(完整版)2011-数控技术—第六章

1、2021-11-20 henan polytechnic university 主主 讲：秦讲：秦 歌歌答疑时间：周二晚答疑时间：周二晚j202a机械与动力工程学院机械与动力工程学院2012-04数数 控控 技技 术术school of mechanical and power engineering2021-11-20第六章第六章 数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统 本章内容：本章内容： 概述概述 开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统 位置检测装置位置检测装置闭环（交直流）伺服系统闭环（交直流）伺服系统2021-11-20 伺服来自英文单词伺服来自英文单词servo， “ “伺服（伺服（s

2、ervo）”在中英文里一在中英文里一个音、意都相同的词，顾名思义，它表示个音、意都相同的词，顾名思义，它表示“伺候服侍伺候服侍”，指系统跟随指系统跟随外部指令进行人们所期望的运动。外部指令进行人们所期望的运动。在数控机床中，伺服是指在数控机床中，伺服是指有关的传动或运动参数均严格按照数控装置的控制指令实现，有关的传动或运动参数均严格按照数控装置的控制指令实现，这些参数主要包括运动的速度、运动的方向和运动的起停位这些参数主要包括运动的速度、运动的方向和运动的起停位置等。置等。伺服系统的发展经历了从液压、气动到电气的过程，伺服系统的发展经历了从液压、气动到电气的过程，而电气伺服系统包括伺服电机、反

3、馈装置和控制器。而电气伺服系统包括伺服电机、反馈装置和控制器。 在在2020世纪世纪6060年代，最早是直流电机作为主要执行部件。年代，最早是直流电机作为主要执行部件。 在在7070年代以后，交流伺服电机的性价比不断提高，逐渐取代年代以后，交流伺服电机的性价比不断提高，逐渐取代直流电机成为伺服系统的主导执行电机。直流电机成为伺服系统的主导执行电机。第一节第一节 概述概述2021-11-20 现代交流伺服系统最早被应用到宇航和军事领域，比如火炮、雷达控制。现代交流伺服系统最早被应用到宇航和军事领域，比如火炮、雷达控制。逐渐进入到工业领域和民用领域。工业应用主要包括高精度数控机床、机逐渐进入到工业

4、领域和民用领域。工业应用主要包括高精度数控机床、机器人和其他广义的数控机械。器人和其他广义的数控机械。伺服用量最大的行业依次是：机床、食品包伺服用量最大的行业依次是：机床、食品包装、纺织、电子半导体、塑料、印刷和橡胶机械，合计超过装、纺织、电子半导体、塑料、印刷和橡胶机械，合计超过7575。在数控机床中使用永磁无刷伺服电机代替步进电机做进给已经成为标准，在数控机床中使用永磁无刷伺服电机代替步进电机做进给已经成为标准，部分高端产品开始采用永磁交流直线伺服系统。在主轴传动中采用高速永部分高端产品开始采用永磁交流直线伺服系统。在主轴传动中采用高速永磁交流伺服取代异步变频驱动来提高效率和速度也成为热点

5、。磁交流伺服取代异步变频驱动来提高效率和速度也成为热点。9090年代以来，年代以来，欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床，高速电主轴单元转数欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床，高速电主轴单元转数在在30000rpm30000rpm100000rpm100000rpm，工作台的进给速度在分辨率为，工作台的进给速度在分辨率为1m1m时达到时达到100m/min100m/min，甚至，甚至200m/min200m/min以上以上, , 在分辨率为在分辨率为0.1m0.1m时，在时，在24m/min24m/min以上。以上。当今数控机床突出高速、高精、高动态、高刚性的特点，对位置系统

6、的要当今数控机床突出高速、高精、高动态、高刚性的特点，对位置系统的要求包括求包括: :定位速度和轮廓切削进给速度；定位精度和轮廓切削精度；精加定位速度和轮廓切削进给速度；定位精度和轮廓切削精度；精加工的表面粗糙度；在外界干扰下的稳定性。这些要求的满足主要取决于伺工的表面粗糙度；在外界干扰下的稳定性。这些要求的满足主要取决于伺服系统的静态、动态特性。服系统的静态、动态特性。2021-11-20 现代交流伺服系统最早被应用到宇航和军事领域，比如火炮、雷达控制。现代交流伺服系统最早被应用到宇航和军事领域，比如火炮、雷达控制。逐渐进入到工业领域和民用领域。工业应用主要包括高精度数控机床、机逐渐进入到工

7、业领域和民用领域。工业应用主要包括高精度数控机床、机器人和其他广义的数控机械。器人和其他广义的数控机械。伺服用量最大的行业依次是：机床、食品包伺服用量最大的行业依次是：机床、食品包装、纺织、电子半导体、塑料、印刷和橡胶机械，合计超过装、纺织、电子半导体、塑料、印刷和橡胶机械，合计超过7575。在数控机床中使用永磁无刷伺服电机代替步进电机做进给已经成为标准，在数控机床中使用永磁无刷伺服电机代替步进电机做进给已经成为标准，部分高端产品开始采用永磁交流直线伺服系统。在主轴传动中采用高速永部分高端产品开始采用永磁交流直线伺服系统。在主轴传动中采用高速永磁交流伺服取代异步变频驱动来提高效率和速度也成为热

