数控机床的驱动与位置

第６章数控机床的驱动与位置控制6.1概述6.2开环进给伺服系统6.3闭环及半闭环进给伺服系统6.4检测元件数控机床与其它机床主要区别是什么？

为什么数控机床能加工复杂曲面，而普通机床不能？答案是数控机床具有驱动与位置控制统。数控机床驱动与位置控制统称伺服系统，它是数控机床的重要组成部分。伺服系统是以机床移动部件的位置和速度为控制量的自动控制系统，又称随动系统、拖动系统或伺服机构。在数控机床上，伺服驱动系统接收来自插补装置或插补软件生成的进给脉冲指令，经过一定的信号变换及电压、功率放大，将其转化为机床工作台相对于切削刀具的运动或主电机的运动。目前，这主要通过对交、直流伺服电动机或步进电动机等进给驱动元件的控制来实现。进给伺服系统的性能，如最高移动速度、跟踪精度、定位精度等动态和静态性能，在很大程度上决定了数控机床的加工精度、加工表面质量和生产效率。

6.1概述

数控机床伺服系统是以机床移动部件的位置和速度为控制量的自动控制系统，又称随动系统、拖动系统或伺服机构。在数控机床上，伺服驱动系统接收来自插补装置或插补软件生成的进给脉冲指令，经过一定的信号变换及电压、功率放大，将其转化为机床工作台相对于切削刀具的运动或主电机的运动。目前，这主要通过对交、直流伺服电动机或步进电动机等驱动元件的控制来实现。

伺服系统是数控装置和机床的联系环节，是实现切削刀具与工件间运动、主电机运动的驱动和执行机构，是数控机床的“四肢”。伺服系统的性能，在很大程度上决定了数控机床的性能。数控机床的最高移动速度、跟踪精度、定位精度等重要指标均取决于伺服系统的动态和静态性能。6.1.1伺服系统的基本要求

1．精度高(位移精度、定位精度)

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冲经伺服系统转化为工作台实际位移量之间的符合程度。目前，数控机床伺服系统位移精度可达到在全程范围内±5μm。

伺服系统的定位精度是指输出量能复现输入量的精确程度。作为数控加工，对定位精度和轮廓加工精度要求都比较高，高精度的定位精度为±0.001mm，甚至0.1μm。

2.稳定性好

稳定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平衡状态。

稳定性直接影响数控加工的精度和表面粗糙度。

3.动态响应快

动态响应反映了系统的跟踪精度。为了保证轮廓切削形状精度和低的加工表面粗糙度值，要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快。这一方面要求过渡过程时间要短，一般在200ms以内，甚至小于几十毫秒；另一方面要求超调要小。这两方面的要求往往是矛盾的，实际应用中要采取一定措施，按工艺加工要求作出一定的选择。

4．调速范围宽

调速范围S是指机械装置要求电动机能提供的最高转速nmax和最低转速nmin之比（nmax和nmin一般是指额定负载时的转速，对于少数负载很轻的机械，也可以是实际负载时的转速。）。

目前，先进水平是在进给速度范围已达到脉冲当量为lμm的情况下，进给速度从0～240m/min连续可调。但对于一般的数控机床而言，要求进给伺服系统在0～24m/min进给速度下都能工作，而且可以分为以下几种状态:

（1）在l～24000mm/min范围，要求速度均匀、稳定、无爬行，且速降要小。

（2）在lmm/min以下时，具有一定的瞬时速度，而平均速度很低。

（3）在零速时，即工作台停止运动时，要求电动机有电磁转矩，以维持定位精度，使定位精度满足系统的要求。也就是说，应处于伺服锁住状态。

主轴伺服系统主要是速度控制，它要求1:100～1000范围内的恒转矩调速和1:10以上的恒功率调速，而且要保证足够大的输出功率。

5．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，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件——伺服电动机也相应提出高精度、快响应、宽调速和大转矩的要求，具体是：

（1）电动机从最低进给速度到最高进给速度范围内都能平滑运转，转矩波动要小，尤其在最低转速时，如0.1r/min或更低转速时，仍有平稳的速度而无爬行现象。

（2）电动机负载特性硬，应具有较长时间的较大过载能力，以满足低速大转矩的要求。

（3）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，伺服电动机必须具有较小的转动惯量和大的堵转转矩，机电时间常数和起动电压应尽可能的小。

（4）电动机应能承受频繁的起动、制动和反转。

1．按调节理论分类

（1）开环伺服系统

其驱动元件主要是功率步进电动机或电液脉冲马达。这两种驱动元件工作原理的实质是数字脉冲到角度位移的变换，它无位置反馈系统，不用位置检测元件实现定位，而是靠驱动装置本身，转过的角度正比于指令脉冲的个数；运动速度由进给脉冲的频率决定。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。一般用于轻载负载或经济型数控机床上。

