数控伺服驱动系统

1、数控伺服驱动系统 数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统一、数控伺服系统的定义及组成、数控伺服系统的定义及组成1、定义：、定义： 伺服伺服(servo)，本意为，本意为“服从服从”的含义。进的含义。进给伺服系统给伺服系统(feed servo system)就是以移动就是以移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统。部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统。 2、组成：、组成： 进给伺服系统主要由以下几个部分组成：位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；驱动元件置控制单元；速度控制单元；驱动元件(电机电机)；检测与反馈单元；机械执行部件。检测与反馈单元；机

2、械执行部件。第一节第一节 概概 述述数控伺服驱动系统数控伺服系统的基本组成数控伺服系统的基本组成数控伺服驱动系统 伺服系统伺服系统是指以机械位置或角度作为控制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，经变换、调节和放大后驱动执进给指令信号，经变换、调节和放大后驱动执行件，转化为直线或旋转运动。伺服系统是数行件，转化为直线或旋转运动。伺服系统是数控装置控装置( (计算机计算机) )和机床的联系环节，是数控机和机床的联系环节，是数控机床的重要组成部分。床的重要组成部分。 数控机床伺服系统又称为数控机床伺服系统又称为位置

3、随动系统位置随动系统、驱动系统驱动系统、伺服机构伺服机构或或伺服单元伺服单元。 该系统包括了大量的电力电子器件，结构该系统包括了大量的电力电子器件，结构复杂，综合性强。复杂，综合性强。数控伺服驱动系统 进给伺服系统是数控系统主要的子系统。进给伺服系统是数控系统主要的子系统。如果说如果说cnc装置是数控系统的装置是数控系统的“大脑大脑”，是，是发布发布“命令命令”的的“指挥所指挥所”，那么进给伺服，那么进给伺服系统则是数控系统的系统则是数控系统的“四肢四肢”，是一种，是一种“执执行机构行机构”。它忠实地执行由。它忠实地执行由cnc装置发来的装置发来的运动命令，精确控制执行部件的运动方向，运动命令

4、，精确控制执行部件的运动方向，进给速度与位移量。进给速度与位移量。数控伺服驱动系统二、对伺服系统的基本要求二、对伺服系统的基本要求 1 1、位移精度高、位移精度高 伺服系统的精度是指输出量能复现输入伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。伺服系统的位移精度是指指令量的精确程度。伺服系统的位移精度是指指令脉冲要求机床工作台进给的位移量和该指令脉脉冲要求机床工作台进给的位移量和该指令脉冲经伺服系统转化为工作台实际位移量之间的冲经伺服系统转化为工作台实际位移量之间的符合程度。两者误差愈小，位移精度愈高。符合程度。两者误差愈小，位移精度愈高。 2 2、稳定性好、稳定性好 稳定性是指系统在给定外

5、界干扰作用下，稳定性是指系统在给定外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来平衡状态的能力。要求伺服系统具有较强原来平衡状态的能力。要求伺服系统具有较强的抗干扰能力，保证进给速度均匀、平稳。稳的抗干扰能力，保证进给速度均匀、平稳。稳定性直接影响数控加工精度和表面粗糙度。定性直接影响数控加工精度和表面粗糙度。数控伺服驱动系统3 3、 动态动态响应要快响应要快 动态动态响应是伺服系统动态品质的重要指标，它响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统跟踪精度。机床进给伺服系统实际上反映了系统跟踪精度。机床进给伺服系统实际上就是一种高精度的位

6、置随动系统，为保证轮廓切就是一种高精度的位置随动系统，为保证轮廓切削形状精度和低的表面粗糙度，要求伺服系统跟削形状精度和低的表面粗糙度，要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快，跟随误差小。踪指令信号的响应要快，跟随误差小。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。高转速和最低转速之比。目前数控机床一般要求目前数控机床一般要求进给伺服系统的调速范围是进给伺服系统的调速范围是024m/min，有的，有的已达到已达到240m/min。在数控机床中，由于所用刀在数控机床中，由于所用刀具、加工材料及零件加工要求的不同，为

7、保证在具、加工材料及零件加工要求的不同，为保证在各种情况下都能得到最佳切削条件，就要求伺服各种情况下都能得到最佳切削条件，就要求伺服系统具有足够宽的调速范围。系统具有足够宽的调速范围。 数控伺服驱动系统5 5、低速大扭矩、低速大扭矩 要求伺服系统有足够的输出扭矩或驱动功率。要求伺服系统有足够的输出扭矩或驱动功率。机床加工的特点是，在低速时进行重切削。因此，机床加工的特点是，在低速时进行重切削。因此，伺服系统在低速时要求有大的转矩输出。伺服系统在低速时要求有大的转矩输出。 进给坐标的伺服控制属于进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制恒转矩控制，在整个，在整个速度范围内都要保持这个转矩；主轴坐标的伺服速

