第五章伺服驱动系统

1、第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统 5-1 概述概述 5-2 检测装置检测装置 5-3 步进电动机及其驱动系统步进电动机及其驱动系统 5-4 直流伺服电动机及其速度控制直流伺服电动机及其速度控制 5-5 交流伺服电动机及其速度控制交流伺服电动机及其速度控制 5-6 主轴驱动主轴驱动 5-7 位置控制位置控制 5-1 概述概述主轴电机主轴电机伺服电机伺服电机刀库刀具定位电机刀库刀具定位电机机械手旋转定位电机机械手旋转定位电机带制动器伺服电机带制动器伺服电机加工中心加工中心伺服驱动系统伺服驱动系统（Servo System)CNC系统系统驱动电机驱动电机检测装置检测装置控制信号控制信号反馈信号

2、反馈信号光栅尺光栅尺一、数控机床伺服系统的定义一、数控机床伺服系统的定义 是一种以机械位置或角度作为控制对象是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。的自动控制系统。 CNC装置是数控机床的装置是数控机床的“大脑大脑” ， “指挥机构指挥机构” 伺服系统是数控机床的伺服系统是数控机床的“四肢四肢” ， “执行机构执行机构”。 检测装置：感应同步器、旋转变压器、光栅、脉冲编码检测装置：感应同步器、旋转变压器、光栅、脉冲编码器等。器等。 驱动电机：步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电驱动电机：步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机动机二、数控机床伺服系统的分类二、数控机床伺服系统的分

3、类1、按伺服系统控制方式分、按伺服系统控制方式分开环系统开环系统 步进电机，无位置反馈，投资低，精度低步进电机，无位置反馈，投资低，精度低闭环系统闭环系统 直接测量实际位移进行反馈，精度高直接测量实际位移进行反馈，精度高半闭环系统半闭环系统 间接测量位移进行反馈，精度低于闭环间接测量位移进行反馈，精度低于闭环2、按控制对象和使用目的不同分、按控制对象和使用目的不同分进给伺服系统进给伺服系统 控制各坐标轴的切削进给运动控制各坐标轴的切削进给运动主轴驱动伺服系统主轴驱动伺服系统 控制主轴的旋转运动控制主轴的旋转运动辅助伺服系统辅助伺服系统 控制刀库、料库等辅助系统的运动，多采控制刀库、料库等辅助系

4、统的运动，多采用建议的位置控制。用建议的位置控制。二、数控机床伺服系统的分类（续）二、数控机床伺服系统的分类（续）3、按反馈比较控制方式分、按反馈比较控制方式分脉冲比较伺服系统脉冲比较伺服系统相位比较伺服系统相位比较伺服系统幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统全数字伺服系统。全数字伺服系统。4、按所用驱动元件的类型分、按所用驱动元件的类型分步进电动机驱动系统步进电动机驱动系统直流伺服驱动系统直流伺服驱动系统交流伺服驱动系统交流伺服驱动系统电动机驱动系统电动机驱动系统 5-2 检测装置检测装置l性能指标性能指标 系统精度：系统精度：是指在一定长度或转角内测量积累误差的最大值，如是指在一定长度或转角内

5、测量积累误差的最大值，如0.0020.02mm/m，10/360等。等。 系统分辨率：系统分辨率：是测量元件所能正确检测的最小位移量，如目前直是测量元件所能正确检测的最小位移量，如目前直线位移的分辨率为线位移的分辨率为0.0010.01mm。角位移分辨率为。角位移分辨率为2。 检测装置是伺服系统的重要组成部分。检测装置是伺服系统的重要组成部分。l作用作用 检测位置和速度，发送反馈信号，构成闭环或半检测位置和速度，发送反馈信号，构成闭环或半闭环，闭环， 对驱动装置进行控制。对驱动装置进行控制。l要求要求 工作可靠，抗干扰能力强工作可靠，抗干扰能力强 满足精度、分辨率、测量范围满足精度、分辨率、测

6、量范围 使用维修方便、成本低使用维修方便、成本低按检测信号分：数字式、模拟式按检测信号分：数字式、模拟式按测量基准分：增量式、绝对式按测量基准分：增量式、绝对式按安装位置关系分：直接测量、间接测量按安装位置关系分：直接测量、间接测量二、感应二、感应器器1.感应同步器的结构感应同步器的结构 由定子和转子组成，用由定子和转子组成，用于测量角位移于测量角位移 由定子和转子组成，用由定子和转子组成，用于测量直线位移于测量直线位移2. 直线感应同直线感应同 步器的结构步器的结构 利用两个平面形利用两个平面形印刷绕组，其间保印刷绕组，其间保持均匀气隙约为持均匀气隙约为(0.250.05)mm 作相对平行移

7、动，作相对平行移动，根据交变磁场和互根据交变磁场和互感原理而工作的。感原理而工作的。W2片宽a2间隔b2为连续绕组，节距为连续绕组，节距W22(a2b2)，其中，其中a2为导电片宽，为导电片宽，b2为片间为片间间隙，定尺节距即为检测周期间隙，定尺节距即为检测周期W，常取，常取W2mm。滑尺滑尺为分段绕组，分为正弦和余弦绕组两部分为分段绕组，分为正弦和余弦绕组两部分, 两绕组的节距都为两绕组的节距都为W12(a1b1)，其中，其中a1为导电片宽，为导电片宽，b1为片间间隙，一般取为片间间隙，一般取W1W2或或W1W2/3。2121L1W1a1b1 滑尺上有正弦和余弦励磁绕组，在空间位置上相差滑尺