6.1.2伺服系统的分类（2）闭环伺服系统

数控机床进给系统的误差，是CNC输出的位置指令和机床工作台（或刀架）实际位置的差值。闭环系统运动执行元件不能反映运动的位置，因此需要位置检测装置。该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CNC装置，与指令进行比较，求得误差，依此构成闭环位置控制。由于闭环伺服系统是反馈控制，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到补偿，从而大大提高了跟随精度和定位精度。目前闭环系统的分辨率多数为lμm，定位精度可达±0.01～±0.05mm；高精度系统分辨率可达0.1μm。系统精度只取决于测量装置的制造精度和安装精度。

（3）半闭环环系统位位置检测元件件没直接安装装在进给坐标标的最终运动动部件上，而而是经过中间间机械传动部部件的位置转转换，称为间间接测量。亦亦即坐标运动动的传动链有有一部分在位位置闭环以外外，在环外的的传动误差没没有得到系统统的补偿，因因而伺服系统统的精度低于于闭环系统。。半闭环和闭环环系统的控制制结构是一致致的，不同点点只是闭环系系统环内包括括较多的机械械传动部件，，传动误差均均可被补偿，，理论上精度度可以达到很很高。但由于于受机械变形形、温度变化化、振动以及及其它因素的的影响，系统统稳定性难以以调整。此外外，机床运行行一段时间后后，由于机械械传动部件的的磨损、变形形及其它因素素的改变，容容易使系统稳稳定性改变，，精度发生变变化。目前使使用半闭环系系统较多。只只在具备传动动部件精密度度高、性能稳稳定、使用过过程温差变化化不大的高精精度数控机床床上才使用全全闭环伺服系系统。2．按使用驱驱动电动机分分类（1）直流伺伺服系统直直流伺服服系统常用的的伺服电动机机有小惯量直流伺伺服电动机和和永磁直流伺伺服电动机（（也称为大惯惯量宽调速直直流伺服电动动机）。小惯量伺服电电动机最大限限度地减少了了电枢的转动动惯量，快速速性较好。小惯量伺服电电动机一般都都设计成有高高的额定转速速和低的惯量量，所以应用用时，要经过过中间机械传传动（如齿轮轮副）才能与与丝杠相连接接。永磁直流伺服服电动机能在在较大过载转转矩下长时间间工作以及电电动机的转子子惯量较大，，能直接与丝丝杠相连而不不需中间传动动装置。此外，它还有有一个特点是是可以在低速速下运转，如如能在lr/min甚至至在0.1r/min下下平稳地运转转。缺点是有有电刷，限制制了转速的提提高，一般额额定转速为1000～1500r/min。而而且结构复杂杂，价格较贵贵。（2）交流伺伺服系统交交流伺服服系统使用交流异步伺服服电动机（一一般用于主轴轴伺服电动机机）和永磁同同步伺服电动动机（一般用用于进给伺服服电动机）。。由于直流伺服服电动机存在在着一些固有有的缺点（如如上所述），，使其应用环环境受到限制制。交流伺服服电动机没有有这些缺点，，且转子惯量量较直流电动动机小，使得得动态响应快快。另外在同同样体积下，，交流电动机机的输出功率率可比直流电电动机提高10%～70%。还有交交流电动机的的容量可以比比直流电动机机制造得大，，达到更高的的电压和转速速。因此，交交流伺服系统统得到了迅速速发展，已经经形成潮流。。从80年代代后期开始大大量使用交流流伺服系统，，到今天，有有些国家的厂厂家，已全部部使用交流伺伺服系统。3．按进给驱驱动和主轴驱驱动分类（（1）进给伺伺服系统它它包括速度度控制环和位位置控制环。。进给伺服系系统完成各坐坐标轴的进给给运动，具有有定位和轮廓廓跟踪功能，，是数控机床床中要求最高高的伺服控制制。

（2））主轴伺服系系统主要实现主轴轴的旋转运动动，提供切削削过程中的转转矩和功率，，而且需保证证任意转速的的调节，来完完成在转速范范围内的无级级变速。具有C轴控制制的主轴与进进给伺服系统统一样，为一一般概念的位位置伺服控制制系统。此外外，刀库的位位置控制是为为了在刀库的的不同位置选选择刀具，与与进给坐标轴轴的位置控制制相比，性能能要低得多，，故称为简易易位置伺服系系统。4．按反馈比比较控制方式式分类（1）脉冲、、数字比较伺伺服系统该该系统是是闭环伺服系系统中的一种种控制方式。。它是将数控控装置发出的的数字（或脉脉冲）指令信信号与检测装装置测得的以以数字（或脉脉冲）形式表表示的反馈信信号直接进行行比较，以产产生位置误差差，达到闭环环控制。脉冲冲、数字比较较伺服系统结结构简单，容容易实现，整整机工作稳定定，在一般数数控伺服系统统中应用十分分普遍。（（2）相位比比较伺服系统统在相位位比较伺服系系统中，位置置检测装置采采取相位工作作方式，指令令信号与反馈馈信号都变成成某个载波的的相位，然后后通过两者相相位的比较，，获得实际位位置与指令位位置的偏差，，实现闭环控控制。相位伺伺服系统适用用于感应式检检测元件（如如旋转变压器器，感应同步步器）的工作作状态，可得得到满意的精精度。此外由由于载波频率率高，响应快快，抗干扰性性强，很适合合于连续控制制的伺服系统统。

