数控原理与系统第四章

第4章伺服驱动系统4.1伺服系统概述4.2开环步进电动机驱动系统4.3直流伺服系统4.4交流伺服系统4.5典型数控伺服驱动系统简介小结习题4.1伺服系统概述1.基本概念伺服（Servo）系统又叫随动系统，是一种能够跟随指令信号的变化而动作的自动控制装置，根据实现方法不同，可以分为机械随动（仿形）系统、液压伺服系统、电气伺服系统等，目前的数控机床均采用电气伺服系统。

在数控机床中，CNC装置是发布命令的“大脑”，而伺服系统则是数控机床的“四肢”，是一种执行机构，它能够准确地执行来自CNC装置的运动指令。伺服系统由伺服驱动装置、伺服电动机、位置检测装置等组成。伺服驱动装置的主要功能是功率放大和速度调节，将弱信号转换为强信号，并保证系统的动态性能；伺服电动机用来将电能转换为机械能，拖动机械部件移动或转动。

数控机床的伺服系统，包括进给伺服系统和主轴伺服（驱动）系统，前者是以机械位移（位置控制）为直接控制目标的自动控制系统，用来保证加工轮廓；后者是以速度控制为主，提供切削过程中需要的转矩和功率。本章主要介绍进给伺服系统及其位置检测装置的基本原理。2．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是：①调速范围宽，在大的速度范围内运转稳定。一般要求速比可达1:10000，最低稳定运转速度nmin≤0.1r/min。②负载特性硬，抗扰动能力强。能保证切削过程中受负载冲击时速度不变，尤其在低速时，应有足够的负载能力。

③反应速度快。一般要求，伺服响应时间为几十毫秒，伺服电机角加速度≥4000rad/s2，即从静止状态加速到额定转速1500r/min，所需时间不大于0.2秒。④准确度高。定位精度和重复定位精度可达到0.01～0.001mm，甚至0.1um。3．进给伺服系统的分类进给伺服系统按其结构可以分为开环控制和闭环控制两大类。开环控制系统用步进电动机作为驱动元件，由于它没有位置反馈回路和速度控制回路，具有简单、经济的优点，被广泛用于中、低档数控机床及一般的机床改造。闭环伺服系统是基于反馈控制原理工作的，即通过位置测量装置反馈运动部件的实际位置，再与CNC装置输出的指令位置进行比较，根据比较结果的差值来控制伺服机构工作。闭环伺服系统采用直流伺服电机或交流伺服电机作为驱动元件，根据位置测量元件的安装位置不同又分为半闭环和全闭环两种形式。

半闭环伺服系统一般将位置检测元件安装在电动机轴上(一般电机生产商已装好)，用以精确控制电动机的角度，然后通过滚珠丝杠等传动机构，将角度转换成工作台的直线位移。半闭环的闭环环路短，不包括传动机构等大惯性环节，因而系统容易达到较高的位置增益，不发生振荡现象。且其快速性好，动态精度高，传动机构的非线性因素对系统的影响小。因此被广泛采用。但如果传动机构的误差过大或其误差不稳定，则数控系统难以补偿。如由传动机构的扭曲变形所引起的弹性间隙，因其与负载力矩有关，故无法补偿。由制造与安装所引起的重复定位误差以及由于环境温度与丝杠温度变化所引起的丝杠螺距误差也是不能补偿的。因此要进一步提高精度，只有采用全闭环控制方式。

全闭环方式直接从机床的移动部件上获取位置实际移动值，因此其检测精度不受机械传动精度的影响。但不能认为全闭环方式可以降低对传动机构的要求，因闭环环路包括了机械传动机构，其闭环动态特性不仅与传动部件的刚性、惯性有关，还取决于阻尼、油的粘度、滑动面摩擦系数等因素。而且这些因素对动态特性的影响在不同条件下还会发生变化，这给位置闭环控制的调整和稳定带来了许多困难。这些困难使调整闭环环路时不得不降低位置增益，从而对跟随误差与轮廓加工误差产生不利影响。所以采用全闭环方式时必须增大机床刚性，改善滑动面摩擦特性，减小传动间隙，这样才有可能提高位置增益。全闭环方式被应用在精度要求较高的大型数控机床上。4.2开环步进电动机驱动系统

开环伺服系统不设位置检测反馈装置，不构成运动反馈控制回路，电动机按数控装置发出的指令脉冲工作，对运动误差没有检测反馈和处理修正过程。其典型代表是步进电动机开环进给伺服系统，如图4.1所示。图4.1步进进电电动动机机开开环环进进给给伺伺服服系系统统结结构构图图图4.1中，，数数控控装装置置发发出出指指令令脉脉冲冲通通过过环环形形分分配配器器和和功功率率放放大大器器驱驱动动步步进进电电动动机机，，每每发发出出一一个个指指令令脉脉冲冲，，步步进进电电动动机机就就转转过过一一个个角角度度，，此此角角度度叫叫做做步步进进电电动动机机的的步步距距角角。。步步进进电电动动机机通通过过齿齿轮轮箱箱、、滚滚珠珠丝丝杠杠驱驱动动工工作作台台运运动动，，其其运运动动的的位位移移量量与与指指令令脉脉冲冲数数成成正正比比，，运运动动速速度度与与脉脉冲冲的的频频率率成成正正比比。。4.2.1步进进电电动动机机1.