8、点。磁交流伺服取代异步变频驱动来提高效率和速度也成为热点。9090年代以来，年代以来，欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床，高速电主轴单元转数欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床，高速电主轴单元转数在在30000rpm30000rpm100000rpm100000rpm，工作台的进给速度在分辨率为，工作台的进给速度在分辨率为1m1m时达到时达到100m/min100m/min，甚至，甚至200m/min200m/min以上以上, , 在分辨率为在分辨率为0.1m0.1m时，在时，在24m/min24m/min以上。以上。当今数控机床突出高速、高精、高动态、高刚性的特点，对位置系

9、统的要当今数控机床突出高速、高精、高动态、高刚性的特点，对位置系统的要求包括求包括: :定位速度和轮廓切削进给速度；定位精度和轮廓切削精度；精加定位速度和轮廓切削进给速度；定位精度和轮廓切削精度；精加工的表面粗糙度；在外界干扰下的稳定性。这些要求的满足主要取决于伺工的表面粗糙度；在外界干扰下的稳定性。这些要求的满足主要取决于伺服系统的静态、动态特性。服系统的静态、动态特性。2021-11-20 国产伺服系统比如广数的产品在经济型数控机床上的广泛应用，国产伺服系统比如广数的产品在经济型数控机床上的广泛应用，但是在中高档数控机床上采用国产伺服系统仍然面临困难，性能是但是在中高档数控机床上采用国产伺

10、服系统仍然面临困难，性能是一个重要方面，还有就是稳定性和可靠性。一个重要方面，还有就是稳定性和可靠性。 近几十年来，伺服技术得到突飞猛进的发展和越来越广泛的应近几十年来，伺服技术得到突飞猛进的发展和越来越广泛的应用。用。数控伺服系统是指以机床运动部件数控伺服系统是指以机床运动部件( (如工作台、主轴和刀具等如工作台、主轴和刀具等) )的位置和速度作为控制量的自动控制系统，又称为随动系统。的位置和速度作为控制量的自动控制系统，又称为随动系统。数控数控伺服系统的作用在于接受来自数控装置的进给脉冲信号，经过一定伺服系统的作用在于接受来自数控装置的进给脉冲信号，经过一定的信号变换及电压、功率放大，驱动

11、机床运动部件实现运动，并保的信号变换及电压、功率放大，驱动机床运动部件实现运动，并保证动作的快速性和准确性。证动作的快速性和准确性。 数控伺服系统作为数控装置和机床的联系环节，是数控机床的数控伺服系统作为数控装置和机床的联系环节，是数控机床的重要组成部分，数控机床的精度和速度等技术指标很大程度上取决重要组成部分，数控机床的精度和速度等技术指标很大程度上取决于伺服系统的性能优劣。因此，对高性能伺服系统的研究和开发一于伺服系统的性能优劣。因此，对高性能伺服系统的研究和开发一直是现代数控机床的关键技术之一。直是现代数控机床的关键技术之一。 第一节第一节 概述概述2021-11-20 伺服驱动系统伺服

12、驱动系统与一般机床进给系统的区别与一般机床进给系统的区别 进给系统的作用在于保证切削过程能够连续进行，不能控进给系统的作用在于保证切削过程能够连续进行，不能控制执行件的位移和轨迹；制执行件的位移和轨迹； 伺服系统将指令信号加以转换和放大，不仅能控制执行件伺服系统将指令信号加以转换和放大，不仅能控制执行件的速度、方向，而且能精确控制其位置、以及几个执行件按一的速度、方向，而且能精确控制其位置、以及几个执行件按一定的运动规律合成的轨迹。定的运动规律合成的轨迹。第一节第一节 概述概述2021-11-20 一、伺服系统的组成、作用和特点一、伺服系统的组成、作用和特点: : 组成组成伺服系统一般由伺服系

13、统一般由驱动控制单元驱动控制单元、驱动元件驱动元件、机械传动部件机械传动部件、执行元件和检测反馈环节执行元件和检测反馈环节等组成。驱动控制单元和驱动元件等组成。驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系；机械传动部件和执行件组成机械传动系。组成伺服驱动系；机械传动部件和执行件组成机械传动系。第一节第一节 概述概述数控伺服系统的基本组成数控伺服系统的基本组成 2021-11-20 伺服系统的作用伺服系统的作用: : 接受数控系统发出的进给位移和速度指令信号，经过一接受数控系统发出的进给位移和速度指令信号，经过一定的信号转换和电压、功率放大后，经伺服驱动装置和机械定的信号转换和电压、功率放大后，经伺服驱

14、动装置和机械传动机构，驱动机床的工作台、刀架等执行部件进行工作进传动机构，驱动机床的工作台、刀架等执行部件进行工作进给和快速进给。主要通过给和快速进给。主要通过步进电机、交步进电机、交/ /直流伺服电动机直流伺服电动机等进等进给驱动元件来实现。给驱动元件来实现。 伺服系统伺服系统可被看作是一个独立部分，与可被看作是一个独立部分，与数控系统数控系统和和机床机床本体本体并列为数控数控机床的三大组成部分。并列为数控数控机床的三大组成部分。第一节第一节 概述概述2021-11-20特点：特点： 能根据指令信号自动精确的控制执行部件运动的能根据指令信号自动精确的控制执行部件运动的位移、方向和速度，使数个