。（3）幅值比比较伺服系统统幅值比比较伺服系统统是以位置检检测信号的幅幅值大小来反反映机械位移移的数值，并并以此信号作作为位置反馈馈信号，一般般还要将此幅幅值信号转换换成数字信号号才与指令数数字信号比较较，从而获得得位置偏差信信号构成闭环环控制系统。。

在以上三三种伺服系统统中，相位比比较和幅值比比较系统从结结构上和安装装维护上都比比脉冲、数字字比较系统复复杂、要求高高，所以一般般情况下脉冲冲、数字比较较伺服系统应应用的最广泛泛，而相位比比较系统要比比幅值比较系系统应用普遍遍。

（4））全数字伺服服系统随随着微电子技技术、计算机机技术和伺服服控制技术的的发展，数控控机床的伺服服系统已开始始采用高速、、高精度的全全数字伺服系系统。使伺服服控制技术从从模拟方式、、混合方式走走向全数字方方式。由位置置、速度和电电流构成的三三环反馈全部部数字化，软软件数字PID使用灵活活，柔性好。。数字伺服系系统还采用了了许多新的控控制技术和改改进伺服性能能的措施，使使控制精度和和品质大大提提高6.1.3常常用伺服电电动机伺服电动机是是指能够精密密地控制其位位置的一类电电动机。伺服服电动机在机机床伺服系统统中用作执行行元件。常用用的伺服电动动机分为4大大类：