8、上有正弦和余弦励磁绕组，在空间位置上相差1/4节节距，定尺和滑尺绕组的节距相同。距，定尺和滑尺绕组的节距相同。若滑尺绕组加励磁电压，若滑尺绕组加励磁电压，则由于电磁感应而在定尺绕组上产生感应电压，其大小取决则由于电磁感应而在定尺绕组上产生感应电压，其大小取决于滑尺与定尺的相对位置。于滑尺与定尺的相对位置。2/2E定尺定尺正弦绕组正弦绕组滑尺滑尺余弦绕组余弦绕组VsVci1i2 根据交变磁场和互感原理而工作的。根据交变磁场和互感原理而工作的。W 可以看出：滑尺在移动一个节距的过程中，感应电势变化了一个周期。 若励磁电压uUmsint，那么在定尺绕组产生的感应电势e为 ekUmcoscos t若励

9、磁电压 uUmsint则定尺绕组产生的感应电势则定尺绕组产生的感应电势e ekUmcoscos t式中 Um励磁电压幅值(V)； 励磁电压角频率(rad/s)； k比例常数，其值与绕组间 最大互感系数有关； 滑尺相对定尺在空间的相 位角。 在一个节距W内，位移位移x与与的的关系关系应为 感应同步器就是利用感应电势的变化，来检测在一个节距W内的位移量，为绝对式测量。 滑尺上的正弦、余弦滑尺上的正弦、余弦励磁绕组提供同频率、同幅励磁绕组提供同频率、同幅值、相位差值、相位差90的交流电的交流电压，即压，即 usUmsint ucUmcost us和和uc单独励磁，在单独励磁，在定尺绕组上感应电势分别

10、为定尺绕组上感应电势分别为 eskUmcoscost eckUmcos( /2)sint kUmsinsint3. 感应同步器输出信号的处理方式感应同步器输出信号的处理方式 常用的有鉴相方式和鉴幅方式常用的有鉴相方式和鉴幅方式（1）鉴相方式）鉴相方式根据感应输出电压的相位来检测位移量根据感应输出电压的相位来检测位移量根据叠加原理，定尺绕组上总输出感应电势根据叠加原理，定尺绕组上总输出感应电势e为为 eesec kUmcoscostkUmsinsint kUmcos(t) kUmcos(t 2x/W) 根据上式，通过鉴别定尺输出的感应电势的相位，即可测根据上式，通过鉴别定尺输出的感应电势的相位，

11、即可测量定尺和滑尺之间的相对位置。量定尺和滑尺之间的相对位置。 感应同步器的鉴相方式用在相位比较伺服系统中。感应同步器的鉴相方式用在相位比较伺服系统中。例：感应电势与励磁电压相位差例：感应电势与励磁电压相位差=1.8=1.8，节距，节距W=2mmW=2mm， 由由= 2x/W=0.01mm滑尺的正弦、余弦绕组励磁电压为同频率、同相位，但不同幅值，即滑尺的正弦、余弦绕组励磁电压为同频率、同相位，但不同幅值，即 usUmsindsint ucUmcosdsint式中式中 d励磁电压的给定相位角励磁电压的给定相位角 分别励磁时，在定尺绕组上产生的输出感应电势分别为分别励磁时，在定尺绕组上产生的输出感

12、应电势分别为 eskUmsindcoscost eckUmcosdcos(/2)cost kUm cosd sincost （2）鉴幅方式）鉴幅方式 根据定尺输出的感应电势的振幅变化来检测位移量。根据定尺输出的感应电势的振幅变化来检测位移量。根据叠加原理，定尺上输出总感应电势为根据叠加原理，定尺上输出总感应电势为 ees ec k Um (sind coscosd sin) cost k Um sin(d ) cost k Um sin(d 2x /W) cost 设初始状态设初始状态d，则，则e0。当滑尺相对定尺有一位移。当滑尺相对定尺有一位移，使，使变为变为，则感应电势增量为，则感应电势增

13、量为 e ek Um x cosx cost t式中式中= 2 x / W 由此可知，在由此可知，在x x较小的情况下，较小的情况下，e e与与x x成正比，也成正比，也就是鉴别就是鉴别e e幅值，即可测幅值，即可测x x大小。当大小。当x x较大时，通过改较大时，通过改变变d d，使，使d d,使使e e0 0，根据，根据d d可以确定可以确定，从而确定，从而确定位移量位移量x x。三、光栅三、光栅 光栅属于光学元件，是一种高精度的位移传感器。1. 光栅的种类透射光栅透射光栅反射光栅反射光栅物理物理光栅光栅计量计量光栅光栅圆光栅圆光栅直线光栅直线光栅主要介绍一下直线计量透射光栅。光栅检测装置

14、的结构光栅检测装置的结构透射光栅透射光栅010,00,11,01,1反射光栅反射光栅光栅检测装置基本结构示意图光栅检测装置基本结构示意图 2. 2. 直线透射光栅直线透射光栅（1 1）组成）组成（2 2） 直线透射光栅的工作原理直线透射光栅的工作原理 由于挡光效应和光的衍射，在与线纹几乎垂直方向上，会出现明暗交替、间隔相等的粗大条纹，称为“莫尔条纹” 。莫尔条纹的特点莫尔条纹的特点 放大作用放大作用 莫尔条纹纹距B 与光栅节距w和倾角之间的关系： 光栅横向移动一个节距w ，莫尔条纹正好沿刻线上下移动一个节距B，用光电元件检测莫尔条纹信号的变化就可以测量光栅的位移。例：例：当 w = 0.01m

