Chapter数控机床的驱动与位置控制

1、1教学内容教学内容第第5 5章章 数控机床的驱动与位置控制数控机床的驱动与位置控制5.1 5.1 概述概述5.2 5.2 开环进给伺服系统开环进给伺服系统5.3 5.3 闭环进给伺服系统闭环进给伺服系统5.4 5.4 检测元件检测元件2数控机床伺服系统数控机床伺服系统 以机床移动部件的以机床移动部件的位置位置和和速度速度为控制量的自动控为控制量的自动控制系统，又称制系统，又称随动系统随动系统、拖动系统拖动系统或或伺服机构伺服机构 在数控机床中，伺服是指有关的传动或运动参数在数控机床中，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，这些参数主要均严格按照数控装置的控制指令实现，这

2、些参数主要包括包括运动的速度运动的速度、运动的方向运动的方向和和运动的起停位置运动的起停位置等等; ; 伺服系统是数控装置和机床的联系环节，是实现伺服系统是数控装置和机床的联系环节，是实现刀具与工件间运动、主电机运动的驱动和执行机构，刀具与工件间运动、主电机运动的驱动和执行机构，是数控机床的是数控机床的“四肢四肢”; ;伺服系统的性能，在很大程度伺服系统的性能，在很大程度上决定了数控机床的性能。上决定了数控机床的性能。 35.1.1 5.1.1 伺服系统的基本要求伺服系统的基本要求 5.1.2 5.1.2 伺服系统的分类伺服系统的分类 5.1 5.1 概述概述5.1.3 5.1.3 常用伺服电

3、动机常用伺服电动机 41 1、精度高、精度高 包括包括位移精度位移精度和和定位精度定位精度。 位移精度：位移精度：指令脉冲要求机床工作台进给的位移指令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符合程度。两者误差愈小，伺服系统的位移精之间的符合程度。两者误差愈小，伺服系统的位移精度愈高。全程范围可达度愈高。全程范围可达5 5m mm m。 定位精度：定位精度：输出量能复现输入量的精确程度。一输出量能复现输入量的精确程度。一般允许偏差在般允许偏差在0.010.010.001mm0.001mm之间，甚至到之间，甚至到

4、0.10.1m mm m。5.1.1 5.1.1 伺服系统的基本要求伺服系统的基本要求 52 2、稳定性好、稳定性好 稳定性是指系统在给定输入或外界干扰作用下，稳定性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，达到新的或者恢复到原来的能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态的一种性能。对伺服系统要求有较强的平衡状态的一种性能。对伺服系统要求有较强的抗干抗干扰能力扰能力，保证进给速度均匀、平稳。，保证进给速度均匀、平稳。 稳定性直接影响数控加工的精度和表面粗糙度。稳定性直接影响数控加工的精度和表面粗糙度。6 t F tp3 3、动态响应快、动态响应快动态响应表示系统的

5、跟动态响应表示系统的跟踪精度。当负载突变时，踪精度。当负载突变时，过渡过程前沿要陡，恢过渡过程前沿要陡，恢复时间要短复时间要短( (一般在一般在200ms200ms以内以内) )，且无振荡。，且无振荡。这样才能得到这样才能得到光滑的加光滑的加工表面工表面。74 4、调速范围宽且速度稳定、调速范围宽且速度稳定 调速范围调速范围S是指机械装置要求电动机能提供的最高是指机械装置要求电动机能提供的最高转速和最低转速之比。转速和最低转速之比。maxminSnnmin100000.1min1minSmmFmm且 速度稳定：指输出速度的波动要少，尤其是在速度稳定：指输出速度的波动要少，尤其是在低低速时的平稳

6、性速时的平稳性显得特别重要。显得特别重要。85 5、低速大转矩、低速大转矩 数控机床加工的特点是在低速时进行重切削。因此，数控机床加工的特点是在低速时进行重切削。因此，要求伺服系统在低速时要有大的转矩输出。要求伺服系统在低速时要有大的转矩输出。 为了满足对伺服系统的要求，对伺服系统的执行元为了满足对伺服系统的要求，对伺服系统的执行元件件伺服电动机伺服电动机也相应提出高精度、快响应、宽调速和大也相应提出高精度、快响应、宽调速和大转矩的要求。转矩的要求。电动机从低速到高速能平滑运转，转矩波动小，尤其电动机从低速到高速能平滑运转，转矩波动小，尤其在最低转速时，仍有平稳的速度而无在最低转速时，仍有平稳

7、的速度而无爬行现象爬行现象。电动机电动机负载特性硬负载特性硬，应具有较长时间的较大过载能力，应具有较长时间的较大过载能力，以满足低速大扭矩的要求。以满足低速大扭矩的要求。9满足快速响应的要求，即随着控制信号的变化，满足快速响应的要求，即随着控制信号的变化，电动机应能在较短时间内达到规定的速度。因此，电动机应能在较短时间内达到规定的速度。因此，伺服电动机必须具有伺服电动机必须具有较小的转动惯量较小的转动惯量和和大的堵转大的堵转转矩转矩，机电时间常数机电时间常数和启动电压应尽可能小。和启动电压应尽可能小。电动机应能承受频繁的启动、制动和反转。电动机应能承受频繁的启动、制动和反转。101 1、按调节

8、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 2）闭环伺服系统）闭环伺服系统 3 3）半闭环伺服系统）半闭环伺服系统5.1.2 5.1.2 伺服系统的分类伺服系统的分类 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111 1）开环伺服系统）开环伺服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驱动元件主要是功率驱动元件主要是功率步进电动机步进电动机或或电液脉冲马达电液脉冲马达。特点与用