1．．直流伺服电电动机。2．交流伺服服电动机。交交流伺服电动动机可分为：：同步和异步步型交流伺服服电动机。3．步进电电动机。步进进电动机可分分为：反应式式步进电动机机、永磁式步步进电动机、、永磁感应子子式步进电动动机。4．直接驱动动电动机。用用于直接驱动动伺服系统的的电动机有：：直流力矩电电动机、同步步型交流伺服服电动机、变变磁阻电动机机直流伺服电动动机、交流伺伺服电动机和和直接驱动电电动机均采用用位置半闭环环控制和闭环环控制，一般般用于要求高高精度、高速速度的数控系系统。步步进电电动机主要用用于开环系统统，一般用于于精度、速度度要求不高，，成本要求低低的数控系统统。永永磁直流流伺服电动机机用于一般的的直流伺服系系统。无槽电电枢直流伺服服电动机用于于需要快速动动作、功率较较大的伺服系系统。空心杯杯电枢直流伺伺服电动机用用于需要快速速动作的伺服服系统。印制制绕组直流伺伺服电动机用用于低速运行行和起动、反反转频繁的系系统。同同步型型交流伺服电电动机常用于于位置伺服系系统，如数控控机床的进给给系统、机器器人关节伺服服系统及其它它机电一体化化产品的运动动控制，包括括点位控制和和连续轨迹控控制。常见的的功率范围是是数十瓦到数数千瓦，个别别的达到数十十千瓦。异步步型交流伺服服电动机主要要用于以恒功功率扩展调速速范围的大功功率调速系统统中，在数控控机床中用作作主轴系统驱驱动，常见的的功率范围是是数千瓦以上上。直流伺服系统统和交流伺服服系统各有其其优点，选用用哪种电气伺伺服系统，主主要应根据应应用的场合确确定。交流伺伺服系统特别别适用于如宇宇宙飞船、人人造卫星等；；存在易燃易易爆气体的场场合，如喷漆漆机器人，也也应选择交流流伺服系统。。当两种电气气伺服系统都都能满足实际际应用的要求求时，则产品品的价格是关关键因素。6.2开开环进给伺服服系统6.2.1开开环进给伺伺服系统开环控制系统统是没有反馈馈的控制系统统。该控制不不带位置测量量元件,数控控装置根据控控制介质上的的指令信号，，经控制运算算发出指令脉脉冲，使伺服服驱动元件转转过一定的角角度，并通过过传动齿轮、、滚珠丝杠螺螺母副，使执执行机构（如如工作台）移移动或转动。。开环控制系系统的指令流流向为单向，，控制精度较较低，这种系系统的输出量量不会对系统统的控制作用用发生影响，，没有自动修修正或补偿的的能力，系统统简单，控制制容易，维修修方便，且是是全数字化控控制，因此，，除功率驱动动电路之外，，其他硬件电电路均可由软软件实现，从从而简化了系系统结构，降降低了成本、、提高了系统统的可靠性。。6.2.2步步进电机步进电机是一一种将电脉冲冲转化为角位位移的执行机机构。它的旋旋转是以固定定的角度一步步一步运行的的。通过控制制脉冲个数来来控制角位移移量，从而达达到准确定位位的目的，同同时可以通过过控制脉冲频频率来控制电电机转动的速速度和加速度度，达到调速速的目的。数控机床上上通常使用用的有反应应式、永磁磁式、感应应式步进电电机，其工工作原理基基本相同，，下面以三三相反应式式步进电机机为例，介介绍其基本本原理。AABCBCABCA逆时针步距角60°AABCBCABCA顺时针步距角60°AABCBCACBA逆时针步距角30°AABCBCACBA顺时针步距角30°AABCBCAACCBA逆时针CBBAA步距角15°反应式步进进电机定子子铁心上有有六个均匀匀分布的磁磁极，沿直直径相对两两个极上的的线圈串联联，构成一一相励磁绕绕组。极与与极之间的的夹角为60°，每每个定子磁磁极上均匀匀分布5个个齿，齿槽槽距相等，，齿距角为为9°。转转子铁心上上无绕组，，只有均匀匀分布的40个齿，，齿槽距相相等，齿距距角为360°/40=9°°。三相（（A、B、、C）定子子磁极上的的齿依次错错开1/3齿距即3°。１．三相单单三拍供电电方式：第第一拍：：A相励磁磁绕组通电电，B、C相励磁绕绕组断电。。A相定子子磁极电磁磁力要使相相邻转子齿齿与其对齐齐，B相和和C相定、、转子错齿齿分别为1/3齿距距（3°））和2/3齿距（6°）。第第二拍：：B相绕组组通电，A、C相绕绕组断电。。电磁反应应力矩使转转子顺时针针方向转动动，与B相相的定子齿齿对齐，此此时A相、、C相的定定、转子齿齿又互相错错齿。第第三拍：C相绕组通通电，A、、B相绕组组断电。电电磁反应力力矩又使转转子顺时针针方向转动动，同时A相、B相相定、转子子齿错齿。。重复单三三拍的通电电顺序，步步进电动机机就顺时针针方向旋转转起来，而而且是对应应每个指令令脉冲，转转子转动一一固定角度度（3°）），称为步步进电动机机的步距角角。２．三相双双三拍工作作方式为为克服单单三拍工作作的缺点，，可采用双双三拍通电电控制方式式。若定子子绕组的通通电顺序为为AB→AC→BC→AB→→…，其步步距角也是是3°。３３．三相相六拍工作作方式若若定子绕绕组的通电电顺序是A→AB→→B→BC→C→CA→A→→…即三相相六拍控制制方式。定定子绕组切切换为A、、B相通电电时，A、、B相定子子磁极力保保持与其相相邻转子齿齿对齐，转转子顺时针针方向转动动1.5°°。若定子子励磁绕组组通电顺序序为A→AC→C→→BC→B→AB→→A→…则则步进电动动机的转子子逆时针方方向转动，，步距角仍仍为1.5°。三三相六拍控控制方式比比三相三拍拍控制方式式步距角小小一半，在在切换时保保持一相绕绕组通电，，工作稳定定，比双三三拍增大了了稳定区。。所以三相相步进电动动机常采用用这种控制制方式。6.2.3步进电机机驱动电源源步进电机的的驱动电源源通常由环环形分配器器和功率放放大器组成成。环行分分配器是根根据步进电电机的相数数和控制方方式设计的的，用于控控制步进电电机的通电电运行方式式，其作用用就是将数数控装置送送来的一系系列指令脉脉冲按一定定的顺序和和分配方式式、控制绕绕组的通电电、断电，，实现电机机的正反转转，环行分分配器的输输出是周期期性的，又又是可逆的的。功率放放大器的作作用是将环环行分配器器输出TTL电平的的通电状态态信号经过过几级功率率放大，控控制步进电电机各相绕绕组电流按按一定顺序序切换。根根据其功率率的不同，，绕组电流流从几安到到十几安不不等，每相相绕组分别别有一组功功率放大器器控制。1．环形分分配器：其作用是把把来自加减减速电路的的一系列进进给脉冲指指令，转换换成控制步步进电动机机定子绕组组通电、断断电的电平平信号状态态的改变次次数及顺序序与进给脉脉冲的数量量及方向对对应。如如对对于三相三三拍步进电电机，若““1”表示示通电，““0”表示示断电，A，B，C是其三相相定子绕组组，则经环环形分配器器后，每个个进给脉冲冲指令，A，B，，C应按按（100）（010）（001）（（100））…的顺顺序改变一一次。环形形分配器的的实现可以以是硬件、、软件及软软硬件相结结合的方法法来实现。。

