智能制造装备电气传动控制系统安装与调试 课件汇 第6-10章 步进伺服系统安装与调试-数控机床电气传动新技术

项目6步进伺服系统安装与调试6.1步进电机6.2步进电机的有关计算6.3步进电机的运行特性6.4步进驱动控制系统6.5步进伺服系统应用案例6.1步进电机6.1.1步进电机概述步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的电磁机械装置。对步进电机施加一个电脉冲信号时，它就旋转一个固定的角度，称为一步，对应走过的角度，称为步距角。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，只需控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组的通电顺序，便可获得所需要的转角、转速和旋转方向步进电机具有较好的定位精度，无漂移，只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。但在低速时有较大的噪声和振动，在过载或高转速时会产生失步现象。主要应用于经济型数控机床和各种小型自动化设备及仪器。6.1.1步进电机概述按力矩产生的原理分1.反应式步进电机：2.激磁式步进电机：转子无绕组；定子上有绕组，被激磁后产生反应力矩，实现步进运动转子有绕组(或用永久磁钢)；定子上有绕组；绕组被激磁后产生电磁力矩，实现步进运动按输出力矩大小分1.伺服式步进电机:输出力矩小,只能驱动较小的负载;若要驱动机床工作台等较大的负载,须和液压扭矩放大器配合2.功率式步进电机:输出力矩较大,能直接驱动机床工作台等较大的负载按定子数分1.单定子式2.双定子式3.三定子式步进电机4.多定子式步进电机按各相绕组分布分:1.径向分布式:电机各相按圆周依次排列2.轴向分布式:电机各相按轴向依次排列6.1.2步进电机的类型6.1.3步进电机的结构组成以单段式三相反应式步进电机为例由定子和转子构成（1）定子定子铁芯上有六个均匀分布的磁极，沿直径相对的两个磁极用导线相连，构成一相励磁绕组。每个定子磁极上均匀分布5个齿。6.1.3步进电机的结构组成（2）转子转子铁芯上无绕组，只有均匀分布的40个齿，齿槽距相等，齿距角为9°。6.1.3步进电机的结构组成6.1.4步进电机的工作原理(1)工作原理当A相通电时，B、C不通电，在电磁力的作用下，转子的1、3齿与定子的A极对齐；A相断电，B相通电，转子的2、4齿与B极对齐；B相断电，C相通电，转子的1、3齿与C极对齐；通电顺序为A→B→C，转子逆时针旋转；改变通电顺序C→B→A，转子顺时针旋转各相绕组轮流通电一次，转子就转过一个齿距电机的位置和速度是由导电次数（脉冲数）和频率对应的，方向由导电顺序决定（2）通电方式电机每改变一次通电方式，称为“一拍”，相应的电机转过的角度，称为步距角。三相单三拍通电方式：通电顺序为A→B→C，每次只有一相绕组通电，每一个循环通电三次；每次只有一相绕组通电，容易使转子在平衡位置附近产生振荡，运行稳定性差；切换时一相绕组断电而另一相绕组才开始通电，容易造成失步。三相双三拍通电方式：通电顺序为AB→BC→CA→AB每次通电是两相绕组同时通电，转子感受到的感应力矩大，定位精度高，转换时始终有一相绕组通电，工作稳定，不易失步。三相六拍通电方式：通电顺序为，A→AB→B→BC→C→CA→A。单、双相轮流通电。6.1.4步进电机的工作原理6.2步进电机的有关计算6.2.1步距角每通电一次，步进电机走一步，对应转过的角度就是步距角。每通电一个循环，电机走过一个齿距角：Z为转子的齿数则步距角为：K=拍数/相数，m——相数步进电机的相数和转子齿数越多，步距角越小，控制精度就越高。例：一个四相步进电机转子齿数z=40，按四相八拍运行，则步距角为：按四相四拍运行，则步距角为：6.2.1步距角6.2.2步进电机的转速若步进电机的步距角用度数表示，通电脉冲的频率为f，则转速n(r/min)为若步进电机的步距角用弧度表示，通电脉冲频率为f，则转速n（r/min）为：在一定的脉冲频率下，电机的相数和转子齿数越多，转速就越低，相数多，驱动电源越复杂，成本也越高。6.2.3脉冲当量步进电机应用在机床上，是通过减速器或丝杠螺母副带动工作台移动。步距角对应工作台的移动量是工作台的最小运动单位，称为脉冲当量δ（mm/脉冲）