15、执行部件按一定的规律运位移、方向和速度，使数个执行部件按一定的规律运动以合成一定的运动轨迹动以合成一定的运动轨迹。性能：性能： 最高移动速度、跟踪精度、定位精度等动态和静最高移动速度、跟踪精度、定位精度等动态和静态性能态性能, 取决于各个组成环节的特性和各个环节性能取决于各个组成环节的特性和各个环节性能参数的合理匹配。参数的合理匹配。第一节第一节 概述概述2021-11-20 数控机床技术水平的提高首先依赖于进给和主轴驱动特性数控机床技术水平的提高首先依赖于进给和主轴驱动特性的改善以及功能的扩大，为此数控机床对进给伺服系统的位的改善以及功能的扩大，为此数控机床对进给伺服系统的位置控制、速度控制

16、、伺服电机、机械传动等方面都有很高的置控制、速度控制、伺服电机、机械传动等方面都有很高的要求。要求。第一节第一节 概述概述二、二、 数控机床对进给伺服系统的要求数控机床对进给伺服系统的要求1 1可逆运行可逆运行 可逆运行要求能灵活地可逆运行要求能灵活地正反向运行正反向运行。在加工过程中，机床在加工过程中，机床工作台处于随动状态，根据加工轨迹的要求，随时实现正向工作台处于随动状态，根据加工轨迹的要求，随时实现正向或反向运动。或反向运动。 要求在方向变化时，要求在方向变化时，不应有反向间隙和运动损失不应有反向间隙和运动损失。 从能量角度看，应该实现从能量角度看，应该实现能量的可逆转换能量的可逆转换

17、，即在加工运行即在加工运行时，电动机从电网吸收能量改变为机械能；在制动时应把电时，电动机从电网吸收能量改变为机械能；在制动时应把电动机的机械惯性能量变为电能回馈给电网，以实现快速制动。动机的机械惯性能量变为电能回馈给电网，以实现快速制动。2021-11-202 2高精度高精度 数控机床是按预定的程序自动进行加工的，不数控机床是按预定的程序自动进行加工的，不同于普通机床用手动操作来调整和补偿各种因素对同于普通机床用手动操作来调整和补偿各种因素对加工精度的影响，故要求加工精度的影响，故要求数控机床的实际位移与指数控机床的实际位移与指令位移之差令位移之差要小。现代数控机床的位移精度一般为要小。现代数

18、控机床的位移精度一般为0.010.001，甚至可高达甚至可高达0.1m，以保证加工质，以保证加工质量的一致性，保证复杂曲线、曲面零件的加工精度。量的一致性，保证复杂曲线、曲面零件的加工精度。第一节第一节 概述概述二、数控机床对进给伺服系统的要求二、数控机床对进给伺服系统的要求2021-11-203 3调速范围宽调速范围宽 调速范围是指调速范围是指最高进给速度和最低进给速度之比最高进给速度和最低进给速度之比。由于加由于加工所用刀具、被加工零件材质以及零件加工要求的变化范工所用刀具、被加工零件材质以及零件加工要求的变化范围很广，为了保证在所有加工情况下都能得到最佳的切削围很广，为了保证在所有加工情

19、况下都能得到最佳的切削条件和加工质量，要求进给速度能在很大的范围内变化，条件和加工质量，要求进给速度能在很大的范围内变化，即有很大的调速范围。即有很大的调速范围。 目前最先进水平是在脉冲当量或最小设定单位为目前最先进水平是在脉冲当量或最小设定单位为1m1m的情的情况下，进给速度能在况下，进给速度能在0240mmin的范围内连续可调。在的范围内连续可调。在这一调速范围内，要求速度均匀、稳定，低速时无爬行。这一调速范围内，要求速度均匀、稳定，低速时无爬行。还要求在零速时伺服电机处于电磁锁住状态，以保证定位还要求在零速时伺服电机处于电磁锁住状态，以保证定位精度不变。精度不变。第一节第一节 概述概述二

20、、数控机床对进给伺服系统的要求二、数控机床对进给伺服系统的要求2021-11-204 4快速响应并无超调快速响应并无超调 要求有要求有良好的快速响应特性良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号即要求跟踪指令信号的响应要快。的响应要快。 伺服系统处于频繁地启动、制动、加速、减速等动伺服系统处于频繁地启动、制动、加速、减速等动态过程中，为了提高生产率和保证加工质量，则态过程中，为了提高生产率和保证加工质量，则要要求加、减速度足够大求加、减速度足够大，以缩短过渡过程时间以缩短过渡过程时间。 当负载突变时，当负载突变时，过渡过程前沿要陡，恢复时间要短，过渡过程前沿要陡，恢复时间要短，且无振荡且无振荡。这

21、样才能得到光滑的加工表面。这样才能得到光滑的加工表面。第一节第一节 概述概述二、数控机床对进给伺服系统的要求二、数控机床对进给伺服系统的要求2021-11-205 5低速大转矩低速大转矩 机床加工，大多是低速时进行切削，即机床加工，大多是低速时进行切削，即在低速时在低速时进给驱动要有大的转矩输出进给驱动要有大的转矩输出。 第一节第一节 概述概述二、数控机床对进给伺服系统的要求二、数控机床对进给伺服系统的要求2021-11-20 1 1按按控制方式和有无检测反馈环节分类控制方式和有无检测反馈环节分类（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

22、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第一节第一节 概述概述三、伺服系统的分类三、伺服系统的分类2021-11-202 2按使用的执行元件分类按使用的执行元件分类 （1 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。常数小、反应快和