步进进电电动动机机的的特特点点步进进电电动动机机是是一一种种将将电电脉脉冲冲信信号号转转换换成成相相应应角角位位移移的的机机电电执执行行元元件件。。给给一一个个电电脉脉冲冲信信号号，，步步进进电电动动机机就就回回转转一一个个固固定定的的角角度度，，称称为为一一步步，，所所以以称称为为步步进进电电动动机机。。由由于于其其转转动动角角度度由由脉脉冲冲个个数数控控制制，，不不需需要要反反馈馈环环节节，，所所以以在在经经济济型型数数控控机机床床上上得得到到了了广广泛泛的的应应用用。。概概括括起起来来步步进进电电机机具具有有如如下下优优点点：：（1）转转子子的的角角位位移移量量和和转转速速严严格格受受脉脉冲冲的的数数量量和和频频率率控控制制，，有有脉脉冲冲就就走走，，无无脉脉冲冲则则停停，，旋旋转转方方向向由由通通电电顺顺序序决决定定。。（2）体体积积小小，，重重量量轻轻，，价价格格低低。。（3）驱驱动动简简单单，，工工作作可可靠靠，，误误差差不不长长期期积积累累。。（4）精精度度高高，，惯惯性性小小，，容容易易调调试试。。其主主要要缺缺点点如如下下：：（1）使使用用不不当当时时，，会会引引起起““失失步步””或或““过过冲冲””。。（2）运运转转时时有有振振动动和和噪噪音音。。（3）额额定定转转速速较较低低，，最最高高频频率率一一般般不不超超过过18kHz。2.步进进电电动动机机的的分分类类（1）反反应应式式步步进进电电动动机机反应应式式步步进进电电机机的的定定子子和和转转子子由由硅硅钢钢片片或或其其他他软软磁磁材材料料制制成成，，定定子子上上有有励励磁磁绕绕组组，，绕绕组组相相数数一一般般为为二二、、三三、、四四、、五五、、六六相相，，步步距距角角一一般般为为0.36°°～3°°。反反应应式式步步进进电电机机结结构构简简单单，，价价格格便便宜宜，，步步距距角角小小，，其其缺缺点点是是励励磁磁电电流流大大，，带带惯惯性性负负载载能能力力差差，，容容易易““失失步步””和和““振振荡荡””，，断断电电后后无无保保持持转转矩矩。。其其产产品品系系列列代代号号为为BF，如如：：110BF02、110BF03、130BF5、150BF5、160BF5等。。2）永永磁磁式式步步进进电电动动机机永磁磁式式步步进进电电机机的的定定子子由由软软磁磁材材料料制制成成，，定定子子上上有有励励磁磁绕绕组组；；转转子子由由永永久久磁磁铁铁制制成成，，步步距距角角一一般般为为15°°、22．5°°、30°°、45°°等。。永永磁磁式式步步进进电电机机控控制制功功率率小小，，省省电电，，运运行行稳稳定定，，断断电电后后有有保保持持转转矩矩；；但但是是其其步步距距角角太太大大。。其其产产品品系系列列代代号号为为BY。3）混混合合式式步步进进电电动动机机混合合式式步步进进电电机机又又叫叫永永磁磁反反应应式式步步进进电电机机，，它它在在结结构构和和性性能能上上，，兼兼有有反反应应式式步步进进电电机机和和永永磁磁式式步步进进电电机机两两者者的的特特点点，，即即具具有有反反应应式式步步进进电电机机步步距距角角小小、、工工作作频频率率高高的的特特点点；；又又具具有有永永磁磁式式步步进进电电机机控控制制功功率率小小、、运运行行稳稳定定、、断断电电后后有有保保持持转转矩矩的的特特点点；；更更适适合合应应用用于于数数控控系系统统中中。。但但是是其其制制造造工工艺艺复复杂杂，，成成本本较较高高。。其其产产品品系系列列代代号号为为BH。3.步进进电电动动机机的的工工作作原原理理（1）反反应应式式步步进进电电机机工工作作原原理理三相相反反应应式式步步进进电电机机外外形形结结构构如如图图4.2所示示，，其其定定子子上上有有A、B、C三对对磁磁极极，，分分别别绕绕有有A、B、C三相相绕绕组组，，三三对对磁磁极极在在空空间间上上相相互互错错开开120°°；转转子子上上有有20个齿齿，，没没有有绕绕组组，，每每个个齿齿在在空空间间上上相相隔隔18°°，它它在在定定子子磁磁场场中中被被磁磁化化而而呈呈现现极极性性。。当当A相磁磁极极与与转转子子齿齿对对齐齐时时，，B相磁磁极极与与转转子子齿齿错错开开18°°/3=6°°,C相磁极与转子子齿错开2×18°/3=12°°。(a)外形定子铁芯转子铁芯定子绕组(a)展开图(a)横切面图图4.2反应式步进电电机外形结构构图步进电动机是是在电磁吸力力作用下产生生位移的，当当某相定子励励磁后，该相相定子磁极吸吸引转子，转转子的齿与该该相定子磁极极上的齿对齐齐，转子转动动一个角度，，下一相定子子通电励磁时时，转子又转转过一个角度度，每相不停停地轮流通电电，转子就不不停地转动。。为便于理解解，现以图4.3所示的反应式式步进电机为为例分析其转转动原理。该该步进电机转转子齿数为4，齿距为90°，当A相磁极与转子子齿对齐时，，B相磁极与转子子齿错开90°/3=30°,C相磁极与转子子齿错开2×90°/3=60°°。