9、途：特点与用途：开环系统的结构简单，易于控制，但精度差，低开环系统的结构简单，易于控制，但精度差，低速不平稳，高速扭矩小。速不平稳，高速扭矩小。 一般用于轻载负载或经济型数控机床上。一般用于轻载负载或经济型数控机床上。122 2）闭环伺服系统）闭环伺服系统指令指令伺服电伺服电机机速度检速度检测测速度控速度控制制位置控位置控制制位置检位置检测测闭环伺服系统是闭环伺服系统是反馈控制反馈控制，反馈测量装置精度很高，所以系统传，反馈测量装置精度很高，所以系统传动链的误差，环内各元件的误差以及运动中造成的误差都可以得动链的误差，环内各元件的误差以及运动中造成的误差都可以得到补偿，从而到补偿，从而大大提高

10、了跟随精度和定位精度大大提高了跟随精度和定位精度。133 3）半闭环伺服系统）半闭环伺服系统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142. 2. 按使用驱动电机分类按使用驱动电机分类1 1）直流伺服系统）直流伺服系统 进给运动系统采用进给运动系统采用大惯量宽调速永磁直流伺服电机大惯量宽调速永磁直流伺服电机和和中小惯中小惯量直流伺服电机量直流伺服电机；主运动系统采用他激直流伺服电机。优点：调；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。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

11、伺服电机交流感应异步伺服电机（一般用于主轴伺服系统）和（一般用于主轴伺服系统）和永磁同永磁同步伺服电机步伺服电机（一般用于进给伺服系统）。（一般用于进给伺服系统）。 优点：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、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。转速高和容量大。153 3、按进给驱动和主轴分类、按进给驱动和主轴分类1 1）进给伺服系统）进给伺服系统 进给伺服系统是指一般概念的伺服系统，它包括速度进给伺服系统是指一般概念的伺服系统，它包括速度控制环和位置控制环。控制环和位置控制环。2 2）主轴伺服系统）主轴伺服系统 一般的主轴控制只是一

12、个速度控制系统。具有一般的主轴控制只是一个速度控制系统。具有C C轴控轴控制制的主轴与进给伺服系统一样，为一般概念的位置伺服控的主轴与进给伺服系统一样，为一般概念的位置伺服控制系统。制系统。164 4、按反馈比较控制方式分类、按反馈比较控制方式分类1 1）脉冲、数字比较伺服系统）脉冲、数字比较伺服系统（闭环伺服的控制方式）（闭环伺服的控制方式） 2 2）相位比较伺服系统）相位比较伺服系统（位置检测装置工作方式）（位置检测装置工作方式） 3 3）幅值比较伺服系统）幅值比较伺服系统（位置检测装置工作方式）（位置检测装置工作方式） 4 4）全数字伺服系统（）全数字伺服系统（位置、速度和电流构成的三环

13、反馈位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化）全部数字化）175.1.3 5.1.3 常用伺服电动机常用伺服电动机 伺服电动机是指能够伺服电动机是指能够精密地控制其位置精密地控制其位置的一类电动机。的一类电动机。主要功能是转换和传递信号。伺服电动机在机床伺服系主要功能是转换和传递信号。伺服电动机在机床伺服系统中用作统中用作执行元件执行元件。常用的伺服电动机分为。常用的伺服电动机分为4 4大类：大类：1 1、直流伺服电动机、直流伺服电动机 2 2、交流伺服电动机、交流伺服电动机 3 3、步进电动机、步进电动机 4 4、直接驱动电动机、直接驱动电动机 181 1、直流伺服电动机（、直流伺服电动机（

14、调速性能良好调速性能良好）1 1）永磁直流伺服电动机：）永磁直流伺服电动机：用于一般的直流伺服系统。用于一般的直流伺服系统。 2 2）无槽电枢直流伺服电动机：）无槽电枢直流伺服电动机：用于需要快速动作、功用于需要快速动作、功率较大的伺服系统。率较大的伺服系统。3 3）空心杯电枢直流伺服电动机：）空心杯电枢直流伺服电动机：用于需要快速动作的用于需要快速动作的伺服系统。伺服系统。4 4）印制绕组直流伺服电动机：）印制绕组直流伺服电动机：用于低速运行和起动、用于低速运行和起动、反转频繁的系统。反转频繁的系统。 192 2、交流伺服电动机（、交流伺服电动机（主要使用的电机主要使用的电机）1 1）同步型

15、交流伺服电动机：）同步型交流伺服电动机：常用于位置伺服系统，如常用于位置伺服系统，如数控机床的进给系统。常见的功率范围是几十瓦几千数控机床的进给系统。常见的功率范围是几十瓦几千瓦，个别的达到几十千瓦。瓦，个别的达到几十千瓦。 2 2）异步型交流伺服电动机：）异步型交流伺服电动机：主要用于需要以恒功率扩主要用于需要以恒功率扩展调速范围的大功率调速系统中，如在数控机床中用作展调速范围的大功率调速系统中，如在数控机床中用作主轴系统驱动，常见的功率范围是几千瓦以上。主轴系统驱动，常见的功率范围是几千瓦以上。203 3、步进电动机（适于轻载、负荷变动不大）、步进电动机（适于轻载、负荷变动不大） 反应式步

