数控机床的伺服驱动系统设计样本

第一章绪论

1-1选题背景与意义

数控技术也叫计算机数控技术(CNC,ComputeNumericalControl),当前它是采

用计算机实现数字程序控制技术。

数控技术是机械加二自动化基本，是数控机床核心技术，其水平高低关系到国家

战略地位和体现国家综合国力水平，数控技术广泛应用给老式制造业生产方式，产品

构造带来了深刻变化。也给老式机械，机电专业人才带来新机遇和挑战。国内经济全面

与国际接轨，并逐渐成为全球制造中心，国内公司广泛应用当代化数控技术参加国际

竞争。数控技术是制造实现自动化，集成化基本，是提高产品质量，提高劳动生产率不

可少物资手段。

数控机床伺服驱动系统作为一种实现切削刀具与工件间运动进给驱动和执行机构，是

数控机床一种重要构成某些，它在很大限度上决定了数控机床性能，如数控机床最高

移动速度、跟踪精度、定位精度等一系列重要指标取决于伺服驱动系统性能优劣。因而,

随着数控机床发展，研究和开发高性能伺服驱动系统，始终是当代数控机床研究核心

技术之一。

在数控机床中，伺服系统是数控机床里一种非常重某些，对于它控制好坏一定限度上

反映一种机床控制柔性限度。步进电机驱动系统控制数控车床进给运动，为车床主轴提

供驱动功率以及所需切削力。当前在数控车床开环系统中，进给驱动常使用伺服步进电

机，由于直流伺服电动机存在着某些固有缺陷(例如，有电刷，限制了转速提高，并且

构造复杂，价格较贵。)，使其应用环境受到限制C交流伺服电动机没有这些缺陷，且

转子惯量比直流电动机小，使得动态响应好。此外在同样体积下，交流电动机输出功率

可比直流电动机提高10%〜70%；其容量也可以比直流电动机造得大，达到更高电压和

转速。因而，交流伺服系统得到了迅速发展，己经形成潮流。从20世纪80年代后期开

始，大量使用交流伺服系统，当前，已基本取代了直流电动机，直流电动机已逐渐被

裁减，在数控机床主轴驱动中，均采用笼型异步电动机。为了获得良好主轴特性，主轴

驱动系统中采用矢量变频控制交流主轴电动机，矢量控制分无速度传感器和有速度传

感器两种方式，后者具备更高速度控制精度，在数控车床中无速度传感器矢量变频器

已符合控制规定，而在进给驱动系统中普通都采用永磁同步电机，1964年德国人率先提

出脉宽调制变频思想，把通讯系统中调制技术应用于交流变频器。调制办法诸多，当前

用得最多是正弦脉宽调制［1］。

1-2数控机床对伺服系统规定

伺服系统是数控机床中及其重要一某些，伺服系统性能直接影响到机床加工精度,

面对国内外伺服系统发展趋势对伺服驱动系统有下几点基本规定。

1）精度高。伺服系统精度是指输出量能复现输入量精准限度。涉及定位精度和轮

廓加工精度。

为了保证数控机床加工精度，除了规定数控系统精度和机床机械精度有足够高以

外，还规定具备足够高伺服系统定位精度和进给跟踪精度，并且还起着重要作用。普通

规定定位精度为0.01-0.001叱而高档设备定位精度还应在0-1HD1以内。

2）稳定性好。稳定是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂调右过程后,

达到新或者恢复到本来立衡状态。直接影响数控加工精度和表面粗糙度。

规定伺服系统有较高可靠性、稳定性，并且受电源、环境、负载等影响要小。还要具备

足够传动刚性和速度稳定性。也就是说伺服系统在负载或切削条件发生变化时，应使进

给速度保持恒定。刚性良好系统，负载力矩变化对进给速度影响很小。

3）迅速响应。迅速响应是伺服系统动态品质重要指标，它反映了系统跟踪精度。为了

保证轮廓切削形状精度和加工表面粗糙度，规定伺服系统除了要有较高定位精度外，还

要有良好迅速响应特性，也就是规定伺服电动机起、停升降速过程要短，要有较高加速

度。电动机转速从0升至1500r/min时间控制在0-2s以内。

4）调速范畴宽。调速范嚅是指生产机械规定电机能提供最高转速和最低转速之比。

0—24m/min⑵。

为适应不同加工条件，例如加工零件材料、尺寸、部位以及刀具种类和冷却方式等

不同，数控机床进给速度需要在很宽范畴内无级变化。这就规定伺服电机要有很宽调速

范畴和优秀调速特性。普通数控机床进给伺服系统调速范畴都在0〜30m/min,高可达

240m/min0

5）低速大转矩。由于机床在低速切削时，切深和进给都比较大，也

就是说吃刀抗力较大，这就规定主轴电动机输出转矩也应当较大。当代数控

机床伺服电动机普通都是与丝杠直接相连，中间没有减速齿轮，这就规定