图4.3反应式步进电电动机工作原原理如图4.3(a)所示给各相定定子绕组接通通直流电源。。当A相绕组通电时时，形成以A-A′为轴线的磁场场，使转子的的1、3齿和定子的A-A′磁极对齐，如如图4.3(b)所示；当A相断电、B相绕组通电时时，转子将在在空间逆时针针转过30°角；当B相断电、C相绕组通电时时，转子将在在空间又逆时时针转过30°角。按A→B→C→→A的顺序通电，，转子就会不不断地按逆时时针方向转动动；如按A→C→B→→A的顺序通电，，转子就会不不断地按顺时时针方向转动动。从一相通通电换到另一一相通电，叫叫一拍；每一一拍转子转动动一步，每步步转过角度叫叫步距角。用用α表示。步进电动机的的通电方式有有以下三种。。（1）单拍在在上述各项轮轮流通电过程程中，每拍只只有一相通电电，称为单拍拍。对于m相步进电机，，一个循环为为m拍，称为m相单m拍工作制。如如上述情况，，为三相单三三拍工作制。。单拍工作制制的稳定性较较差，容易失失步。（2）双拍采采用双相轮流流通电方式，，即每拍都有有两相通电，，称为双拍。。如三相步进进电机的通电电顺序为AB→BC→→CA→→AB，构成三相双双三拍工作制制。这种通电电方式，由于于两相同时通通电，力矩大大，定位精度度高，每拍只只改变一相，，另一相锁定定，不易失步步。（3）单双拍即即单双相轮轮流通电。如如对三相步进进电机来说，，通电顺序为为A→AB→B→BC→C→CA→A，一个循环为为6拍，是单拍时时的2倍，称为三相相六拍工作制制。由此看出，图图4.3中转子齿数为为4的步进电机在在三相三拍时时，三相六拍时时；而图4.2中转子齿数为为20的步进电机在在三相三拍时时，三相六拍时时。说明定定子磁极对数数和转子齿数数越多，步距距角就越小，，但是由于受受控制器复杂杂程度和制造造工艺的限制制，定子磁极极对数和转子子齿数不可能能很多，一般般相数三到五五相，步距角角在0.36°～3°范围的步进电电机较为常用用。（2）永磁式步进进电机工作原原理永磁式步进电电机如图4.4所示，定子上上有两相（或或多相）绕组组，转子为两两对（或多对对）永久磁铁铁制成的磁极极，转子磁极极数与每相定定子绕组磁极极数相同。图图4.4（b）画出的是两两相两对磁极极的绕组（AO、BO），转子为两两对永久磁极极。当定子绕绕组按A→B→-A→-B→A的顺序轮流通通电时，转子子将按顺时针针转动，步距距角为45°。步距角的的计算公式为为式中m为拍数，p为转子磁极对对数。图4.4永磁式步进电电机外形结构构图(a)外形(b)结构（3）混合式步进进电机工作原原理混合式步进电电机外形结构构如图4.5所示，它的定定子结构与反反应式步进电电动机基本相相同，也分成成若干个磁极极，磁极上绕绕有定子绕组组，磁极端面面有小齿。转转子由环形永永久磁铁及两两段铁心组成成，环形永久久磁铁在转子子的中部，轴轴向充磁，两两段铁心分别别装在永久磁磁铁的两端，，转子铁心上上也有如反应应式步进电动动机那样的小小齿，但两段段转子铁心上上的小齿相互互错开半个齿齿距，定转子子小齿的齿距距相等。外形(b)结构图4.5混合式步进电电机外形结构构图如图4.6所示为两相混混合式步进电电机剖面图，，定子有8个磁极，在空空间上均匀分分布，每相4个磁极，每相相相邻磁极线线圈绕向相反反；转子有10个齿，在空间间上均匀分布布；定子绕组组通电顺序为为AA′→BB′→A′A→B′B→→AA′。当定子绕组AA′通电时，定子子的1、5号磁极为S极，3、7号磁极为N极；异性磁极极相吸引，N段转子的1、6齿与定子1、5号磁极的齿对对齐；同性磁磁极相排斥，，N段转子的3、4齿与定子3号磁极的齿错错开，8、9齿与定子7号磁极的齿错错开。两段转转子铁心上的的齿相互错开开半个齿距，，S段转子的3、8齿与定子3、7号磁极的齿对对齐；10、1齿与定子1号磁极的齿错错开，5、6齿与定子5号磁极的齿错错开。当定子绕组BB′通电时，定子子2、6号磁极为S极，4、8号磁极为N极；N段转子的2、7齿与定子2、6号磁极的齿对对齐，其余各各齿的对错情情况可一次推推出，转子顺顺时针转过9°，步距角的计计算公式为式式中m为拍数，Z为转子齿数。。图4.6混合式步进电电机剖面图4.步进电动机的的主要特性（1）步距角α。步进电机每步步转过的角度度，称为步距距角。在数控控机床中，一一般是根据其其传动比例和和系统脉冲当当量的要求来来选择步距角角的。通常选选用1.5°/0.75°、1.2°/0.6°、3°/1.5°等。（2）步距误差Δα。指在空载情况况下，理论的的步距角与实实际的步距角角之差。它直直接影响执行行部件的定位位精度，一般般为±10′～±25′。（3）距角特性。。当保持定子某某一相绕组通通电，并且转转子不带负载载，则这时转转子的齿与定定子通电相的的齿对齐，这这是转子所受受的磁力矩M=0，这个位置叫叫步进电机的的初始平衡位位置。