16、进电动机；反应式步进电动机； 永磁式步进电动机；永磁式步进电动机； 永磁感应式步进电动机。永磁感应式步进电动机。214 4、直线驱动电动机：（、直线驱动电动机：（高速、高精度高速、高精度） 1 1）直流力矩电动机）直流力矩电动机 2 2）同步型交流伺服电动机）同步型交流伺服电动机 3 3）变磁阻电动机变磁阻电动机 225.2.1 5.2.1 开环进给伺服系统开环进给伺服系统5.2.2 5.2.2 步进电动机步进电动机 5.2 5.2 开环进给伺服系统开环进给伺服系统5.2.4 5.2.4 步进电动机驱动电路步进电动机驱动电路 5.2.3 5.2.3 步进电动机的开环系统设计步进电动机的开环系统

17、设计 236.2.1 6.2.1 开环进给伺服系统开环进给伺服系统开环控制系统是没有反馈的控制系统。开环控制系统是没有反馈的控制系统。 246.2.2 6.2.2 步进电动机步进电动机 原理原理：步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号转换成：步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号转换成线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，电机转动一线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，电机转动一个角度个角度( (步距角步距角) )，带动机械移动一小段距离。，带动机械移动一小段距离。特点特点：（1 1）来一个脉冲，转一个步距角；）来一个脉冲，转一个步距角；（2 2）控制脉冲频率，可控制电机转速；）控制脉冲频率，可控

18、制电机转速；（3 3）改变脉冲顺序，改变方向。）改变脉冲顺序，改变方向。251 1、步进电机的分类、步进电机的分类u按运动方式分：旋转运动、直线运动、平面运动；按运动方式分：旋转运动、直线运动、平面运动；u按工作原理分：磁阻式、电磁式、永磁式；按工作原理分：磁阻式、电磁式、永磁式；u按结构分：单段式（径向式）、多段式（轴向式）；按结构分：单段式（径向式）、多段式（轴向式）；u按使用场合分：功率步进电机和控制步进电机；按使用场合分：功率步进电机和控制步进电机；u按相数分：三相、四相、五相、六相、八相等；按相数分：三相、四相、五相、六相、八相等；u按使用频率分：高频率和低频步进电机。按使用频率分：

19、高频率和低频步进电机。不同的步进电机，工作原理驱动装置也不完全一样。不同的步进电机，工作原理驱动装置也不完全一样。26反应式步进电机反应式步进电机特点特点1 1）定转子开小齿；）定转子开小齿；2 2）定转子均为软磁）定转子均为软磁材料；材料；3 3）小步距。）小步距。2 2、步进电动机结构、步进电动机结构27步进电机主要由两部分构成：步进电机主要由两部分构成：定子定子和和转子转子。它们均。它们均由磁性材料构成，其上分别有六个、四个磁极由磁性材料构成，其上分别有六个、四个磁极 。定子定子转子转子定子绕组定子绕组28定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的

20、磁极组成一相。成一相。ABC定子定子转子转子IAIBIC29永磁式步进电机结构永磁式步进电机结构特点特点1 1）转子磁极为永）转子磁极为永磁材料；磁材料；2 2）定子每极相数）定子每极相数等于转子极数；等于转子极数；3 3）不开小齿，大）不开小齿，大步矩、大力矩。步矩、大力矩。30混合式步进电机混合式步进电机(Hybrid)(Hybrid)结构结构特点：转子永磁、两极，定转子均开小齿，混合二者特点：转子永磁、两极，定转子均开小齿，混合二者优点。优点。313 3、步进电动机的工作原理、步进电动机的工作原理三相反应式步进电机三相反应式步进电机 步进电机由转子和定子组成。定子上有步进电机由转子和定子

21、组成。定子上有A、B、C三对磁极三对磁极绕组，分别为绕组，分别为A相、相、B相、相、C相。相。 转子是硅钢片软磁材料迭合转子是硅钢片软磁材料迭合成的带齿廓形状的铁心。成的带齿廓形状的铁心。 这种步进电机称为三相这种步进电机称为三相步进电机。如果在定子上的步进电机。如果在定子上的三对绕组中通三对绕组中通直流电流直流电流，就，就会产生磁场。会产生磁场。CABBCA341232三相步进电机的三相步进电机的工作方式工作方式可分为：可分为： 三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。1 1）三相单三拍）三相单三拍（1 1）三相绕组中的通电顺序为：）三相绕组中的通电顺

22、序为：A 相相 B 相相C 相相通电顺序也可以为：通电顺序也可以为： A 相相 C 相相B 相相 CABBCA341233（2 2）工作过程）工作过程化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁路的化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁路的磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动。磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动。A相通电，相通电，A方向的磁通方向的磁通经转子形成闭合回路。经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向若转子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁原有一定角度，则在磁场的作用下，转子被磁场的作用下，转子被磁A A相通电使转子相通电使转子1 1、3 3齿和齿和AA 对齐。对齐。CABBCA34

23、1234CABBCA3412B相通电，转子相通电，转子2 2、4 4齿和齿和B相轴线相轴线对齐，相对对齐，相对A A相通电位置转相通电位置转30 ；1C342CABBAC相通电再转相通电再转3030 。 若按若按A A B B C C通电相序连续通电，则步进电机通电相序连续通电，则步进电机就连续地沿顺时针方向转动，每换接一次相序，步进就连续地沿顺时针方向转动，每换接一次相序，步进电机沿顺时针方向转动电机沿顺时针方向转动30300 0，即步距角为，即步距角为30300 0。35这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且，一个循环周期共包括三个脉