8、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控制在低速时为恒转矩控制恒转矩控制，能提供较大转矩。，能提供较大转矩。在高速时为在高速时为恒功率控制恒功率控制，具有足够大的输出功率。，具有足够大的输出功率。数控伺服驱动系统对伺服电机的要求：对伺服电机的要求：（1）调运范围宽且有良好的稳定性，低速时速度）调运范围宽且有良好的稳定性，低速时速度平稳。平稳。（2 2）电机应具有大的、较长时间的过载能力，以电机应具有大的、较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。满足低速大转矩的要求。（3 3）反应速度快，电机必须具有较小的转动惯量、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

9、的机电时间常数和很大较大的转矩、尽可能小的机电时间常数和很大的加速度的加速度(4000rad/s(4000rad/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。 数控伺服驱动系统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指令指令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1按调节理论分类按调节理论分类（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）半闭环伺服系统三、伺服系

10、统的分类三、伺服系统的分类数控伺服驱动系统电电机机机械执行部件机械执行部件 a相相 b相相 c相相fncnc插 补 指插 补 指令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功率率放放大大（1）开环数控系统）开环数控系统开环伺服系统采用步进电机作为驱动元件，它没开环伺服系统采用步进电机作为驱动元件，它没有位置反馈回路和速度反馈回路，系统稳定性好。有位置反馈回路和速度反馈回路，系统稳定性好。数控伺服驱动系统无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，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其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构

11、的性能和精度。机构的性能和精度。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。这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方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，在精度和便、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速度要求不高、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。泛应用。一般用于经济型数控机床。数控伺服驱动系统位置控制位置控制调节器调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

12、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2）半闭环数控系统）半闭环数控系统半闭环伺服系统一般将位置检测元件安装在电动机半闭环伺服系统一般将位置检测元件安装在电动机轴上或丝杠端部，用以精确控制电机的角度，然后轴上或丝杠端部，用以精确控制电机的角度，然后通过滚珠丝杠等传动部件，将角度转换成工作台的通过滚珠丝杠等传动部件，将角度转换成工作台的位移，为间接测量。位移，为间接测量。数控伺服驱动系统半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环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统，但比闭环要

13、好。性虽不如开环系统，但比闭环要好。由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误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。差难以消除。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但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。精度。半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在现代较高，因而在现代cnc机床中得到了广泛应用。机床中得到了广泛应用。数控伺服驱动系统检测与反馈检测与反馈单元单元位置控制调节位置控制调节器器速度控制速度控制调节与驱调节与驱动动位置控制单元位置控制单元速度控

14、制单元速度控制单元+-电电机机机械执行部件机械执行部件cnc插补插补指令指令实际位实际位置反馈置反馈实际速实际速度反馈度反馈3）闭环数控系统）闭环数控系统 闭环伺服系统的位置检测装置安装在机床的工闭环伺服系统的位置检测装置安装在机床的工作台上，检测装置测出实际位移量或者实际所处位作台上，检测装置测出实际位移量或者实际所处位置，并将测量值反馈给置，并将测量值反馈给cnc装置，与指令进行比较，装置，与指令进行比较，求得差值，依此构成闭环位置控制。求得差值，依此构成闭环位置控制。数控伺服驱动系统从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的从理论上讲，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

15、高的位置控制精误差、间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。度。 由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。相当困难。该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精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。车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。数控伺服驱动系统2 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 电液脉冲马达电液

16、脉冲马达和和电液伺服马达电液伺服马达。 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、反应快和速度平稳。好，时间常数小、反应快和速度平稳。 缺点：液压系统需要供油系统，体积大。噪声大、缺点：液压系统需要供油系统，体积大。噪声大、漏油。漏油。数控伺服驱动系统（2）电气伺服系统）电气伺服系统 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服电机和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。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。 优点：调速性能好（调速

17、范围宽），输出转矩大，过优点：调速性能好（调速范围宽），输出转矩大，过载能力强。载能力强。 缺点：有电刷，速度不高。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统）和交流感应异步伺服电机（一般用于主轴伺服系统）和永磁同步伺服电机（一般用于进给伺服系统）。永磁同步伺服电机（一般用于进给伺服系统）。 优点：转子惯量比直流电机小，动态响应好。而且容优点：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，适合于在较恶劣环境中使用，易于向大易维修，制造简单，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

18、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。流伺服系统，交流伺服电机已在数控机床中得到广泛应用。 数控伺服驱动系统3 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包括速度控制环和位置控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，控制机床各坐标轴的切削进给运动，并系统，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。提供切削过程所需转矩。 （2）主轴伺服系统主轴伺服系统主轴伺服系统只是一个速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