t——丝杠导程（mm）i——减速装置传动比工作台移动速度v（mm/min）6.2.4步距角的选择（1）步距角和步距误差我国步进电机的步距角为0.360-900，常用的为7.50/150、30/60、1.50/30、0.90/1.80、0.750/1.50、0.60/1.20、0.360/0.720等几种。步距误差：是指步进电机运行时，转子每一步实际转过的角度与理论步距角之差值。 这是因为转子的齿距分布不均匀，定、转子之间的气隙不均匀等造成的。 连续走若干步时，上述步距误差的累积值称为步距的累积误差。由于步进电机转过一转后，将重复上一转的稳定位置，即步进电机的步距累积误差将以一转为周期重复出现。（2）步距角的选择若通电方式和系统的传动比已经初步确定，步距角应满足i——传动比αmin——最小位移增量（一个脉冲对应的位移增量）δ—脉冲当量t——丝杠螺距（mm）例：一台机床的脉冲当量是0.1mm,丝杠螺距为10mm，传动比为1，则需要的步距角为6.2.4步距角的选择课堂练习三相步进电机转子齿数Z=60，（1）三拍通电方式时其步距角是多少？六拍通电方式时其步距角是多少？（2）当信号的频率f=1kHz时，步进电机的转速是多少？（3）若丝杠螺距t=10mm，传动比是1，采用三相六拍通电方式，脉冲当量是多少？工作台移动的速度是多少？行业榜样胡明华 胡明华，首届“四川工匠”、四川省“技能人才培育突出贡献奖（个人）”获得者，省级技能大师工作室领办人，高级实验师，四川省装备制造业机器人应用技术工程实验室副主任。

2008年5月12日，汶川发生地震后，胡明华带着15名师生组成技术服务队，深入灾区支援灾后重建。在一个多月里，他们冒着余震的危险为东方汽轮机有限公司修复各型数控机床50余台，总价值近1亿元。 胡明华的工作地点四川德阳是中国主要的装备制造业基地，拥有以中国二重、东电、东汽为代表的装备制造企业1400余家，他先后为各类企业、机构提供数控设备维修改造技术服务500余次，创造维修产值700多万元。他在对二重8万吨模锻机驱动装置、中科院成都光电所DIXI1200JIG高精度数控机床主轴驱动系统等关键设备的维修中解决了多个重大技术难题，其中仅二重8万吨模锻机驱动装置维修一项就为企业节约200多万元。他说：“使核心部件国产化，自己掌握核心技术，关键时刻我们才不会受制于人。希望通过我们的努力，能将核心高端设备的维修技术掌握在自己手里，为我们国家的重装企业保驾护航。”6.3步进电机运行特性6.3.1矩角特性

当步进电机上某相定子绕组通电后，转子齿将力求与定子齿对齐，使磁路中的磁阻最小，转子处在平衡位置不动（θ＝0）。如果在电机轴上外加一个负载转矩T，转子会偏离平衡位置向负载转矩方向转过一个角度θ，角度θ称为失调角。有失调角之后，步进电机就产生一个静态转矩（也称为电磁转矩），这时静态转矩等于负载转矩。静态转矩与失调角θ的关系叫矩角特性，如图所示，近似为正弦曲线。该矩角特性上的静态转矩最大值称为最大静转矩。在静态稳定区内，当外加负载转矩除去时，转子在电磁转矩作用下，仍能回到稳定平衡点位置（θ＝0）。把区域-π﹤θ﹤π称为静态稳定区。电动机轴上负载转矩应满足TL=(0.3-0.5)Tmax

下图为三相单三拍矩角特性曲线，图中的A、B分别是相邻A相和B相的静态矩角特性曲线，它们的交点所对应的转矩是步进电机的最大启动转矩Tq

。如果外加负载转矩大于Tq

，电机就不能启动。如图所示,当A相通电时，若外加负载转矩Ta>Tq

，对应的失调角为θa

，当励磁电流由A相切换到B相时，对应角，B相的静转矩为θb。从图中看出Tb<Tq,电机不能带动负载做步进运动，因而启动转矩是电机能带动负载转动的极限转矩。

bABCTbTqTaMθθa起动转矩Ts（即最大负载转矩）总是小于最大静态转矩6.3.1矩角特性6.3.2矩频特性动态转矩步进电机连续运行时，电机产生的转矩称为动态转矩。当步进电机正常运行时，若输入脉冲频率逐渐增加，则电动机所能带动负载转矩将逐渐下降。步进电机的最大动态转矩和脉冲频率的关系，称为矩频特性。fM当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。6.3.2矩频特性这是因为电动机的定子绕组是一个感性负载，在给其加入脉冲电源时，电感中的电流不能突变，并且在电源通断时会产生反向电动势，阻碍电流的上升。当脉冲电源的频率高时，在电感中的电流还没有上升到一定高度时，电源又断掉了，而且频率越高，电流上升达到的高度会更小，这样在定子绕组中的有效电流值会减小，这样所能产生的电磁转矩就会下降，所以能带动的负载也就会减小。

为什么步进电动机带负载的能力会随着输入脉冲频率的增加而逐渐减小呢？6.3.3工作频率（1）起动频率fst步进电机在一定负载转矩下能够不失步地起动的最高脉冲频率，称为起动频率。在起动过程中，若加给步进电机的指令脉冲频率如大于启动频率，就不能正常工作，可能发生丢步或堵转。起动频率的大小与驱动电路和负载大小有关。步距角越小，负载越小，则起动频率越高。步进电机在带负载（尤其是惯性负载）下的启动频率比空载要低。而且，随着负载加大（在允许范围内），启动频率会进一步降低。（2）连续运行频率步进电机起动后，其运行速度能根据指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率，称为连续运行频率。其值远大于启动频率，它也随着电机所带负载的性质和大小而异，与驱动电源也有很大关系。失步转矩引入转矩自启动转区保持转矩旋转转区，载旋转区T**保持转矩（HOLDING

