数控技术第6章

1、2021-10-31 数控伺服系统数控伺服系统2021-10-31 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转运动。伺服系统是数控装置( (计算机计算机) )和机床的联系和机床的联系环节，是数控机床的重要组成部分。环节，是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

2、构或伺服单元。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，该系统包括了大量的电力电子器件，结构复杂，综合性强综合性强。2021-10-31 进给伺服系统是数控系统主要的子系统。如果说进给伺服系统是数控系统主要的子系统。如果说C装置是数控系统的装置是数控系统的“大脑大脑”，是发布，是发布“命令命令”的的“指挥所指挥所”，那么进给伺服系统则是数控系统的，那么进给伺服系统则是数控系统的“四肢四肢”，是一种，是一种“执行机构执行机构”。它忠实地执行由。它忠实地执行由CNC装置发来的运动命令，精确控制执行部件的运装置发来的运动命令，精确控制执行部件的运动方向，进给速度与位移量。动

3、方向，进给速度与位移量。2021-10-31 组成：组成：伺服电机伺服电机 驱动信号控制转换电路驱动信号控制转换电路 电子电力驱动放大模块电子电力驱动放大模块 位置调节单元位置调节单元 速度调节单元速度调节单元 电流调节单元电流调节单元 检测装置检测装置一般闭环系统为三环结构一般闭环系统为三环结构：位置环、速度环、电流环。：位置环、速度环、电流环。2021-10-31 位置调解位置调解速度调解速度调解电流调解电流调解转换驱动转换驱动工作台工作台电流反馈电流反馈速度反馈速度反馈位置反馈位置反馈MG 位置、速度和电流环均由：位置、速度和电流环均由：调节控制模块调节控制模块、检测检测和和反馈反馈部分

4、组成。电力电子驱动装置由部分组成。电力电子驱动装置由驱动信号产生电路驱动信号产生电路和和功率功率放大器放大器组成。组成。 严格来说：位置控制包括位置、速度和电流控制；速度严格来说：位置控制包括位置、速度和电流控制；速度控制包括速度和电流控制。控制包括速度和电流控制。2021-10-311 1精度高精度高 伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程 度。包括定位精度和轮廓加工精度。度。包括定位精度和轮廓加工精度。2 2稳定性好稳定性好 稳定是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在稳定是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在 短暂的调节过程后，达到新的

5、或者恢复到原来的平衡状态。直接短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。直接 影响数控加工的精度和表面粗糙度。影响数控加工的精度和表面粗糙度。3 3快速响应快速响应 快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。了系统的跟踪精度。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高转速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。和最低转速之比。0 024m / min24m / min。5 5低速大转矩低速大转矩 进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制，在整个速度进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制，

6、在整个速度 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恒转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恒转 矩控制，能提供较大转矩。在高速时为恒功率控制，具有足够大矩控制，能提供较大转矩。在高速时为恒功率控制，具有足够大 的输出功率。的输出功率。2021-10-31对伺服电机的要求：对伺服电机的要求：（1）调运范围宽且有良好的稳定性，低速时的速度平稳性）调运范围宽且有良好的稳定性，低速时的速度平稳性（2 2）电机应具有大的、较长时间的过载能力，以满足低速电机应具有大的、较长时间的过载能力，以满足低速 大转矩的要求。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

7、、较大的反应速度快，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的加速度转矩、尽可能小的机电时间常数和很大的加速度 (400rad / s(400rad / 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。 2021-10-31 1 1按调节理论分类按调节理论分类（1 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）半闭环伺服系统指令指令驱动电路驱动电路步进电机步进电机工作台工作台脉冲脉冲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

8、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2021-10-31n开环数控系统开环数控系统w没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置没有位置测量装置，信号流是单向的（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相、相、B相相C相、相、f、nCNC插补指令插补指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率功率放大放大2021-10-31n无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其精无位置反馈，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动机构的性度主要取

9、决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度。能和精度。n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。n这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求维修简单、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得到广泛应用。一般不高、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。用于经济型数控机床。2021-10-31n 半闭环数控系统半闭环数控系统w半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置(常常用伺服电机用伺服电机)

10、或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直或丝杠引出，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。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2021-10-31w半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此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，其系统的稳定性虽不如开环系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

11、闭环要好。统，但比闭环要好。w由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除。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，因而仍可获得满意的精度。差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。w半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在现代而在现代CNC机床中得到了广泛应用。机床中得到了广泛应用。2021-10-31n 全闭环数控系统全闭环数控系统w全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直接对全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示

12、，直接对运动部件的实际位置进行检测。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2021-10-31w从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。隙和失动量。具有很高的位置控制精度。 w由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和