23、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 2）电气伺服系统）电气伺服系统伺服电机（步进电机、直流电机和交伺服电机（步进电机、直流电机和交流电机）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。 第一节第一节 概述概述三、伺服系统的分类三、伺服系统的分类2021-11-202 2按使用的执行元件分类按使用的执行元件分类 （2 2）电气伺服系统）电气伺服系统 1 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中小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

24、电机；主运动系统采用他激直流伺服电机。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。缺点：有电刷，速度不高。优点：调速性能好。缺点：有电刷，速度不高。 2 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）和永磁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）。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。优点：结构简单、不需维护、适合于在恶劣环境下工作。动态响应好、转速高和容量大。动态响应好、转速高和容量大。第一节第一节 概述概述三、伺服系统的分类三、伺服系统的

25、分类2021-11-202 2、按执行元件的类别分类、按执行元件的类别分类 分为直流伺服系统和交流伺服系统。分为直流伺服系统和交流伺服系统。 2020世纪世纪7070年代，数控机床大多采用直流伺服驱动年代，数控机床大多采用直流伺服驱动。具有良好的宽调速性能，输出转矩大，过载能力强；适应数控机床对频繁具有良好的宽调速性能，输出转矩大，过载能力强；适应数控机床对频繁启动、制动，以及快速定位、切削的要求。但直流电动机的电刷和机械换启动、制动，以及快速定位、切削的要求。但直流电动机的电刷和机械换向器限制了它向大容量、高电压、高速度方向的发展。向器限制了它向大容量、高电压、高速度方向的发展。 2020世

26、纪世纪8080年代年代，交流伺服系统。，交流伺服系统。最大优点是交流电动机容易维修，制造简单，易于向大容量、高速度方向最大优点是交流电动机容易维修，制造简单，易于向大容量、高速度方向发展，适合于在较恶劣的环境中使用。同时，从减少伺服驱动系统外形尺发展，适合于在较恶劣的环境中使用。同时，从减少伺服驱动系统外形尺寸和提高可靠性角度来看，采用交流电动机比直流电动机将更合理。寸和提高可靠性角度来看，采用交流电动机比直流电动机将更合理。 第一节第一节 概述概述三、伺服系统的分类三、伺服系统的分类2021-11-203 3、按伺服系统的用途和功能分类、按伺服系统的用途和功能分类分为进给驱动系统和主轴驱动系

27、统。分为进给驱动系统和主轴驱动系统。 进给驱动系统进给驱动系统用于数控机床工作台或刀架坐标的控制系统，用于数控机床工作台或刀架坐标的控制系统，来控制机床各坐标轴的切削进给运动，并提供切削过程所需来控制机床各坐标轴的切削进给运动，并提供切削过程所需的转矩。的转矩。 主轴驱动系统主轴驱动系统控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴提供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。驱动功率和所需的切削力。 一般地，对于进给驱动系统，主要关心它的转矩大小、一般地，对于进给驱动系统，主要关心它的转矩大小、调节范围的大小和调节精度的高低，以及动态响应速度的快调节范围的大小和调节精度的高低，以及动

28、态响应速度的快慢。对于主轴驱动系统，主要关心其是否具有足够的功率、慢。对于主轴驱动系统，主要关心其是否具有足够的功率、宽的恒功率调节范围及速度调节范围。宽的恒功率调节范围及速度调节范围。 第一节第一节 概述概述三、伺服系统的分类三、伺服系统的分类2021-11-20（1 1）数控脉冲比较伺服系统）数控脉冲比较伺服系统 该系统是闭环伺服系统中的一种控制方式。它是将数控装该系统是闭环伺服系统中的一种控制方式。它是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以数字置发出的数字（或脉冲）指令信号与检测装置测得的以数字（或脉冲）形式表示的反馈信号直接进行比较，获得位置误差，（或脉冲）形式表示的

29、反馈信号直接进行比较，获得位置误差，实现闭环控制。结构简单，容易实现，整机工作稳定，在一般实现闭环控制。结构简单，容易实现，整机工作稳定，在一般数控伺服系统中应用十分普遍。数控伺服系统中应用十分普遍。 （2 2）鉴相式伺服系统）鉴相式伺服系统 位置检测装置采取相位工作方式，指令信号与反馈信号都位置检测装置采取相位工作方式，指令信号与反馈信号都变成某个载波的相位，然后通过两者相位的比较，获得实际位变成某个载波的相位，然后通过两者相位的比较，获得实际位置与指令位置的偏差，实现闭环控制。适用于感应式检测元件置与指令位置的偏差，实现闭环控制。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，

30、可得到满意的精（如旋转变压器、感应同步器）的工作状态，可得到满意的精度。此外，由于载波频率较高，响应块，抗干扰性强，更适于度。此外，由于载波频率较高，响应块，抗干扰性强，更适于连续控制的伺服系统。连续控制的伺服系统。4、按反馈比较控制方式分类、按反馈比较控制方式分类三、伺服系统的分类三、伺服系统的分类2021-11-20（3 3）鉴幅式伺服系统）鉴幅式伺服系统 鉴幅式伺服系统是以位置检测信号的幅值大小来反映机鉴幅式伺服系统是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，一般还要将械位移的数值，并以此信号作为位置反馈信号，一般还要将此幅值信号转换成信号才与指令数字信号