TORQUE）是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。6.3.3工作频率（3）步进电机的控制过程步进电机在工作时，一般要按照加速-匀速-减速控制规律进行工作。当要求步进电机启动到大于突跳频率的工作频率时，起动频率要小，然后速度再逐渐上升；同样,当要求步进电机从最高工作频率或高于突跳频率的工作频率停止时，变化速度必须逐渐下降。逐渐上升或下降的加速时间、减速时间不能过小，否则会出现失步或越步。6.3.3工作频率步进电机对速度的控制对你有什么启示？欲速则不达6.3.4步进电机存在的问题（1）失步包括丢步和越步丢步是指转子前进的步距数小于脉冲数越步是指转子前进的步距数多于脉冲数。失步的原因转子的转速慢于旋转磁场的速度。如起动频率过高转子的平均速度大于旋转磁场的速度：主要发生在制动或突然换相时，转子获得过得的能量，产生严重的过冲，引起越步。（2）振荡在低频区，共振区，停车时可能会出现振荡6.3.4步进电机存在的问题6.4步进驱动控制系统步进电机的运行需要有一套装置为步进电机提供脉冲电源，步进电机的运行特性，不仅与电机本身和负载有关，而且与配套的驱动电源关系密切。步进驱动控制系统组成如下：6.4.1步进驱动控制系统的组成（1）控制器步进驱动系统的控制器一般由单片机或PLC发出脉冲指令，数控机床由数控装置产生脉冲指令。6.4.1步进驱动控制系统的组成（2）脉冲分配器由环形分配器来完成由环形分配器来完成。将控制器送来的指令脉冲进行分配，确定步进电动机各相绕组的通电顺序，即控制步进电动机的通电运行方式。可以用软件来实现，称为软环分；也可以用硬件来实现，称为硬环分。6.4.1步进驱动控制系统的组成

驱动放大电路的功能是将环形分配器发出的TTL电平信号经放大后给步进电动机的绕组供电。驱动放大电路的控制方式种类较多，常使用单电压驱动、高低压切换驱动、恒流斩波、调频调压等驱动电路。前置放大输入VRcRdVDRaUC单电压驱动电路原理图①单电压驱动电路L为步进电机励磁绕组的电感，Ra为绕组电阻，Rc为外接电阻，电阻Rc并联一电容C，可以提高负载瞬间电流的上升率，从而提高电动机快速响应能力和启动性能。

环形分配器输出为高电平时，T饱和导通，绕组电流按指数曲线上升，电路时间常数τ=L/(Ra+Rc)，它表示功放电路在导通时允许步进电机绕组电流上升的速率。串联电阻Rc可以使电流上升时间减小，改善带负载能力。但电阻消耗了一部分功率，降低了效率。当环形分配器输出为低电平时，T截止，绕组断电，因步进电机的绕组是电感性负载，当T管从饱和到突然截止的瞬间，将产生一较大反电势，此反电势与电源电压叠加在一起加在T管的集电极上，可能会使T管击穿。（3）功率放大6.4.1步进驱动控制系统的组成②高低压切换驱动电路

这种电路的特点是绕组每次通电时，首先接通高压，以保证电流以较快的速度上升，然后改由低压供电，维持绕组中的电流为定额值。6.4.1步进驱动控制系统的组成③恒流斩波电路

恒流斩波驱动电路也称定电流驱动电路，或称波顶补偿控制驱动电路。它能克服高低压切换驱动电路的出现谷点的现象，并且提高电动机的效率和力矩。这种驱动电路也有高、低电压两个电源。它随时检测绕组的电流值，当绕组电流值下降到下限设定值时，便使高压功率管导通，采用高压供电，使绕组电流上升；当绕组电流值上升到上限值时，便关断高压管，采用低压供电，使绕组电流下降。

这样，在一个步进周期内，高压管多次通断，使绕组电流在上、下限之间波动，接近恒定值，提高了绕组电流的平均值，有效的抑制了电动机输出转矩的降低。6.4.1步进驱动控制系统的组成④细分驱动电路

前述的各种驱动电路，都是按电动机工作方式轮流给各相绕组供电，每来一个脉冲，就换一次相，但通电相的电流大小是一定的。如果一拍中，通电相的电流不是一次达到最大值。而是分成多次，每次绕组中的电流增加一些。每次增加，都使转子转过一小步。同样，绕组电流的下降也是分多次完成的。这样步进电机原来一个步距，便分成许多微步运动来完成，即实现了步距的细分。