19、动，为机度控制系统，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力，且保证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。任意转速的调节。 数控伺服驱动系统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）全数字伺服系统数控伺服驱动系统第二第二 节节 开环步进驱动系统开环步进驱动系统一、步进电机的分类一、步进电机的分类步进电机：步进电机：是一种是一种将电脉冲转变成机械角位移的装置。将电脉冲转变成机械角位移的装置。

20、 v按输出转矩分：按输出转矩分： 快速步进电机、快速步进电机、功率功率步进电机。步进电机。 v按励磁相数分：按励磁相数分： 三相、四相、五相、三相、四相、五相、 六相、八相等六相、八相等 v按工作原理分：按工作原理分： 反应式、激磁式、反应式、激磁式、v 混合式（永磁反应式）混合式（永磁反应式） 数控伺服驱动系统1 1、反应式步进电机、反应式步进电机1）结构：由转子和定子两部分组成）结构：由转子和定子两部分组成 极与极之间的夹角为极与极之间的夹角为6060，每个定子磁极上均匀分布了五个齿，每个定子磁极上均匀分布了五个齿，齿槽距相等，齿距角为齿槽距相等，齿距角为9 9。转子铁心转子铁心上无绕组，

21、只有均匀分布的上无绕组，只有均匀分布的4040个齿，齿槽距相等，齿距角为个齿，齿槽距相等，齿距角为360360/40/409 9。 单段式三相反应式步单段式三相反应式步进电动机的结构：进电动机的结构： 定子铁心上有六个均定子铁心上有六个均匀分布的磁极，沿直径相匀分布的磁极，沿直径相对两个极上的线圈串联，对两个极上的线圈串联，构成一相励磁绕组。构成一相励磁绕组。特点：转子无绕组，定转子开小齿、步距小。应用最广。 a a b b c c 定子 转子 绕组 数控伺服驱动系统定子上线圈的绕法定子上线圈的绕法a相a相b相b相c相c相a相相b相相c相相数控伺服驱动系统转子转子转子上有均匀分布的转子上有均匀

22、分布的齿，没有绕组。齿，没有绕组。转子齿间夹角为转子齿间夹角为9o左图为一转子示意图：左图为一转子示意图：以四十齿为例来说以四十齿为例来说明步进电机的原理明步进电机的原理数控伺服驱动系统 a a b b c c 定子 转子 绕组 小步距角的三相反应式步进电机小步距角的三相反应式步进电机转子均匀分布转子均匀分布40齿，齿，定子每段极弧上有定子每段极弧上有5个齿，定转子齿个齿，定转子齿宽、齿距相同。宽、齿距相同。实际步进电机结构实际步进电机结构数控伺服驱动系统33636312345678910111213123451234512345v(a)u(b)w(c)6060定子、转子展开图定子、转子展开图

23、数控伺服驱动系统步进电机的实物图步进电机的实物图数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统数控伺服驱动系统(2) (2) 永磁式步进电动机永磁式步进电动机 工作原理：转子或定子的一方具有永久磁钢，另一方有工作原理：转子或定子的一方具有永久磁钢，另一方有软磁材料制成，由绕组轮流通电产生的磁场与永久磁钢相软磁材料制成，由绕组轮流通电产生的磁场与永久磁钢相互作用，产生转矩是转子转动。互作用，产生转矩是转子转动。特点：特点：不开小齿，步距角大，内阻较大，效率高，断电后不开小齿，步距角大，内阻较大，效率高，断电后有一定的定位转矩。有一定的定位转矩。(3) (3) 混合式步进电动机混合式步进电动机

24、（永磁感应子式）（永磁感应子式） 定子结构与反应式基本相同，转子由环形磁钢及两段定子结构与反应式基本相同，转子由环形磁钢及两段铁心组成。兼有以上两种的主要优点，是步进电动机的新铁心组成。兼有以上两种的主要优点，是步进电动机的新产品。产品。数控伺服驱动系统 混合式步进电机与反应式的主要区别是转子上混合式步进电机与反应式的主要区别是转子上置有磁钢。产生的转矩比反应式步进电机大，且步置有磁钢。产生的转矩比反应式步进电机大，且步距角常可以做的较小，因此在工作空间受限而需要距角常可以做的较小，因此在工作空间受限而需要小步距角和大转矩的应用中。小步距角和大转矩的应用中。 反应式电动机转子上无磁钢，输入能量