这时，，如果在电动动机轴上外加加一个负载转转矩ML，则转子会向向ML方向转过一个个角度θ，这时转子将将受到电磁转转矩M=ML的作用而达到到新的平衡，，角度θ称为失调角。。设每两个齿齿之间的齿距距角为θt，则转矩M与失调角θ之间的关系为为如图4.7所示。它描述述了转矩M和失调角θ间的关系，称称为矩角特性性。该特性上上的电磁转矩矩最大值Mmax称为最大静转转矩。在静态态稳定区内，，当外加转矩矩除去时，转转子在电磁转转矩作用下，，仍能回到稳稳定平衡点点位置。图4.7步进电动机的的矩角特性（4）矩频特性。。距频特性是指指输出转矩M与运行频率f之间的关系，，如图4.8所示。步进电电机的转矩随随运行频率的的上升而下降降。图4.5步进电动机的的矩频特性（5）运行特性。。步进电机一般般在连续脉冲冲的作用下运运行，根据其其对运行性能能的影响可将将脉冲频率分分为3个区段。①低频区。步进电机的运运行为连续的的单步运动。。每次换相时时，转子都要要来回振荡若若干次，如图图4.9(a)所示。这种情情况下，电机机有较强的振振动和噪声，，但能运行可可靠。②高频区。这时脉冲间隔隔短，在前一一步还没有振振荡结束时，，后一个脉冲冲就已经到来来，从而使步步进电机连续续平滑的转动动，运转比较较平稳,如图4.9(b)所示。③共振区。当脉冲频率介介于低频和高高频之间，而而接近电机本本身的固有振振荡频率时，，电机将产生生强烈的震荡荡，甚至“走走一步退两步步”地左右摇摇摆,无法正常工作作，这种情况况应设法避免免。在实际使使用中，步机机电机走的步步数少于（或或多于）节拍拍脉冲数的现现象叫做“失失步”现象。。当电机转矩矩选配不合理理，负载阻力力矩过大，加加减速太快时时或工作在共共振区时，都都会引起““失步”。震震荡和“失步步”会引起进进给失败，必必须设法避免免。图4.9步进电动机的的运行特性(a)低频区；(b)高频区4.2.2步进电动机的的驱动及控制制步进电机的运运行性能，不不仅与步进电电机本身和负负载有关，而而且与配套的的驱动装置有有着十分密切切的关系。步步进电机驱动动装置由环形形脉冲分配器器、功率放大大驱动电路两两大部分组成成，如图4.10所示。其中，，步进电机驱驱动电路完成成由弱电到强强电的转换和和放大，也就就是将逻辑电电平信号变换换成电机绕组组所需的具有有一定功率的的电流信号。。图4.10步进电动机控控制电路1.步进电动机的的驱动电路一般要求，驱驱动电路能够够提供足够幅幅值、前后沿沿较陡的励磁磁电流，而且且功耗小，效效率高，运行行稳定可靠，，易于维护。。常见的步进进电机驱动电电路形式有如如下几种。（1）单电源串电电阻驱动电路路。单电源串电阻阻驱动电路如如图4.11所示。脉冲分分配器输出脉脉冲到控制信信号端后，通通过脉冲放大大器放大，加加到晶体管VT的基极，使其其导通，并利利用电容C使电动机绕组组中的电流迅迅速上升。在在稳态时，串串联电阻R起限流作用。。在换相时，，晶体管VT截止，利用二二极管VD的续流作用，，防止绕组电电感电流不能能突变而在VT集电极产生高高电压击穿。。这种电路适适用于小型步步进电动机，，且性能要求求不高的场合合。图4.11单电源串电阻阻驱动电路2）高低电压压切换型驱动动电路高低电压切换换型驱动电路路如图4.12所示。这种种电路的特点点是高压充电电，低压维维持。步进进电动机的绕绕组每次通电电时，首先先接通高压，，以保证电电流以较快的的速度上升；；然后改由由低压供电，，维持绕组组中的电流为为额定值。图4.12高低电压切换换型驱动电路路(a)电路；(b)波形图4.12中，由脉冲变变压器T组成了高压控控制电路。当当输入信号为为低电平时，，V1、V2、Vg、Vd均截止，电机机绕组中无电电流通过。当当输入信号为为高电平时，，V1、V2、Vd饱和导通，在在V2由截止过渡到到饱和导通期期间，与T一次侧串联在在一起的V2集电极回路的的电流急剧增增加，在T的二次侧产生生感应电压，，加到高压功功率管Vg的基极上，使使Vg导通，80V的高压经功率率管Vg加到步进电机机绕组上，使使电流按La／(Rd+r)的时间常数上上升，达到电电流稳定值Ug／(Rd+r)。经过一段时时间，当V2进入稳定状态态(饱和导通)后．T一次电流暂时时恒定，无磁磁通量变化，，T二次侧的感应应电压为零，，Vg截止。这时12V低压电源经二二极管VDd加到绕组La上，维持Ld中的额定电流流不变。当输入的脉冲冲结束后，V1、V2、Vg、Vd截止，储存在在La中的能量通过过Rg、VDg及Ug、Ud构成放电回路路，Rg使放电时间常常数减小，电电流迅速减小小为0，改善电流波波形的后沿。。该电路由由于采用高压压充电，电流流增长加快，，绕组上脉冲冲电流的前沿沿变陡，使电电动机的转矩矩、起动及运运行频率都得得到提高。又又由于额定电电流由低电压压维持，故只只需较小的限限流电阻，功功耗较小。该电路为一相相绕组的驱动动电路，若要要驱动三相步步进电机则需需三组这样的的驱动电路。。