这样便提高了步进电机的分辨力，运动更加平稳，减小了振动，降低了噪声，且不易失步。要实现细分，需将绕组中的矩形脉冲电流变成梯形电流。6.4.1步进驱动控制系统的组成6.4.2步进驱动器实例M535S驱动器脉冲信号方向信号使能信号设定开关驱动器输入电源连接步进电机电流设定表步距细分设定表6.4.3步进伺服系统应用案例案例1：单片机+M535步进驱动器案例2：PLC+M535步进驱动器使用西门子S7-200PLC作控制器，用M535步进驱动器构成一个步进伺服系统。（1）设计控制系统的电气原理图（2）编写PLC程序6.4.3步进伺服系统应用案例西门子S7-200需要用到的硬件资源（高速脉冲输出口Q0.0或Q0.1）指令：PTO或PWM指令硬件接口连接：6.4.3步进伺服系统应用案例案例3：在数控机床上的应用，数控系统各轴输出的控制信号为脉冲指令。例如：西门子802S、801、808D

华中数控系统HNC-21TD、HNC-21MD6.4.3步进伺服系统应用案例M535S驱动器控制57HS13步进电机6.4.3步进伺服系统应用案例驱动器可以使用一般的步进驱动器，也可使用数控系统厂家自己生产的驱动器，例如西门子厂家有V60驱动器、STEPDRIVERSINAMICSV60与提供脉冲/方向信号的数控系统配合，如SINUMERIK801、SINUMERIK802Sbaseline、SINUMERIK808D等数控系统，为经济型车床及铣床提供完整解决方案，主要适用于注重经济性的简单应用场合。6.4.3步进伺服系统应用案例数控系统802S与STEPDRIVER驱动器的连接行业榜样李正望2019年毕业于四川工程职业技术学院数控设备应用与维护专业，现就职于中国航空标准件有限责任公司，在2021年举办的贵州省第一届国防工业职业技能大赛中，李正望夺得大赛电工组第一名。2022年，李正望被授予“贵州省五一劳动奖章”。李正望参加工作后，踏实肯干，主动参与维修各类生产设备900余项，节约维修费用三十多万。2021年，他主动加班抢修各类设备时间高达1025小时，为公司生产提供了有力的保障。项目7交流通用伺服系统安装与调试7.1伺服电机7.2伺服驱动器7.3典型应用案例7.1伺服电机7.1.1什么是伺服电机（1）伺服电机（ServoMotor)

伺服（Servo)源自英文servant(即奴隶、仆人），指能忠实的执行控制器发出的命令。 人们想把“伺服机构”当个得心应手的驯服工具，服从控制信号的要求而动作。在讯号来到之前，转子静止不动；讯号来到之后，转子立即转动；当讯号消失，转子能即时自行停转。由于它的“伺服”性能，因此而得名。伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出，以带动控制对象。（2）伺服电机的类型交流伺服电机直流伺服电机交流永磁同步伺服电机交流感应伺服电机磁阻式伺服电机永磁无刷直流电机目前广泛使用交流永磁同步伺服电机7.1.1什么是伺服电机（3）伺服电机实例7.1.1什么是伺服电机德国西门子，产品外形有：1KF7交流伺服电机1PH7交流伺服电机7.1.1什么是伺服电机美国科尔摩根，产品外形有：伺服电机伺服电机驱动器7.1.1什么是伺服电机日本松下及安川，产品外形有：安川伺服电机驱动器松下A4驱动器及伺服电机7.1.1什么是伺服电机7.1.1什么是伺服电机7.1.1什么是伺服电机7.1.2伺服电机结构组成由定子和转子以及检测装置组成VSVS脉冲编码器转子定子接线盒定子三相绕组定子由铁心和线圈组成7.1.2伺服电机结构组成转子是永磁体7.1.2伺服电机结构组成7.1.3伺服电机工作原理（1）伺服电机工作原理当给三相定子绕组加入对称的三相交流电后，流过绕组的电流在定子、转子气隙中建立旋转磁场，因为转子采用永磁体结构，旋转磁场就吸引转子同步旋转。改变三相交流电的频率，就可以改变电机旋转的速度。当三相交流电的频率降为0时，转子会被锁住不动。7.1.4伺服电机铭牌（1）该电动机的生产单位是

。（2）该电动机是

电动机，型号为

。（3）当定子电压的有效值为120V时，额定转速为1500rpm时，输出扭矩为

。（4）最大转速为

。（5）60K温升时的失速转矩（零速时的转矩，此时电机作为电制动器将所带的负载保持在指定位置）为

，失速电流为

。（6）内置光电编码器的分辨率是

。（7）电机的防护等级为____________________。IMB5表示安装结构型式，机座无底座，端盖上有大凸缘，轴伸在凸缘端。“Th.Cl.F”是指所采用的电机绝缘材料耐热等级为F级