31、进行比较，从而获此幅值信号转换成信号才与指令数字信号进行比较，从而获得位置偏差信号构成闭环控制系统。得位置偏差信号构成闭环控制系统。 （4 4）全数字伺服系统）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，随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展，数控伺服系统已开始采用高速度、高精度的全数字伺服系统，数控伺服系统已开始采用高速度、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。如使伺服控制技术从模拟方式、混合方式走向全数字方式。如由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化、软件处理由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化、软件处理数字数字pi

32、dpid等，使用灵活，柔性好。数字伺服系统采用了许多等，使用灵活，柔性好。数字伺服系统采用了许多新的控制技术和改进伺服性能的措施，使控制精度和品质大新的控制技术和改进伺服性能的措施，使控制精度和品质大大提高。大提高。 2021-11-20 此外，还可按驱动方式分类，将伺服系统分此外，还可按驱动方式分类，将伺服系统分为液压伺服驱动系统、电气伺服驱动系统和气压为液压伺服驱动系统、电气伺服驱动系统和气压伺服驱动系统；伺服驱动系统； 按控制信号分类，将伺服系统分为数字伺服按控制信号分类，将伺服系统分为数字伺服系统、模拟伺服系统和数字模拟混合伺服系统等。系统、模拟伺服系统和数字模拟混合伺服系统等。 第一

33、节第一节 概述概述三、伺服系统的分类三、伺服系统的分类2021-11-20第二节第二节 开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统 2021-11-20 步进控制系统的结构步进控制系统的结构 控制器控制器：plc、定位控制模块、单片机，产生脉冲，、定位控制模块、单片机，产生脉冲，进行方向信号的产生；进行方向信号的产生； 步进驱动器步进驱动器：收到脉冲，分配脉冲和功率放大，控制：收到脉冲，分配脉冲和功率放大，控制电机每一项的线圈是否通电；电机每一项的线圈是否通电； 步进电机步进电机：旋转，拖动工作台。：旋转，拖动工作台。控制器控制器 步进驱动器步进驱动器 步进电机和工作台步进电机和工作台 第二节第二节

34、 开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统2021-11-20应用范围：简易型数控机床、普通机床的数控改造。应用范围：简易型数控机床、普通机床的数控改造。第二节第二节 开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统2021-11-20第二节第二节 开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统2021-11-20 步进电机流行于步进电机流行于7070年代，该系统结构简单、年代，该系统结构简单、控制容易、维修方面，且控制为全数字化。随着控制容易、维修方面，且控制为全数字化。随着计算机技术的发展，除功率驱动电路之外，其它计算机技术的发展，除功率驱动电路之外，其它部分均可由软件实现，从而进一步简化结构。因部分均可由软件实现

35、，从而进一步简化结构。因此，这类系统目前仍有相当的市场。目前步进电此，这类系统目前仍有相当的市场。目前步进电机仅用于小容量、低速、精度要不高的场合，如机仅用于小容量、低速、精度要不高的场合，如经济型数控；打印机、绘图机等计算机的外部设经济型数控；打印机、绘图机等计算机的外部设备。备。第二节第二节 开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统2021-11-202021-11-20 步进电机是一种将电脉冲信号转化为机械角位移的电步进电机是一种将电脉冲信号转化为机械角位移的电磁机械装置。由于所用电源是脉冲电源，所以也称为磁机械装置。由于所用电源是脉冲电源，所以也称为脉冲脉冲马达马达。 步进电机和一般电机不

36、同，一般电机通电后连续转动步进电机和一般电机不同，一般电机通电后连续转动，而步进电机则随输入的脉冲按节拍一步一步地转动。对，而步进电机则随输入的脉冲按节拍一步一步地转动。对步进电机施加一个电脉冲信号时，步进电机就旋转一个固步进电机施加一个电脉冲信号时，步进电机就旋转一个固定的角度，称为一步。每一步所转过的角度叫做定的角度，称为一步。每一步所转过的角度叫做步距角步距角。 步进电机步进电机第二节第二节 开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统2021-11-20 一、步进电机的分类一、步进电机的分类按运动方式分：按运动方式分： 旋转运动、直线运动式步进电机；旋转运动、直线运动式步进电机；按工作原理分：

37、按工作原理分： 反应式（磁阻式）反应式（磁阻式）、电磁式、永磁式；、电磁式、永磁式；按结构分：按结构分： 单段式（径向式）、多段式（轴向式）；单段式（径向式）、多段式（轴向式）；按使用场合分：按使用场合分： 功率步进电机功率步进电机和控制步进电机；和控制步进电机；按使用频率分：按使用频率分： 高频率和低频步进电机；高频率和低频步进电机；不同的步进电机，其工作原理、驱动装置也不完全一样。不同的步进电机，其工作原理、驱动装置也不完全一样。第二节第二节 开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统2021-11-20按其按其输出转矩的大小输出转矩的大小来分，可以分为来分，可以分为快速步进电动机快速步进电动机

38、和和功率步进功率步进电动机电动机。快速步进电动机连续工作频率高而输出转矩较小，一般。快速步进电动机连续工作频率高而输出转矩较小，一般在在ncmncm级，可以作为控制小型精密机床的工作台级，可以作为控制小型精密机床的工作台( (例线切割机床例线切割机床) )也可以和液压转矩放大器组成电液脉冲马达去驱动数控机床的工也可以和液压转矩放大器组成电液脉冲马达去驱动数控机床的工作台，而功率步进电动机的输出转矩就比较大是作台，而功率步进电动机的输出转矩就比较大是nmnm级的，可以级的，可以直接去驱动机床的移动部件。直接去驱动机床的移动部件。 按按其励磁相数其励磁相数，可以分为，可以分为三相、四相、五相、六相