15、m， = 0.01 red， 则 B = 1mm，将栅距放大100倍的莫尔条纹宽度。由于很小，因此 22sin/qw=BqwB光栅尺横向莫尔条纹及其参数光栅尺横向莫尔条纹及其参数 22sin/qw=BB2B 均化误差作用均化误差作用 莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，栅距之莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，栅距之间的相邻误差被均化。短光栅的工作长度愈长间的相邻误差被均化。短光栅的工作长度愈长,这一这一均化误差的作用愈显著。均化误差的作用愈显著。 根据莫尔条纹的移动根据莫尔条纹的移动与栅距移动的对应关系与栅距移动的对应关系莫尔条纹的特点（续）：莫尔条纹的特点（续）： 光栅移动方向莫尔条纹

16、移动方向角的旋 转方向（3） 辨向辨向 为了辨别运动方向，需配置两个彼此错开1/4纹距的光电元件，使输出电信号彼此在相位上差90，若以其中的一个作为参考信号，则另一个信号将超前或滞后参考信号90，由此来确定运动方向。（4） 倍频倍频 倍频又称为细分，倍频数就是指在莫尔条纹一个周期的范围内，等距离安装的感光元件的数目，从而在一个周期内产生若干个脉冲，达到细分的目的。 提高倍频数可以提高光栅的最小读数值，提高分辨率，精密机床的测量常采用高倍频。例：例：栅距栅距 w = 0.01mm， 十倍频后，最小读数值1mm.四倍频电路四倍频电路（5 5）特点）特点 优点：优点： 1 1）精度高）精度高 测直线

17、：精度测直线：精度 0.5-3m0.5-3mm，分辨率，分辨率 0.1m mm 2 2）易实现动态测量和自动化测量）易实现动态测量和自动化测量 3 3）较强的抗干扰能力）较强的抗干扰能力 缺点：缺点： 1 1）对环境要求高，怕振动，怕油污）对环境要求高，怕振动，怕油污 2 2）高精度光栅制作成本高）高精度光栅制作成本高 目前多用于精密定位的数控机床，数显机床中也目前多用于精密定位的数控机床，数显机床中也应用较多。应用较多。四、编码器四、编码器 一种旋转式的检测角位移的传感器。 将角位移用数字(脉冲)形式表示，故 又称脉冲编码器。广泛应用于NC机床的 位置检测，也常用它作为速度检测元件。 1、编

18、码器分类、编码器分类 按码盘信号的读取方式可分为：光电式、接触式和电磁式 以光电式的精度和可靠性最好，NC机床常用光电式编码器 按测量坐标系又可分为：增量式和绝对式按每转发出的脉冲数分为：高分辨率 20000-30000p/r 普通分辨率 2000-3000p/r2. 增量式光电脉冲编码器增量式光电脉冲编码器 （1）组成）组成 由光源、聚光镜、光电盘、光栏板、光敏元件(光电管)、整形放大电路和数字显示装置等组成。光电编码器在旋转工作台上的安装光电编码器在旋转工作台上的安装（2） 工作原理工作原理 光电盘按装在被测轴上，随主轴一起转动。光电盘转动光电盘按装在被测轴上，随主轴一起转动。光电盘转动时

19、，光电元件把通过光电盘和光栏板射过来的忽明忽暗的光时，光电元件把通过光电盘和光栏板射过来的忽明忽暗的光信号信号(近似于正弦信号近似于正弦信号)转换为电信号，经整形、放大等电路转换为电信号，经整形、放大等电路的变换后变成脉冲信号，通过计算脉冲的数目，即可测出工的变换后变成脉冲信号，通过计算脉冲的数目，即可测出工作轴的转角，并通过数显装置进行显示。通过测定计数脉冲作轴的转角，并通过数显装置进行显示。通过测定计数脉冲的频率，即可测出工作轴的转速。的频率，即可测出工作轴的转速。（3）脉冲编码器的辨向）脉冲编码器的辨向 光栏板上两条狭缝中的信号A和B(相位差90)，通过整形，成为两相方波信号。根据先后顺

20、序，即可判断光电盘的正反转。若A相超前于B相，对应电动机正转；若B相超前A相，对应电动机反转。若以该方波的前沿或后沿产生计数脉冲，可以形成代表正向位移和反向位移的脉冲序列。A相相B相相90A相相B相相90A相相B相相90A相相B相相90（4）提高光电脉冲编码器分辨率的方法）提高光电脉冲编码器分辨率的方法 提高光电盘圆周的等分狭缝的密度，实际上是使光电盘的 狭缝变成了圆光栅线纹。 增加光电盘的发信码道，使盘上不仅只有一圈透光狭缝， 而且有若干大小不等的同心圆环狭缝(称为码道)，光电盘 回转一周发出的脉冲信号数增多，使分辨率提高。3. 绝对式光电脉冲编码器绝对式光电脉冲编码器 （1）结构）结构 绝