13、间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。环系统的设计、安装和调试都相当困难。w该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超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机床等。精磨床以及较大型的数控机床等。2021-10-312 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 电液脉冲马达和电液伺服马达。电液脉冲马达和电液伺服马达。 优点：在低速下可以得到很高的输出力矩，刚性好，时间常优点：在低速下可以得到很高的输出力矩，刚性好，时间常 数小、反

14、应快和速度平稳。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、漏油。缺点：液压系统需要供油系统，体积大。噪声、漏油。（2）电气伺服系统）电气伺服系统 伺服电机（伺服电机（步进电机步进电机、直流电机和交流电机）、直流电机和交流电机） 优点：操作维护方便，可靠性高。优点：操作维护方便，可靠性高。 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。服电机。优点：调速性能好。缺点：有电刷，速度不高。优点：

15、调速性能好。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交流感应异步伺服电机（一般用于主轴伺服系 统）统） 和永磁同步伺服电机（一般用于进给伺服系统）。和永磁同步伺服电机（一般用于进给伺服系统）。 优点：结构简单、不需维护、适合于在恶劣环境下工作。动优点：结构简单、不需维护、适合于在恶劣环境下工作。动 态响态响 应好、转速高和容量大。应好、转速高和容量大。2021-10-313 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 指一般概念的位置伺服系统，包指一般概念的位置伺服系统，包 括速度控制环和位置控制环。括速度控制环和

16、位置控制环。 （2）主轴伺服系统）主轴伺服系统 只是一个速度控制系统。只是一个速度控制系统。 C 轴控制功能。轴控制功能。4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2021-10-31 伺服电动机伺服电动机为数控伺服系统的重要组成部分，是速为数控伺服系统的重要组成部分，是速 度和轨迹控制的执行元件。度和轨迹控制的执行元件。 数控机床中常用的伺服电机数控机床中常用的伺服电机： 直流伺服电机（调速性能良好）直流伺服电机（

17、调速性能良好） 交流伺服电机（主要使用的电机）交流伺服电机（主要使用的电机） 步进电机（适于轻载、负荷变动不大）步进电机（适于轻载、负荷变动不大） 直线电机（高速、高精度）直线电机（高速、高精度） 2021-10-31 常用的直流电动机有：永磁式直流电机（有槽、无槽、杯型、常用的直流电动机有：永磁式直流电机（有槽、无槽、杯型、 印刷绕组）印刷绕组） 励磁式直流电机励磁式直流电机 混合式直流电机混合式直流电机 无刷直流电机无刷直流电机 直流力矩电机直流力矩电机 直流进给伺服系统：直流进给伺服系统： 永磁式直流电机类型中的永磁式直流电机类型中的有槽电枢永磁直有槽电枢永磁直 流电机（普通型）流电机（

18、普通型）； 直流主轴伺服系统：直流主轴伺服系统： 励磁式直流电机类型中的励磁式直流电机类型中的他激直流电机他激直流电机。 2021-10-31极靴极靴机壳机壳瓦状永磁材料（定子）瓦状永磁材料（定子）电枢（转子）电枢（转子）换向极换向极主磁极主磁极定子定子转子转子线圈线圈图图6.5永磁直流伺服电机的结构永磁直流伺服电机的结构 图图6.6直流主轴电机结构示意图直流主轴电机结构示意图 2021-10-31 静态特性静态特性 电磁转矩由下式表示电磁转矩由下式表示: （6.16.1） K KT T 转矩常数；转矩常数； 磁场磁通；磁场磁通；I Ia a 电枢电流；电枢电流；T TM M 电磁电磁 转矩。

19、电枢回路的电压平衡方程式为转矩。电枢回路的电压平衡方程式为: （6.26.2） U Ua a 电枢上的外加电压；电枢上的外加电压；R Ra a 电枢电阻；电枢电阻；E Ea a 电枢反电势。电枢反电势。 电枢反电势与转速之间有以下关系：电枢反电势与转速之间有以下关系： （6.36.3） K Ke e电势常数；电势常数；电机转速（角速度）。电机转速（角速度）。 根据以上各式可以求得：根据以上各式可以求得： （6.46.4）aTMIKT aaaaERIU eaKE M2TeaeaTKKRKU 2021-10-31 当负载转矩为零时：当负载转矩为零时： 理想空载转速理想空载转速 （6.56.5） 当

20、转速为零时：当转速为零时： 启动转矩启动转矩 ( 6.66.6） 当电机带动某一负载当电机带动某一负载T TL L时时 电机转速与理想空载转速的差电机转速与理想空载转速的差 （6.76.7） ea0KU TgasKRUT L2TeaTKKR O 图图6.76.7 直流电机的机械特性直流电机的机械特性（n n） O OO O TS T TL 2021-10-31 动态特性动态特性直流电机的动态力矩平衡方程式为直流电机的动态力矩平衡方程式为 （6.86.8） 式中式中 T TM M 电机电磁转矩；电机电磁转矩； T TL L 折算到电机轴上的负载转矩；折算到电机轴上的负载转矩； 电机转子角速度；电