39、甚至八相三相、四相、五相、六相甚至八相。一。一般来说随着相数的增加，在相同频率的情况下，每相导通电流般来说随着相数的增加，在相同频率的情况下，每相导通电流的时间增加，各相平均电流增大，从而使电动机的转速的时间增加，各相平均电流增大，从而使电动机的转速转矩转矩特性会好些，步距角亦小。但是随着相数的增加，电动机的尺特性会好些，步距角亦小。但是随着相数的增加，电动机的尺寸就增加，结构亦复杂，目前多用寸就增加，结构亦复杂，目前多用3 36 6相的步进电动机。相的步进电动机。 一、步进电机的分类一、步进电机的分类2021-11-20 目前我国使用的步进电机多为径向反应式步进电机。目前我国使用的步进电机多

40、为径向反应式步进电机。反应式步进电机结构（径向分布）反应式步进电机结构（径向分布）第二节第二节 开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统2021-11-20 二、步进驱动的原理：二、步进驱动的原理： 步进电机步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的电磁装置，是一种将电脉冲转化为角位移的电磁装置，是一种特殊的电动机。是一种特殊的电动机。 步进电动机有步进电动机有定位定位和和运转运转两种基本状态，当有脉冲两种基本状态，当有脉冲输入时步进电动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信输入时步进电动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它就转过一定的角度。步进电动机的角位移量和输号，它就转过一定的角度。步进电动机的角

41、位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。在没的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。在没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子有脉冲输入时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态。保持原有位置处于定位状态。 2021-11-20 步进电机的结构（横向视图）步进电机的结构（横向视图）第二节第二节 开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统 由转子和定子组成由转子和定

42、子组成。定子上有。定子上有a a、b b、c c三三对磁极绕组，分别为对磁极绕组，分别为a a相、相、b b相、相、c c相。相。 转子是硅钢片软磁转子是硅钢片软磁材料迭合成的带齿廓形材料迭合成的带齿廓形状的铁心。状的铁心。2021-11-20三相三拍的原理介绍三相三拍的原理介绍模拟步进电机的动作步骤模拟步进电机的动作步骤: : 三相是指步进电机有三相定子三相是指步进电机有三相定子绕组，三拍是指每三次转换为一绕组，三拍是指每三次转换为一个循环。个循环。 三相步进电机，定子有六个磁三相步进电机，定子有六个磁极，分为三对，每个磁极上装有极，分为三对，每个磁极上装有控制绕组。一对磁极通电后，对控制绕

43、组。一对磁极通电后，对应产生应产生n/sn/s极磁场；转子为带齿的极磁场；转子为带齿的铁心（反应式）或磁钢（混合铁心（反应式）或磁钢（混合式）。式）。 当定子三相依次通电时，三对当定子三相依次通电时，三对磁极依次产生气隙磁场，吸引转磁极依次产生气隙磁场，吸引转子一步步转动。子一步步转动。2021-11-20 步进电机的工作原理：电磁铁作用原理步进电机的工作原理：电磁铁作用原理如图所示为三相反应式步进电机工作原理图。如图所示为三相反应式步进电机工作原理图。如果在定子上如果在定子上的三对绕组中的三对绕组中某相通直流电某相通直流电流，就会产生流，就会产生磁场。磁场。b b相通电相通电a a相通电相通

44、电c c相通电相通电工作原理演示工作原理演示工作原理演示工作原理演示aabccb1234aabccb1234aabccb1234abca工作原理演示工作原理演示2021-11-20 步进电机的工作原理：步进电机的工作原理：a-b-c-a a-b-c-a 反转反转 若按若按a b ca b c。通电相序连续通电，则步进电机就连续地。通电相序连续通电，则步进电机就连续地沿逆时针方向转动，每换接一次相序，步进电机沿逆时针方向转动沿逆时针方向转动，每换接一次相序，步进电机沿逆时针方向转动30300 0，即步距角为即步距角为30300 0。2021-11-20 步进电机的工作原理：步进电机的工作原理：a

45、-c-b-a a-c-b-a 正转正转工工作作原原理理演演示示 若按若按a a c c b b。进行，则转子沿顺时针方向旋。进行，则转子沿顺时针方向旋转。转。2021-11-20aabccb12341234aabccbaabccb1234abbccaab工作原理工作原理演示演示2021-11-20 电机正转：电机正转：a-c-b-aa-c-b-a 电机反转：电机反转：a-b-c-aa-b-c-a结论：结论：（1 1）电机运行方向和通电的相序有关，改变通电的相序，）电机运行方向和通电的相序有关，改变通电的相序，电机的运行方向也就改变。电机的运行方向也就改变。 改变电机正反转的话，就是改变通电方向

46、。改变电机正反转的话，就是改变通电方向。（2 2）电机转速和相序切换频率有关，切换的越快，电机转）电机转速和相序切换频率有关，切换的越快，电机转动的越快。动的越快。（3 3）电机每拍转动的角度，称为步距角）电机每拍转动的角度，称为步距角。步距角和。步距角和电机结构有关。电机结构有关。 步进电机的工作原理：步进电机的工作原理：第二节第二节 开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统2021-11-20 步进电机的步距角大小不仅与通电方式有关，还步进电机的步距角大小不仅与通电方式有关，还与转子的齿数有关。与转子的齿数有关。计算公式为：计算公式为：mzk360=式中：式中：mm定子励磁绕组相数定子励磁绕组