25、全靠定反应式电动机转子上无磁钢，输入能量全靠定子励磁电流供给，静态电流比永磁式大许多。转子子励磁电流供给，静态电流比永磁式大许多。转子得到机械惯量较混合式步进电机低，可以实现更快得到机械惯量较混合式步进电机低，可以实现更快的加减速。的加减速。混合式步进电机与反应式步进电机的比较：混合式步进电机与反应式步进电机的比较：数控伺服驱动系统2. 2. 步进电动机的控制原理步进电动机的控制原理各部分的作用：各部分的作用： 数控装置：数控装置：根据控制要求发出指令脉冲，每发出一个根据控制要求发出指令脉冲，每发出一个脉冲电机旋转一个特定的角度，即步距角脉冲电机旋转一个特定的角度，即步距角 环形分配：环形分配

26、：根据指令方向，依次产生步进电机的各相根据指令方向，依次产生步进电机的各相的通电步骤，分为硬件环分、软件环分两种。的通电步骤，分为硬件环分、软件环分两种。 放大电路：放大电路：放大环形分配的各相指令，产生步进电机放大环形分配的各相指令，产生步进电机的各相的驱动电流的各相的驱动电流 数控伺服驱动系统 位移量的控制位移量的控制 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( (或或线位移线位移) )随之增加，即脉冲数决定位移量。随之增加，即脉冲数决定位

27、移量。 进给速度的控制进给速度的控制 脉冲频率高，则步进电动机的旋转速度就高，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。反之则低，即脉冲频率决定进给速度。 运动方向的控制运动方向的控制 改变分配脉冲的相序，实现步进电动机的正、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。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。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。数控伺服驱动系统 按电磁吸引的原

28、理工作的。必须抓住两点：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各相定子齿之间彼此错齿1/m1/m齿距，齿距，m m为相数为相数几个概念的含义：几个概念的含义： “ “拍拍”- - 定子相绕组每改变一次定子相绕组每改变一次 通电状态，称为通电状态，称为“一拍一拍”。 “ “单单”- - 指只有一相绕组通电。指只有一相绕组通电。 “ “双双”- - 指有两相绕组同时通电。指有两相绕组同时通电。 a a b b c c 定子 转子 绕组 3. 3. 反应式步进电动机的工作原理反应式步进电

29、动机的工作原理 “ 相数相数”电动机定子上有磁极，磁极对数称为相数。如电动机定子上有磁极，磁极对数称为相数。如6个磁极，个磁极，则为三相，称该电动机为三相步进电动机。则为三相，称该电动机为三相步进电动机。10个磁极为五相，称该个磁极为五相，称该电动机为五相步进电动机。电动机为五相步进电动机。数控伺服驱动系统工作原理工作原理定子绕组通断电顺序定子绕组通断电顺序 转子转向转子转向 定子绕组通断电转换频率定子绕组通断电转换频率 转子转速转子转速 定子绕组通断电次数定子绕组通断电次数 转子转角转子转角 三相单三拍三相单三拍 a(u)b(v)c(w)a(u) a(u)b(v)c(w)a(u) a(u)c

30、(w)b(v)a(u) a(u)c(w)b(v)a(u)三相双三拍三相双三拍 ab(uv)bc(vw)ca(wu)ab(uv)ab(uv)bc(vw)ca(wu)ab(uv) ba(vu)ac(uw)cb(wv)ba(vu) ba(vu)ac(uw)cb(wv)ba(vu)三相单双六拍三相单双六拍 a(u)ab(uv)b(v)bc(vw)a(u)ab(uv)b(v)bc(vw) c(w)ca(wu)a(u) c(w)ca(wu)a(u) a(u)ac(uw)c(w)cb(wv) a(u)ac(uw)c(w)cb(wv) b(v)ba(vu)a(u) b(v)ba(vu)a(u)v 通断电方式通

31、断电方式数控伺服驱动系统(1) “(1) “单三拍单三拍”供电方式的步进电动机的工作原理供电方式的步进电动机的工作原理第一拍：第一拍：a a相励磁绕组通电，相励磁绕组通电，b b、c c相励磁绕组断电。相励磁绕组断电。a a相定子磁极的相定子磁极的电磁力要使相邻转子齿与其对齐电磁力要使相邻转子齿与其对齐( (使磁阻最小使磁阻最小) )，b b相和相和c c相定、转相定、转子错齿分别为子错齿分别为1/31/3齿距齿距(3(3) )和和2/32/3齿距齿距(6(6) )。第二拍：第二拍：b b相绕组通电，相绕组通电，a a、c c相绕组断电。电磁反应力矩使转子顺相绕组断电。电磁反应力矩使转子顺时针

32、方向转动时针方向转动3 3，与，与b b相的定子齿对齐，此时相的定子齿对齐，此时a a、c c相的定、转子相的定、转子齿互相错开。齿互相错开。第三拍：第三拍：c c相绕组通电，相绕组通电，a a、b b相相绕组断电。电磁反应力距又使绕组断电。电磁反应力距又使转子顺时针方向转动了转子顺时针方向转动了3 3，与与c c相定子齿对齐，同时相定子齿对齐，同时a a相、相、b b相定、转子齿错开，重复通相定、转子齿错开，重复通电顺序：电顺序： a b c a a b c a 数控伺服驱动系统三相单三拍三相单三拍步进电机工作原理示意步进电机工作原理示意数控伺服驱动系统 单三拍步进电动机的反转单三拍步进电动