21、对式脉冲编码器结构与增量式相似，就是绝对式脉冲编码器结构与增量式相似，就是在码盘的每一转角位置刻有表示该位置的唯一代码，称为在码盘的每一转角位置刻有表示该位置的唯一代码，称为绝对码盘。绝对式脉冲编码器是通过读取编码盘上的代码绝对码盘。绝对式脉冲编码器是通过读取编码盘上的代码(图案图案)来表示轴的位置。来表示轴的位置。 纯二进制码有一个纯二进制码有一个缺点：相邻两个二进制缺点：相邻两个二进制数可能有多位二进制码数可能有多位二进制码不同，当数码切换时有不同，当数码切换时有多个数位要进行切换，多个数位要进行切换，增大了误读的机率。增大了误读的机率。 而而码则不同，相码则不同，相邻两个二进制数码只有邻

22、两个二进制数码只有一个数位不同，因此两一个数位不同，因此两数切换时只在一位进行，数切换时只在一位进行，提高了读数的可靠性。提高了读数的可靠性。 （3）工作原理）工作原理 光源经过柱面镜，变成一束平行光照射在码盘上，通过码盘经狭缝形成一束很窄的光束照射在光电元件上，光电元件的排列与码道一一对应，亮区输出为“1”，暗区输出为“0”，再经信息处理电路，进行放大、整形、锁存与译码，输出自然二进制代码，从而实现了角度的绝对值测量。（4）应用）应用 在实际应用过程中，用绝对脉冲编码器来检测轴的位置在实际应用过程中，用绝对脉冲编码器来检测轴的位置和速度时，当编码器旋转超过一周时，读出准确数值的解和速度时，当

23、编码器旋转超过一周时，读出准确数值的解决方法：决方法： 在旋转轴上安装多个码盘，其中一些盘是专门用来计量在旋转轴上安装多个码盘，其中一些盘是专门用来计量所转过的圈数所转过的圈数N，而另一部分码盘是用来检测一圈以内的度，而另一部分码盘是用来检测一圈以内的度数数。之后将两个码盘所检测的进行。之后将两个码盘所检测的进行(N360)的叠加的叠加。 在软件设计时，设置一个专门的计数器，并规定码盘上在软件设计时，设置一个专门的计数器，并规定码盘上的一个专门的代码为的一个专门的代码为“零零”代码，当码盘转过代码，当码盘转过“零零”代码代码时，计数器的值就被自动加一，这样也可以实现即测圈数时，计数器的值就被自

24、动加一，这样也可以实现即测圈数又测度数的目的。又测度数的目的。第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统 5-1 概述概述 5-2 检测装置检测装置 5-4 直流伺服电动机及其速度控制直流伺服电动机及其速度控制 5-5 交流伺服电动机及其速度控制交流伺服电动机及其速度控制 5-6 主轴驱动主轴驱动 5-7 位置控制位置控制伺服系统（伺服系统（Servo System)CNC系统系统驱动电机驱动电机检测装置检测装置控制信号控制信号反馈信号反馈信号光栅尺光栅尺 步进电动机及其驱动系统步进电动机及其驱动系统 步进电动机主要用于开步进电动机主要用于开环位置控制系统。它由步进环位置控制系统。它由步进电动机驱

25、动电源和步进电动电动机驱动电源和步进电动机组成，没有反馈环节。机组成，没有反馈环节。 这种系统较简单，控制较这种系统较简单，控制较容易，维修也较方便，而且容易，维修也较方便，而且为全数字化控制。为全数字化控制。 由于开环系统精度不高，且步进电动机的功率和速度不由于开环系统精度不高，且步进电动机的功率和速度不高，因此步进电动机驱动系统仅用于小容量、加工速度低高，因此步进电动机驱动系统仅用于小容量、加工速度低、脉冲当量和精度不太高的场合，如经济型数控机床和电、脉冲当量和精度不太高的场合，如经济型数控机床和电加工机床、计算机的打印机、绘图仪等设备。加工机床、计算机的打印机、绘图仪等设备。一、步进电动

26、机一、步进电动机1. 步进电动机的分类步进电动机的分类(1) 按运动方式分：旋转式、直线运动式、平面运动式和滚按运动方式分：旋转式、直线运动式、平面运动式和滚 切运动式。切运动式。(2) 按工作原理分：反应式按工作原理分：反应式(磁阻式磁阻式)、电磁式、永磁式、永磁、电磁式、永磁式、永磁 感应子式感应子式(混合式混合式)。(3) 按结构分：单段式按结构分：单段式(径向式径向式)、多段式、多段式(轴向式轴向式)，印刷绕组式，印刷绕组式(4) 按相数分：三相、四相、五相、六相和八相等。按相数分：三相、四相、五相、六相和八相等。(5) 按使用频率分：高频步进电动机和低频步进电动机。按使用频率分：高频

27、步进电动机和低频步进电动机。2. 步进电动机的控制原理步进电动机的控制原理 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的控制电动机。位移的控制电动机。 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，转过一个角度或移动一个直线位移，称为一步；脉冲数增加，角位移角位移(或线位移或线位移)随之增加，即随之增加，即脉冲数决定位移量。脉冲数决定位移量。 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脉冲频率高，则步进电

28、动机的旋转速度就高，反之则低，即高，反之则低，即脉冲频率决定进给速度。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。正、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。定直流电压。3. 反应式步进电动机反应式步进电动机 极与极之间的夹角为极与极之间的夹角为60，每个定子磁极上均匀分布了五，每个定子磁极上均