此外，电路路中的高低压压切换也可通通过定时来控控制。在每一一个步进脉冲冲到来时，高高压脉宽由定定时电路控制制，宽度是一一定的，也叫叫作高压定时时控制驱动电电源。3)恒流斩波型驱驱动电路单压斩波型驱驱动电路如图图4.13所示。当输入入信号为低电电平时，VT截止，电机绕绕组中无电流流通过。当输输入信号为高高电平时，VT导通，由于绕绕组回路没有有串接限流电电阻，所以绕绕组中电流迅迅速上升，当当绕组中电流流上升到预定定值时，由于于R1的反馈作用，，通过斩波电电路使VT截止，绕组中中电流迅速下下降，当下降降到预定值以以下时，又由由于R1的反馈作用，，通过斩波电电路使VT导通，绕组电电流又上升。。如此反复进进行，形成一一个在预定值值上下波动的的电流波形，，近似恒流。。这种电路功功耗小，效率率高，运行特特性好。图4.13单电源源斩波波型驱驱动电电路(a)电路；；(b)电流波波形4)分频段段调压压驱动动电路路由于在在低频频时，，节拍拍脉冲冲比较较宽，，有足足够的的绕组组电流流上升升时间间，只只需较较小的的限流流电阻阻和较较低的的电源源电压压，即即可达达到额额定电电流；；在高高频时时，节节拍脉脉冲变变窄，，在限限流电电阻不不变的的情况况下，，需要要较高高的电电源电电压，，使绕绕组电电流迅迅速上上升，，以提提高高高频时时步进进电机机的带带载能能力。。通常常，把把输入入脉冲冲的频频率分分为几几个频频段，，每段段工作作电压压不同同，高高频段段采用用较高高的电电压，，低频频段采采用较较低的的电压压。5)细分控控制驱驱动电电路在实际际应用用中，，为了了进一一步提提高进进给运运动的的分辨辨率，，在不不改变变步进进电机机结构构的前前提下下，要要求对对步距距角进进一步步细分分。为为了达达到这这一目目的，，可将将绕组组电流流以阶阶梯波波的方方式输输入，，如图图4.14所示。。这时时，电电流分分成多多少个个阶梯梯，则则转子子就以以同样样的步步数转转过一一个步步距角角。这这样将将一个个步距距角细细分成成若干干步的的驱动动方法法称为为细分分驱动动电路路。图4.14细分控控制驱驱动电电路绕绕组电电流波波形2.脉冲分分配器器脉冲分分配器器用来来控制制步进进电动动机的的运行行通电电方式式。在在数数控系系统中中，脉脉冲冲分配配器的的作用用是将将数控控装置置送来来的一一串指指令脉脉冲，，按按照运运行通通电方方式所所要求求的顺顺序和和分配配规律律，分分配配到各各相驱驱动电电路输输入端端，用用以以控制制各相相绕组组中电电流的的开通通和关关断。。由由于步步进电电动机机有正正反转转要求求，因因而而脉冲冲分配配器的的输出出既是是周期期性的的，又又是可可逆的的，因因此此又叫叫环形形脉冲冲分配配器。。图图4.15所示为为三相相三拍拍制步步进电电动机机环形形脉冲冲分配配器的的输入入输出出关系系。图4.15三相三三拍环环形脉脉冲分分配1）硬硬件脉脉冲分分配器器硬件脉脉冲分分配器器由逻逻辑门门电路路和触触发器器构成成。图图4.16所示为为三相相六拍拍环形形脉冲冲分配配器原原理图图，当当X＝“1”时，每每来来一个个脉冲冲(CP)则电动动机正正转一一步，，分分配顺顺序为为A→AB→→B→→BC→C→CA→→A；当当X=“0”时，每每来来一个个脉冲冲（CP）则电电动机机反转转一步步，分分配配顺序序为A→AC→→C→→CB→B→BA→→A。输输出状状态真真值表表如表表4.1所示。。表4.1三相六六拍脉脉冲分分配器器输出出真值值表图4.16三相六六拍脉脉冲分分配器器也可采采用专专用集集成芯芯片实实现硬硬件环环分，，如CH250就是为为三相相步进进电机机设计计的环环形脉脉冲分分配器器，该该芯片片采用用CMOS工艺，，可靠靠性高高。它它可工工作于于单三三拍、、双三三拍、、三相相六拍拍等方方式。。如图图4.17所示为为三相相六拍拍的接接线图图。步步进电电动机机的初初始励励磁状状态为为AB相，当当进给给脉冲冲CP的上升升沿有有效，，并且且方向向信号号为““1”则正转转，为为“0”则反转转。显然，，对于于相数数不同同、通通电方方式不不同的的步进进电机机，必必须重重新设设计或或选用用不同同的硬硬件分分配电电路。。因此此，硬硬件脉脉冲分分配器器缺乏乏灵活活性。。图4.17CH250实现的的三相相六拍拍脉冲冲分配配电路路2）软软件脉脉冲分分配为了提提高脉脉冲分分配器器的灵灵活性性，也也可用用软件件来实实现环环形脉脉冲分分配。。图4.18所示，，为89C51单片机机与步步进电电机驱驱动电电路的的接口口框图图。P1口的3个引脚脚经过过光电电隔离离后，，将节节拍脉脉冲信信号加加到驱驱动电电路的的输入入端，，从而而控制制3相绕组组的通通电顺顺序。。