KTY84：定子绕组温度传感器，表示温度监控EN60034：符合标准7.1.4伺服电机铭牌7.1.5伺服电机使用中的注意事项交流伺服电机在使用过程中应该注意以下几方面的问题：（1）电机在安装、拆卸、搬动过程中要轻拿轻放，防止碰撞，特别是编码器部位绝对不能用锤子敲击，否则很容易损坏编码器内部的光学元件。（2）伺服电机必须与配套的伺服驱动器使用。从上面的伺服电机铭牌可以看到，不同品牌的交流伺服电机，其额定电压不同，并且不是平常看到的标准的220V或380V的电压，必须与相同品牌的配套的伺服驱动器一起使用。（3）电机的U、V、W三相绕组在连线时，必须按照技术手册上的说明连接，不能随便交换相线。当需要改变电机的旋转方向时，不能象交流异步感应电动机那样任意交换电机的相线，可通过修改参数达到改变电机旋转方向的目的。（4）不要轻易将电机解体，如果需要解体电机，必须做好编码器与电机转子标识，因为电机转子的初始位置检测与定位是系统正常运行的必要前提，否则，必须采取专用设备对伺服电机进行对零。7.1.5伺服电机使用中的注意事项7.1.6伺服电机好坏检测交流伺服电机检测一般应该检查以下几个部分：伺服电机、编码器、抱闸装置、温度传感器。伺服电机检测(思考：交流异步感应电动机怎么检测好坏？）

伺服电机的检测可通过以下几种方式初步判断好坏： (1)用万用表欧姆档测量三相绕组的阻值，三相阻值是否平衡；再用兆欧表检测绕组对机壳绝缘电阻是否达到0.5MΩ。(2)将交流伺服电机的U、V、W三相绕组如图7.8连接三只电压表，匀速转动转子，交流伺服电机相当于一台发电机，如果观察到三只电压表的读数相同，可判断伺服电机正常，若三只电压表读数不同，或转动过程阻力大，可判断伺服电机存在问题。7.1.6伺服电机好坏检测（3）断开伺服电机的三相连线，旋转电机转子，能轻松的转动；将电机的三相连线短接，旋转电机转子，能感受到阻力，电机越大，阻力越大，可判断电机基本正常。编码器检测交流伺服电机尾部的检测装置通常是编码器，编码器送出的信号形式通常有脉冲方波信号、sin/cos及高速通信信号。对脉冲方波、sin/cos信号的编码器可通过以下的几种方式进行检测判断好坏。7.1.6伺服电机好坏检测（1）用万用表进行测量

首先给编码器接入工作电源，转动转子，若是脉冲方波信号，用万用表的直流电压档分别测量A、B信号，万用表的读数为编码器电源电压的1/2，C信号只在某一处有电源电压，其余位置读数均为0V；（2）用示波器测量

首先给编码器接入工作电源，双踪示波器的两个探头分别测量A、B信号，转动转子，应该观察到两路连续方波信号，A、B信号在相位上相差90°。测量C信号，转子转动一圈，可观察到一个方波信号。7.1.6伺服电机好坏检测抱闸线圈检测

用于铣床的Z轴或斜床身车床的X轴的伺服电机，为防止在停机时，轴在重力作用下的下滑，一般还有抱闸线圈，可通过以下方法检测其好坏：首先用万用表测量抱闸线圈的电阻，检测其通路；用手旋转电机转子，转子不能转动；为线圈接入需要的工作电源，用手旋转电机转子，应该能轻松转动。温度传感器检测有的伺服电机为监测电机的温度，在定子线组中安装有温度传感器，如西门子的伺服电机，安装有KTY84温度传感器，可用万用表测量温度传感器的电阻大约为2KΩ。7.1.6伺服电机好坏检测7.1.7伺服电机与步进电机的对比伺服电机步进电机1、结构定子：三相绕组转子：永磁体检测装置2、工作原理速度随着电源频率改变转角位置由尾部的编码器检测1、结构定子：转子：均匀分布很多齿无检测装置2、工作原理速度随着脉冲频率改变转角位置由脉冲个数决定伺服电机步进电机3、控制精度交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证4、低频特性运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象3、控制精度步距角4、低频特性在低速时易出现低频振动现象

7.1.7伺服电机与步进电机的对比伺服电机步进电机5、矩频特性交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。5、矩频特性步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300～600RPM。7.1.7伺服电机与步进电机的对比伺服电机步进电机6、过载能力交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍6、过载能力步进电机一般不具有过载能力7.1.7伺服电机与步进电机的对比伺服电机步进电机7、运行性能交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。7、运行性能步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。7.1.7伺服电机与步进电机的对比伺服电机步进电机8、响应速度交流伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。8、响应速度步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200～400毫秒。7.1.7伺服电机与步进电机的对比综上所述，伺服电机在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。7.1.7伺服电机与步进电机的对比7.1.8伺服电机与异步感应电动机对比伺服电机异步感应电动机1、结构2、工作原理3、低速特性4、响应特性1、结构2、工作原理3、低速特性4、响应特性在学习中对相近的知识要善于对比总结，找出差别，才能对知识掌握更牢固。7.2交流通用伺服驱动器7.2.1专用伺服与通用伺服（1）专用伺服 数控系统厂家生产的与自己的数控系统配套的伺服驱动产品，称为专用伺服驱动器。 各大数控系统生产企业都有自己的交流伺服产品，如SIEMENS的611系列和S120系列、FANUC的α系列和β系列、国内厂家如华中数控的HSV系列伺服系统等；（2）通用伺服由一般的工控产品厂家生产的伺服驱动产品，称为通用伺服驱动器安川伺服驱动器7.2.1专用伺服与通用伺服通用伺服实例7.2.1专用伺服与通用伺服艾默生CTDigitaxST系列伺服驱动器施耐德Lexium23系列通用型伺服7.2.1专用伺服与通用伺服台达伺服驱动器7.2.1专用伺服与通用伺服注意：选择伺服电机必须与伺服驱动器配套，即伺服驱动器与伺服电机应该选择同一个品牌的产品。7.2.1专用伺服与通用伺服7.2.2通用伺服驱动器工作原理（1）驱动器的主回路整流滤波制动电路逆变电路动态制动器（1）驱动器的主回路a整流回路：