21、机转子角速度； J J 电机转子上总转动惯量；电机转子上总转动惯量； t t 时间自变量。时间自变量。 dtdJTTLM 2021-10-31 (1) (1) 永磁直流伺服电机的性能特点永磁直流伺服电机的性能特点 1) 1) 低转速大惯量低转速大惯量 2) 2) 转矩大转矩大 3) 3) 起动力矩大起动力矩大 4) 4) 调速泛围调速泛围大，低速运行平稳，力矩波动小大，低速运行平稳，力矩波动小 (2) (2) 永磁直流伺服电机性能用特性曲线和数据表描述永磁直流伺服电机性能用特性曲线和数据表描述 1) 1) 转矩转矩- -速度特性曲线速度特性曲线（工作曲线）工作曲线） 2) 2) 负载负载- -

22、工作周期曲线工作周期曲线 过载倍数过载倍数T Tmdmd，负载工作周期比，负载工作周期比 d。 3) 3) 数据表：数据表：N、T、时间常数、转动惯量等等。时间常数、转动惯量等等。 2021-10-31 d% 80 110% 120% 60 130% 140% 40 160% d 180% 20 200% 0 1 3 tR 6 10 30 60 100 tR(min) 图图69负载负载-工作周期曲线工作周期曲线M/（N-cm） 转矩极限转矩极限 12000 10000 瞬时换向极限瞬时换向极限 8000 6000 换向极限换向极限 速度极限速度极限 4000 温度极限温度极限 2000 0 5

23、00 1000 1500 n 图图6 68 8永磁直流伺服电机工作曲线永磁直流伺服电机工作曲线 区为连续工作区；区为连续工作区； 区为断续工作区，由负区为断续工作区，由负载载- -工作周期曲线决定工作时间；工作周期曲线决定工作时间；区为瞬时加区为瞬时加减速减速区区2021-10-31 O nj nmax nP,T1 2图图6. .10 直流主轴电机特性曲线直流主轴电机特性曲线 1-1-转矩特性曲线转矩特性曲线 2-2-功率特性曲线功率特性曲线2021-10-31直流伺服电机的缺点：直流伺服电机的缺点： 它的电刷和换向器易磨损；它的电刷和换向器易磨损； 电机最高转速的限制，应用环境的限制；电机最

24、高转速的限制，应用环境的限制； 结构复杂，制造困难，成本高。结构复杂，制造困难，成本高。交流伺服电机的优点：交流伺服电机的优点： 动态响应好；动态响应好； 输出功率大、电压和转速提高输出功率大、电压和转速提高交流伺服电机形式：交流伺服电机形式： 同步型交流伺服电机和同步型交流伺服电机和 异步型交流感应伺服电机异步型交流感应伺服电机。 VSVS2021-10-31交流同步伺服电机的种类：交流同步伺服电机的种类： 励磁式、永磁式、磁阻式和磁滞式励磁式、永磁式、磁阻式和磁滞式 （1 1）永磁交流同步伺服电机的结构）永磁交流同步伺服电机的结构 VSVS定定子转子转子 脉冲编码器脉冲编码器定子三相绕组定

25、子三相绕组 接线盒接线盒图图611 永磁交流同步伺服电机结构永磁交流同步伺服电机结构 2021-10-31 2021-10-31 （2 2）永磁交流同步伺服电机工作原理和性能）永磁交流同步伺服电机工作原理和性能 n（r/min） VSNns nr S 图图61 12 工作原理工作原理 图图61 13 特性曲线特性曲线T（N-cm） 120001000080006000400020000100020003000 2021-10-31交流主轴电机的要求交流主轴电机的要求：大功率大功率低速恒转矩、高速恒功率低速恒转矩、高速恒功率 鼠笼式交流异步伺服电机鼠笼式交流异步伺服电机图图6 61414交流主轴

26、电机与普通交流交流主轴电机与普通交流 异步感应电机的比较图示意图异步感应电机的比较图示意图 图图6 615 15 交流主轴伺服电机的特性曲线交流主轴伺服电机的特性曲线 交流主轴电机交流主轴电机 普通交流普通交流 异步感应电机异步感应电机 通风孔通风孔 P（KW） 8 6 4 2 02000 4000 6000 8000 12000 n（r/min） 2021-10-31 （1 1）永磁交流同步伺服电机的发展）永磁交流同步伺服电机的发展 新永磁材料的应用新永磁材料的应用 钕铁硼钕铁硼 永久磁铁的结构改革永久磁铁的结构改革 内装永磁交流同步伺服电机内装永磁交流同步伺服电机 与机床部件一体化的电机与