29、匀分布了五个齿，齿槽距相等，齿距角为个齿，齿槽距相等，齿距角为9。转子铁心转子铁心上无绕组，只有上无绕组，只有均匀分布的均匀分布的40个齿，齿槽距相等，齿距角为个齿，齿槽距相等，齿距角为360/409。绕组绕组定子铁心定子铁心转子铁心转子铁心（1）反应式步进电动机的结构）反应式步进电动机的结构 单段式三相反单段式三相反应式步进电动机应式步进电动机的结构：的结构： 定子铁心定子铁心上有上有六个均匀分布的六个均匀分布的磁极，沿直径相磁极，沿直径相对两个极上的线对两个极上的线圈串联，构成一圈串联，构成一相相励磁绕组励磁绕组。（2）反应式步进电动机的工作原理）反应式步进电动机的工作原理 按电磁吸引的原

30、理工作的。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/m齿距，齿距，m为相数为相数 几个概念的含义： “拍”定子相绕组每改变一次 通电状态，称为“一拍”。 “单”指只有一相绕组通电。 “双”指有两相绕组同时通电。 A A B B C C 定子 转子 绕组 第一拍：第一拍：A相励磁绕组通电，相励磁绕组通电，B、C相励磁绕组断电。相励磁绕组断电。A相定子磁极的电相定子磁极的电磁力要使相邻转子齿与其对齐磁力要使相邻转子齿与其对齐(使磁阻最小使磁阻最小)，B相和相和C相

31、定、转子错齿分相定、转子错齿分别为别为1/3齿距齿距(3)和和2/3齿距齿距(6)。 第二拍：第二拍：B相绕组通电，相绕组通电，A、C相绕组断电。电磁反应力矩使转子顺时针相绕组断电。电磁反应力矩使转子顺时针方向转动方向转动3，与，与B相的定子齿对齐，此时相的定子齿对齐，此时A、C相的定、转子齿互相错相的定、转子齿互相错开。开。 第三拍：第三拍：C相绕组通电，相绕组通电，A、B相绕组断电。电磁反应力距又使转子顺时相绕组断电。电磁反应力距又使转子顺时针方向转动了针方向转动了3，与，与C相定子齿对齐，同时相定子齿对齐，同时A相、相、B相定、转子齿错开相定、转子齿错开 重复通电顺序，重复通电顺序，A

32、B C A 单三拍步进电动机的反转单三拍步进电动机的反转 若定子绕组通电顺序为若定子绕组通电顺序为A C B A ，则电动，则电动机转子就逆时针方向旋转起来，其步距角仍为机转子就逆时针方向旋转起来，其步距角仍为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 A ，步进电，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固定角度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由于每拍只有一相绕

33、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，易在平衡位置附近产生振荡。因此，单三拍通电控制方式，工作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，一般较少采用。稳定性差，一般较少采用。若定子绕组的通电顺序为若定子绕组的通电顺序为AB BC CA AB ，则步进电动机的转子就逆则步进电动机的转子就逆时针方向转动。时针方向转动。 双三拍工作方式双三拍工作方式 采用双三拍通电控制方式，能克服单三拍工作的缺点。采用双三拍通电控制方式，能克服单三拍工作的缺点。 若定子绕组的通电顺序为若定子绕组的通电顺序

34、为 AB BC CA AB ，则步进电动机的转子就顺时针方向转动，从一个磁场，则步进电动机的转子就顺时针方向转动，从一个磁场最强处走到了另一个磁场最强处，故其步距角仍为最强处走到了另一个磁场最强处，故其步距角仍为3。 若通电顺序为：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；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

35、进电动机常采用这种控制方式。稳定区。所以三相步进电动机常采用这种控制方式。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 每切换一次，步进电动机就顺时针方向转动每切换一次，步进电动机就顺时针方向转动1.5，步距，步距角减小一半。原因是：当由角减小一半。原因是：当由A相切换到相切换到AB相通电时，相通电时，A相定相定子磁极力图不让转子转动，而保持与其定子齿对齐，而子磁极力图不让转子转动，而保持与其定子齿对齐，而B相相定子磁极的电磁反应力矩也力图使其顺时针转动定子磁极的电磁反应力矩也力图使其顺时针转动3，与，与B相相定子齿对齐，此时，转子齿与定子齿对齐，此时

36、，转子齿与A相、相、B相定子齿均未对齐，相定子齿均未对齐，此位置是此位置是A相、相、B相定子合成磁场的最强方向，即转子顺时相定子合成磁场的最强方向，即转子顺时针方向转动针方向转动1.5。步进电动机步进电动机步进电动机步进电动机步进电动机步进电动机二、反应式步进电动机主要性能指标及选择二、反应式步进电动机主要性能指标及选择1.步距角步距角 步进电动机每步的转角称为步距角，计算公式： 式中 m步进电动机相数 Z转子齿数 K控制方式系数， K=拍数p/相数m 厂家对于每种步进电动机给出两种步距角，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距角；小步距角系指供电拍数是相数两倍时的步距角。3

37、60Z m K() 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 电动机与丝杠间的齿轮传动减速比360Siq (mm/脉冲) i 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。2. 最大静转距最大静转距 Tjmax (Nm) 静态：静态：当步进电动机不改变通电状态时，转子处在不动状态。 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 转过一个角度e，这时转子受的电磁转距T。 矩角特性：矩角特性：描述静态时电磁转距T与e之间的

38、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，仍在静态稳定区内，当外加转距去除时，转子在电磁转距作用下，仍能回到稳定平衡点位置能回到稳定平衡点位置(e0)。/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 Tjmax 的选择的选择 负载转矩负载转矩 F 切削力（切削力（N） w工作台及工件重量工作台及工件重量（kg） m摩擦系数摩擦系数 h效率效率 i 减速比减速比 TF 应满足应满足 TF =（0.20.4） Tjmax 3()102FFw sTimh-=起动频率起动频率fq 的选择的选择 先计算电机轴上的等效负载转动惯量：先计算