一般般采用用“查查表法法”编编写脉脉冲分分配程程序，，即按按步进进电机机通电电顺序序求出出脉冲冲输出出状态态字状状态表表，并并将其其存入入EPROM中，然然后根根据步步进电电机的的运转转方向向，按按表地地址正正向或或反向向地取取出该该地址址中的的状态态字进进行输输出，，即可可控制制步进进电动动机正正向或或反向向地旋旋转起起来。。图4.18单片机机控制制的三三相步步进电电动机机驱动动电路路框图图3.常用集集成功功率驱驱动接接口目前已已有多多种用用于小小功率率步进进电动动机的的集成成功率率驱动动接口口电路路可供供选用用。L298芯片是是一种种H桥式驱驱动器器，它它设计计成接接受标标准TTL逻辑电电平信信号，，可用用来驱驱动电电感性性负载载。H桥可承承受46V电压，，每相相电流流可达达2.5A。L298(或XQ298，SGS298)的逻辑辑电路路使用用5V电源，，功放放级使使用5～46V电压，，下桥桥发射射极均均单独独引出出，以以便接接入电电流取取样电电阻。。L298采用15脚双列列直插插式封封装，，其内内部结结构如如图4.19所示。。H桥驱动动的主主要特特点是是能够够对电电机绕绕组进进行正正、反反两个个方向向通电电。L298特别适适用于于对二二相或或四相相步进进电动动机的的驱动动。图4.19L298原理框框图与L298类似的的电路路还有有TER公司的的3717，它是是单H桥电路路。SGS公司的的SG3635则是单单桥臂臂电路路，IR公司的的IR2130则是三三相桥桥电路路，Allegro公司则则有A2916、A3953等小功功率驱驱动模模块。。图4.20是使用用L297(环形分分配器器专用用芯片片)和L298构成的的具有有恒流流斩波波功能能的步步进电电动机机驱动动系统统。图4.20专用芯芯片构构成的的步进进电动动驱动动系统统4.3直流伺伺服系系统直流伺伺服系系统是是数控控机床床上应应用较较早、、比较较成熟熟的闭闭环位位置控控制系系统。。它以以直流流伺服服电动动机为为执行行元件件，具具有调调速范范围宽宽，低低速性性能好好，过过载能能力强强，价价格适适中等等优点点，广广泛应应用于于数控控进给给驱动动中。。4.3.1直流伺伺服电电动机机1.结构特特点1）小小惯量量直流流伺服服电动动机小惯量量直流流伺服服电动动机是是通过过减小小电枢枢的转转动惯惯量来来提高高力矩矩／惯惯量比比的。。小惯量量直流流伺服服电机机是通通过减减小电电枢的的转动动惯量量来提提高力力矩／／惯量量比的的。与与一般般直流流电机机相比比，转转子为为细长长形，，从而而得到到较小小的惯惯量；；并且且转子子是光光滑无无槽的的铁心心，用用绝缘缘粘合合剂直直接把把线圈圈粘在在铁心心表面面上。。小惯惯量直直流伺伺服电电机机机电时时间常常数小小，响响应快快，低低速运运转稳稳定而而均匀匀，能能频繁繁起动动与制制动。。但由由于其其过载载能力力低，，并且且自身身惯量量比机机床相相应运运动部部件的的惯量量小，，因此此必须须配置置减速速机构构与丝丝杠相相联接接才能能和运运动部部件的的惯量量相匹匹配，，这样样增加加了传传动链链误差差。小小惯量量直流流伺服服电机机在早早期的的数控控机床床上得得到广广泛应应用。。2）宽宽调速速直流流伺服服电动动机宽调速速直流流伺服服电动动机又又称大大惯量量直流流伺服服电动动机，，它它通过过提高高输出出力矩矩来提提高力力矩／／惯量量比，，具具体措措施是是：增增加加定子子磁极极对数数并采采用高高性能能的磁磁性材材料（（如稀稀土钴钴等））以产产生强强磁场场，该该磁磁性材材料性性能稳稳定且且不易易退磁磁；在在同同样的的转子子外径径和电电枢电电流的的情况况下，，增增加转转子上上的槽槽数和和槽的的截面面积。。由此，，电动动机的的机械械时间间常数数和电电气时时间常常数都都有所所减小小，这这样就就提高高了快快速响响应性性。宽调速直流流伺服电机机具有如下下特点。①过载能能力强，能能承受10倍额定电流流的峰值冲冲击，能产产生额定力力矩10倍的瞬时转转矩。②大的力力矩／惯量量比，快速速性好。由由于电动机机自身惯量量大，外部部负载惯量量相对来说说较小，提提高了抗机机械干扰的的能力。因因此伺服系系统的调速速与负载几几乎无关，，大大方便便了机床制制造厂的安安装调试工工作。③低速时时输出力矩矩大。这种种电动机能能与丝杠直直接相连，，省去了齿齿轮等传动动机构，提提高了机床床进给传动动精度。④调速范围宽宽。与高性性能伺服驱驱动单元组组成速度控控制系统时时，调速范范围超过1：10000。⑤转子热热容量大。。电动机的的过载性能能好，一般般能过载运运行几十分分钟。此外，在结结构上，这这类电机采采用了内装装式低纹波波测速发电电机。测速速发电机的的输出电压压作为速度度环的反馈馈信号，使使电动机在在较宽的范范围内平稳稳运转。除除测速发电电机外，还还在电动机机内部安装装有位置检检测装置，，如光电编编码器或旋旋转变压器器。2.主要特性大惯量直流流伺服电动动机的机械械特性硬，，其机械械特性曲线线和调压调调速特性曲曲线与永磁磁式直流电电动机相同同，工作作特性曲线线如图4.21所示。