33、机的反转 若定子绕组通电顺序为若定子绕组通电顺序为a c b aa c b a ，则电动机转子，则电动机转子就逆时针方向旋转起来，其步距角仍为就逆时针方向旋转起来，其步距角仍为3 3。 单三拍步进电动机的步距角单三拍步进电动机的步距角 重复单三拍的通电顺序，重复单三拍的通电顺序，a b c aa b c a ，步进电机就，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 3( (步距角步距角) )。 单三拍通电控制方式的缺点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，由于每拍只有一相

34、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。较少采用。数控伺服驱动系统 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

35、，即转子顺时针方向转动1.5。 若通电顺序为：a ac c bc b ab a 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。(3) (3) 三相六拍工作方式三相六拍工作方式 通电顺序：通电顺序：a ab b bc c ca a a ab b bc c ca a 数控伺服驱动系统三相单双六拍三相单双六拍 aabbbcccaa数控伺服驱动系统三、步进电机的特性三、步进电机的特性1 1、步距角与步距角误差、步距角与步距角误差步距角步距角：每输入

36、一个电脉冲信号，步进电机转子转过的角度，：每输入一个电脉冲信号，步进电机转子转过的角度，称为步进电机的步距角，用称为步进电机的步距角，用 表示。表示。360mkzmm步进电机的相数步进电机的相数zz步进电机转子齿数步进电机转子齿数kk状态系数（与通电有关的系数）状态系数（与通电有关的系数） ， k=k=拍数拍数p/p/相数相数m m k k1 1：单拍或双三拍：单拍或双三拍 k k2 2：单双六拍：单双六拍厂家对于每种步进电动机给出厂家对于每种步进电动机给出两种步距角，两种步距角，彼此相差彼此相差一倍。大步距角系指控制供电拍数与相数相等时的步一倍。大步距角系指控制供电拍数与相数相等时的步距角；

37、小步距角系指供电拍数是相数两倍时的步距角。距角；小步距角系指供电拍数是相数两倍时的步距角。数控伺服驱动系统（1）某步进电动机）某步进电动机转子有转子有4040齿并且采用单三齿并且采用单三拍工作的，其步距角为：拍工作的，其步距角为：ooo=360 /mzk=360 /403 1=3 ooo=360 /mzk=360 /403 2=1.5 步距角计算示例：步距角计算示例：（2）按单、双相通电方式运行的三相步进）按单、双相通电方式运行的三相步进电动机，转子齿数电动机，转子齿数z=40，其步距角为：，其步距角为：数控伺服驱动系统若步进电动机的频率为若步进电动机的频率为f f，则步进电动机的转速为：，则

38、步进电动机的转速为：计算示例：计算示例：1 1、某步进电机定子、某步进电机定子6060齿，齿，5 5相十拍工作相十拍工作方式，直接驱动机床工作台，其转速为方式，直接驱动机床工作台，其转速为600r/min600r/min，计算其稳定工作频率和步距角计算其稳定工作频率和步距角解：由解：由60sfnmzk有：有：5 60260060006060smzknfhz ooo=360 /mzk=360 /5 602=0.660( / min)sfnrmzk360mzk由：由：有：有：数控伺服驱动系统步距角误差：步距角误差：是指步进电机运行时，转子每一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

39、之差值。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。由于步进电机转过一转后，将步距的累积误差。由于步进电机转过一转后，将重复上一转的稳定位置，即步进电机的步距累积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。误差将以一转为周期重复出现。步距角误差步距角误差数控伺服驱动系统步距角的选择：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 脉冲当量 s丝杠螺距(mm) 步距角 i电动机与丝杠间的齿轮传动 减速比 如果步进电动机的步距角和丝杠螺距s(基本导程)不能满足脉冲当量

40、的要求时，应在步进电动机与丝杠之间加入齿轮传动，用减速比来满足的要求。(/)360smmi脉冲数控伺服驱动系统2、静特性、静特性 1）静态矩角特性）静态矩角特性 当步进电动机某相通电时，转子处于不动状态，当步进电动机某相通电时，转子处于不动状态，这时转子上无转矩输出。如果在电动机轴上加一个这时转子上无转矩输出。如果在电动机轴上加一个负载转矩，转子按一定方向转过一个角度负载转矩，转子按一定方向转过一个角度，重新，重新处于不动（稳定）状态，这时转子上受到的电磁转处于不动（稳定）状态，这时转子上受到的电磁转矩矩t称为静态转矩，它与负载转矩相等，转过的角称为静态转矩，它与负载转矩相等，转过的角度度称为