24、冲，所以称三相单三且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。拍。三相单三拍的特点：三相单三拍的特点：每来一个电脉冲，转子转过每来一个电脉冲，转子转过 30 。此角称为步距角，。此角称为步距角，用用 表示。表示。转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，改变转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，改变通电顺序即可改变转向。通电顺序即可改变转向。 若按若按ACB进行，则转子沿逆时针方向旋转。进行，则转子沿逆时针方向旋转。362 2）三相单双六拍）三相单双六拍三相绕组的通电顺序为：三相绕组的通电顺序为： AABBBCCCAA共六拍。共六拍。工作过程：工作过程：A相通电，相通电，转子转子1 1、

25、3 3齿和齿和A相对齐。相对齐。CABBCA341237所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA 通通电，转子转了电，转子转了1515。BB 磁场对磁场对 2 2、4 4 齿有磁拉力，该拉力使转子顺齿有磁拉力，该拉力使转子顺时针方向转动。时针方向转动。A、B相同时通电相同时通电AA 磁场继续对磁场继续对1 1、3 3齿有拉力。齿有拉力。CABBCA341238总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称为总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称为三相六拍，步距角为三相六拍，步距角为1515 。CABBCA3412B相通电，相通电，转子转子2 2、4 4齿

26、和齿和B相对齐，又转了相对齐，又转了15 。393 3）三相双三拍）三相双三拍三相绕组的通电顺序为：三相绕组的通电顺序为： AB BC CA AB共三拍。共三拍。AB通电通电CABBCA3412CABBCA3412BC通电通电CABBCA3412CA通电通电40比较：比较： 以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。工作方式为三相双三拍时，每通入一个电脉冲，转子工作方式为三相双三拍时，每通入一个电脉冲，转子也是转也是转3030 ，即，即 = 30 。实际使用的步进电机，一般都要求有较小的步

27、距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。角，因为步距角越小所达到的位置精度越高。414 4、小步距角的步进电动机、小步距角的步进电动机 实际采用的步进电机的步距角多为实际采用的步进电机的步距角多为3 3和和1.51.5，步距角，步距角越小，机加工的精度越高。越小，机加工的精度越高。 为产生小步距角，定、转子都做为产生小步距角，定、转子都做成多齿的，图中转子成多齿的，图中转子4040个齿，定子仍个齿，定子仍是是6 6个磁极，但每个磁极上也有五个个磁极，但每个磁极上也有五个齿。为使转、定子的齿对齐，定子磁齿。为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿的齿宽和

28、齿槽与转子的相极上的小齿的齿宽和齿槽与转子的相同。同。42转子的齿距等于转子的齿距等于360360 /40=9/40=9 ，齿宽、齿槽各，齿宽、齿槽各4.54.5 。为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿的齿宽和齿槽与转子的相同。的齿宽和齿槽与转子的相同。431 1）工作原理：假设是单三拍通电工作方式。）工作原理：假设是单三拍通电工作方式。（1 1）A相通电时，定子相通电时，定子A相的五个小齿和转子对齐。相的五个小齿和转子对齐。此时，此时，B相和相和A相空间差相空间差120120 ，含，含120120 /9/9 = = 齿，齿，A相和相和C相差相差2402

29、40 ，含，含240240 / /9 9 = = 个齿；所以，个齿；所以，A相的相的转子、定子的五个小齿对齐时，转子、定子的五个小齿对齐时，B相、相、C相不能对齐，相不能对齐，B相的转子、定子相差相的转子、定子相差1/3 1/3 个齿（个齿（3 3 ），），C相的转子、相的转子、定子相差定子相差2/32/3个齿（个齿（6 6 ）；）；（2 2）A相断电、相断电、B相通电后，转子只需转过相通电后，转子只需转过1/31/3个齿，个齿，使使B相转子、定子对齐。同理，相转子、定子对齐。同理，C相通电再转相通电再转3 3 ； 若工作方式改为三相六拍，则每通一个电脉冲，若工作方式改为三相六拍，则每通一个电

30、脉冲，转子只转转子只转1.51.5 。445 5、步距角和转速计算、步距角和转速计算1 1）步距角）步距角mk：一个周期的运行拍数一个周期的运行拍数Z：转子齿数转子齿数360Zmk如：如：Z=40 , mk=3时时3603403拍数：拍数：mkk=1 奇数拍制奇数拍制2 偶数拍制偶数拍制m：相数：相数45每输入一个脉冲，电机转过每输入一个脉冲，电机转过360mZk6060360( /min)3606ffnfrmZkmZk即转过整个圆周的即转过整个圆周的1/(1/(Zmk）, 也就是也就是1/(1/(Zmk）转转因此每分钟转过的圆周数，即转速为因此每分钟转过的圆周数，即转速为式中：式中：n转速转

31、速（r/min);f脉冲频率，即每秒输入步进电机的脉冲数；脉冲频率，即每秒输入步进电机的脉冲数； 用度数表示的步距角。用度数表示的步距角。2 2）转速）转速466 6、步进电机的特点、步进电机的特点（1 1）步进电机的输出转角与脉冲频率严格成正比，所以控制）步进电机的输出转角与脉冲频率严格成正比，所以控制输入步进电机的输入步进电机的脉冲个数脉冲个数就能控制就能控制位移量位移量；（2 2）步进电机的转速与输入的脉冲频率成正比，只要控制）步进电机的转速与输入的脉冲频率成正比，只要控制脉脉冲频率冲频率就能调节步进电机的就能调节步进电机的转速转速；（3 3）当停止送入脉冲时，只要维持绕组内电流不变，电

