进电动机的步距角

重复单三拍的通电顺序，ABCA

……，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。第五节步进电机及其驱动系统Chapter5CNCServoSystem

若通电顺序为：AACCBCBABA……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。C、三相六拍工作方式

通电顺序：AABBBCCCAA……

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°。第五节步进电机及其驱动系统Chapter5CNCServoSystem3、反应式步进电动机主要性能指标及选择A.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。第五节步进电机及其驱动系统Chapter5CNCServoSystem

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。第五节步进电机及其驱动系统Chapter5CNCServoSystemB.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)。第五节步进电机及其驱动系统Chapter5CNCServoSystemππ/20-π-π/2`静稳定区不稳定平衡点稳定平衡点不稳定平衡点TθeTjmax第五节步进电机及其驱动系统Chapter5CNCServoSystemC、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。第五节步进电机及其驱动系统Chapter5CNCServoSystem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第五节步进电机及其驱动系统Chapter5CNCServoSystem

D.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。Tf第五节步进电机及其驱动系统Chapter5CNCServoSystemE.空载运行频率fmax（步/s）

步进电动机在空载起动后，能不丢步连续运行的最高脉冲重复频率称做空载运行频率fmax。它也是步进电动机的重要性能指标，对于提高生产率和系统的快速性具有重要意义。fmax应能满足机床工作台最高运行速度。F.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。Tf第五节步进电机及其驱动系统Chapter5CNCServoSystem4、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）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。

第五节步进电机及其驱动系统Chapter5CNCServoSystem3）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。常用的是查表法第五节步进电机及其驱动系统Chapter5CNCServoSystem例：专用集成芯片CH250第五节步进电机及其驱动系统Chapter5CNCServoSystem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。第五节步进电机及其驱动系统Chapter5CNCServoSystem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。第五节步进电机及其驱动系统Chapter5CNCServoSystem（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。第五节步进电机及其驱动系统Chapter5CNCServoSystem

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。第五节步进电机及其驱动系统Chapter5CNCServoSystem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。第五节步进电机及其驱动系统Chapter5CNCServoSystem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，第五节步进电机及其驱动系统Chapter5CNCServoSystem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。第五节步进电机及其驱动系统Chapter5CNCServoSystem三种驱动电路的电流波形比较第五节步进电机及其驱动系统Chapter5CNCServoSystem一、数控伺服系统位置控制

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。位置控制系统按反馈比较控制方式可分为1、脉冲比较伺服系统2、相位比较伺服系统3、幅值比较伺服系统4、全数字伺服系统。

由于时间有限，我们只对脉冲比较伺服系统，相位比较伺服系统，幅值比较伺服系统做一下原理性的介绍。

第六节数控伺服系统的位置控制Chapter5CNCServoSystem1、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，驱动伺服电机运动。

由比较环节，检测单元，伺服放大器，脉冲处理单元等组成

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。第六节数控伺服系统的位置控制Chapter5CNCServoSystem脉冲比较伺服系统的闭环和半闭环的比较第六节数控伺服系统的位置控制Chapter5CNCServoSystem

2)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。第六节数控伺服系统的位置控制Chapter5CNCServoSystem

(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-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。3)脉冲比较伺服系统的工作原理(闭环)第六节数控伺服系统的位置控制Chapter5CNCServoSystem

(2)当指令脉冲F＞0，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-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-Pf＝0，工作台重新稳定在指令所规定的位置。第六节数控伺服系统的位置控制Chapter5CNCServoSystem

(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e＜0，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。第六节数控伺服系统的位置控制Chapter5CNCServoSystem4)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。第六节数控伺服系统的位置控制Chapter5CNCServoSystem2、相位比较伺服系统

用相位比较的方法构成闭环和半闭环控制。

1)主要组成

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。第六节数控伺服系统的位置控制Chapter5CNCServoSystem2)相位比较伺服系统的闭环和半闭环的比较第六节数控伺服系统的位置控制Chapter5CNCServoSystem

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。第六节数控伺服系统的位置控制Chapter5CNCServoSystem3)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。第六节数控伺服系统的位置控制Chapter5CNCServoSystem

(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。4)相位比较伺服系统的工作原理(闭环)第六节数控伺服系统的位置控制Chapter5CNCServoSystem

(2)当指令脉冲F＞0，经脉冲调相器，PA＝

+q0

，因工作台原来静止，PB＝0，鉴相器的输出△q

＝PA-PB＝+q0

＞0，伺服驱动使工作台作正向运动，直至△q

＝0。第六节数控伺服系统的位置控制Chapter5CNCServoSystem

(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＝

-q0

，工作台向反方向进给。直至△q

＝0

。第六节数控伺服系统的位置控制Chapter5CNCServoSystem5)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。第六节数控伺服系统的位置控制Chapter5CNCServoSystem3、幅值比较伺服系统

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。

1）主要组成

脉冲比较器、鉴幅器、检测元件、电压-频率变换器、伺服放大器、伺服电动机等。第六节数控伺服系统的位置控制Chapter5CNCServoSystem2）幅值比较伺服系统的闭环和半闭环的比较第六节数控伺服系统的位置控制Chapter5CNCServoSystem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。第六节数控伺服系统的位置控制Chapter5CNCServoSystem3）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。第六节数控伺服系统的位置控制Chapter5CNCServoSystem

(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-Pf＝0，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。4）幅值比较伺服系统的工作原理(闭环)第六节数控伺服系统的位置控制Chapter5CNCServoSystem

(2)当指令脉冲F＞0，△s＝F-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。第六节数控伺服系统的位置控制Chapter5CNCServoSystem

(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-Pf＜

0

，工作台向反方向进给。直至△s

＝0

。第六节数控伺服系统的位置控制Chapter5CNCServoSystem

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。1、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，要求主轴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。一、概述第七节主轴运动控制Chapter5CNCServoSystem2、分类

一、概述直流主轴驱动系统: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。第七节主轴运动控制Chapter5CNCServoSystem二、直流主轴电动机及其速度控制直流伺服电动机的结构

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。第七节主轴运动控制Chapter5CNCServoSystem二、直流主轴电动机及其速度控制

2、直流主轴电机的调速方法

直流驱动装置中的功率放大器有可控硅和脉宽调制PWM两种形式。由于脉宽调制PWM形式的直流驱动装置具有很好的调速性能，因而在数控机床特别是对精度、速度要求较高的数控机床进给驱动装置上广泛使用。而三相全控可控硅形式的直流驱动装置则在大功率应用方面具有优势，因而常用于直流主轴驱动装置。

第七节主轴运动控制Chapter5CNCServoSystem

3、直流主轴电机的调速方法

直流主轴电动机的调速方法是调压调速与调磁调速相结合。电机额定转速N以下改变电枢电压U调速，由于电机励磁电流不变，故电机输出的最大转矩M取决于电枢电流最大值I。对一台主轴电动机来说，最大电流为恒定时，其能输出最大转矩是恒定的。而输出功率随转速升高而增加，因此额定转速N称为恒转矩调速的基速。

电机额定转速N以上采用弱磁升速的方法调速，即采用调磁调速的方法，其输出的最大功率在弱磁升速调速过程中，磁通量减小K倍，相应的转