41、失调角。静态时称为失调角。静态时t与与的关系称为矩角特性，的关系称为矩角特性，它近似于正弦曲线。它近似于正弦曲线。数控伺服驱动系统静态矩角特性静态矩角特性数控伺服驱动系统2) 2) 最大静转距最大静转距 t tjmaxjmax (nm) (nm) 静态转距：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个角度ee，这时转子受的电磁转距，这时转子受的电磁转距t t。 矩角特性：矩角特性：描述静态时电磁转距描述静态时电磁转距t t与与ee之间的关系曲线。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，在静态稳定

42、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仍能回到稳定平衡点位置(e(e0) 0)。/20-/2静稳定区不稳定平衡点稳定平衡点不稳定平衡点tetjmax最大静转距最大静转距 t tjmaxjmax 的选择的选择 负载转矩负载转矩t tf f 应满足应满足 t tf f = =（0.20.40.20.4）t tjmaxjmax 数控伺服驱动系统3、动特性、动特性 （1 1）最大起动转矩）最大起动转矩 电动机相邻两相的静态矩角特性曲线交点所对应的电动机相邻两相的静态矩角特性曲线交点所对应的转矩即为最大起动转矩转矩即为最大起动转矩tqtq。当外界负载超过最大起动转。当外界负

43、载超过最大起动转矩时，步进电动机就不能起动。如下图所示。矩时，步进电动机就不能起动。如下图所示。 a bcab qtbtqtat数控伺服驱动系统tf起动矩频特性起动矩频特性 描述步进电动机描述步进电动机起动频率与负载力矩起动频率与负载力矩的关系曲线。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。此，其起动频率随

44、着负载的增加而下降。数控伺服驱动系统tf运行矩频特性运行矩频特性 运行矩频特性运行矩频特性t tf(f)f(f)是描述是描述步步进进 电动机连续稳定运行电动机连续稳定运行时，时，输出转矩输出转矩t t与连续运行频率之间与连续运行频率之间的关系。它是衡量步进电动机运的关系。它是衡量步进电动机运转时承载能力的动态性能指标。转时承载能力的动态性能指标。数控伺服驱动系统 （2 2）最大启动频率）最大启动频率 空载时，步进电动机由静止状态空载时，步进电动机由静止状态启启动，达到不动，达到不丢步的正常运行的最高频率称为丢步的正常运行的最高频率称为最大最大启动启动频率频率。 启启动时指令脉冲频率应小于动时指

45、令脉冲频率应小于启动启动频率，否则将频率，否则将产生产生失步失步。 步进电机在带负载下的启动频率比空载要低。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（在允许范围内），启动频率而且，随着负载加大（在允许范围内），启动频率会进一步降低。这种特性称为会进一步降低。这种特性称为启动矩频特性启动矩频特性。启动矩频特性曲线启动矩频特性曲线数控伺服驱动系统 当电动机带有负载力矩当电动机带有负载力矩m时，随外部惯量的增大，时，随外部惯量的增大，启动频率将明显下降，其关系称为启动频率将明显下降，其关系称为启动惯频特性启动惯频特性。j/kgcms2转动惯量转动惯量数控伺服驱动系统 （3）连续运行

46、频率）连续运行频率 步进电动机在最大起动频率以下起动后，步进电动机在最大起动频率以下起动后，当输入脉冲信号频率连续上升时，能不失步当输入脉冲信号频率连续上升时，能不失步运行的最大输入信号频率，称为连续运行频运行的最大输入信号频率，称为连续运行频率。该频率远大于最大起动频率。率。该频率远大于最大起动频率。数控伺服驱动系统（4 4）矩频特性与动态转矩矩频特性与动态转矩 步进电动机在连续运行状态下所产生的转矩，称步进电动机在连续运行状态下所产生的转矩，称为为动态转矩动态转矩。最大动态转矩和脉冲频率的关系称为。最大动态转矩和脉冲频率的关系称为矩矩频特性频特性。该特性上每一个频率对应的转矩成为动态转。该

47、特性上每一个频率对应的转矩成为动态转矩。最大动态转矩小于最大静转矩，使用时要考虑动矩。最大动态转矩小于最大静转矩，使用时要考虑动态转矩随连续运行频率的升高而降低的特点。态转矩随连续运行频率的升高而降低的特点。 mqofq/hzm/(nm)数控伺服驱动系统四、四、步进电动机驱动电源步进电动机驱动电源 1、步进电机的控制系统、步进电机的控制系统数控伺服驱动系统步进电动机驱动电源步进电动机驱动电源1. 1. 作用作用 发出一定功率的电脉冲信号，使定子励磁绕组顺序通电。发出一定功率的电脉冲信号，使定子励磁绕组顺序通电。2. 2. 基本要求基本要求 (1) (1) 电源的基本参数与电动机相适应；电源的基