(1））硬件环形形分配器三三相六拍拍环形分配配器由三个个D触发器器和若干个个与非门所所组成。CP端接进进给脉冲控控制信号，，E端接电电机方向控控制信号。。环行分配配器的输出出端QA、、QB、QC分别控控制电机的的A、B、、C三相绕绕组，其原原理图如图图6-5。。由CH250三相相步进电机机环配芯片片构成的反反应式步进进电动机三三相六拍工工作时的接接线如图6-6所示示。(2））软件件环行行分配配器软软件环环形分分配器器只需需编制制不同同的软软件环环分程程序，，将其其存入入CNC装装置的的EPROM中中即可可。软软件环环形分分配器器可以以使线线路简简化，，成本本下降降，并并可灵灵活地地改娈娈步进进电动动机的的控制制方案案。软软件环环形分分配器器有多多种设设计方方法，，如查查表法法、比比较法法、移移位寄寄存器器等。。查表表法是是根据据步进进电动动机当当前励励磁状状态和和正向向、反反向运运转的的要求求，从从表中中找到到相应应单元元地址址，取取出地地址中中的内内容并并输出出。通通常用用基址址（表表格首首址））加索索引值值（序序号））的方方法。。正转转时，，只要要步进进电动动机当当前状状态序序号不不是表表底序序号，，序号号+1就是是下一一状态态的序序号；；若是是表底底序号号，需需要将将表底底序号号修改改成表表首序序号。。反转转时，，需判判断当当前序序号是是不是是表首首，不不是表表首则则序号号－1,是是表首首序号号需修修改成成表底底序号号。PA0PA1PA2PA3PA4PA5PIO（并行行输入入/输出出接口口）光电耦耦合器器放大器器X向步进电电机光电耦耦合器器放大器器Z向步进电电机ABCabc两坐标标步进进电动动机伺伺服进进给系系统框框图X向步进电动机节拍序号CBA存储单元方向PA2PA1PA0地址内容00012A00H01H反转正转10112A01H03H20102A02H02H31102A03H06H41002A04H04H51012A05H05HZ向步进电动机节拍序号cba存储单元方向PA5PA4PA3地址内容00012A10H08H反转正转10112A11H18H20102A12H10H31102A13H30H41002A14H20H51012A15H28H正转时时，只只有步步进电电机当当前状状态序序号不不是表表底序序号，，序号号加一一就是是下一一状态态的序序号；；若是是表底底序号号，将将表底底序号号修改改成表表首序序号。。反转时时，须须判断断当前前状态态序号号不是是表首首序号号，若若不是是序号号减一一就是是下一一状态态的序序号；；若是是表首首序号号，将将表首首序号号修改改成表表底序序号。。2．驱驱动放放大电电路：：驱驱动功功率放放大电电路的的控制制方式式种类类较多多，常常使用用单电电压简简单驱驱动、、高低低压切切换驱驱动、、高压压恒流流斩波波等。。(1)单单电压压供电电功放放电路路它它有有光电电耦合合器、、限流流功率率电阻阻以及及大功功率晶晶体管管组成成。此此电路路通过过提高高驱动动电压压至60V来加加速电电流的的上升升，在在绕组组中串串入18ΩΩ的大大功率率电阻阻，用用于限限制稳稳态电电流。。由于于电流流较大大，在在功率率电阻阻上的的功耗耗达200W左左右，，发热热严重重，电电路体体积也也很大大，实实用中中很少少采用用这种种电路路。(2)高高低压压切换换驱动动电路路高高低压压驱动动电路路就可可以克克服上上述单单电压压供电电电路路的缺缺点，，这种种线路路的特特点是是供给给步进进电动动机绕绕组有有两种种电压压：步步进电电动机机的绕绕组每每次通通电时时，首首先接接通高高压，，以保保证电电流以以较快快的速速度上上升，，然后后改由由低压压供电电，维维持绕绕组中中的电电路为为额定定值。。通常常高压压导通通时间间固定定在100-600µs之间间的某某一值值（tH））。uHbudbuliltHuHbudbuLiLtttt(3)斩斩波驱驱动电电路高高低低压驱驱动电电路的的电流流波形形会造造成高高频输输出转转矩的的下降降。