将交流转变成直流，可分为单相和三相整流桥。滤波电容：对整流电源进行平滑，减少其脉动成分。c再生制动：所谓再生制动就是指马达的实际转速高于指令速度时，产生能量回馈的现象。再生制动回路就是用来消耗这些回馈能源的装置。d逆变回路：生成适合马达转速的频率、适合负载转矩大小的电流，驱动马达。逆变模块采用IGBT开关元件。e动态制动器：具有在基极断路时，在伺服马达端子间加上适当的电阻器进行短路消耗旋转能，使之迅速停转的功能。7.2.2通用伺服驱动器工作原理MREA/D功率放大器序列控制器误差检出门激励8888888操作人员接口参数控制EEPROM保护电路A/D位置误差计数器放大器速度误差放大器速度检出内速度指令转矩限位电流控制PWM电路处理编码器信号位置/速度速度转矩位置内外16位报警信号脉冲指令速度指令转矩指令脉冲输出LED面板B1B2PtrL1L2L3+5V+/-12V门激励电源编码器电源（2）原理框图7.2.2通用伺服驱动器工作原理7.2.2通用伺服驱动器工作原理控制原理框图是一个位置、速度、电流三环的一个控制系统。下面再看台达的交流伺服驱动系统7.2.2通用伺服驱动器工作原理7.2.3交流通用伺服驱动器的控制模式（1）转矩控制模式通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小，主要应用于需要严格控制转矩的场合。电流环的控制对电机的速度、位置都没要求，主要关心转矩的大小（2）速度控制模式通过模拟量的输入对转动速度的控制。速度环的控制对电机的位置、速度有一定精度要求，而对实时转矩不太关心，若上位控制器有比较好的控制功能，就选择速度控制模式。在数控机床上，上位控制器是CNC，有很强的运算能力，运算速度非常快，位置反馈信号参与运算，有很好的控制功能，所以交流伺服会选择速度控制模式。位置环会由CNC来完成。7.2.3交流通用伺服驱动器的控制模式（3）位置控制模式伺服中最常用的控制，位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的个数来确定转动的角度,所以一般应用于定位装置。位置、速度、电流三环的控制对电机的位置、速度有一定精度要求，而对实时转矩不太关心，上位控制器本身运算速度慢（如PLC或低端运动控制器，位置反馈信号不参与运算，只作为报警或误差计算的参考，这时候交流伺服驱动器选择位置控制模式。上位机发出脉冲，脉冲的频率决定电机的速度，脉冲的个数决定电机转动位置。这时候的交流伺服系统类似于步进伺服系统。但由于伺服电机的优异性能，此时的控制系统的性能远远优于步进伺服系统。7.2.3交流通用伺服驱动器的控制模式思考1：上面三种模式，哪种模式响应速度最快？7.2.3交流通用伺服驱动器的控制模式伺服驱动器与变频器的对比1、主回路伺服驱动器与变频器的主回路构成基本相同在有的伺服驱动器中增加了动态制动器的部件，停止时，该部件可以吸收伺服电机积蓄的惯性能量，对伺服电机进行制动2、控制回路与变频器相比，伺服驱动器的控制回路更加复杂，需要复杂的反馈、控制模式切换、限制（电流、转矩、速度）等功能。3、应用7.2.3交流通用伺服驱动器的控制模式7.2.4松下A4系列伺服驱动器介绍（1）实例（2）规格型号（3）接口介绍7.2.4松下A4系列伺服驱动器介绍电源接口和电机接口7.2.4松下A4系列伺服驱动器介绍控制接口常用的控制信号说明7.2.4松下A4系列伺服驱动器介绍1、松下A4系列伺服驱动器介绍常用的控制信号说明参数7.2.4松下A4系列伺服驱动器介绍参数设置7.2.4松下A4系列伺服驱动器介绍案例1以西门子802C数控系统与A4伺服驱动器的连接为例，介绍A4驱动器与数控系统的具体连线。（1）电源电路设计，注意通电时序（2）各部分端口设计注意：控制接口应该按什么控制模式连接？7.2.5典型应用案例7.2.5典型应用案例案例2条件：数控系统选择华中HNC-21MD数控系统，伺服驱动器选择松下A4系列的MCDDT3520。7.2.5典型应用案例（1）华中数控系统HNC-21MD接口介绍华中数控系统HNC-21MD的XS30-XS33为模拟式、脉冲式进给轴控制接口，控制接口引脚定义如图所示。7.2.5典型应用案例思考：华中数控系统HNC-21MD的输出信号为脉冲信号，伺服驱动器应该选择什么控制模式？7.2.5典型应用案例（2）控制系统电气原理图7.2.5典型应用案例思考：如果华中数控系统HNC-21的XS30-XS33输出模拟信号，应该与松下A4伺服驱动器怎么连接？7.2.5典型应用案例案例3（1）条件：控制器选择S7-200PLC伺服驱动器选择松下A4系列的MCDDT3520（2）分析S7-200有关高速脉冲输出的知识必须选择晶体管输出的CPU；输出接口Q0.0和Q0.1指令PTO或PWM指令7.2.5典型应用案例（3）绘制电气原理图重点在PLC输出接口Q0.0或Q0.1与驱动器X5接口的连接，（注意PLC输出24V高电平，需要加限流电阻）7.2.5典型应用案例面对不同的应用条件，工程中我们可以采取不同的解决方案在生活中，面对不同的情况，我们该怎么处理问题呢？行业榜样丁鹏2019年毕业于四川工程职业技术学院数控设备应用与维护专业，现就职于中核建中核燃料元件有限公司，从事维修电工。在工作中，他爱岗敬业，精益求精，刻苦钻研技术，展现了青年工作者用技能报效祖国的责任担当和爱国情怀，获得公司的多项荣誉。在2021年四川省国防科技工业职工职业技能大赛中获得电工第一名，被授予“四川省五一劳动奖章”、“四川省技术能手”。项目8