47、相数; ;三相时，三相时，m=3m=3；zz转子齿数转子齿数; ;kk通电方式，单为通电方式，单为1 1，双为，双为2.2.第二节第二节 开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统三相三拍：三相三拍：m=3, z=4, k=1, 则则=30。2021-11-20上述通电方式称为上述通电方式称为三相单三拍三相单三拍通电方式。通电方式。所谓所谓“单单”是指每次只有一相绕组通电的意思。是指每次只有一相绕组通电的意思。“一拍一拍”从一相通电换接到另一相通电称为一拍。从一相通电换接到另一相通电称为一拍。“三拍三拍”每一拍转子转过一个步距角，每一拍转子转过一个步距角，“三拍三拍”是指是指通电换接三次后完成一个通

48、电周期。通电换接三次后完成一个通电周期。第二节第二节 开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统2021-11-20 三相三拍的通电次序为：三相三拍的通电次序为：a-b-c-a;ab-bc-ca-aba-b-c-a;ab-bc-ca-ab 三相六拍的通电次序为：三相六拍的通电次序为：a-ab-b-bc-c-ca-aa-ab-b-bc-c-ca-a 可见三相三拍与三相六拍相比较，可见三相三拍与三相六拍相比较， 六拍的步距角小，精度高。六拍的步距角小，精度高。 设设a a相首先通电，转子齿与定子相首先通电，转子齿与定子a a、aa对齐（图对齐（图a a）。然后在）。然后在a a相继续通电的相继续通电的情

49、况下接通情况下接通b b相。这时定子相。这时定子b b、bb极对转极对转子齿子齿2 2、4 4产生磁拉力，使转子顺时针方向产生磁拉力，使转子顺时针方向转动，但是转动，但是a a、aa极继续拉住齿极继续拉住齿1 1、3 3，因，因此，转子转到两个磁拉力平衡为止。这时此，转子转到两个磁拉力平衡为止。这时转子的位置如图转子的位置如图3b3b所示，即转子从图所示，即转子从图(a)(a)位置顺时针转过了位置顺时针转过了1515。接着。接着a a相断电，相断电，b b相继续通电。这时转子齿相继续通电。这时转子齿2 2、4 4和定子和定子b b、bb极对齐（图极对齐（图c c），转子从图），转子从图(b)(

50、b)的位置的位置又转过了又转过了15 15 三相六拍通电方式三相六拍通电方式 即按即按a ab b bc c caa ab b bc c ca相序通电。（见下图）相序通电。（见下图）2021-11-20aabccb12341234aabccbaabccb1234aabccb1234aabccb1234aabccb1234a ab b bc c ca a2021-11-20转子又逆时针转转子又逆时针转15150 0，2 2、4 4齿与齿与b b相磁极对齐相磁极对齐，如果继续按，如果继续按bc c ca abc c ca a。相序通电，步进电机就沿着相序通电，步进电机就沿着逆时针方向，以逆时针方向

51、，以15150 0的步距角一步一步移动。的步距角一步一步移动。这种通电方式采用这种通电方式采用单、双相轮流通电单、双相轮流通电，在通电换接时，在通电换接时，总有一相通电，所以工作较平稳。总有一相通电，所以工作较平稳。实际使用的步进电机，一般都要求有较小的步距角，因实际使用的步进电机，一般都要求有较小的步距角，因为步距角越小所达到的位置精度越高。为步距角越小所达到的位置精度越高。工作原理：工作原理： 当当a a相通电，相通电，1 1、3 3齿齿与与a a相磁极对齐相磁极对齐。当。当a a、b b两相同时通电，因两相同时通电，因a a极吸引极吸引1 1、3 3齿，齿，b b极吸引极吸引2 2、4

52、4齿，转齿，转子逆时针旋转子逆时针旋转15150 0。随后。随后a a相断电，只有相断电，只有b b相通电。相通电。工作原理工作原理演示演示2021-11-20 通电方式通电方式 三相双三拍：三相双三拍：(正转正转) abbccaab (反转反转) accbbaac 三相六拍：三相六拍： (正转正转) a ab b bc c ca a (反转反转) a ac c cb b ba a三相单三拍：三相单三拍：(正转正转) abca (反转反转) acba第二节第二节 开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统2021-11-20m m相步进电机通电方式相步进电机通电方式 m相单相单m拍：拍：例例 abc

53、 d ea m相双相双m拍拍： 例例 abbccd deea ab 或或 abcbcdcde deaeab abc m相相2m拍：拍：例例 a ab b bc c cd d dee ea a 或或 ab abc bc bcd cd cde de dea ea eab ab 三种通电方式的特点：三种通电方式的特点： 单单m m拍：拍：每次一相通电每次一相通电, ,切换瞬间失去自锁力矩易失步切换瞬间失去自锁力矩易失步, ,在平衡位置易在平衡位置易振荡；振荡； 双双m m拍：拍：每次同时有二相通电每次同时有二相通电, ,切换瞬间仍有一相保持通电切换瞬间仍有一相保持通电, ,运行稳定；运行稳定； 2m