进给电动机能输出较大转矩。

进给坐标伺服控制属于恒转矩控制，在整个速度范畴内都要保持这个转矩；主轴坐

标伺服控制在低速时为恒转矩控制，能提供较大转矩。在高速时为恒功率控制，具备足

够大输出功率。

除上面普通规定之外，还具备下面控制功能：

1）准停控制为了自动换刀，规定主轴能进行高精度精确位置停止。

2）角度分析控制分度有两种：一是固定等分角位置控制。二是持续任意角度控制。（作

特殊加工时，主轴坐标有了进给坐标功能，称为“C”轴控制。）为了满足对伺服系统

规定，对伺服系统执行元件一伺服电机也相应提出高精度、快反映、宽调速和大转矩

规定，普通具备小惯量大转矩详细特性。最低进给速度到最高进给速度范畴都能稳定

运营平滑过度。进给电机应具备大较长时间过载能力，普通能过载4-5倍左右，持续时

间达10分钟以上，转动惯量要小，满足迅速响应规定，普通进给伺服电机做成细长,

高档进给具备400rad/s2以上加速度，保证电机在0.2s以内从静止起动到

1500rad/min<>电机应能承受频繁起动制动和反转，20次/min以上。

1-3数控机床伺服驱动系统设计总体方案

数控机床（CNCmachinery）集计算机技术、电子技术、自动控制、传感测量、机械制

造、网络通信技术于一体，是典型机电一体化产品，具备模块化特点。因而数控机床在

图27伺服系统基本构成

2-2数控机床伺服系统构成

数控机床伺服驱动系统由驱动信号控制转换电路，电子电力驱动放大模块，速度调节

单元，电流调节单元，检测装置。

普通闭环系统为三环构造：位置环、速度环、电流环。位置、速度和电流环均由：调节

控制模块、检测和反馈某些构成。电力电子驱动装置由驱动信号产生电路和功率放大器

构成。严格来说：位置控制涉及位置、速度和电流控制；速度控制涉及速度和电流控制。

速度控制单元：用来控制电机转速，是速度控制系统核心。速度检测装置：测速发电机、

脉冲编码器等。速度环控制在进给驱动装置内完毕，位置环由数控装置来完毕.特点：

CNC-------------速度控制单元-----------|一一机床

-

速

位

度

置

反

反

馈

馈

外部看：以位置指令输入和位置控制为输出位置闭环控制系统。从内部实际工作来看,

它是先把位置控制指令转换成相应速度信号后，通过调速系统驱动伺服电机，实现实

际位移。

2-3数控伺服系统分类

数控机床伺服系统种类繁多，按照不同参照可分如下几类

1）按控制原理和有无位置反馈装置分：开环和闭环伺服系统；

2）按用途和功能分：进给驱动和主轴驱动系统；

3）按驱动执行元件动作原理分：电液伺服驱动系统和电气伺服驱动系统。

开环数控系统没有位置测量装置，信号流是单向（数控装置一进给系统），故系统稳定

性好。无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其精度重要取决于伺服驱动系统和机

械传动机构性能和精度。普通以功率步进电机作为伺服驱动元件。

此类系统具备构造简朴、工作稳定、调试以便、维修简朴、价格低廉等长处，在精度和

速度规定不高、驱动力矩不大场合得到广泛应用。普通用于经济型数控机床，如图2-2

所示。

图2-2开环伺服系统

系统。半闭环数控系统位置采样点如图2-3所示，是从驱动装置（惯用伺服电机）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实际位置。

半闭环环路内不涉及或只涉及少量机械传动环节，因而可获得稳定控制性能，其

系统稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。

由于丝杠螺距误差和齿轮间隙引起运动误差难以消除。因而，其精度较闭环差，较开环

好。但可对此类误差进行补偿，因而仍可获得满意精度。

半闭环数控系统构造简朴、调试以便、精度也较高，因而在当代CNC机床中得到了广泛

应用。

图2-3半闭环伺服系统

全闭环数控系统。全闭环数控系统位置采样点如图2-4虚线所示，直接对运动部件

实际位置进行检测。

从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节误差、间隙和失动量。具备很高位置控

制精度。由于位置环内许多机械传动环节摩擦特性、刚性和间隙都是非线性，故很容

易导致系统不稳定，使闭环系统设计、安装和调试都相称困难。

该系统重要用于精度规定很高镀铳床、超精车床、超精磨床以及较大型数控机床等

位置控制单元

I速度控制单元

CNC:

插Z速度控制

i机械执行部件

指令：调节与夔动

一-•

实

际

实

际

速

度

位S

反

摆

反

攘

检刑与反援i11

单元

图2-4全闭环伺服系

第三章伺服驱动系统方案选取

伺服电动机为数控伺服系统重要构成某些，是速度和轨迹控制执行元件。数控机床

中惯用驱动元件一伺服电机：

1）直流伺服电机（调速性能良好）

2）交流伺服电机（重要使用电机）

3）步进电机（适于轻载、负荷变动不大）

4）直线电机（高速、高精度）

电机控制系统按照驱动电机类型重要分为直流传动系统和交流传动系统以及步进电机

伺服驱动系统。在70年代直流伺服电机己经实用化了，在各类机电一体化产品中，大

量使用着各种构造直流伺服电动机。老式直流电动机采用是机械式换向且存在电刷，使

其在应用过程中面临着如下某些难以克服缺陷：

1）维护工作量大、维护成本高；

2）使用寿命短、可靠性低；

3）构造复杂、体积大、转动惯量大、响应速度慢；

4）易对其他设备产生干扰、现场环境适应能力差；

从而极大地限制了其在高精度、高性能规定伺服驱动场合应用。而交流传动系统执行机

构普通采用感应电机和同步电机。感应电动机，特别是鼠笼型异步电动机始终是老式驱

动系统执行元件，其构造简朴、价格便宜、效率较高，但存在着散热和参数容易波动等

问题。感应式异步伺服电动机制造容易、价格低，不需要特殊维护。但控制上采用矢量

变换控制，因而系统比较复杂。转子电阻随温度变化而影响磁场定向精确性。同步，低

速运营时发热比较严重，而•低速运营又往往是机床进给机构经常所处运营状态。这种

类型交流伺服系统容易进行弱磁控制，实现高速运营，这是一种明显特点。在交流伺

服系统发展初期，感应武异步电动机交流伺服系统曾一度得到发展和应用，但由于存

在上述某些问题，这种系统在机床进给机构驱动中并未得到普遍应用。

与感应电机相比，由于永磁同步电机具备构造简朴、体积小、效率高、功率因数高、

转矩电流比高、转动惯量低、易于散热及维护保养等长处特别是随着永磁材料价格下降、

材料磁性能提高，以及新型永磁材料浮现，在中小功率、高精度、高可靠性、宽调速范

畴伺服系统中以永磁同步电机作为执行机构是越来越多，其应用领域逐渐推广，特别

在航空、航大、数控机床、加工中心、机器人等场合已获得广泛应用。而步进电机伺服

系统随着新材料、新技术发展及电子技术和计算机应用，步进电动机及驱动器研制和发

展进入了新阶段。步进电机除了构造简朴、使用维护以便、工作可靠，在精度高等特点。

尚有下列长处:步距值不受各种干扰因素影响。转子运动速度重要取决于脉冲信号频率。

转子运动总位移量则取决于总脉冲信号数。

误差不积累。步进电动机每走一步所转过角度与理论步距值之间总有一定误差，走任

意步数后来，也总有一定误差。但每转一圈累积误差为零，因此步距误差不积累。控

制性能好。起动、转向及其她任何运营方式变化，都在少数脉冲内完毕。在一定频率

范畴内运营时，任何运营方式都不会丢一步。由于步进电动机有上述特点和长处而

广泛应用在机械、治金、电力、纺织、电信、电子、仪表、化工、轻工、办公自动化

设备、医疗、印刷以及航空航天、船舶、兵器、核工业等国防工业等领域。

综上所述，步进电机伺服驱动系统和交流伺服驱动系统都在各个领域有着很强大占

有空间，面对市场需求以及伺服系统发展，步进电机和交流伺服电机有着个字特点,

但哪种伺服系统可以更优越应用在数控机床中。下面通过两种驱动系统比较来进行伺

服驱动系统选取。

3-1步进电机工作原理

步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移电磁机械装置。由于所用电源是

脉冲电源，因此又称为脉冲马达。步进电机用于与控制脉冲构成开环系统中。

步进电机是一种特殊电动机，普通电动机通电后持续旋转，但步进电动机却是跟

随输入脉冲按节拍一步一步地转动。

步进电动机转动，是由电动机绕组脉冲电流控制，也就是说由指令脉冲决定。

指令脉冲数决定它转动步数，即角位移大小，对步进电动机施加一种电脉冲信号

时，步进电动机就旋转一种固定角度，称为一步，每一步所转过角度称为步距角；指令

脉冲频率决定它转动速度。只要变化指令脉冲频率，就可以使步进电动机旋转速度在很

宽范畴内持续调节。变化绕组通电顺序，就可以变化它旋转方向。在无脉冲输入时，在

绕组电源勉励下，气隙磁场能使转子保持原有位置而处在定位状态。

当前，国内使用步进电机多为反映式步进电机。普通步进电机转子为永磁体，当电流流

过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子一

对磁场方向与定子磁场方向一致。当定子矢量磁场旋转一种角度。转子也随着该磁场转

一种角度。每输入一种电脉冲，电动机转动一种角度迈进一步。它输出角位移与输入脉

冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。

反映式步进电机在定子每个磁极上面向转子某些，均匀分布着5个小齿，齿槽等宽，齿间夹

角为9度。

转子上没有绕组，只有均匀分布40个齿，其大小和间距与定子上完全相似，并与之相差力齿距。

如图3-1所示。

步进电机工作原理事实上是电磁铁作用原理。步进电机是•种将电脉冲转化为角位移执

行机构。当步进驱动器接受到一种脉冲信号，它就驱动步进电机按设定方向转动一种固定角度

（称为“步距角”），它旋转是以固定角度•步•步运营。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，

从而达到准拟定位目，同步可以通过控制脉冲频率来控制电机转动速度和加速度，从而达到调

速目。步进电机可以作为一种控制用特种电机，运用其没有枳累误差（精度为100$）特点，广泛应

用于各种开环控制。当前比较惯用步进电机涉及反映式步进电机（VR）、永磁式步进电机

（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。现以三相反映式步进电动机图示3-2为例

阐明。

当A相通电时，电动机铁芯AA方向产一磁通，在磁拉力作用下，转子1.3齿与A

相磁极对齐。2.4两齿与B.C两磁极相对错开30°。

当B相通电时，电动机铁芯BB方向产生磁通，在磁拉力作用卜，转子沿逆时针方

向旋转30°,转子2、4齿与B相磁极对齐1、3两齿与A、C两磁极相对错开30°。

当C相通电时，电动机铁芯CC方向产生磁通，在磁拉力作用下，转子没逆时针方

向旋转，转子1、3齿与C相磁极对齐。2、4两齿与A、B两磁极相对错开30°。

图3-2步进电机通电示意图

若按A-B-C-A通电相序持续通电，则步进电机就持续地沿逆时针方向旋转，每换接

一次通电相序，步进甩机沿逆时针方向转过30“，即步距角为30“。反之则为顺时针

方向旋转。

若通电脉冲顺序为A.B.C.A…，则不难推出，转子将以顺时针方向一步步地旋转。

这样，用不同脉冲通入顺序方式就可以实观对步进电动机控制。

脉冲数量控制电机转角；脉冲频率控制机转速；脉冲通入顺序控制电机方向。定子

绕组每变化一次通电方式，称为一拍。上述通电方式称为三相单三拍。所谓“单”是指

每次只有一相绕组通电；所谓“三拍”是指通过三次切换控制绕组通电状态为一种循环。

若通电脉冲顺序为AB、BC、CA、AB…，每次两相似时通电，此为三相双三拍，若按A、

AB、B、BC、C、AB…此方式为三相六拍[5]«

步进电机重要特性。步进机通过一种电脉冲转子转过角度,称为步距角，符号Q,步进电机

输出角位移星a与输入指令脉冲数K成正比，在时间上与输入脉冲同步；而步进电机转速n与指令脉

冲频率f成正比。

在步进电机负载能力容许状况下，这种线性关系不会由于负载变化等因素而变化,

因此可以在较宽范畴内，通过对指令脉冲频率和数量控制，实现对机床运动速度和位

置控制。步进电机步距宵是反映步进电机定子绕组通电状态每变化一次，转子转过角

度。它取决于电机构造和控制方式。步距角。可由下式计算：

360°

a=------

ZN

式中：Z是转子齿数；N一种周期运营拍数。若步进电动机通电脉冲频率为f,则步

进电动机转速ns公式为:

式中：Z是转子齿数；N一种周期运营拍数。

步进电动机具备自身特点，归纳起来有：1）可以用数字信号直接进行开环控制，整

个系统造价低；2）位移与输入脉冲信号树相相应，步距误差不长期积累，可以构成构

造较为简朴而又具备一定精度开环控制系统，也可以在规定高精度时构成闭环控制系

统；3）无刷，电动机本体部件少，可靠性高；4）易于起动，停止，正反转及变转；5）

停止时，可以通电自锁；6）速度可在相称宽范畴内平滑调节，同步用一台控制器控制

几步电动机，可使它们完全同步运营；7）步进电动机带惯性负载能力差；8）由于存在

失步和低频共振，因而步进电动机加减办法依照利应用状态不同而复杂化［6］。

3-2步进电动机驱动控制器构成

1.工作台位移量控制

进给脉冲数N一定子绕组通电状态变化次数N一步进电机转子转角一工作台位移量

Lo

2.工作台进给速度控制

进给脉冲频率f一定子绕组通电状态变化频率f一步进电机转子转速一工作台进给

速度V。

3.工作台运动方向控制

步进电机定子绕组通电顺序一步进电机正转或反转一工作台进给方向步进电机驱

动控制线路。

伺服驱动系统对驱动电源基本规定：驱动电源相数、通电方式和电压、电流都满足

步进电动机需要；要满足步进电动机起动频率和运营频率规定；能最大限度地抑制步进

电动机振荡；工作可靠，抗干扰能力强；成本低、效率高、安装和维护以便。其驱动控

制如图3-3所示。

至至

加诚

合

混

进

步

脉冲加减环形功率

冲

CNC脉

机

电

分配速放大

路

电分配

装置组

绕

电路电路器器

图3・3步进电机驱动控制方框图

CNC装置发出脉冲指令，通过脉冲电路至加减脉冲分派电路，再到环形分派器，经

功率放大器驱动伺服电机运转。

脉冲混合电路作用。无论是来自于数控系统插补信号，还是各种类型误差补偿信号,

手动进给信号、手动回原点信号，它目无非是使工作台做正向进给运动或者是负向进给

运动，通过混合脉冲电路可以将上述各类型号混合为使工作台正向进给“正向进给”信

号或者是使工作台做负向运动“负向进给”信号。

加减脉冲分派电路。当数控机床正在沿着正向进给脉冲信号做正向进给运动时，由

于各种补偿信号存在，也许会浮现极个别负向脉冲信号，同样，当数控机床正在沿着

负向向进给脉冲信号做负向向进给运动时，由于各种补偿信号存在，也许会浮现极个

别正向脉冲信号。在实际机床进给控制中，这些与其个进给方向相反个别脉冲浮现，意

味着步进电机正在沿着一种方向旋转时，在反向方向旋转极个别几种步距角。依照步进

电机工作原理，要做到这一点（即电机正在沿着某个方向旋转时，在向相反方向旋转极

个别步距角），必要一方面是步进电机从该旋转方向静止下来，然后才干向相反方向旋

转，待旋转极个别几种岁距角后，再恢复至本来方向继续旋转进给。这从机械加工工艺

方面来看是不容许，虽然容许，控制线路也相称复杂。普通采用办法是，通过加减脉冲

分派电路从该进给方向进给脉冲指令抵消相似数量相反方向补充脉冲。

加减速电路也称自动升降速电路。依照步进电机加减速特性，进入步进电机定子绕

组电平信号频率变化要平滑。并且应有一定期间常数。但由加减脉冲分派电路来进给脉

冲频率变化是有跃变。

为了保证步进电机可以正常、可靠地工作，上述跃变频率必要一方面进行缓冲，使

之变成符合进电机加减速特性脉冲频率，然后再送入步进电机定子绕组。加减速电路就

是为此而设立。通过该电路后，输HI脉冲个数与输入进给脉冲个数相等，以保证电机不

会丢步0

环形分派器。作用：把来自于加减速电路一系列进给脉冲指令，转换成控制步进电机定

子绕组通,断电电平信号，电平信号状态变化此术及顺序与进给脉冲个数及方向相应,

环形分派器可以由硬件逻辑线路构成，也可以用软件来实现。

功率放大器。从环形分派器来进给控制信号电流只有几毫安，而步进电机定子绕组需要

儿安倍电流。因而，需要对从环形分派器来信号进行功率放大，己提供幅值足够，先后

沿较好励磁电流。

3-3环形分派器

步进电机转动是靠不断地变化各相绕组通电顺序实现，若想让某相绕组通电，就要给

某相绕组提供一组序列脉冲，因而步进电机有几相，就要为其提供几种脉冲序列。步进

电机需要脉冲序列来自插补器，但对于某个单轴坐标，插补器只能按照一定线型，提

供一种单序列脉冲。因而，在插补器到步进电机之间必要有个能将插补器单序列脉冲转

换为步进电机需要多序列脉冲装置，这就是环行分派器。环形分派器功能是把来自CNC

脉冲信号按一定规律分派给各相功率放大器，来驱动相应励磁绕组，进而实现步进电

动机按规定方式进行工作。硬件环形分派驱动与数控装置连接硬件环型分派器可由D触

发器或JK触发器构成，亦可用专用集成芯片或通月可编程逻辑器件。硬件环行分派器

基本构成是触发器。由于步进电机有几相就需要几种序列脉冲，因此步进电机有几相,

就要设立几种触发器。每个触发器发出脉冲就是一种序列脉冲，用来控制步进电机某相

定子绕组通、断电。触发器工作同步信号就是来自插补器某个坐标轴位移驱动信号Ax

或Ay。

CH250是国产三相反映式步进电机环形分派器专用集成电路芯片，通过控制端不同接法

可构成三相双三拍和三相六拍工作方式。图3-4(a)为CH250引脚图。

图3-4(b)为三相六拍接线图。其工作状态表如表3/。

(a)(b)