西门子专用伺服驱动系统介绍SIMODRIVE611系列伺服驱动系统SINAMICSS120系列伺服驱动系统SINAMICSS120Combi系列伺服驱动系统西门子其它伺服驱动产品1、SIMODRIVE611系列伺服驱动系统1.simodrive611系列伺服的类型（1）通用型SIMODRIVE611U：611U不仅可以采用全数字式驱动，与802D、802DBaseline等CNC配套使用，还可以选用模拟式驱动，与802C/Ce/CBaseline等CNC配套使用，使用方便灵活，通用性强。（2）通用E型SIMODRIVE611Ue使用ProfiBus-DP总线接口控制的驱动器，只能与带ProfiBus-DP总线的CNC（802D、802DBaseLine)配套使用。1、SIMODRIVE611系列伺服驱动系统1.simodrive611系列伺服的类型（2）通用E型SIMODRIVE611Ue使用ProfiBus-DP总线接口控制的驱动器，只能与带ProfiBus-DP总线的CNC（802D、802DBaseLine)配套使用。1、SIMODRIVE611系列伺服驱动系统1.simodrive611系列伺服的类型（3）数字型SIMODRIVE611D；全数字伺服驱动系统，与SINUMERIK840D/810D配套使用。1、SIMODRIVE611系列伺服驱动系统2.电源滤波器电源滤波器安装在变压器之后，整流电抗器之前，其主要作用在于消除611伺服驱动工作过程中逆变器单元产生的电磁噪声对电网产生的干扰，同时也抑制电网对伺服驱动系统造成影响。电源滤波器在驱动系统中不是必须的，可根据实际情况选配，1、SIMODRIVE611系列伺服驱动系统3.整流电抗器安装在滤波器后，电源模块前，与I/R型电源模块组成PWM整流，实现稳压和电能回馈，而对UI型电源模块不是必须的。1、SIMODRIVE611系列伺服驱动系统4.电源模块（1）电源模块的功能

电源模块通过直流母线P600/M600输出伺服系统所需的600V（或530V）直流母线电压给功率单元；通过设备总线X351接口输出24V、±15V、5V、脉冲电源等弱电电源，为840D数控单元提供工作电源，为轴控制单元提供工作电源、使能信号及监控信号。1、SIMODRIVE611系列伺服驱动系统4.电源模块（2）电源模块类型