为为了使使励磁磁绕组组中的的电流流维持持在额额定值值附近近，常常采用用斩波波驱动动电路路.采样电电阻ReVb环形分分配器器输出出的脉脉冲作作为输输入信信号，，若为为正脉脉冲，，则VT1、VT2导通通，由由于U1电电压较较高，，绕组组中的的电流流迅速速上升升，当当绕组组中的的电流流上升升到额额定值值以上上某个个数值值时，，采样样电阻阻Re的电电压将将达到到某一一设定定值，，经整整形、、放大大后送送至VT1的的基极极，使使VT1截截止。。接着着绕组组由U2低低压供供电，，绕组组中的的电流流立即即下降降，但但刚降降至额额定值值以下下时，，由于于采样样电阻阻Re的反反馈作作用，，使整整形电电路无无信号号输出出，此此时高高压前前置放放大电电路又又使VT1导通通，电电流又又上升升。如如此反反复进进行，，形成成一个个在额额定电电流值值上下下波动动呈锯锯齿状状的绕绕组电电流波波形，，近似似恒流流，斩斩波电电路也也称斩斩波恒恒流驱驱动电电路。。锯齿齿波的的频率率可通通过调调整采采样电电阻Re和和整形形电路路的电电位器器来调调整。。iLtoVbto步进电电机驱驱动装装置分分为二二类，，一类类是其其本身身包括括环行行分配配器（（硬件件环形形分配配器））,另另一类类是驱驱动装装置没没有环环行分分配器器，环环行分分配需需由数数控装装置中中的计计算机机软件件来完完成（（软件件环行行分配配器））。3．．驱驱动动装装置置与与数数控控系系统统的的连连接接6.2.4步步进进电电机机的的主主要要参参数数1．．步步距距角角步步电电动动机机每每步步的的转转角角称称为为步步距距角角，，其其计计算算公公式式如如下下：：式式中中m————步步进进电电动动机机相相数数；；Z————转转子子齿齿数数；；K————控控制制方方式式系系数数，，是是拍拍数数与与相相数数的的比比例例系系数数。。2．．最最大大静静转转矩矩Tjmax(N··m)处处于于静静态态的的步步进进电电机机电电磁磁转转矩矩最最大大值值称称为为最最大大静静转转矩矩Tjmax。3．．空空载载启启动动（（突突跳跳））频频率率ƒƒq(步步/s)空空载载情情况况下下步步进进电电机机由由静静止止突突然然启启动动，，进进入入不不丢丢步步的的正正常常运运行行的的最最高高频频率率，，为为启启动动（（突突跳跳））频频率率。。4．．空空载载运运行行频频率率ƒƒmax(步步/s)步步进进电电动动机机在在空空载载启启动动后后,能能不不丢丢步步连连续续运运行行的的最最高高脉脉冲冲重重复复频频率率称称做做空空载载运运行行频频率率ƒƒmax。。它它也也是是步步进进电电动动机机的的重重要要性性能能指指标标。。6.3闭闭环环及及半半闭闭环环进进给给伺伺服服系系统统6.3.1闭闭环环进进给给伺伺服服系系统统的的组组成成及及工工作作原原理理闭环环进进给给伺伺服服系系统统的的组组成成闭闭环环进进给给伺伺服服系系统统结结构构图图速速度度控控制制单单元元是是一一个个独独立立的的单单元元部部件件，，它它一一般般由由速速度度调调节节器器、、电电流流调调节节器器及及功功率率驱驱动动放放大大器器等等各各部部分分组组成成。。速速度度控控制制单单元元所所控控制制的的伺伺服服电电动动机机类类型型不不同同（（直直、、交交流流伺伺服服电电动动机机））其其具具体体电电路路的的组组成成也也不不一一样样。。位位置置环环是是由由CNC装装置置中中的的位位置置控控制制模模块块、、速速度度控控制制单单元元、、位位置置检检测测及及反反馈馈控控制制等等各各部部分分组组成成。。位位置置控控制制环环主主要要是是对对机机床床运运动动坐坐标标轴轴进进行行高高要要求求的的位位置置控控制制，，即即不不仅仅对对单单个个轴轴的的运运动动速速度度和和位位置置精精度度的的控控制制有有严严格格要要求求，，而而且且在在多多轴轴联联动动时时，，还还要要求求各各移移动动轴轴有有很很好好的的动动态态配配合合。。2．．