图3-4CH250管脚图及三相六拍接线图

J3r、J3L两端子是三相双三拍控制端,J6r、J6L是三相六拍控制端三相双三拍工作时，若

J3r="l”,而J3L="0”，则电机正转;若尸“0”,J3L="1”，则电机反转;

三相六拍供电时，若J6r="l"，J6L="0”，则电机正转；若J6r="0"，J6L=

“1”，电机反转。R*是双三拍复位端,R是六拍复位端，使用时，一方面将其相应复位端

接入高电平，使其进入工作状态，然后换接到工作位置。CL端是时钟脉冲输入端,EN是

时钟脉冲容许端，用以控制时钟脉冲容许与否。当脉冲CP由CL端输入，只有EN端为

高电平时，时钟脉冲上升沿才起作用。CH250也容许以EN端作脉冲CP输入端，此时只

有CL为低电平时，时钟脉冲下降才起作用。A.B.C为环形分派器三个输出端，通过脉冲

放大器（功率放大器）后分别接到步进电动机三相线上。CH250环形脉冲分派器功能关

系如表3-1所列［71

表3-1CH250工作状态表

RR*CLENJ3rJ3LJ6rJ6L功能

T11000双三拍正转

t10100反转

T10010六拍（1~2相）止转

t10001反转

0I1000双三拍正转

0]0100反转

000I0010六拍（1~2相）正转

0I0001反转

11XXXX

X0XXXX不变

0TXXXX

1XXXXX

10XXXXXXA=l.B=l.C=0

O+27V

Co

3-4步进电机伺服系统功率驱动

功率放大器又叫功率驱动器，由于脉冲分派器输出端A.B.C输出电流很小，如

CH250脉冲分派器输出电流大概为200-400uA,而步进电动机驱动电流较大，如

75BF001型步进电动机每相静态电流为3A,为了满足驱动规定，脉冲分派器输出脉冲需

经脉冲放大器（即功率放大器）后才干驱动步进电机，功率放大电路对步进电机性能影

响很大，驱动电路核心问题是如何提高步进电机迅速性和稳定性。在实际控制过程当中,

环形分派器输出信号很小，而步进电动机绕组电流又很大。因此需要进行功率放大。过

去采用单电压驱动电路，日后采用高低压驱动电路，当前则比较多采用了恒流斩波、调

频调压和细分驱动电路等形式驱动电路。

步进电机驱动方案比较。

1)单电压功率放大电路

图3-5单电压功率放大电路

图3-5为单电压功率放大器，图中A.B.C分别为步进电机，每项3一组放大器驱动。

放大器输入端与环形分派器相连，在没有信号输入时，3D4K和3DD15功率放大器均截止,

绕组无电流通过，当A相通电时，步进电机转动一步。当脉冲3加到A,B.C三个输入

端时，三组放大器分别驱动不同绕组，使电机运转。电路中与绕组并联二极管VD分别

起续流作用，即卜功放管截止时，使储存在绕组中能量通过二极管行程续流回路泄放，

从而保护功放管。其特点：电路构造简朴，但串联R2消耗能量减少放大功率；电感较

大使电路对脉冲反映较慢,输出波形差。重要用于转速规定不高小型步进电机控制。

2)高低电压功率放大电路

这种驱动电路供应步进电动机绕组电压有两种：一种是低电压U2,普通为12v或

24V；另一种是高电压U1,电压为80V以上。如图3-6(a)。在相序输入信号时，

VD.VT2.VT4同步导通，在VT2从截止到饱和期间，其集成电极电流，也就是脉冲变压

TI一次电流急剧增长，在变压器二次侧感生成一种电压，使VT3导通，80V高压经高压

管VT3加到绕组W上，使电流迅速上升，当VT2进入稳定状态后，T1一次侧电流暂时恒

定，无磁通量变化时，二次侧感电压为零，VT3截上。这时，12V低电压经VD：加到电

动机绕组W上并维持绕组中电流。其特点：仅在脉冲开始时接通高压电源，别的时间仅

接通低压电源供电。具各功能高、电流上升率高、高速运转性能好，但波形陡有时存在

过冲现象，谐波丰富，在低速运转时易产生振动。

图3-15(b)为采用单稳触发器构成高低压控制电路原理。当输入端为低电平时。

低压某些VM0S管VF2栅极为低电平，VF2截止。同步单稳态电路VF1不触发，Q端6脚

输出高电平，开关管VT1饱和导通，高压管VF2栅极为低电平，VF1截止，绕组无电流。

当输入端输入脉冲，VF2栅极为高电平，则低压管VF2导通。同步脉冲上升沿使4528单

稳态电路触发，Q端6脚输出低电平，这时开关管VT1截I匕高压管VF1导通。

(a)(b)