27、机床部件一体化的电机 空心轴永磁交流同步伺服电机空心轴永磁交流同步伺服电机（2 2）交流主轴伺服电机的发展）交流主轴伺服电机的发展 输出转换型交流主轴电机输出转换型交流主轴电机 三角三角- -星形切换，绕组数切换或二者组合切换。星形切换，绕组数切换或二者组合切换。 液体冷却电机液体冷却电机 内装式主轴电机内装式主轴电机2021-10-316.2.2 步进电机及其驱动装置 一、步进电机工作原理 步进电机伺服系统是典型的开环控制系步进电机伺服系统是典型的开环控制系统，在此系统中，步进电机受驱动线路控制，统，在此系统中，步进电机受驱动线路控制，将进给脉冲序列转换成为具有一定方向、大小将进给脉冲序列转

28、换成为具有一定方向、大小和速度的机械转角位移，并通过齿轮和丝杠带和速度的机械转角位移，并通过齿轮和丝杠带动工作台移动。进给脉冲的频率代表了驱动速动工作台移动。进给脉冲的频率代表了驱动速度，脉冲的数量代表了位移量，而运动方向是度，脉冲的数量代表了位移量，而运动方向是由步进电机的各相通电顺序来决定，并且保持由步进电机的各相通电顺序来决定，并且保持电机各相通电状态就能使电机自锁。但由于该电机各相通电状态就能使电机自锁。但由于该系统没有反馈检测环节，其精度主要由步进电系统没有反馈检测环节，其精度主要由步进电机来决定，速度也受到步进电机性能的限制。机来决定，速度也受到步进电机性能的限制。 2021-10

29、-31 步进电机在结构上分为定子和转子两部分，现以图步进电机在结构上分为定子和转子两部分，现以图6.16所示的反应式三相步进电机为例加以说明。定子所示的反应式三相步进电机为例加以说明。定子上有六个磁极，每个磁极上绕有励磁绕组，每相对的上有六个磁极，每个磁极上绕有励磁绕组，每相对的两个磁极组成一相，分成两个磁极组成一相，分成A、B、C三相。转子无绕组，三相。转子无绕组，它是由带齿的铁心做成的。步进电机是按电磁吸引的它是由带齿的铁心做成的。步进电机是按电磁吸引的原理进行工作的。当定子绕组按顺序轮流通电时，原理进行工作的。当定子绕组按顺序轮流通电时，A、B、C三对磁极就依次产生磁场，并每次对转子的某

30、一三对磁极就依次产生磁场，并每次对转子的某一对齿产生电磁引力，将其吸引过来，而使转子一步步对齿产生电磁引力，将其吸引过来，而使转子一步步转动。每当转子某一对齿的中心线与定子磁极中心线转动。每当转子某一对齿的中心线与定子磁极中心线对齐时，磁阻最小，转矩为零。如果控制线路不停地对齐时，磁阻最小，转矩为零。如果控制线路不停地按一定方向切换定子绕组各相电流，转子便按一定方按一定方向切换定子绕组各相电流，转子便按一定方向不停地转动。步进电机每次转过的角度称为步距角。向不停地转动。步进电机每次转过的角度称为步距角。2021-10-31 图图6.16三相反应式步进电机结构三相反应式步进电机结构 A A B

31、B C C 定子 转子 绕组 2021-10-31 为进一步了解步进电机的工作原理，以图为进一步了解步进电机的工作原理，以图4-5为例来说明其转为例来说明其转动的整个过程，假设转子上有四个齿，相邻两齿间夹角（齿距角）动的整个过程，假设转子上有四个齿，相邻两齿间夹角（齿距角）为为900。当。当A相通电时，转子相通电时，转子1、3齿被磁极齿被磁极A产生的电磁引力吸引产生的电磁引力吸引过去，使过去，使1、3齿与齿与A相磁极对齐。接着相磁极对齐。接着B相通电，相通电，A相断电，磁极相断电，磁极B又把距它最近的一对齿又把距它最近的一对齿2、4吸引过来，使转子按逆时针方向转吸引过来，使转子按逆时针方向转动

32、动30o。然后。然后C相通电，相通电，B相断电，转子又逆时针旋转相断电，转子又逆时针旋转30o，依次，依次类推，定子按类推，定子按ABCA顺序通电，转子就一步步地按逆时针顺序通电，转子就一步步地按逆时针方向转动，每步转方向转动，每步转30o。若改变通电顺序，按。若改变通电顺序，按ACBA使定子使定子绕组通电，步进电机就按顺时针方向转动，同样每步转绕组通电，步进电机就按顺时针方向转动，同样每步转30o。这。这种控制方式叫三相单三拍方式，种控制方式叫三相单三拍方式，“单单”是指每次只有一相绕组通是指每次只有一相绕组通电，电，“三拍三拍”是指每三次换接为一个循环。由于每次只有一相绕是指每三次换接为一