图4.21FB15型直流伺服服电动机的的工作曲线线由于伺服系系统的要求求，直流伺伺服电动机机的性能已已不能简单单地用电压压、电流、、转速等参参数来描述述，而需要要用一些特特性曲线和和参数表来来全面描述述。下面以以FANUCBESK15直流伺服电电动机为例例，介绍其其特性曲线线。伺服电动机机的工作特特性曲线可可分为三个个区域。连连续工作区区内转矩转转速的任意意组合都可可长期连续续工作；间间断工作区区内电动机机可根据负负载周期曲曲线所决定定的允许工工作时间与与断电时间间做间歇工工作；瞬时时加减速区区电动机只只能在加减减速时工作作于该区，，即只能在在该区域中中工作极短短的一段时时间。4.3.2直流伺服驱驱动系统伺服驱动系系统的主要要作用是把把来自CNC装置的信号号进行功率率放大，以以驱动伺伺服电动机机转动，并并根据来来自CNC装置的信号号指令调节节伺服电动动机的速度度。直流流伺服驱动动系统的一一般结构框框图如图4.22所示。直流伺服驱驱动装置一一般采用调调压调速方方式，按功功率放大电电路元件的的不同，可可分为晶闸闸管（SCR）直流伺服服驱动系统统和晶体管管脉宽调制制（PWM）直流伺服服驱动系统统两大类。。图4.22伺服驱动系系统结构框框图1.晶闸管（SCR）直流伺服服驱动系统统晶闸管直流流伺服驱动动系统的主主电路，采采用晶闸管管三相全控控桥式可逆逆整流电路路，根据限限制环流的的办法不同同，又可分分为以下两两种电路结结构。1）环流可可控可逆直直流伺服系系统这种电路的的结构框图图如图4.23所示。在在两组反并并联的整流流桥之间加加限流电抗抗器L1、L2（平波电抗抗器），并并通过两两路电流反反馈把环流流控制在一一定范围之之内。图4.23环流可控可可逆直流伺伺服系统结结构框图2）逻辑无无环流可逆逆直流伺服服系统这种电路的的结构框图图如图4.24所示。该该电路通过过无环流逻逻辑控制器器DLC控制两组整整流桥的开开通与封锁锁，在一一组整流器器工作时把把另一组整整流器的触触发脉冲封封锁，使使它不通电电，这样样也就不会会出现环流流了。图4.24逻辑无环直直流伺服驱驱动系统结结构框图由于这种电电路无需平平波电抗器器，体积小小，结构简简单，在数数控机床上上应用较为为广泛。但但是，由于于在一组整整流桥工作作时，另一一组是封锁锁的，电流流反向时两两组整流器器之间的切切换比较费费时，必须须在前一组组整流器的的电流衰减减到零，所所有晶闸管管完全关断断的情况下下才能开放放另一组整整流器，即即存在换相相死区，对对快速性有有一定的影影响。2.晶体管脉宽宽调制（PWM）直流伺服服驱动系统统晶体管直流流伺服驱动动系统的主主电路由H型桥式大功功率晶体管管（GTR、IGBT等）驱动模模块构成。。它利用用大功率晶晶体管器件件的开关作作用，将将直流电源源电压转换换成较高频频率(一般为数千千Hz以上)的方波电压压加在直流流电动机的的电枢上，，通过对对方波脉冲冲宽度的控控制来改变变加在电枢枢上的平均均电压Ua，从而调调节电动机机的转速。。晶体管管PWM直流伺服驱驱动系统的的电路结构构如图4.25所示。图4.25晶体管PWM直流伺服驱驱动系统的的电路结构构与晶闸管直直流伺服系系统相比，，晶体管管PWM直流伺服系系统有以下下优点：（1）主电路路功率器件件少，线线路简单。。（2）开关频频率高，电电流容易易连续，低低速性能能好，稳稳速精度高高，调速速范围宽。。（3）系统频频带宽，快快速响应应性能好，，动态抗抗扰能力强强。（4）直流电电源采用三三相不可控控整流电路路时，电电网功率因因数高，对对电网冲冲击小。因因此，在数数控系统中中应用较为为广泛。4.3.3直流伺服驱驱动装置的的信号连接接图4.26所示，为FANUCSCR-D型晶闸管直直流伺服装装置的外部部连接图。。图中，200U、200V、200W为三相交流流200V电源，是触触发晶闸管管的同步电电源。18A、0T、18B为带中心抽抽头的18V交流电源，，经变换作作为伺服单单元中运算算放大器控控制电路的的±15V直流电源。。R、S和T为120V交流电源，，是提供给给主回路的的动力电源源。TOHl、TOH2为装在变压压器内部的的热敏开关关，当变压压器过热时时，热敏开开关断开。。A1、A2为伺服装置置控制伺服服电动机电电枢电压的的动力信号号，TSA、TSB为装在电动动机轴上测测速发电机机输出的信信号，它是是与转速成成正比的电电压信号。。图4.26FANUCSCR-D型晶闸管直直流伺服驱驱动装置外外部连接图图CNC装置与伺服服单元的连连接信号有有五组：（1）VCMD、GND为CNC装置输出控控制伺服单单元转速的的0～±10V电压控制信信号，电电压的大小小与转速成成约1000r／min／6V的正比关系系。（2）PRDY1、PRDY2为准备好控控制信号，，PRDYl与PRDY2短接时，伺伺服单元主主回路通电电。