图3-6高低压功率放大电路

3)斩波驱动电路

由于双电压驱动电路存在着电流在高低压连接处浮现谷点，导致高频输出转矩在

谷点下降。斩波恒流放大电路是运用斩波办法使电流恒定在额定值附近，其电路原理图

和电流波形图如图2.6所示。环形分派器输出脉冲作为输入信号，若脉冲为正，则VT1

和VT2导通，电压U1加在电机绕组上使电流增长，当电流增大至额定电流以上时，采

样电阻上电压增高，使控制门输出反响信号，让VT1截止，绕组上电流由U2提供，电

流逐渐减少，取样电阻上电压减少，反馈回信号使控制门输出信号再一次反向，信号

经放大后促使VT1再次导通，如此循环往复，便在绕组上产生如图3-7所示波形，电流

在额定电流值上下波动，呈锯齿形，近似恒流因此叫做恒流斩波驱动电路。为了使励磁

绕组中电流维持在额定值附近，提高步进电动机转矩和效率，因此采用斩波驱动电路。

这种电路构造复杂，但它使步进电动机运营矩频特性、启动矩频特性和惯频特性均有

明显提高，使绕组中脉冲电流边沿陡，迅速响应好，且无外接电阻，因此功耗下降

诸多，提高了效率，还保证了在很大频率范畴内，步进电机都能输出恒定转矩。因此

斩波恒流放大电路广泛应用在规定较高控制系统中

控

制高压

门前•皆加大

雌片很机

压控制和功率放大，电压普通与频率图3-8调频调压功率放大器

呈线性关系，在抱负条件下，保持步进电动机力矩不变，电源电压将随着工作频率

升高而升高，随着工作频率下降而下降。

调频调压驱动可以减小低频振动，低速时绕组电流上升前沿应较平缓，这样才干使

转子在到达新稳定平衡位置时不产生过冲。而在高速时电流则应有较陡前沿，以产生

足够绕组电流，这样才干提高步进电机负载能力。这就规定驱动电源对绕组提供电压

与电动机运营频率建立直接联系，即低频时用较低电压供电，高频使用较高电压供

电，调频调压驱动方式可以较好地满足这一规定。

5）步进电机细分驱动技术

采用细分驱动电路目：整步运转或半步运转基本上，不变化步进电机构造，提高步

进电机运转、控制精度。

细分驱动电路基本工作原理：对每一控制脉冲，细分使其电流逐渐增长达到脉冲最

大电流，又逐渐减少达到脉冲最小电流，从而可实现高精度运转、控制、辨别，以及

提高步进精度。

把额定电流提成n个极分别进行通电，转子就会以n个通电极别所决定步数来完毕原

有一种步距角所转过角度，使本来每个脉冲走过一种步距角，变成了每个脉冲走

1/n个步距角，即把本来一种步距角细提成n份，从而提高了步进电机精度。三相步

进电动机线性细分后，本来一相一种大脉冲由当前n个阶梯脉冲替。

通过细分驱动可得到更小脉冲当量，因而提高了定位精度。基本上消除了步进电机低速振动问题,

使步进电机低速运转平稳，没有噪声。图3-9为多路功率开关细分电路工作原理：由基极开关电

压U1〜U5控制多路功率开关管VTdl〜VTd5通断，从而控制功放管VT导通电流大小，即步进

电机线圈绕组电流大小，实现对步进电机步进量细分。特点：功率开关管工作在开关状态，功耗

很低，但器件多、体积大。

3-5步进电机驱动方案选取

通过上述简介几种驱动方式相比斩波恒流驱动具备高频响应性能好输出转矩均匀

无共振现象等长处从而成为当今步进电机驱动重要方式。步进电机使用性能和它驱动电

源有着密切关系步进电机恒流斩波驱动技术从一定限度上解决了步进电机运营中某些

问题如电源效率低、电流波形差等。斩波恒流驱动弓路对步进电动机控制在成本、电路

构造、实用场合等方面综合条件尤为先进。

图3-10为步进电机驱动控制图，它由两某些构成第一某些是斩波恒流驱动电路

原理图，第二某些则是集成触发器型环形分派器电路原理图。

66

CH250B

CL

Jei.

j3rj»-Ue

14158

图3-10斩波恒流驱动电

当输入为脉冲为高电平时，信号分为两路，第一路通过非门U7,输出低电平,

光电开关正向导通，开始工作，触发电压使IGBT管Q2导通，另一路信号到与门U8

同比较器输出信号相与，输出高电平，经非门U2取反，输出低电平，光电开关U4

导通，触发电压使IGBT管Q1导通，电机绕组上电流逐渐增大，当电流增大到额定电

流以上时，采样电阻R7上电压增大，反馈电压增大，比较器输出低电平，经非门输

出高电平，光电开关U4停止工作，IGBTQ1截止，电机绕组由12V电源提供电流，电

流逐渐减小，当电流不大于额定值时，采样电阻反馈回电压减小，与非门输出低电

平，光电开关U4工作，IGBT管Q1接着工作，绕组电流又逐渐增大。当输入端脉冲

信号为低电平时，两只IGBT管都不导通。电压比较器TLC372是单通道比较器，该电

路克服了上一种电路在非0V恒定电压不能比较正弦波状况。电路图中使用三个电压

比较器，用于控制其中一种IGBT通断，TCL372可以满足驱动规定。

图使用三个与非门，用于对所给信号相与取反，实现对IGBT导通关断控制。光

电开关限流电阻选为330。，因光电二极管电流为10mA左右，压降为2V左右，电源

电压在5V时限流电阻R=(5V-2V)/0.01=300Q,选用330。电阻满足规定。二极管

D3起续流保护作用，IN5401最大可以承受正向电压为100V,电流3A,可以满足设计

规定，所串电阻可以使电流下降更快，让绕组后沿波形变陡，阻值越大，耗能越快,

选用1K电阻满足设计规定，采样电阻R7普通很小，为0.2Q左右。当前IGBT通断

驱动功率小，开关速度快，通态压减少，是一种高电压和大电流开关器件，本设计

中因电压较低，选用IRG4BC10U管子，它能承受4A电流和10KV电压，导通压降2.5V

左右，可以在保证开关频率同步简化电路。详细元器件如表3-2所示.