48、本参数与电动机相适应； (2) (2) 满足步进电动机起动频率和运行频率的要求；满足步进电动机起动频率和运行频率的要求； (3) (3) 抗干扰能力强，工作可靠；抗干扰能力强，工作可靠； (4) (4) 成本低，效率高，安装维修方便。成本低，效率高，安装维修方便。数控伺服驱动系统3. 3. 组成组成 由环形分配器和功率放大器组成。由环形分配器和功率放大器组成。(1) (1) 环形分配器环形分配器 主要功能是将主要功能是将cnccnc装置的插补脉冲，按步进电动装置的插补脉冲，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

49、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。分配器的输出是周期性的，又是可逆的。 硬件环形分配器硬件环形分配器 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。一般由与非门与非门和和j jk k触发器触发器组成。常用的是专用集成芯片或通用可编程逻辑器组成。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。件组成的环形分配器。 软件环形分配器软件环形分配

50、器 按步进电动机的要求编制不同的软环分程序按步进电动机的要求编制不同的软环分程序，存入，存入epromeprom中。中。数控伺服驱动系统1）硬件环形分配器（）硬件环形分配器（ch250集成芯片）集成芯片）a）管脚图）管脚图b）三相六拍接线图）三相六拍接线图a、b、c：a、b、c相相 输出端输出端r、r*:确定初始励磁相确定初始励磁相 10：a相相 01：ab相相 00：环形分配器工作：环形分配器工作j3r、j3l、j6r、j6l:控制三拍、控制三拍、 六拍的控制端六拍的控制端数控伺服驱动系统b）三相六拍接线图）三相六拍接线图若若enl，进给脉冲接，进给脉冲接cl，脉冲上升沿使环形，脉冲上升沿使

51、环形分配器工作；若分配器工作；若cl0，进给脉冲接进给脉冲接en，脉冲，脉冲下降沿使环形分配器工下降沿使环形分配器工作。不符合上述规定则作。不符合上述规定则为环形分配器状态锁定为环形分配器状态锁定(保持保持)。 cl、en:进给脉冲输入端进给脉冲输入端数控伺服驱动系统ud、us:电源端。电源端。 左边接线图的功能是左边接线图的功能是三相六拍工作方式；步三相六拍工作方式；步进电动机的初始励磁相进电动机的初始励磁相为为ab，进给脉冲，进给脉冲cp的的上升沿有效；方向信号上升沿有效；方向信号为为1，则正转；为，则正转；为0，则，则反转。反转。数控伺服驱动系统三相硬件环形分配的硬件驱动原理图三相硬件环

52、形分配的硬件驱动原理图 clk clk 为指令脉冲为指令脉冲 dir dir 为旋转方向，为旋转方向， full/half full/half 为整步为整步/ /半半步的控制。步的控制。 数控伺服驱动系统2）软件环形分配器）软件环形分配器d7d6d5d4d3d2d1d0100110010011001101三相单、双六拍步进控制字节的存放格式三相单、双六拍步进控制字节的存放格式tableaabbbccca数控伺服驱动系统软件环形分配器举例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，

53、按顺序及形分配器软件根据下表所示真值表，按顺序及 方向控制输出接口方向控制输出接口将将a a、b b、c c的值输出即可。如果上一个进给脉冲到来时，控的值输出即可。如果上一个进给脉冲到来时，控 制制 输输 三相六拍环形分配器真值表三相六拍环形分配器真值表 序号序号a ab bc c方向方向1 11 10 00 0 反转反转正转正转2 21 11 10 03 30 01 10 04 40 01 11 15 50 00 01 16 61 10 01 1出接口输出的出接口输出的a a、b b、c c的值是的值是100100，则对于下一个正向进给脉冲指令，则对于下一个正向进给脉冲指令，控制输出接口输出

54、的值是控制输出接口输出的值是110110，再下一个正向进给脉冲，应是再下一个正向进给脉冲，应是010010，而使步进电机正向地旋转，而使步进电机正向地旋转起来。实现较为简单，灵活方便。起来。实现较为简单，灵活方便。数控伺服驱动系统取偏移量取偏移量取方向控制位取方向控制位dd1?1 1 5? 0以以table+ 为为地址取控制字地址取控制字c向输出寄存器向输出寄存器写入控制字节写入控制字节c返回主程序返回主程序-1-1 nnnyyy环分中断子程序框图环分中断子程序框图数控伺服驱动系统功率驱动器（功率放大电路）功率驱动器（功率放大电路） 作用：作用：将环形分配器输出的脉冲信号放大，以用足够的功率将