闭闭环环进进给给伺伺服服系系统统的的工工作作原原理理由由CNC插插补补得得到到的的指指令令进进给给位位移移量量F与与位位置置检检测测反反馈馈的的机机床床移移动动部部件件（（如如工工作作台台））实实际际位位移移量量Pf进进入入位位置置控控制制模模块块的的比比较较环环节节后后，，可可得得到到位位置置偏偏差差e（e＝F-Pf））。。位位置置控控制制模模块块除除了了完完成成理理论论位位置置与与反反馈馈的的实实际际位位置置相相比比较较处处，，还还要要完完成成位位置置回回路路的的增增益益调调整整以以及及将将位位置置偏偏差差作作为为指指令令速速度度控控制制命命令令VCMD发发往往速速度度控控制制单单元元。。而而速速度度控控制制单单元元的的任任务务则则是是根根据据指指令令速速度度控控制制命命令令VCMD值值的的大大小小，，来来控控制制伺伺服服电电动动机机转转速速的的大大小小。。例：：若若由由CNC插插补补得得到到的的指指令令进进给给位位移移量量F＝10单单位位（（脉脉冲冲当当量量））由由于于刚刚开开始始工工作作台台处处于于静静止止状状态态，，反反馈馈的的机机床床移移动动部部件件实实际际位位移移量量Pf＝0，，经比比较环环节后后，位位置偏偏差e＝F－Pf＝10单位位，将将位置置偏差差转换换为一一定的的值VCMD发发往速速度控控制单单元，，速度度控制制单元元根据据VCMD的大大小，，控制制伺服服电动动机以以一定定的转转速转转动，，从而而经丝丝杠带带动机机床移移动部部件运运动。。此时时位置置反馈馈量Pf≠0，假假设Pf＝2单位位，此此时，，位置置偏差差e＝10－2＝8单位位。相相应VCMD值值变小小，由由速度度控制制单元元控制制的伺伺服电电动机机转速速变小小，随随着机机床移移动部部件的的不断断运动动，位位置反反馈量量的不不断增增加，，位置置偏差差不断断地减减小，，从而而伺服服电动动机转转速越越来越越小。。当机机床移移动部部件的的实际际位移移量Pf＝10单单位时时，位位置偏偏差e＝10－10＝＝0，，VCMD为零零，伺伺服电电动机机停止止转动动，机机床移移动部部件运运动到到达指指令进进给位位移规规定的的位置置，实实现了了进给给位置置控制制。6.3.2直直流伺伺服电电动机机及速速度控控制单单元由于数数控机机床对对伺服服驱动动系统统有较较高的的要求求，而而直流流电动动机具具有良良好的的调速速特性性，因因此，，以往往数控控机床床半闭闭环、、闭环环控制制伺服服驱动动均采采用直直流伺伺服电电动机机。虽虽然当当前交交流伺伺服电电动机机已逐逐渐取取代直直流伺伺服电电动机机，但但由于于历史史的原原因，，直流流伺服服电动动机仍仍被采采用，，并且且已用用于数数控机机床的的大量量直流流伺服服驱动动还需需要维维护，，因此此了解解直流流伺服服驱动动仍是是很必必要的的。1.直直流电电动机机工作作原理理:由于电电刷和和换向向器的的作用用，使使转子子绕组组中的的任何何一根根导体体，只只要一一转过过中性性线，，即由由定子子S极极下的的范围围进入入了定定子N极下下的范范围，，或者者由定定子N极下下的范范围进进入S极下下的范范围，，那么么这根根导体体上的的电流流一定定要反反向。。S极极下范范围的的导体体和N极下下范围围的导导体总总是保保持各各自电电流方方向不不变。。因此此，转转子的的总磁磁势的的方向向始终终与定定子磁磁势正正交，，转子子磁场场与定定子磁磁场相相互作作用产产生了了电动动机的的电磁磁转矩矩，从从而使使电动动机转转动。。直流电动机存存在两组基本本关系：IaRa+Ea＝U（Ea＝Ceφn）T＝CTφIa直直流电动动机的机械特特性式中Ra——电枢电电阻；Ia——电枢电电流；U——电枢电压压；Ea——电枢反反电动势；Ce——反电动动势常数；φ——电动机磁磁通量；n——电电动机转速；；T——电动机电电磁力矩；CT——电磁力矩矩常数。得得出直流电动动机的机械特特性公式：n＝（U－IaRa）/Ceφ＝U/Ceφ－RaT/CeCTφ2U其对应的机械械特性曲线如如图所示。Tn△nOu1u2u3n0T1n＝U/Ceφ－RaT/CeCTφ2实际采用改变变电枢电压U来调速的方法法。