33、个循环。由于每次只有一相绕组通电，在切换瞬间将失去自锁转矩，容易失步，另外，只有一组通电，在切换瞬间将失去自锁转矩，容易失步，另外，只有一相绕组通电，易在平衡位置附近产生振荡，稳定性不佳，故实际相绕组通电，易在平衡位置附近产生振荡，稳定性不佳，故实际应用中不采用单三拍工作方式。应用中不采用单三拍工作方式。2021-10-31 采用三相双三拍控制方式，即通电顺序按采用三相双三拍控制方式，即通电顺序按ABBCCAAB（逆时针方向）或（逆时针方向）或ACCBBAAC（顺时针方向）进行，其步（顺时针方向）进行，其步距角仍为距角仍为300。由于双三拍控制每次有二相绕组通电，而且切换。由于双三拍控制每次有

34、二相绕组通电，而且切换时 总 保 持 一 相 绕 组 通 电 ， 所 以 工 作 比 较 稳 定 。 如 果 按时 总 保 持 一 相 绕 组 通 电 ， 所 以 工 作 比 较 稳 定 。 如 果 按AABBBCCCAA顺序通电，即首先顺序通电，即首先A相通电，然后相通电，然后A相不断电，相不断电，B相再通电，即相再通电，即A、B两相同时通电，接着两相同时通电，接着A相断电而相断电而B相保持通电状态，然后再使相保持通电状态，然后再使B、C两相通电，依次类推，每切换两相通电，依次类推，每切换一 次 ， 步 进 电 机 逆 时 针 转 过一 次 ， 步 进 电 机 逆 时 针 转 过 1 5 。

35、 如 通 电 顺 序 改 为。 如 通 电 顺 序 改 为AACCCBBBAA，则步进电机以步距角，则步进电机以步距角15顺时针顺时针旋转。这种控制方式为三相六拍，它比三相三拍控制方式步距角旋转。这种控制方式为三相六拍，它比三相三拍控制方式步距角小一半，因而精度更高，且转换过程中始终保证有一个绕组通电，小一半，因而精度更高，且转换过程中始终保证有一个绕组通电，工作稳定，因此这种方式被大量采用。工作稳定，因此这种方式被大量采用。 实际应用的步进电机如图所示，转子铁心和定子磁极上均有齿实际应用的步进电机如图所示，转子铁心和定子磁极上均有齿距相等的小齿，且齿数要有一定比例的配合。距相等的小齿，且齿数

36、要有一定比例的配合。 2021-10-31 图图4-5 步进电机工作原理步进电机工作原理AABBCCAABBCCAABBCC1112223333444逆时针转300逆时针转300逆时针转3002021-10-31二、步进电机的主要性能指标 1. 步距角和步距误差步距角和步距误差 步距角和步进电机的相数、通电方式及电机转子齿数的关系如步距角和步进电机的相数、通电方式及电机转子齿数的关系如下：下： 式中式中 步进电机的步距角；步进电机的步距角；m电机相数；电机相数； Z转子齿数；转子齿数；K系数，相邻两次通电相数相同，系数，相邻两次通电相数相同，K1； 相邻两次通电相数不同，相邻两次通电相数不同，

37、K2。 同一相数的步进电机可有两种步距角，通常为同一相数的步进电机可有两种步距角，通常为1.2/0.6、1.5/0.75、1.8/0.9、3/1.5度等。步距误差是指步进电机运行度等。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，上述步距误差的累积值称为步距的累积误差。由于步进干步时，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，将重复上一转的稳定位置，即步进电机的步距电机转过一转后，将重复上一转的稳定位置，即步进电机的步距累积误差将以一转为周期重复出现。累积误差将以一转为周期重

38、复出现。KmZ3602021-10-31 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，转子齿将力当步进电机上某相定子绕组通电之后，转子齿将力求与定子齿对齐，使磁路中的磁阻最小，转子处在平求与定子齿对齐，使磁路中的磁阻最小，转子处在平衡位置不动（衡位置不动（0）。如果在电机轴上外加一个负载）。如果在电机轴上外加一个负载转矩转矩Mz，转子会偏离平衡位置向负载转矩方向转过一，转子会偏离平衡位置向负载转矩方向转过一个角度个角度，角度，角度称为失调角。有失调角之后，步进电称为失调角。有失调角之后，步进电机就产生一个静态转矩（也称为电磁转矩），这时静机就产生一个静态转矩（

39、也称为电磁转矩），这时静态转矩等于负载转矩。静态转矩与失调角态转矩等于负载转矩。静态转矩与失调角的关系叫矩的关系叫矩角特性，如图角特性，如图4-6所示，近似为正弦曲线。该矩角特所示，近似为正弦曲线。该矩角特性上的静态转矩最大值称为最大静转矩。在静态稳定性上的静态转矩最大值称为最大静转矩。在静态稳定区内，当外加负载转矩除去时，转子在电磁转矩作用区内，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（下，仍能回到稳定平衡点位置（0）。）。2021-10-31 图图6.17 静态矩角特性静态矩角特性 O Mjmax M 静态稳定区 - -/2 /2 2021-10-31 3. 最大