表3-2电路中元器件

元器件名型号数最参数

环形分派器CH25O1可分派双三拍，三相六拍

与门74LS683有0出0,全1出1

非门NOT6取反

光电开关OPTOCOUPLER-N6上拉电阻330欧姆，电压5V

PN

功率三极管IRG4BCI0U3承载电流4A、电压10KV,压降2V

二极管DIODE、1N54016正向压降100V,导通电流3A,压降2V

电压比较器TLC3273比较电压为。7V

3-6交流伺服系统

1)交流伺服电机概述。

18伏特创造电池，是电气浮现开端，电动机诞生和发展在这之后可以提成四个阶段:

从18始终到整个19世纪末叶，发现了电磁现象以及有关各种法则，诞生了交流电

机原型，并确立了电机工业运用。

从20世纪开始始终到1970年代，是电动机成长和成熟期，有刷直流电机、感应电

动机、同步电动机和步进电动机等各种电机相继诞生，半导体驱动技术和电子控制概念

引入，带来变频驱动实用化。

从1970年代到20世纪末期，计算技术奔腾发展为发展高性能驱动带来了机会，随

着设计、评价、测量、控制、功率半导体、轴承、磁性材料、绝缘材料、制造加工技术

不断进步，电动机本体经历了轻量化、小型化、高效化、高力矩输出、低噪音振动、高

可靠、低成本等一系列变革，相应驱动和控制装置也更加智能化和程序化。

进入21世纪，在以多媒体和互联网为特性信息时代，电动机和驱动装置继续发挥支撑

作用，向节约资源、环境和谐、高效节能运营方向发展。在20世纪60年代，最早是直

流电机作为重要执行部件，在70年代后来，交流伺服电机性价比不断提高，逐渐取代

直流电机成为伺服系统主导执行电机。控制器功能是完毕伺服系统闭环控制，涉及力

矩、速度和位置等。咱们普通说伺服驱动器已经涉及了控制器基本功能和功率放大某些。

虽然采用功率步进电机直接驱动开环伺服系统曾经在90年代所谓经济型数控领域获得

广泛使用，但是迅速被交流伺服所取代。进入21世纪，交流伺服系统越来越成熟，市

场呈现迅速多元化发展，国内外众多品牌进入市场竞争。当前交流伺服技术已成为工业

自动化支撑性技术之一。

在交流伺服系统中，电动机类型有永磁同步交流伺服电机(PMSM)和感应异步交流伺服

电机(IM),其中，永磁同步电机具备十分优良低速性能、可以实现弱磁高速控制，调

速范畴辽阔、动态特性和效率都很高，已经成为伺服系统主流之选。而异步伺服电机虽

然构造结实、制造简朴、价格低廉，但是在特性上和效率上存在差距，只在大功率场合

得到注重。随着电子电力等各项技术发展，特别是当代控制理论发展，在矢量控制算法

方面突破，本来始终困扰着交流电动机问题得以解决，交流伺服发展地越来越快。交流

伺服系统除了具备稳定性好、迅速性好、精度高特点外，与直流伺服电机系统相比有一

系列长处:交流电机不存在换向器圆周调速限制，也不存在电枢元件中电抗日势数值

限制，其转速限制可以设计得比相似功率直流电机高；调速范畴宽，当前大多数交流伺

服电机变速比可以达到1:5000,高性能伺服电机变速比已达1:10000以上。在数控机

床上应用交流电机普通都为三相交流伺服电机。交流伺服电机根据电机运营原理不同,

可分为永磁同步式、永磁直流无刷式、感应式、磁阻同步式交流伺服电机。永磁式同步

电机长处是构造简朴、运营可靠、效率高；缺陷是体积大、启动特性欠佳。但采用高剩

磁感应、高矫顽力稀土类磁铁材料后，电机在外形尺寸、质量及转子惯量方面都比直流

电机大幅减小。因此，在机床进给驱动系统采用永磁式同步电机，主轴驱动系统可采用

异步交流伺服电机【9】。

2）永磁式三相交流同步电机伺服系统。

永磁式同步型交流伺服电动机工作原理。交流伺服电动机转子是•种具备两个极永磁体（也可

以是多极）。如图3-11所示按照电动机学原理，当电动机定子三相绕组接通三相交流电源时，就会

产生旋转磁场（Ns,Ss）以同步转速ns逆时针方向旋转。依照两异性磁极相吸原理，定子磁极Ns（或

Ss）紧紧吸住转子，以同步转速ns在空间旋转，即转子和定子磁场同步旋转。当转子加上负载转矩

后，转子磁极轴线将落后定子磁场轴线•种0夹角。转子负载转矩增大时，定子磁极轴线与转子

磁极轴线间夹角0增大；当负载转矩减小时。角减小。但只要负载不超过一定限度，转子就始终

跟着定子旋转磁场同步转动，此时转子转速只决定于电源频率和电动机极对数，而与负载大小无

关。当负载转矩超过一定限度，电动机就会“丢步”，即不再按同步转速运营直至停转。这个最

大限度转矩称为最大同步转矩，因而，使用永磁式同步电动机时，负载转矩不能不不大于最大同

步转矩。

2）交流电动机调速原理图3-11永磁式伺服电机工作原理

由电动机学基本原理可知，交流电动机同步转n0为：

M_607.