54、2m拍：步距角小一半，拍：步距角小一半，切换瞬间仍有一相保持通电，运行稳定；切换瞬间仍有一相保持通电，运行稳定；第二节第二节 开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统2021-11-20步进电机转速计算步进电机转速计算：360o=n60f=6fo式中：式中：nn转速（转速（r/min);r/min);ff脉冲频率，即每秒输入步进脉冲频率，即每秒输入步进电机的脉冲数；电机的脉冲数； 用度数表示的步距角。用度数表示的步距角。式中，式中，当转子的步距角一定时，步进电机的转速与输入的脉当转子的步距角一定时，步进电机的转速与输入的脉冲频率成正比。冲频率成正比。第二节第二节 开环步进式伺服系统开环步进式伺服系

55、统2021-11-20关于步进电机概念关于步进电机概念 步距角：步距角：步进电机每接受一个指令脉冲，转子相应的转角步进电机每接受一个指令脉冲，转子相应的转角 脉冲当量：脉冲当量：步进电机每接受一个指令脉冲，工作台相应的位步进电机每接受一个指令脉冲，工作台相应的位移移 转速、转角和转向的决定因素转速、转角和转向的决定因素：脉冲频率、脉冲数和通电相：脉冲频率、脉冲数和通电相序。序。 最大静转矩：最大静转矩：步进电机最大的承载能力。步进电机最大的承载能力。 启动频率：启动频率：步进电机由静止突然启动，进入不失步的正常运步进电机由静止突然启动，进入不失步的正常运行的最高频率。超过了启动频率，转子跟不上

56、定子的磁场旋行的最高频率。超过了启动频率，转子跟不上定子的磁场旋转，会产生失步。转，会产生失步。 连续运行频率：连续运行频率：当电机当电机启动后，能逐渐不失步连续升速的最启动后，能逐渐不失步连续升速的最高频率。高频率。第二节第二节 开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统2021-11-204.4.步进电机的主要特性步进电机的主要特性1 1）步距角和静态步距误差）步距角和静态步距误差步距角：步距角： m: m: 线圈相数；线圈相数； z: z: 转子齿数；转子齿数； q: 2mq: 2m拍拍 q=2 q=2 ，其它，其它 q=1q=1。步距误差：步距误差：实际步距角与理论步距角之差，一般实际步距角

57、与理论步距角之差，一般为为1010。2 2）输出扭矩输出扭矩：必须大于负载转距。：必须大于负载转距。3 3）最高启动、停止脉冲频率最高启动、停止脉冲频率： 步进电机所能接受的最高启、停脉冲频率，此值步进电机所能接受的最高启、停脉冲频率，此值必须大于负载实际启、停所需的脉冲频率。必须大于负载实际启、停所需的脉冲频率。mzq360=2021-11-204.4.步进电机的主要特性步进电机的主要特性4 4）连续运行的最高工作频率：连续运行的最高工作频率： 步进电机连续运行所能接受的最高工作频率，此值必须步进电机连续运行所能接受的最高工作频率，此值必须小于步进电机实际运行的最高工作频率。小于步进电机实际

58、运行的最高工作频率。5 5）步进运行和低频振荡步进运行和低频振荡 步进运行：步进运行：当脉冲间隔大于步进电机的过渡过程时，电机当脉冲间隔大于步进电机的过渡过程时，电机呈步进运行状态呈步进运行状态 低频振荡：低频振荡：当脉冲频率接近步进电机的固有频率时，将产当脉冲频率接近步进电机的固有频率时，将产生振荡（必要时可设可调阻尼器）生振荡（必要时可设可调阻尼器）第二节第二节 开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统2021-11-205.5.步进电机的优点步进电机的优点1 1）由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不会将一步由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不会将一步的误差积累到下一步因而有较好的

59、位置精度和运动的重复性；的误差积累到下一步因而有较好的位置精度和运动的重复性； 2 2） 优秀的起停和反转响应；优秀的起停和反转响应； 3 3） 由于没有电刷，可靠性较高，因此电机的寿命仅仅取决于由于没有电刷，可靠性较高，因此电机的寿命仅仅取决于轴承的寿命；轴承的寿命； 4 4） 电机的响应仅由数字输入脉冲确定，因而可以采用开环控电机的响应仅由数字输入脉冲确定，因而可以采用开环控制，这使得电机的结构可以比较简单而且控制成本；制，这使得电机的结构可以比较简单而且控制成本；5 5） 仅仅将负载直接连接到电机的转轴上也可以极低速的同步仅仅将负载直接连接到电机的转轴上也可以极低速的同步旋转。旋转。 6

60、 6） 由于速度正比于脉冲频率，因而有比较宽的转速范围。由于速度正比于脉冲频率，因而有比较宽的转速范围。 第二节第二节 开环步进式伺服系统开环步进式伺服系统2021-11-206.6.步进电机的缺点步进电机的缺点1 1） 如果控制不当容易产生共振；如果控制不当容易产生共振； 2 2） 难以运转到较高的转速；难以运转到较高的转速； 3 3） 难以获得较大的转矩；难以获得较大的转矩； 4 4） 在体积重量方面没有优势，能源利用率低；在体积重量方面没有优势，能源利用率低； 5 5） 超过负载时会破坏同步，高速工作时会发出振动和噪声。超过负载时会破坏同步，高速工作时会发出振动和噪声。第二节第二节 开环