特点：：

1）当供供电电压连续续变化时，转转速也可以连连续平滑变化化，即可实现现无级变速，，且调速范围围大。但供电电电压不能超超过电动机的的额定电压。。因此，调节节的速度低于于额定转速；；

2）降低低电压时，电电动机的机械械特性与固有有特性相平行行，斜率不变变，即硬度不不变，调速的的稳定度较高高；

3）调调速时，因电电枢电流与电电压无关，且且磁通未变化化，故电磁转转矩T不变即即恒转矩调速速。

直流电电动机的定子子有为永久磁磁铁或为激励励绕组所形成成的磁极两种种。实际上采采用永磁直流流伺服电动机机，其定子永永磁体采用的的是新型稀土土钴等永磁材材料，具有极极大的矫顽力力和很高的磁磁能积，因此此抗去磁力大大为提高，体体积大为缩小小。2．直流速度度控制单元调调速控制方式式

直流速度度控制单元多多采用晶闸管管（即可控硅硅SCR—Siliconcontrolledrectifier）调速速系统和晶体体管脉宽调制制（PWM——Pulsewidthmodulatiion）调调速系统这这两种调速速系统都有是是永磁直流伺伺服电动机调调速的控制电电路，调速的的方法是改变变电动机电枢枢的电压。晶晶闸闸管调速系统统中，多采用用三相全控桥桥式整流电路路作为直流速速度控制单元元的主回路，，通过对12个晶闸管触触发角（控制制角）的控制制，达到控制制电动机电枢枢压的目的；；而而脉宽调速系系统是利用脉脉宽调制器对对大功率晶体体管的开关时时间进行控制制，将直流电电压转换成某某一频率的方方波电压，加加到电动机电电枢的两端，，通过对方波波脉冲宽度的的控制，改变变电枢的平均均电压，从而而达到控制电电动机转速的的目的。采用晶体管脉脉宽调速（PWM）系统统与晶闸管控控制方式（SCR）相比比具有如下主主要优点：（（1）避开开与机械的共共振。由于PWM调速系系统开关工作作频率高（约约为2kHz），远高于于转子所能跟跟随的频率，，也避开了机机械共振区。。

（2）电电枢电流脉冲冲小。PWM调速系统的的开关工作频频率高，仅靠靠电枢绕组本本身的电感滤滤波即可获得得脉动很小的的电枢电流，，因此低速工工作十分平滑滑、稳定，调调速可达1:10000或更高。（3）动态特特性好。PWM调速系统统不象SCR调速系统有有固有的延时时时间性，反反应速度很快快，具有很宽宽的频带。它它具有极快的的定位速度和和很高的定位位精度，抗负负载扰动的能能力强。PWM主要缺点是是不能承受高高的过载电流流，功率还不不能做得很大大。故目前在在中小功率的的伺服驱动装装置中，大多多采用性能优优异的PWM，而在大功功率场合中，，则采用SCR。系统由电流、、速度两个反反馈回路组成成，所以称为为双环系统。其内环———电流环，由由电流互感器器或采样电阻阻获得电枢电电流实际值的的反馈构成，，它的作用是是由电流调节节器对电动机机电枢回路的的引起滞后作作用的某些时时间常数进行行补偿，使动动态电流按所所需的规律变变化（通常是是按一阶过渡渡规律变化））。其外环———速度环，，由与电动机机同轴安装的的测速发电动动机获得电动动机的实际转转速反馈构成成，其作用是是对电动机的的速度误差进进行调节，以以实现所要求求的动态特性性。电流环可可增加调速特特性的硬度，，而速度环可可以增大调速速的范围。电电流调节器与与速度调节器器均采用PID调节器，，其由线性运运算放大器和和阻容元件组组成的校正网网络构成。3．PWM直直流调速的工工作原理所所谓脉宽调调制，就是使使功率放大器器中的大功率率晶体管工作作在开关状态态下，开关频频率与加在晶晶体管上的输输入电压保持持恒定，根据据控制信号的的大小来改变变每一周期内内“接通”和和“断开”的的时间长短，，即改变“接接通”脉宽，，使晶体管输输出到电动机机电枢上电压压的“占空比比”改变，从从而改变电动动机电枢上的的平均电压，，完成电动机机转速的控制制。如如图，直直流电动机电电枢两端U（t）是一串方波波脉冲。脉冲冲的幅值（即即加在晶体管管上的输入电电压）Um是常数，周周期t是常数（因开开关频率恒定定），脉冲宽宽度S是随每一周期期内“接通””的时间长短短而改变。很很明显，由晶晶体管输出到到电动机电枢枢上的电压U（t）的平均值（（直流分量））：Ud＝UmS/T当S＝0时U＝0，当当S＝T时，U＝Um

因此，Ud的变化范围围为0～UmT1T2T1T2T1+Vs-VsVL脉宽调制器（（PWM）、、基极驱动电电路和脉宽调调制式的开关关功率放大器器

(1））开关功率放放大器直流PWM系系统组成原理理框图改变波形b1、b2、b3、b4的宽度，U（t）方波脉冲的的宽度也随之之改变，使电电动机两端的的平均电压Ud也随之改变变，达到改变变电动机转速速的目的。(2）大功率率晶体三极管管的基极驱动动电路。大功功率晶体三极极管是在其基基极驱动电路路的驱动下工工作的，其开开关特性与驱驱动电路的性性能密切相关关。设计优良良的驱动电路路能改善功率率晶体管的开开关特性，从从而减小开关关损耗，提高高整机的频率率及功率器件件工作的可靠靠性。设计功功率晶体管极极基极驱动电电路应遵守以以下原则：①要能提供供最优化驱动动。最优化驱驱动就是以理理想基极驱动动电流波形去去控制功率晶晶体管的开关关过程，以便便提高开关速速度，减小开开关损耗。理理想的基极驱驱动电流波形形如图所示。。为了加快开通通时间和降低低开通损耗，，正向基极电电流在驱动初初期不但要有有陡峭的前沿沿，并要有一一定的过驱动动电流IB1。导通阶阶段的基极驱驱动电流IB2应该使使大功率晶体体管恰好维持持在准饱合状状态，以便缩缩短存储时间间。关断大功功率晶体管时时，反向基极极抽电流IB3应大一些些，以便加速速基极中载流流子的