39、电机轴上的等效负载转动惯量：式中式中 J1、J2齿轮的转动惯量齿轮的转动惯量(Nms2)；J3丝杠的转动惯量丝杠的转动惯量 d d 冲当量冲当量(mm脉冲脉冲)。 然后进行负载启动频率然后进行负载启动频率fqF 的估算；的估算；式中式中 fq空载启动频率空载启动频率(Hz)，T由矩频特性决定的力矩由矩频特性决定的力矩(Nm) J电机转子转动惯量电机转子转动惯量(Nms2)。 依照机床要求的启动频率依照机床要求的启动频率fqF ，可选择，可选择fq3. 空载起动频率空载起动频率fq （步（步/s） 空载时步进电动机由静止突然起动，进入不丢步的正常运行的最高频率空载时步进电动机由静止突然起动，进入

40、不丢步的正常运行的最高频率。是衡量步进电动机快速性能的重要技术数据。是衡量步进电动机快速性能的重要技术数据。 起动频率要比连续运行频率低得多，这是因为步进电动机起动时，既起动频率要比连续运行频率低得多，这是因为步进电动机起动时，既要克服负载力矩，又要克服运转部分的惯性矩，电动机的负担比连续运转要克服负载力矩，又要克服运转部分的惯性矩，电动机的负担比连续运转时重。步进电动机带负载的起动频率比空载的起动频率要低。时重。步进电动机带负载的起动频率比空载的起动频率要低。 4. 起动矩频特性起动矩频特性 描述步进电动机起动频率与负载力矩的关系曲线。描述步进电动机起动频率与负载力矩的关系曲线。 当步进电动

41、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。负载转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。因此，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。其起动频率随着负载的增加而下降。Tf5. 空载运行频率空载运行频率fmax （步（步/s） 步进电动机在空载起动后，能不丢步连续运行的最高脉步进电动机在空载起动后，能不丢步连续运行的最高脉冲重复频率称做空载运行频率冲重复频率称做空载运行频率fmax。它也是步进电动机的重要。它也是步进电

42、动机的重要性能指标，对于提高生产率和系统的快速性具有重要意义。性能指标，对于提高生产率和系统的快速性具有重要意义。 fmax 应能满足机床工作台最高运行速度。应能满足机床工作台最高运行速度。6. 运行矩频特性运行矩频特性 运行矩频特性运行矩频特性Tf(F)是描述步是描述步进进 电动机连续稳定运行时，输出转电动机连续稳定运行时，输出转矩矩T与连续运行频率之间的关系。它与连续运行频率之间的关系。它是衡量步进电动机运转时承载能力是衡量步进电动机运转时承载能力的动态性能指标。的动态性能指标。Tf三、步进电动机驱动电源三、步进电动机驱动电源 1. 作用作用 发出一定功率的电脉冲信号，使定子励发出一定功率

43、的电脉冲信号，使定子励 磁绕组顺序通电。磁绕组顺序通电。 2. 基本要求基本要求 （1）电源的基本参数与电动机相适应；）电源的基本参数与电动机相适应； （2）满足步进电动机起动频率和运行频率）满足步进电动机起动频率和运行频率 的要求；的要求； （3）抗干扰能力强，工作可靠；）抗干扰能力强，工作可靠； （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。 3. 组成组成 由环形分配器和功率放大器组成。（1） 环形分配器环形分配器 主要功能是将CNC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，以控制励磁绕组的导通或关断。同时由于电动机有正反转要求

44、，所以环形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。一般由与非门和JK触发器组成。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。 软件环形分配器软件环形分配器 按步进电动机的要求编制不同的软环分程序，存入EPROM中。例：专用集成芯片例：专用集成芯片CH250两坐标步进电机伺服进给系统两坐标步进电机伺服进给系统 x向和向和Z向步进电机的三相定子绕组分别为向步进电机的三相定子绕组分别为A、B、C相和相和abc相，分别经各自的放大器、光电耦合器与计算机相，分别经各自的放大器、光

45、电耦合器与计算机的的PIO(并行输入输出接口并行输入输出接口)的的PA0一一PA5相连。相连。（2）功率驱动器（）功率驱动器（功率放大电路） 将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。 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(高电压)驱动电路、斩波电路、调频调压和细分电路等。高低压驱动电路高低压驱动电路 其特点是供给步进电机绕组有两种电压：一种是高电压U1，由电机参数和晶体管特性决定，一般在80v至更高范围，另一种是低电压U2，即步进电机绕组额定电压，一般为几伏，不超过20v。 高压U1 ，以提高绕组中电流上升率，当电流达到规定值时、VT1关断、VT2仍然导

46、通，则自动切换到低压U2。 该电路的优点是在较宽的频率范围有较大的平均电流，能产生较大且稳定的平均转矩，其缺点是电流波顶有凹陷，电路较复杂。斩波驱动电路斩波驱动电路 可以克服高低压驱动电路的波顶的凹陷可以克服高低压驱动电路的波顶的凹陷造成高频输出转矩的下降，使励磁绕组中的电流维持在额定造成高频输出转矩的下降，使励磁绕组中的电流维持在额定值附近。值附近。 工作原理：工作原理：环形分配器输出的正脉冲将环形分配器输出的正脉冲将VT1、VT2导通，由于导通，由于U1电压较电压较高，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