55、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。来驱动步进电动机。 类型：类型：最早的功率驱动器采用单电压驱动电路，后来出现了最早的功率驱动器采用单电压驱动电路，后来出现了双电压双电压( (高电压高电压) )驱动电路、斩波电路、调频调压和细分电路等。驱动电路、斩波电路、调频调压和细分电路等。3、功率驱动器、功率驱动器数控伺服驱动系统1）对驱动电源的要求）对驱动电源的要求 理想驱动电源使电机绕组电流尽理想驱动电源使电机绕组电流尽量接近矩形波（图量接近矩形波（图a a）。）。 实际上，步进电机是感性负载，实际上，步进电机是感性负载，绕组中电流不能突变，而是按指数绕组中电流不能突变，而

56、是按指数规律上升或下降规律上升或下降, ,从而使整个通电从而使整个通电周期内，绕组电流平均值下降，电周期内，绕组电流平均值下降，电机输出转矩下降机输出转矩下降（图（图b） 。而当电机运行频率很高时，电流而当电机运行频率很高时，电流峰值显著小于额定励磁电流，从而峰值显著小于额定励磁电流，从而导致电机转矩进一步下降，严重时导致电机转矩进一步下降，严重时不能启动不能启动（图（图c） 。 数控伺服驱动系统 上升时电流时间常数上升时电流时间常数 i = l/rs l步进电机绕组平均电感量步进电机绕组平均电感量 rs通电回路电阻，包括：通电回路电阻，包括： 绕组内阻、功率放大器输出级内阻、串联电阻绕组内阻

57、、功率放大器输出级内阻、串联电阻 下降时电流时间常数下降时电流时间常数 d = l/rd rd放大回路电阻放大回路电阻 为了提高步进电机动态特性，必须改善电流为了提高步进电机动态特性，必须改善电流波形，使前后沿陡度增大。波形，使前后沿陡度增大。 数控伺服驱动系统 图中串接一图中串接一电电阻阻r rs s，为了减小回路的时间常数，电阻，为了减小回路的时间常数，电阻r rs s并联一并联一电容电容c c，提高电机的快速响应能力和启动性能。，提高电机的快速响应能力和启动性能。续流二极管续流二极管vdvd和和阻阻容吸收回路容吸收回路rcrc，是功率管，是功率管vtvt的保护线路。的保护线路。 单电压驱

58、动电路单电压驱动电路a+12v+60vvt1vt2vt3lcsrsvd前置放大前置放大vd：续流二极管：续流二极管cs：加速电容：加速电容rs:限制绕组电流限制绕组电流 减小时间常数减小时间常数 数控伺服驱动系统lrs:作用是限制绕组电流，减小时间常数作用是限制绕组电流，减小时间常数 太小则电流前沿不陡，电机带负载能力下降。太小则电流前沿不陡，电机带负载能力下降。 太大则功率消耗过大。太大则功率消耗过大。l单电压功放电源的特点单电压功放电源的特点 优点是线路简单，缺点是电流上升不够快，优点是线路简单，缺点是电流上升不够快， rs的接入使无功功耗增大，高频时带负载能力低，晶的接入使无功功耗增大，

59、高频时带负载能力低，晶体管的耐压要求高。体管的耐压要求高。l单电压功放电源的应用单电压功放电源的应用 一般用于小功率步进电机驱动一般用于小功率步进电机驱动数控伺服驱动系统特点特点是供给步进电机绕组有两种电压：一种是是供给步进电机绕组有两种电压：一种是高电压高电压u1u1，由电机，由电机参数和晶体管特性决定，一般在参数和晶体管特性决定，一般在80v80v至更高范围，另一种是至更高范围，另一种是低电压低电压u2u2，即步进电机绕组额定电压，一般为几伏，不超过，即步进电机绕组额定电压，一般为几伏，不超过20v20v。2）双电压（高低压）驱动电源）双电压（高低压）驱动电源当环形分配器输出高电平时，两当

60、环形分配器输出高电平时，两只功率放大管只功率放大管vtd，vtg同时导通，同时导通，电机绕组以电机绕组以60v高压供电，绕组高压供电，绕组电流快速上升，前沿很陡，当接电流快速上升，前沿很陡，当接近额定电流时，单稳延时时间到，近额定电流时，单稳延时时间到， vtg管截止，改由低压管截止，改由低压12v供电，供电，维持绕组额定电流。若高低压之维持绕组额定电流。若高低压之比为比为u1/u2，则电流上升也提高，则电流上升也提高u1/u2倍，上升时间明显减小。倍，上升时间明显减小。当低压断开时，电感中储能通过当低压断开时，电感中储能通过构成的放电回路放电，因此也加构成的放电回路放电，因此也加快了放电过程