（3）ENBL1、ENBL2为使能控制制信号，当当ENBLl与ENBL2短接时，伺伺服单元开开始正常工工作，并接接收模拟电电压的控制制。（4）VRDYl、VRDY2为伺服单元元通知CNC装置其正常常工作的触触点信号，，当伺服单单元出现报报警时，VRDY1与VRDY2立即断开。。。（5）OVL1与OVL2为常闭触点点信号，当当伺服单元元中热继电电器动作或或变压器内内热控开关关动作时、、该触点立立即断开，，通知CNC装置产生过过热报警。。由于直流伺伺服电动机机存在体积积大，电刷刷易磨损，，需要定期期维修等缺缺点，从而而限制了直直流伺服系系统在数控控机床上的的应用和发发展4.4交流伺服系系统交流伺服系系统是近年年来发展比比较迅速，，在数控机机床上应用用非常广泛泛的闭环位位置控制系系统。它以以永磁同步步交流伺服服电动机为为执行元件件，既克服服了直流伺伺服电机体体积大，电电刷易磨损损，需要定定期维修等等缺点，又又具有调速速范围宽，，低速性能能好，过载载能力强等等优点，是是数控进给给驱动系统统发展的主主流4.4.1交流伺服电电动机交流伺服电电动机分为为异步型交交流伺服电电动机和同同步型交流流伺服电动动机两大类类。绝大大多数用于于数控机床床进给控制制驱动的是是永磁同步步交流伺服服电动机。。永磁同步交交流伺服电电动机的实实质是直流流伺服电动动机定子、、转子的的倒置应用用，其结结构如图4.27所示，在定定子上装有有三相对称称绕组，转转子为永久久磁极，并并在定子圆圆周上均匀匀布置3个霍尔传感感器，用来来检测转子子磁极的位位置。也可可以通过安安装在轴端端的光电编编码器，来来检测转子子的磁极位位置。外形(b)内部结构图4.27三相永磁同同步交流伺伺服电机外外形结构与直流伺服服电动机相相比，永磁磁同步交流流伺服电动动机没有机机械换向器器和电刷，，通过转子子位置传感感器检测到到的转子位位置信号，，控制定子子绕组中电电流的换向向，避免了了换向火花花产生和机机械磨损等等，同时又又可获得和和直流伺服服电动机相相同的调速速性能。因因此，永磁磁同步交流流伺服电机机也叫无刷刷直流伺服服电机，或或电子换向向直流伺服服电机。永永磁同步交交流伺服电电机的机械械特性曲线线与直流电电机非常相相似，如图图4.28所示。图4.28永磁同步交交流伺服电电动机的机机械特性4.4.2交流伺服驱驱动系统数控系统的的交流伺服服驱动系统统以三相永永磁同步交交流伺服电电机为执行行元件。从从换向电路路的控制方方法上，同同步电机的的驱动电路路可以分为为他控换向向和自控换换向两大类类。和异步步电动机变变频调速一一样，用独独立的变频频装置给同同步电动机机提供变压压变频电源源，称他控控换向变频频调速系统统；用电动动机转子位位置传感器器信号来控控制换向变变频的，是是自控换向向交流伺服服系统。数数控机床用用的交流伺伺服系统一一般是自控控换向交流流伺服系统统。自控换向交交流伺服驱驱动系统的的主要组成成结构如图图4.29所示，它它通过电动动机轴端上上的转子位位置检测器器BQ(如霍尔开关关)发出的信号号来控制逆逆变器的换换流，从从而被动地地改变同步步电动机的的供电频率率；并根根据外部速速度给定信信号，以以PWM方式控制逆逆变脉冲宽宽度，改改变输出到到电动机定定子绕组上上的电压，，从而调调节同步电电动机的转转速。图4.30所示为西门门子SIMODRIVE611A交流进给驱驱动装置原原理图。图4.29自控换向交交流伺服驱驱动组成结结构图4.30SIMODRIVE611A交流进给伺伺服驱动装装置原理图图4.5典型数控伺伺服驱动系系统简介4.5.1FANUC公司的伺服服驱动系统统FANUCα/ααi系列伺服电电机和主轴轴电机（1）FANUCα，αC，αi，αCi系列交流（（AC）伺服电机机。该系列适用用于驱动机机床的进给给轴，具有有位置偏差差小、分辨辨率高（采采用65536P/r的绝对值式式编码器））、伺服控控制响应快快（高速响响应矢量控控制HRV）等特点。。性能参数数如表4.2所示。表4.2FANUCAC伺服电动机机（2）FANUCα，αP，αC，αPi和αCi系列交流（（AC）主轴电机机。该系列适用用于驱动机机床的主轴轴传动，具具有高转速速、大功率率、响应快快、速度稳稳定、高速速主轴定向向等特点，，可用于高高速度高精精度高刚性性攻丝等加加工。该系系列主轴电电机主要性性能参数如如表4.3所示。表4.3FANUCAC主轴电动机机FANUCα系列伺服驱驱动器FANUCα系列伺服驱驱动器采用用最新的智智能型功率率模块（IPM），具有体体积小，重重量轻，可可靠性高，，具有能量量再生控制制功能，节节省能源，，符合国际际标准等特特点。FANUCβ系列伺服电电动机β系列伺服驱驱动器由β系列AC伺服电动机机与β系列伺服驱驱动器组成成的伺服驱驱动系统，，具有高的的性能价格格比，适用用于机床的的进给轴和和辅助轴驱驱动。可配配置高可靠靠性、高分分辨率的绝绝对值式编编码器（32768P/