32、机轴）当停止送入脉冲时，只要维持绕组内电流不变，电机轴可以保持在某固定位置上，可以保持在某固定位置上，不需要机械制动装置不需要机械制动装置；（4 4）改变）改变通电相序通电相序即可改变电机即可改变电机转向转向；（5 5）步进电机存在齿间相邻误差，但）步进电机存在齿间相邻误差，但不存在累积误差不存在累积误差。477 7、步进电机的使用特性、步进电机的使用特性1 1）步距误差）步距误差 步距误差直接影响执行部件的定位精度。步距误差直接影响执行部件的定位精度。 当单相通电时，步距误差决定于定子转子的分齿精度以当单相通电时，步距误差决定于定子转子的分齿精度以及各相定子错位角度的精度；及各相定子错位角度

33、的精度； 多相通电时，步距误差还与各相电流的大小、磁路性能多相通电时，步距误差还与各相电流的大小、磁路性能等因素有关。等因素有关。 国产步进电机的步距误差一般为国产步进电机的步距误差一般为10101515， 功率步进电机的步距误差一般为功率步进电机的步距误差一般为20202525。482 2）最高启动频率和最高工作频率）最高启动频率和最高工作频率 最高启动频率：最高启动频率：空载时，步进电机由静止突然启动，并空载时，步进电机由静止突然启动，并不失步地进入稳速运行，所允许的启动频率的最高值。当启不失步地进入稳速运行，所允许的启动频率的最高值。当启动频率大于最高启动频率时，电机便不能正常运行。最高

34、启动频率大于最高启动频率时，电机便不能正常运行。最高启动频率动频率fg与步进电机的负载惯量与步进电机的负载惯量J有关，有关，J增大则增大则fg将下降。将下降。 最高工作频率：最高工作频率： 步进电机连续运行时所能接受的最高频率。步进电机连续运行时所能接受的最高频率。 它与步距角一起决定执行部件的最大运动速度。它与步距角一起决定执行部件的最大运动速度。 它决定于负载惯量它决定于负载惯量J，还与定子相数，通电方式，控制还与定子相数，通电方式，控制电路的功率放大级等因素有关。电路的功率放大级等因素有关。49 -步进电动机的输出转矩与控制脉冲频率之间的关系。步进电动机的输出转矩与控制脉冲频率之间的关系

35、。步进电动机矩频特性步进电动机矩频特性特点特点下降曲线：下降曲线：以最大负载转矩（启以最大负载转矩（启动转矩）动转矩）Tq为起点，随为起点，随着控制脉冲频率增加着控制脉冲频率增加，步进电动机的转速，步进电动机的转速逐步升高、而带负载逐步升高、而带负载能力却下降。能力却下降。共振区共振区3 3）转矩）转矩- -频率特性频率特性 TorquePulse Rate50绕组电感影响绕组电感影响绕组中的电流上升和下降都绕组中的电流上升和下降都需要一定的时间。当脉冲频需要一定的时间。当脉冲频率较低时绕组通电的周期较率较低时绕组通电的周期较长，电流的平均值较大，电长，电流的平均值较大，电动机获得的能量较高，

36、能维动机获得的能量较高，能维持较高的转矩；当脉冲频率持较高的转矩；当脉冲频率较高时，绕组中通电的周期较高时，绕组中通电的周期较短较短, , 电流的平均值较小，电流的平均值较小，电动机获得的能量较少，转电动机获得的能量较少，转矩下降。矩下降。铁耗：铁耗：随着频率上升，转随着频率上升，转子转速升高，在定子绕组中子转速升高，在定子绕组中产生的附加旋转电势使电动产生的附加旋转电势使电动机受到更大的阻尼转矩，铁机受到更大的阻尼转矩，铁芯的涡流损失也增加。芯的涡流损失也增加。矩频特性下降的原因矩频特性下降的原因 根据负载要求参根据负载要求参照照高频输出转矩高频输出转矩来选来选用步进电机的规格。用步进电机的

37、规格。51改进工作方式改进工作方式 采用多相励磁的工作方式，例如，三相步进电采用多相励磁的工作方式，例如，三相步进电动机的双三拍、六拍方式。动机的双三拍、六拍方式。 多相励磁工作方式使每一相通电的时间延长，多相励磁工作方式使每一相通电的时间延长，电动机就能获得较多的能量，使高频时输出的转矩电动机就能获得较多的能量，使高频时输出的转矩增加。增加。提高矩频特性的高频性能措施提高矩频特性的高频性能措施525.2.3 5.2.3 步进电动机的开环系统设计步进电动机的开环系统设计 步进电机开环系统设计要解决的主要问题：步进电机开环系统设计要解决的主要问题： 1 1、传动计算、传动计算 2 2、进给指令的

38、给定、进给指令的给定 3 3、驱动电路设计或、驱动电路设计或选择选择。1 1、步进电机开环进给系统的传动计算、步进电机开环进给系统的传动计算图中：图中：f 脉冲频率（脉冲频率（Hz ） 步距角步距角 （度）（度） Z1 1、Z2 2 传动齿轮齿数传动齿轮齿数 t 螺距（螺距（mm） d d 脉冲当量（脉冲当量（mm）步进电机步进电机Z1Z2d dtf， 5312360ZiZtd360:i t d112220360360200010825075 625d.ZZiZZt传动比选择：传动比选择： 为了凑脉冲当量为了凑脉冲当量d dmm，也为了增大传递的扭矩，在步进电机也为了增大传递的扭矩，在步进电机

39、与丝杠之间，要增加一对齿轮传动副，那么，传动比与丝杠之间，要增加一对齿轮传动副，那么，传动比 i= =Z1 1/ /Z2 2与与 、d d 、t之间有如下关系：之间有如下关系：例：例：d d = 0.01 = 0.01 t = 6 mm = 6 mm = 0.75= 0.7554minmmf60Fdminmaxmm96004800Fminmaxmm960480FmaxfmaxFZH160008000fmax2 2、进给速度、进给速度F：一般步进电机：一般步进电机：若：若：d d=0.01 =0.01 mm 则：则：若：若：d d=0.001=0.001mm 则：则： 因此，当因此，当 一定时，