47、定值以上的某一数值时，由于采样电阻额定值以上的某一数值时，由于采样电阻Re的反馈作用，经整形、放大的反馈作用，经整形、放大后送至后送至VT1的基极，使的基极，使VT1管截止。接着绕组由管截止。接着绕组由U2低压供电，绕组中的低压供电，绕组中的电流立即下降，但刚降到额定电流立即下降，但刚降到额定 值以下时，由于采样电阻值以下时，由于采样电阻Re的反馈作用，使整形电路无信的反馈作用，使整形电路无信号输出，此时高压前置放大电号输出，此时高压前置放大电路又使路又使VT1导通，电流又上升导通，电流又上升。如此反复进行，形成一个在。如此反复进行，形成一个在额定电流值上下波动呈锯齿状额定电流值上下波动呈锯齿

48、状的绕组电流波形，近似恒流。的绕组电流波形，近似恒流。第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统 5-1 概述概述 5-2 检测装置检测装置 5-4 直流伺服电动机及其速度控制直流伺服电动机及其速度控制 5-5 交流伺服电动机及其速度控制交流伺服电动机及其速度控制 5-6 主轴驱动主轴驱动 5-7 位置控制位置控制伺服系统（伺服系统（Servo System)CNC系统系统驱动电机驱动电机检测装置检测装置控制信号控制信号反馈信号反馈信号光栅尺光栅尺 5-4 直流伺服电动机及其速度控制直流伺服电动机及其速度控制一、直流伺服电动机一、直流伺服电动机 伺服电动机是指能够精密地控伺服电动机是指能够精密地控

49、制其位置的一种电动机。直流伺服制其位置的一种电动机。直流伺服电动机是伺服电动机的一种。电动机是伺服电动机的一种。1. 直流伺服电动机分类及结构特点直流伺服电动机分类及结构特点 永磁直流伺服电动机永磁直流伺服电动机无槽转子直流伺服电动机无槽转子直流伺服电动机空心杯转子直流伺服电动机空心杯转子直流伺服电动机印刷绕组直流伺服电动机印刷绕组直流伺服电动机后三种直流伺服电动机为小惯量直流伺服电动机。后三种直流伺服电动机为小惯量直流伺服电动机。直流伺服电动机的组成直流伺服电动机的组成 电动机本体电动机本体 主要由机壳、主要由机壳、 定子磁极和转子组成。定子磁极和转子组成。 检测部件检测部件 有高精度的测速

50、有高精度的测速 发电机、旋转变压器以及发电机、旋转变压器以及 脉冲编码器等。脉冲编码器等。特点特点l 小惯量直流伺服电动机小惯量直流伺服电动机 惯量小，响应速度快，惯量小，响应速度快， 但过载能力低。但过载能力低。l 永磁直流伺服电动机转矩大，惯量大，稳定性永磁直流伺服电动机转矩大，惯量大，稳定性 好，调速范围宽。好，调速范围宽。l 但有电刷，限制速度的提高（但有电刷，限制速度的提高（10001500r/min）。）。2. 直流伺服电动机的工作原理与调速方法直流伺服电动机的工作原理与调速方法 （1）工作原理）工作原理 与一般直流电动机的工作原理相同，是建立在电与一般直流电动机的工作原理相同，是

51、建立在电磁力和电磁感应基础上的。磁力和电磁感应基础上的。 如图（如图（a）所示，直流电流从电刷）所示，直流电流从电刷 A 流入，经过线圈流入，经过线圈abcd，从电刷，从电刷 B 流出，载流导体流出，载流导体ab和和cd受到电磁力的作用，使得转子逆时针转动。受到电磁力的作用，使得转子逆时针转动。 当转子转到如图（当转子转到如图（b）所示的位置，电刷）所示的位置，电刷 A 和换向片和换向片2接触，电刷接触，电刷 B 和换向片和换向片1接触，直流电流从电刷接触，直流电流从电刷 A 流入，在线圈中的流动方向是流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷，从电刷 B 流出。此时载流导体流出。此时载流导体

52、ab和和cd受到电磁力的作用，它们产生受到电磁力的作用，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。的转矩仍然使得转子逆时针转动。 外加的电源是直流的，但外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变其产生的转矩的方向却是不变的。的。（2）直流伺服电机的速度控制原理）直流伺服电机的速度控制原理 MEaUuf 他励直流电动机他励直流电动机 转子回路的电势平衡方程：转子回路的电势平衡方程： EaURa Ia式中式中 Ra转子回路电阻转子回路电阻() I Ia转子回路电流转子回路电流(A)感应电动势感

53、应电动势Ea可由下式求得可由下式求得 EaCen 式中式中 Ce电机械常数电机械常数 励磁磁通励磁磁通(Wb) n电动机转速电动机转速(r/min)由上两式由上两式可得可得 eUCaaeRICn电动机的电磁转矩电动机的电磁转矩Te(Nm)为为 TeCTIa 式中式中 CT转矩系数，是电动机的结构常数。转矩系数，是电动机的结构常数。所以可得电动机转速所以可得电动机转速2eaeTRTC CeUCnn0n n 式中式中 n0理想空载转速理想空载转速 nn转速降落转速降落 根据上式可知，根据上式可知，他励直流电动机有三种调速方法，即改他励直流电动机有三种调速方法，即改变外加电压、改变励磁磁通及改变转子