P

式中fl——定子供电频率，单位Hz,P——电动机定子绕组磁极对数；从公式可

以看出：平滑变化定子供电电压频率fl而使转速平滑变化，这就是变频调速办法。这

是交流电动机一种抱负调速办法。电动机从高速到低速其转差率都很小，因而变频调速

效率和功率因数都很高。当前，数控机床重要采用变频调速等先进交流调速技术。

变频调速重要环节是为电机提供频率可变电源变频器。变频器可分为交一交变颐

和交一直-交变频两种。交-交变频，运用可控硅整流器直接将工频交流电变成频率较低

脉动交流电，正组输出E脉冲，反组输出负脉冲。这个脉动交流电基波就是所需变频电

压。但这种办法所得到交流电中波动比较大，并且最大频率即为变额器输入工频电压频

整流器逆变器

基

被频率就是所需变频电压。这种调频方式所得交流弓波动小，调频范畴比较宽，调节线

性好。数控机床上常采用交一直一交变频调速。在交一直一交变频中，依照中间直流电

压与否可调，可分为中间直流电压可调PWM逆变器和中间直流电压固定PWM逆变器；中

间直流电路上储能元件是大电容还是大电感，可分为电压型逆变器和电流型逆变器。在

此以交一直一交型电压变频器为例阐明变频工作原理［10］。

正弦脉宽调制（SPWM）变压变频器构成如图3-12所示；

图3-12正弦脉宽变频器主电路图构成

二极管整流器，用于交一直变换；脉宽调制逆变器，用于直-交变换、同步完毕调频

和调压任务。续流二极管D1~D6,为负载滞后电流提供一条反馈到电源通路，逆变管Tl~

T6构成逆变桥，A.B.C为逆变桥输出端。电容用于滤平全波整流后电压波纹；并在负载

变化时，使直流电压保持平稳。交流电机变频调速系统中核心部件之一就是逆变器，由

于调速规定，逆变器必要具备频率持续可调、以及输出电压持续可调，并与频率保持一

定比例关系等功能。

变频器基本概念。1964年德国人率先提出脉宽调制变频思想，把通讯系统中调制技

术应用于交流变频器。调制办法诸多，当前用得最多是正弦脉宽调制。为了使变压变频

器输出交流电压波形近似为正弦波，使电动机输出转矩平稳，从而获得先进工作性能,

当代通用变压变频潜中逆变器都是由全控型电力电子开关器件构成，采用脉宽调制控

制，只有在全控器件尚未能及特大容量时才采用晶闸管变频器。尚有空间电压矢量PWM、

最优团阳、预测PWM、随机PWM、规则采样数字化PWM等等。SPWM交一直-交变压变频

器原理框图如图4-2所示。整流器固定电压不可控整流器，常采用六个二级管桥式整流

器构造将交流变为直流，电压幅值不变。为逆变器供电［11］。逆变器由六个功率开关

器件构成，常采用大功型晶体管。其控制极（大功率晶体管GTR为基极）输入由基准

正弦波（由速度指令转化过来）和三角波叠加出来SPWM调制波（等幅、不等宽矩形脉

冲波），使这些大功率晶体管按一定规律导通、截止，输出一系列功率级等效于正弦

交流电可变频变压等幅、不等宽矩形脉冲电压波，即功率级SPWM电压，使电机转动。

逆变器功率开关器件还可采用：可关断晶闸管GTO、功率场效应晶体管MOSFET、绝缘门

极晶体管1GBT等。

3）正弦脉宽调制原理（以单相为例）

正弦脉宽调制（SPWM）波形：与正弦波等效一系列等幅不等宽矩形脉冲波，等效原理:

把正弦半波提成n等分，每一区间面积用与其相等等幅不等宽矩形面积代替。则矩形

脉冲所构成波形就与正弦波等效。正弦正负半周均如此解决。在正弦脉宽调制办法中,

运用正弦波作调制波受它调制信号称为载波惯用等腰三角波作载波。采用模仿电路产生

SPWM办法，就是用一种正弦波发生器产生可以调频调幅正弦波信号（调制波），用三角

波发生器生成幅值恒定三角波信号（载波），将它们在电压比较器中进行比较，输出

SPWM调制广析：三角波电压和

正弦波电时，电压比较器输

出高电平W之间距离决定，两

者交点随I幅值相等而脉冲宽

度不等SI

U。

图3-13方波产生原理图

图3-14正弦波一三角波调制

其SPWMF发生港详细电路如图375所示。

图3-15SPWM发生器电路图

4）交流伺服电机驱动控制

电路原理及输出线电压波形如图3-16所示。图中GRT为六只大功率晶体管，固然,

也可以采用其他功率器件。大功率晶体管各有一种与之反并联续流二极管。来自控制电

路SPW波形作为大功率晶体管基极控制电压，加在各功率管基极上。在电路图中，按

相序规定和频率规定协调控制三路正弦波信号，与等腰三角波发生器来载波信号一同

送入电压比较器，产生三路SPWM波形，经反相电路后，可得到六路SPWM信号，加在

VI〜V6六只功率晶体管基极，作为驱动控制信号。当逆变潜工作于双极性工作方式时,

变化调制波频率、幅值，就可变化最后输出：

只要正弦控制波最大值低于三角波幅值，比较器输出U0就为等幅不等宽SPWM脉宽调制

波。三和SPWM调制时，三角波共用，每相均有一种输入正弦信号和SPWM调制器其输出

调制波分别为UA、UB、UCo输入三相正弦信号相位相差120。，其幅值和频率是可调。

从而可变化输出等效正弦波，以达到控制目。

SPWM调制波经功率放大才干驱动电机。在双极性SPWM变频器功率放大主回路中，

左侧桥式整流器将工频交流电变成直流恒值电压，给图中右侧逆变器供电。等效正弦脉

宽调制波UA、UB、UC送入GRT基极，则逆变器输出脉宽按正弦规律变化等效矩形电压

波，通过滤波变成正弦交流电用来驱动交流伺服电机。

P.B.U.

图3-16永磁同步型伺服电机控制框图

图中,CONV为整流器；SM为同步电机；P.B.U为再生电力吸取图；I