40、一定时， 与与d d成正比，故我们在成正比，故我们在谈到步进电机开环系统的最高速度时，都应指明是在谈到步进电机开环系统的最高速度时，都应指明是在多大的脉冲当量多大的脉冲当量d d下的，否则是没有意义的。下的，否则是没有意义的。55驱动电路通常由驱动电路通常由环形分配器环形分配器和和功率放大器功率放大器组成。组成。 1 1）环形分配器）环形分配器 硬件环形分配器硬件环形分配器软件环行分配器软件环行分配器软件环形分配器只需编制不同的软件环分程序，将其软件环形分配器只需编制不同的软件环分程序，将其存入存入CNC装置的装置的EPROM中即可。中即可。 3 3、步进电机的驱动电路、步进电机的驱动电路作用

41、：将数控装置送来的一系列指令脉冲按一定的顺作用：将数控装置送来的一系列指令脉冲按一定的顺序和分配方式，控制绕组的通电、断电，实现电动机序和分配方式，控制绕组的通电、断电，实现电动机的正反转。的正反转。562 2）功率放大器）功率放大器 功率放大器作用：功率放大器作用： 将环形分配器输出的将环形分配器输出的TTLTTL电平的通电状态信号经过几级功电平的通电状态信号经过几级功率放大，用于控制步进电动机各相绕组电流按一定顺序切换。率放大，用于控制步进电动机各相绕组电流按一定顺序切换。 脉冲分配器输出的电流很小，必需经过功率放大。脉冲分配器输出的电流很小，必需经过功率放大。 过去常采用高低压切换驱动电

42、路，现在则多采用过去常采用高低压切换驱动电路，现在则多采用恒流斩恒流斩波波和和调频调压调频调压等形式的驱动电源。等形式的驱动电源。573 3）驱动装置与数控系统的连接）驱动装置与数控系统的连接 硬件环形分配器与数控装置的连接硬件环形分配器与数控装置的连接58软件环形分配器与数控装置的连接软件环形分配器与数控装置的连接或PLC高速脉冲输出口59步进电机的步距角精度；步进电机的步距角精度；机械传动部件的精度；机械传动部件的精度；丝杆等机械传动部件、支承的传动间隙；丝杆等机械传动部件、支承的传动间隙；传动件和支承件的变形。传动件和支承件的变形。 4 4、影响步进电机开环系统传动精度的因素、影响步进电

43、机开环系统传动精度的因素605 5、提高步进电机开环系统传动精度的措施、提高步进电机开环系统传动精度的措施1 1）适当提高系统组成环节的精度；）适当提高系统组成环节的精度；2 2）采取各种精度补偿措施）采取各种精度补偿措施 传动间隙补偿：传动间隙补偿： 在整个行程范围内测量传动机构传动间隙，取其平均值在整个行程范围内测量传动机构传动间隙，取其平均值存放在数控系统中的间隙补偿单元，当进给系统反向运动时，存放在数控系统中的间隙补偿单元，当进给系统反向运动时，数控系统自动将补偿值加到进给指令中，从而达到补偿目的。数控系统自动将补偿值加到进给指令中，从而达到补偿目的。 螺距误差补偿：螺距误差补偿： 首

44、先测量出进给丝杠螺距误差曲线首先测量出进给丝杠螺距误差曲线( (规律规律) )，然后可采用，然后可采用下列两种方法实现误差补偿：硬件补偿、软件补偿。下列两种方法实现误差补偿：硬件补偿、软件补偿。例例1: 设设X-Y 工作台由步进电机直接经丝杆螺母副驱工作台由步进电机直接经丝杆螺母副驱动，丝杆螺距为动，丝杆螺距为5mm，步进电机步距角为，步进电机步距角为150，工作，工作方式三相六拍，工作台最大行程为方式三相六拍，工作台最大行程为400mm，求：（，求：（1）脉冲当量；脉冲当量；（2）微机发出的脉冲总数是多少？）微机发出的脉冲总数是多少？步进电机步进电机Z1Z2d dtf， (2)计算脉冲数计算

45、脉冲数n，由，由 n d d=L(=L(工作台最大行程）工作台最大行程）所以，脉冲数为：所以，脉冲数为： n =L/ =L/ d d400/0.0208319200400/0.0208319200步步解：解： （1）计算脉冲当量：）计算脉冲当量：360 d d L0已知， L0=5mm， =150 求脉冲当量求脉冲当量d d ？d d5/360 5/360 1.5=0.02083(mm)2、步进电机直接经丝杆螺母驱动工作台，步进电机步进电机直接经丝杆螺母驱动工作台，步进电机步距角步距角0.720,工作台质量为工作台质量为100kg，负载质量为，负载质量为50kg，切削负载为切削负载为4000N

46、，丝杆螺距为，丝杆螺距为5mm，如果步进电机，如果步进电机从从500Hz线性加速到线性加速到2000Hz，加速时间为，加速时间为0.2S，求步，求步进电机的驱动转距？进电机的驱动转距？解：解：忽略滚珠丝杠及电机的转动惯量，则折算到电机忽略滚珠丝杠及电机的转动惯量，则折算到电机轴上的等效惯量：轴上的等效惯量：J=m(V)已知：已知：m=100+50=150kg , f=500Hz; V=f d d=500=500 0.01=5mm/s360 d d L0 = 0.01mm2J=m(V)2所以，=（100+50）（5/2） =95.08 10-6(kg.m)22(2)求电机轴的等效矩：求电机轴的等