40、启动转矩最大启动转矩 图图6.18为三相单三拍矩角特性曲线，图中的为三相单三拍矩角特性曲线，图中的A、B分分别是相邻别是相邻A相和相和B相的静态矩角特性曲线，它们的交点相的静态矩角特性曲线，它们的交点所对应的转矩是步进电机的最大启动转矩。如果外加所对应的转矩是步进电机的最大启动转矩。如果外加负载转矩大于，电机就不能启动。如图负载转矩大于，电机就不能启动。如图4-7所示所示,当当A相通电时，若外加负载转矩，对应的失调角为，当励相通电时，若外加负载转矩，对应的失调角为，当励磁电流由磁电流由A相切换到相切换到B相时，对应角，相时，对应角，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

41、动负载做步进运动，因而启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矩。转矩是电机能带动负载转动的极限转矩。2021-10-31A B C图6.18 步进电机的启动转矩2021-10-31 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，并进入不空载时，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，称为启动频率或突跳频失步的正常运行的最高频率，称为启动频率或突跳频率，加给步进电机的指令脉冲频率如大于启动频率，率，加给步进电机的指令脉冲频率如大于启动频率，就不能正常工作。步进电机在带负载（尤其是惯性负就不能正常工作。步进电机在带负载（尤其是惯

42、性负载）下的启动频率比空载要低。而且，随着负载加大载）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），启动频率会进一步降低。（在允许范围内），启动频率会进一步降低。 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脉冲频率步进电机起动后，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，称为连续运行频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，它也随着电机所带负载的率。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，与驱动电源也有很大关系。性质和大小而异，与驱动电源也有很大关系。 2021-10-31 4. 矩频特性

43、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输出转矩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（见图与连续运行频率之间的关系（见图6.19），该特性上），该特性上每一个频率对应的转矩称为动态转矩。当步进电机正每一个频率对应的转矩称为动态转矩。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逐渐下降。在使用时，一定要考虑动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连续运行频率的上升而下降的特点。态转矩随连续运行频率的上升而下降的特点。 M f 图图6.19 矩频特性矩

44、频特性2021-10-311.直线进给系统it360min/60mmfv12ZZi 2021-10-312.圆周进给系统wkZZZZ21min/ )(600fv 2021-10-31 四 步进电机功率驱动 步进电机驱动线路完成由弱电到强电的转换和放大，步进电机驱动线路完成由弱电到强电的转换和放大，也就是将逻辑电平信号变换成电机绕组所需的具有一也就是将逻辑电平信号变换成电机绕组所需的具有一定功率的电流脉冲信号。驱动控制电路由环形分配器定功率的电流脉冲信号。驱动控制电路由环形分配器和功率放大器组成。环形分配器是用于控制步进电机和功率放大器组成。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

45、控装置送来的一系列指的通电方式的，其作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按照一定的顺序和分配方式加到功率放大器上，令脉冲按照一定的顺序和分配方式加到功率放大器上，控制各相绕组的通电、断电。环形分配器功能可由硬控制各相绕组的通电、断电。环形分配器功能可由硬件或软件产生，硬件环形分配器是根据步进电机的相件或软件产生，硬件环形分配器是根据步进电机的相数和控制方式设计的，数控机床上常用三相、四相、数和控制方式设计的，数控机床上常用三相、四相、五相及六相步进电机。现介绍三相六拍步进电机环形五相及六相步进电机。现介绍三相六拍步进电机环形分配器的工作原理。分配器的工作原理。2021-10-31 硬件环形分配

46、器是根据真值表或逻辑关系式采用逻辑门电路和硬件环形分配器是根据真值表或逻辑关系式采用逻辑门电路和触发器来实现，如图触发器来实现，如图6.20所示，该线路由与非门和所示，该线路由与非门和JK触发器触发器组成。指令脉冲加到三个触发器的时钟输入端组成。指令脉冲加到三个触发器的时钟输入端CP，旋转方向由正、，旋转方向由正、反控制端的状态决定。若反控制端的状态决定。若“1”表示通电，表示通电，“0”表示断电，对于三表示断电，对于三相六拍步进电机正向旋转，正向控制端状态置相六拍步进电机正向旋转，正向控制端状态置“1”，反向控制端，反向控制端状态置状态置“0”。初始时，在预置端加上预置脉冲，将三个触发器置。