54、回路电阻调速。变外加电压、改变励磁磁通及改变转子回路电阻调速。2eaeTRTC CeUCnn0n 根据上式：励磁磁通不可变，只有二种调速方法，而改根据上式：励磁磁通不可变，只有二种调速方法，而改变转子回路电阻一般不能满足要求，通常采用改变转子回路变转子回路电阻一般不能满足要求，通常采用改变转子回路外加电压的调速方法。外加电压的调速方法。 这种调速方法是从额定电压往下降低转子电压，即从额这种调速方法是从额定电压往下降低转子电压，即从额定转速向下调速。该种调速方法属恒转矩调速，机械特性是定转速向下调速。该种调速方法属恒转矩调速，机械特性是一组斜率不变的平行直线，特性比较硬，且调速范围宽。另一组斜率

55、不变的平行直线，特性比较硬，且调速范围宽。另外，这种调速方法是用减小输入功率来减小输出功率的，所外，这种调速方法是用减小输入功率来减小输出功率的，所以具有比较好的经济性。以具有比较好的经济性。 永磁直流伺服电动机的调速方法永磁直流伺服电动机的调速方法3. 永磁直流伺服电机的工作特性永磁直流伺服电机的工作特性 对于永磁直流伺服电动机，由于其伺服系统的要求，已对于永磁直流伺服电动机，由于其伺服系统的要求，已经不能简单地用电压、电流、转数等参数描述其性能，而经不能简单地用电压、电流、转数等参数描述其性能，而需要用一些特性曲线对其性能做全面描述。需要用一些特性曲线对其性能做全面描述。转矩转矩速度特性曲

56、线速度特性曲线 从图中可以得出，从图中可以得出，伺服电动机的工作区伺服电动机的工作区域被温度极限线、转域被温度极限线、转速极限线、换向极限速极限线、换向极限线、转矩极限线以及线、转矩极限线以及瞬时换向极限线划分瞬时换向极限线划分成三个区域。成三个区域。瞬时换向瞬时换向极限线极限线转速极限转速极限线线转矩极限线转矩极限线换向极限线换向极限线温度极限线温度极限线05001000150020004000600080001000012000T/(Ncm)n/(r/min)瞬时换向瞬时换向极限线极限线转速极限转速极限线线转矩极限线转矩极限线换向极限线换向极限线温度极限线温度极限线050010001500

57、20004000600080001000012000T/(Ncm)n/(r/min) 区域为连续工作区。在该区域中，转矩和转速的任意组合都可长期连续工作。 区域为断续工作区，在该区域内，电动机只能根据负载周期曲线所决定的允许工作时间 tR 和断电时间 tF 作间歇工作。 区域为加速和减速区域，在该区域内，电动机只能用于加速或减速，工作一段极短的时间。 图中各条曲线为不同的过载图中各条曲线为不同的过载倍数曲线倍数曲线. 横坐标为工作时间横坐标为工作时间tR (min)，纵坐标为加载周期比。纵坐标为加载周期比。 dtR(tR十tF) () 过载倍数过载倍数:tmd负载转矩连续额定转矩负载转矩连续额

58、定转矩. 二、直流伺服电动机的速度控制二、直流伺服电动机的速度控制 常采用两种速度调节系统： 晶闸管调速系统 晶体管脉宽调制调速系统。时的电枢电压和电流波形时的电枢电压和电流波形例例 典型的双环调速系统工作原理典型的双环调速系统工作原理 速度反馈的闭环系统速度反馈的闭环系统 由速度调节器对电动机的速度由速度调节器对电动机的速度 误差进行调节误差进行调节 电流反馈环节电流反馈环节 由电流调节器对电枢回路引起的滞后由电流调节器对电枢回路引起的滞后 进行补偿，抑制主回路电流的变化进行补偿，抑制主回路电流的变化2. PWM脉宽调制原理与系统脉宽调制原理与系统 晶体管脉宽调制调速系统晶体管脉宽调制调速系

59、统(PWM)的调速性能优于晶闸管的调速性能优于晶闸管调速系统的调速性能；而且，功率晶体管的功率、耐压等都调速系统的调速性能；而且，功率晶体管的功率、耐压等都已有很大提高，现代数控机床的直流进给伺服系统中多采用已有很大提高，现代数控机床的直流进给伺服系统中多采用晶体管脉宽调制调速系统。晶体管脉宽调制调速系统。原理：原理： 利用脉宽调制器，将直流电压转换成某一频率的矩利用脉宽调制器，将直流电压转换成某一频率的矩形波电压，加到直流电动机的转子回路两端，通过对矩形波形波电压，加到直流电动机的转子回路两端，通过对矩形波脉冲宽度的控制，改变转子回路两端的平均电压，从而达到脉冲宽度的控制，改变转子回路两端的

60、平均电压，从而达到调节电动机转速的目的。调节电动机转速的目的。调速系统的组成：调速系统的组成：由控制电路、主回路及功率整流电路三由控制电路、主回路及功率整流电路三部分组成。其中控制电路由速度调节器、电流调节器和脉宽部分组成。其中控制电路由速度调节器、电流调节器和脉宽调制器（包括固定频率振荡器、调制信号发生器、脉宽调制调制器（包括固定频率振荡器、调制信号发生器、脉宽调制及基极驱动电路）组成。及基极驱动电路）组成。系统的核心部分是主回路和脉宽调系统的核心部分是主回路和脉宽调制器制器。速度调节器速度调节器电流调节器电流调节器脉宽调制脉宽调制基极驱动基极驱动主主回回路路整流整流u-+振荡器振荡器电流反