47、效矩： T =F（ ）VF为切削负载为切削负载4000N;V5mm/s=4000（5/2 ）=3184.7 Nmm=3.184 NM(3)步进电动机的角加速度：步进电动机的角加速度：=d dt=dfdt=(t 0 )t2 3600.72=2000 5000.2 2 360 0.72=94.2 rad/s2所以，步进电机的启力矩为：所以，步进电机的启力矩为： T q T + J T等效力矩；等效力矩；J 快速空载启动时产生的最大加速快速空载启动时产生的最大加速度所需的力矩。度所需的力矩。 步进电动机的角加速度。步进电动机的角加速度。所以， T q T + J =3.184+95.2 10-6 9

48、4.2= 3.27 N.m3、一台五相步进电机，五相五拍运行时其步距角是一台五相步进电机，五相五拍运行时其步距角是1.50，此电动机转子上应有几个齿？齿距角是多少？，此电动机转子上应有几个齿？齿距角是多少？此电动机若按十拍运行，齿距角是多少度？按五拍和此电动机若按十拍运行，齿距角是多少度？按五拍和十拍运行时，每走一步对应的电角度是多少？十拍运行时，每走一步对应的电角度是多少？解：（解：（1）步距角：）步距角：360 mKz 0Z齿数；m相数；K1 五拍（单拍）2 十拍（双拍）所以，五拍运行时：五拍运行时：360 mKz 0=1.5 0K=1m=5Z=360 0/5 1=72齿十拍运行时：十拍运

49、行时：360 5 2 72 0=0.75 0(2)齿距角：c=36072 0= 5 0齿距角的电角度：e=360 m K 0五拍运行时： e=360 5 1 0=72 0十拍运行时：e=360 5 2 =36 0 04、设有一步进电机驱动的工作台，步进电机通过减速齿轮设有一步进电机驱动的工作台，步进电机通过减速齿轮副驱动滚珠丝杆，其参数符号如下：脉冲当量副驱动滚珠丝杆，其参数符号如下：脉冲当量d d，滚珠丝杆，滚珠丝杆的基本导程为的基本导程为L。步进电机的步距角为。步进电机的步距角为 ,减速齿轮比为减速齿轮比为1：i, 问题；问题；（1）试写出）试写出d d、 、 L。 I之间之间 的关系；的

50、关系；（2）若）若d d=0.001mm， L。=5mm;减速比为减速比为1：5，问选择步进，问选择步进电机的步距角应为多少？电机的步距角应为多少？解：（解：（1）求脉冲当量：）求脉冲当量：360 d d L0 0i360 L0 id d=360 5 0.001/5=0.36 0 0所以：705.3 5.3 闭环进给伺服系统闭环进给伺服系统5.3.1 5.3.1 闭环进给伺服系统的组成及工作原理闭环进给伺服系统的组成及工作原理5.3.2 5.3.2 直流伺服电机及速度控制单元直流伺服电机及速度控制单元5.3.3 5.3.3 交流伺服电机及速度控制单元交流伺服电机及速度控制单元 5.3.4 5.

51、3.4 直线电机在数控机床进给驱动中的应用直线电机在数控机床进给驱动中的应用5.3.5 5.3.5 主轴驱动简介主轴驱动简介715.3.1 5.3.1 闭环进给伺服系统的组成及工作原理闭环进给伺服系统的组成及工作原理1 1、闭环进给伺服系统的组成、闭环进给伺服系统的组成 内环是速度环内环是速度环 外环是位置环外环是位置环 722 2、闭环进给伺服系统的工作原理、闭环进给伺服系统的工作原理由由CNCCNC插补得到的指令进给位移量插补得到的指令进给位移量F与位置检测反馈的与位置检测反馈的机床移动部件（如工作台）实际位移量机床移动部件（如工作台）实际位移量Pf进入位置控制进入位置控制模块的比较环节后

52、，可得到位置偏差模块的比较环节后，可得到位置偏差e（eF- -Pf）。位）。位置控制模块除了完成理论位置与反馈的实际位置相比较置控制模块除了完成理论位置与反馈的实际位置相比较处，还要完成位置回路的增益调整以及将位置偏差作为处，还要完成位置回路的增益调整以及将位置偏差作为指令速度控制命令指令速度控制命令V VCMDCMD发往速度控制单元。而速度控制发往速度控制单元。而速度控制单元的任务则是根据指令速度控制命令单元的任务则是根据指令速度控制命令V VCMDCMD值的大小，值的大小，来控制伺服电动机转速的大小。来控制伺服电动机转速的大小。 735.3.2 5.3.2 直流伺服电机及速度控制单元直流伺

53、服电机及速度控制单元1 1、直流伺服电机的工作原理、直流伺服电机的工作原理直流电机的工作原理是建立直流电机的工作原理是建立在电磁力定律基础上的，电在电磁力定律基础上的，电磁力的大小正比于电机中的磁力的大小正比于电机中的气隙磁场。气隙磁场。定子：定子：永磁体；永磁体； 转子：转子：电枢。电枢。74TaMk I电机转矩系数电机转矩系数 电机电枢电流电机电枢电流导体切割磁力线而产生的反电动势：导体切割磁力线而产生的反电动势：602aeeeEk nkkTmkc电势系数电势系数电枢转速电枢转速eekc电枢角速度电枢角速度602eekk2 2、直流伺服电机的调速控制、直流伺服电机的调速控制电磁转矩电磁转矩