47、初始时，在预置端加上预置脉冲，将三个触发器置为为100状态状态 。当在。当在CP端送入一个脉冲时，环形分配器就由端送入一个脉冲时，环形分配器就由100状态变为状态变为110状态，随着指令脉冲的不断到来，各相通电状态不状态，随着指令脉冲的不断到来，各相通电状态不断变化，按照断变化，按照 100110010011001101 即正向控制为即正向控制为“1”时：时： AABBBCCCA次序通电。步次序通电。步进电机反转时，由反向控制信号进电机反转时，由反向控制信号“0”状态控制，通电次序为状态控制，通电次序为ACACCBBBAA。2021-10-31图6.20三相六拍环形分配器2021-10-31

48、软件环形分配器实现较为简单、方便。计算机控制软件环形分配器实现较为简单、方便。计算机控制的步进电机驱动系统中，使用软件实现脉冲分配，常的步进电机驱动系统中，使用软件实现脉冲分配，常用的是查表法。例如对于三相六拍环形分配器，每当用的是查表法。例如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表接收到一个进给脉冲指令，环形分配器软件根据表4-1所示真值表，按顺序及方向控制输出接口将所示真值表，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出接口输出的A、B、C的值是的值是100，则

49、对于下一个正，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向进给脉冲指令，控制输出接口输出的值是110，再，再下一个正向进给脉冲，应是下一个正向进给脉冲，应是010，而使步进电机正向，而使步进电机正向地旋转起来。地旋转起来。2021-10-31 三相六拍环形分配器真值表三相六拍环形分配器真值表 序 号 A B C 方 向 1 1 0 0 2 1 1 0 3 0 1 0 4 0 1 1 5 0 0 1 6 1 0 1 反 转 正 转 2021-10-31 功率放大器的作用是将环形分配器发出的电平信号放大至几安功率放大器的作用是将环形分配器发出的电平信号放大至几安培到几十安培的电流送至步进

50、电机各绕组，每一相绕组分别有一培到几十安培的电流送至步进电机各绕组，每一相绕组分别有一组功率放大电路。以下介绍三种典型的驱动电路：单电压简单驱组功率放大电路。以下介绍三种典型的驱动电路：单电压简单驱动、高低压驱动和恒流斩波驱动。图动、高低压驱动和恒流斩波驱动。图6.21为单电压功放电路为单电压功放电路，L为步进电机励磁绕组的电感，为步进电机励磁绕组的电感，Ra为绕组电阻，为绕组电阻，Rc为外接电阻，电为外接电阻，电阻阻Rc并联一电容并联一电容C，可以提高负载瞬间电流的上升率，从而提高，可以提高负载瞬间电流的上升率，从而提高电动机快速响应能力和启动性能。环形分配器输出为高电平时，电动机快速响应能

51、力和启动性能。环形分配器输出为高电平时，T 饱 和 导 通 ， 绕 组 电 流 按 指 数 曲 线 上 升 ， 电 路 时 间 常 数饱 和 导 通 ， 绕 组 电 流 按 指 数 曲 线 上 升 ， 电 路 时 间 常 数=L/(Ra+Rc)，它表示功放电路在导通时允许步进电机绕组电流，它表示功放电路在导通时允许步进电机绕组电流上升的速率。串联电阻上升的速率。串联电阻Rc可以使电流上升时间减小，改善带负载可以使电流上升时间减小，改善带负载能力。但电阻消耗了一部分功率，降低了效率。当环形分配器输能力。但电阻消耗了一部分功率，降低了效率。当环形分配器输出为低电平时，出为低电平时，T截止，绕组断电

52、，因步进电机的绕组是电感性截止，绕组断电，因步进电机的绕组是电感性负载，当负载，当T管从饱和到突然截止的瞬间，将产生一较大反电势，管从饱和到突然截止的瞬间，将产生一较大反电势，此反电势与电源电压叠加在一起加在此反电势与电源电压叠加在一起加在T管的集电极上，可能会使管的集电极上，可能会使T管击穿。管击穿。 2021-10-31 因此，续流二极管因此，续流二极管D和电阻和电阻Rd接在接在T管集电极和电源之间，组管集电极和电源之间，组成放电回路，使成放电回路，使T管截止瞬间电机产生的反电势通过二极管管截止瞬间电机产生的反电势通过二极管D续流续流作用而衰减掉，从而保护晶体管不受损坏。图作用而衰减掉，从

53、而保护晶体管不受损坏。图4-11为电流波形，为电流波形，可见电流波形前沿不陡，绕组电流缓慢增加，而使电机带负载能可见电流波形前沿不陡，绕组电流缓慢增加，而使电机带负载能力下降。单电压驱动电路的优点是线路简单，缺点是电流上升不力下降。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。够快，高频时带负载能力低。 U Ra L D C Rc Rd 输入输入 图图6.21单电压驱动电路原理图单电压驱动电路原理图前置放大2021-10-31 图图6.22 三种电路电流波形三种电路电流波形 2021-10-31 图图6.23所示为高低压电路，这种电路特点是高压充电，低压维所示为高低