54、电磁力矩常数电磁力矩常数反电动势常数反电动势常数75aaaUEI RaaeUI RnkaeEk n作用在电枢的电压等于反电势与电枢电压降之和作用在电枢的电压等于反电势与电枢电压降之和76调节电机的转速的三种方法：调节电机的转速的三种方法：1 1）改变电枢电压改变电枢电压U；2 2）改变磁通量改变磁通量F F，即改变即改变ke的值。改变激磁回路的电阻的值。改变激磁回路的电阻Rj以改变激磁电流以改变激磁电流Ij，可以达到改变磁通量的目的。，可以达到改变磁通量的目的。3 3）在电枢回路中在电枢回路中串联调节电阻串联调节电阻Rt，转速计算公式为：转速计算公式为：aateUIRRnkaaeUI Rnk7

55、7调节电机的转速的比较调节电机的转速的比较调节激磁回路电阻方法，虽然容易控制，但激磁回路调节激磁回路电阻方法，虽然容易控制，但激磁回路的电感大，因此，电气时间常数较大，调速的快速性较的电感大，因此，电气时间常数较大，调速的快速性较差；差；激磁回来串联电阻只能使激磁电流减小，所以转速只激磁回来串联电阻只能使激磁电流减小，所以转速只能提高；能提高；在电枢回来中串接电阻，转速只能调低，而且电阻上在电枢回来中串接电阻，转速只能调低，而且电阻上的铜耗大，这种方法不经济；的铜耗大，这种方法不经济；磁通量与电枢电阻固定不变，改变电枢电压的调速方磁通量与电枢电阻固定不变，改变电枢电压的调速方法，尽管需要附加调

56、压设备，但是它的调速范围大，所法，尽管需要附加调压设备，但是它的调速范围大，所以直流伺服电机常用以直流伺服电机常用改变电枢电压改变电枢电压的方法调速。的方法调速。78aaeUI Rnk1 1）机械特性）机械特性TaMk IaeeTeRUUnMkMkk kkaeTRkk k电枢电压电枢电压U一定，激磁电一定，激磁电压不变的情况下，除压不变的情况下，除n和和M以外都是常数以外都是常数，n与与M 的关系如图。的关系如图。3 3、直流伺服电机的特性、直流伺服电机的特性79aeeTeRUUnMkMkk kk0n dTaUMMkR0M 0eUnk电机电机没有负载转矩没有负载转矩且且没没有空载损耗有空载损耗

57、时，时，理想空理想空载转速载转速为：为：当当转速为零转速为零，则此时的，则此时的转矩称为转矩称为堵转转矩堵转转矩：80nkMk大，对某一转矩变化大，对某一转矩变化 M，转速变化，转速变化 n也大，也大，说明说明机械特性软机械特性软；反之；反之k小，则小，则机械特性硬机械特性硬。aeTRkk kRa大大，则则k大，说明机械特性软；反大，说明机械特性软；反之之Ra，则则k小，则机械特性硬。小，则机械特性硬。思考：数控机床对电动机机械特性有什么要求？思考：数控机床对电动机机械特性有什么要求？812 2）直流伺服电机的动态特性）直流伺服电机的动态特性LdMMJdt电机及负载的电机及负载的转动惯量转动惯

58、量aaaaadILI REUdt电枢绕组不仅有电阻，且有电感，则电枢绕组不仅有电阻，且有电感，则在过渡过程中电枢电流是变化的，所在过渡过程中电枢电流是变化的，所以电枢回路中将产生电抗压降。以电枢回路中将产生电抗压降。TaMk ILaTTMJ dIkdtk电机稳定运行时，电磁转矩应等于负载转矩，电机稳定运行时，电磁转矩应等于负载转矩，但是在启动或制动的过渡过程中，电机还要但是在启动或制动的过渡过程中，电机还要克服惯性转矩，因此转矩平衡方程为：克服惯性转矩，因此转矩平衡方程为：221aLTTdIdMJ ddtkdtkdt602aeeeEk nkk8222aaaaLLeTeTeTeTeL JR JL

59、RdMUddMkk kdtk kdtk kdtk kaMTeJRTk kaEaLTR电机的机械时间常数，表示加上电枢电压电机的机械时间常数，表示加上电枢电压后，转速达到额定值的响应过程的时间后，转速达到额定值的响应过程的时间电机的电气时间常数，表示加上电枢电压后，电机的电气时间常数，表示加上电枢电压后，电枢电流达到额定值的响应过程的时间电枢电流达到额定值的响应过程的时间TM和和TE的乘积表示了的乘积表示了U为输入，为输入， 为输出时的时间常为输出时的时间常数，它反映了电机响应的快慢程度数，它反映了电机响应的快慢程度8322aaaaLLeTeTeTeTeL JR JLRdMUddMkk kdtk

60、 kdtk kdtk kaMTeJRTk kaEaLTR电机的机械时间常数，表示加上电枢电压电机的机械时间常数，表示加上电枢电压后，转速达到额定值的响应过程的时间后，转速达到额定值的响应过程的时间电机的电气时间常数，表示加上电枢电压后，电机的电气时间常数，表示加上电枢电压后，电枢电流达到额定值的响应过程的时间电枢电流达到额定值的响应过程的时间22aaLMEMLeTeTeLRdMUddT TTMkdtdtk kdtk k1nMET T4METT令令8422aaLMEMLeTeTeLRdMUddT TTMkdtdtk kdtk k1nMET T4METT212aaLLennTeTeLRdMUMkk