54、压电路，这种电路特点是高压充电，低压维持。当环形分配器输出高电平时，两只功率放大管持。当环形分配器输出高电平时，两只功率放大管T1，T2同时导同时导通，电机绕组以通，电机绕组以80V高压供电，绕组电流快速上升，前沿很陡，高压供电，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，当接近额定电流时，单稳延时时间到，T1管截止，改由低压管截止，改由低压12V供电，维持绕组额定电流。若高低压之比为供电，维持绕组额定电流。若高低压之比为U1/U2，则电流，则电流上升也提高上升也提高U1/U2倍，上升时间明显减小。当低压断开时，电感倍，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

55、回路放电，因此也加快了放电过程。这种中储能通过构成的放电回路放电，因此也加快了放电过程。这种供电线路由于加快了绕组电流的上升和下降过程，有利于提高步供电线路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率。由于额定电流是由低压进电机的启动频率和最高连续工作频率。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内有较大的平均电流，能产生较大且较稳定的电磁转矩，缺范围内有较大的平均电流，能产生较大且较稳定的电磁转矩，缺点是高低压电路波形连接处有凹形点是高低压电路波形连接处有凹形

56、 2021-10-31 V1 U2 12V t1 VD2 R2 VD1 L R1 t2 V2 图图6.23 高低压驱动电路原理图高低压驱动电路原理图单稳延时前置放大前置放大2021-10-31 恒流斩波驱动电路的原理图见图恒流斩波驱动电路的原理图见图6.24，其工作原理，其工作原理是：环形分配器输出的正脉冲将是：环形分配器输出的正脉冲将T1，T2导通，由于导通，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，上升，当绕组电流上升到额定值以上的某一数值时，由于采样电阻由于采样电阻Re的反馈作用，经整

57、形、放大后送自的反馈作用，经整形、放大后送自T1的基极，使的基极，使T1管截止。接着绕组由管截止。接着绕组由U2低压供电，绕组低压供电，绕组中的电流立即下降，但刚降到额定值以下时，由于采中的电流立即下降，但刚降到额定值以下时，由于采样电阻样电阻Re的反馈作用，使整形电路无信号输出，此时的反馈作用，使整形电路无信号输出，此时高压前置放大电路又使高压前置放大电路又使T1导通，电流又上升。如此反导通，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（见图绕组电流波形（见图6.22），近似恒流），近似恒流。 2021-10-31

58、 U1 V1 VD1 VD2 U2 R L Ra V2输入输入 Re 图图4-13 恒流斩波驱动电路原理图恒流斩波驱动电路原理图 高压前置放大低压前置放大控制门整形2021-10-31 五、 开环控制步进式伺服系统的工作原理 1. 工作台位移量的控制工作台位移量的控制 数控装置发出数控装置发出N个脉冲，经驱动线路放大后，使步进电机定子个脉冲，经驱动线路放大后，使步进电机定子绕组通电状态变化绕组通电状态变化N次，如果一个脉冲使步进电机转过的角度为次，如果一个脉冲使步进电机转过的角度为，则步进电机转过的角位移量，则步进电机转过的角位移量N，再经减速齿轮、丝杠、，再经减速齿轮、丝杠、螺母之后转变为工

59、作台的位移量螺母之后转变为工作台的位移量L，即进给脉冲数决定了工作台，即进给脉冲数决定了工作台的直线位移量的直线位移量L。 2. 工作台进给速度的控制工作台进给速度的控制 数控装置发出的进给脉冲频率为数控装置发出的进给脉冲频率为f，经驱动控制线路，表现为控经驱动控制线路，表现为控制步进电机定子绕组的通电、断电状态的电平信号变化频率，定制步进电机定子绕组的通电、断电状态的电平信号变化频率，定子绕组通电状态变化频率决定步进电机的转速，该转速经过减速子绕组通电状态变化频率决定步进电机的转速，该转速经过减速齿轮及丝杠、螺母之后，体现为工作台的进给速度齿轮及丝杠、螺母之后，体现为工作台的进给速度V，即进

60、给脉，即进给脉冲的频率决定了工作台的进给速度。冲的频率决定了工作台的进给速度。2021-10-31 3. 工作台运动方向的控制工作台运动方向的控制 改变步进电机输入脉冲信号的循环顺序方改变步进电机输入脉冲信号的循环顺序方向，就可改变定子绕组中电流的通断循环顺序，向，就可改变定子绕组中电流的通断循环顺序，从而使步进电机实现正转和反转，相应的工作从而使步进电机实现正转和反转，相应的工作台进给方向就被改变。台进给方向就被改变。 2021-10-31概述：概述： 速度控制系统由速度控制单元、伺服电机和速度检测速度控制系统由速度控制单元、伺服电机和速度检测 装置组成。分为主运动和进给运动。装置组成。分为