电源模块有不可控电源模块UI（也称为非调节型电源模块）和可控电源模块I/R（也称为调节型电源模块）。1、SIMODRIVE611系列伺服驱动系统5.伺服驱动模块伺服驱动模块如图所示，它包括功率单元和轴控制单元（简称轴控制卡）两个部分1、SIMODRIVE611系列伺服驱动系统5.伺服驱动模块伺服驱动模块如图所示，它包括功率单元和轴控制单元（简称轴控制卡）两个部分1、SIMODRIVE611系列伺服驱动系统6.应用案例数控机床控制一个主轴和五个进给轴X、Y、Z、A、B，配置SINUMERIK840D数控系统和SIMODRIVE611D伺服系统，包括一个I/R电源模块和3个双轴的伺服驱动模块，安装排列如图8.6所示。在电源模块之前还安装有电源滤波器和整流电抗器。1、SIMODRIVE611系列伺服驱动系统6.应用案例611伺服实物2.SINAMICSS120系列伺服驱动系统SINAMICSS120系列伺服驱动系统可与西门子的数控系统SINUMERIK840Dsl、SINUMERIK828DBASIC、SINUMERIK828D、SINUMERIK828DADVANCED等配套使用，用于数控机床的驱动。该驱动系统包括书本型、装置型、模块型、紧凑书本型四种类型。书本型和装置型都是通过电源模块供电，模块型类似于变频器，整流与逆变为一体，紧凑书本型与书本型一样，只是体积更小，适合用于安装条件受限的数控机床。2.SINAMICSS120系列伺服驱动系统2.1模块型SINAMICSS120模块型类似一个变频器，集整流和逆变于一体，既能实现U/F、向量控制，又能实现高精度、高性能的伺服控制，特别适用于单轴的速度和定位控制，又称为单轴驱动器。它包括控制单元和功率模块PM340两部分。2.SINAMICSS120系列伺服驱动系统2.1模块型（1）控制单元控制单元（ControlUnit，CU）如图所示，它有CU310和CU320两种规格。CU310只能控制1个轴，它与功率模块PM340组合使用，完成PM340的通信、开环或闭环控制功能。CU320用于多轴控制，通常与多个电机模块、电源模块等组合使用，以完成多个轴的通信、开环或闭环控制，可以控制和协调整个驱动系统中所有模块，实现各轴间的数据交换。2.SINAMICSS120系列伺服驱动系统2.1模块型（2）功率模块功率模块如图8.8所示，根据其功率大小分为模块型PM340和装置PM340两种。模块型PM340一般功率较小，装置型PM340功率较大。2.SINAMICSS120系列伺服驱动系统2.2书本型书本型驱动系统包括电源模块、电机模块、进线电抗器、输入滤波器、制动模块等，除电源模块和电机模块，其它均为选件，可根据需要选配。（1）电源模块

书本型电源模块根据其馈电特性分为3种类型：基本型电源模块、非调节型电源模块、调节型电源模块。2.SINAMICSS120系列伺服驱动系统基本型电源模块（BasicLineModule，BLM）基本电源模块适合没有电能回馈到电网的应用，有20kW、40kW、100kW三种规格。2.SINAMICSS120系列伺服驱动系统非调节型电源模块（SmartLineModule，SLM）非调节型电源模块也称为回馈电源模块。二极管电桥负责整流，IGBT负责回馈，具有100%持续再生回馈功能。有5kW、10kW、16kW、36kW和55kW2.SINAMICSS120系列伺服驱动系统调节型电源模块（ActiveLineModule，ALM）ALM又称为有源电源模块，电源模块是一个自换向整流/回馈单元，其中IGBT负责整流和回馈，它产生一个可调节的直流母线电压。ALM的运行必须使用配套的有源接口模块（ActiveInterfaceModule，AIM）。有源接口模块包含一个电网净化滤波器、电抗器和基本的干扰抑制功能，电网净化滤波器可保护电网不受开关频率谐波的干扰。2.SINAMICSS120系列伺服驱动系统调节型电源模块（ActiveLineModule，ALM）有16kW、36kW、55kW、80kW、120kW2.SINAMICSS120系列伺服驱动系统（2）电机模块有以下两种单轴电机模块（SingleMotorModule，SMM）双轴电机模块（DoubleMotorModule，DMM）2.SINAMICSS120系列伺服驱动系统2.3装置型装置型伺服驱动系统又称为装机装柜型，它与书本型一样，包括电源模块、电机模块及外围的滤波器、电抗器等。装置型的功率远大于书本型的功率。2.SINAMICSS120系列伺服驱动系统2.3装置型（1）电源模块

与书本型一样，电源模块包括基本型电源模块BLM、调节型电源模块ALM和非调节型电源模块SLM三种，ALM必须与调节型电源接口模块AIM配套使用。各类型的规格参见讲义中的表格2.SINAMICSS120系列伺服驱动系统2.3装置型（2）电机模块

装置型电机模块只有单轴电机模块2.SINAMICSS120系列伺服驱动系统2.4紧凑书本型

适用于对驱动的紧凑性有极高要求的机床。紧凑书本型具有书本型的所有优点并且总体高度更低，在能够提供相同性能的同时具有更强的过载能力。2.SINAMICSS120系列伺服驱动系统2.4紧凑书本型（1）电源模块

紧凑书本型只有一种非调节型电源模块SLM，功率为16kW，订货号为6SL3430-6TE21-6AA1。（2）电机模块单轴电机模块：双轴电机模块：2.SINAMICSS120系列伺服驱动系统2.5应用实例数控机床需要控制1个主轴和四个进给轴X、Y、Z、A轴，配置SINUMERIK840DSL数控系统与SINAMICSS120书本型伺服驱动系统，包括一个SLM电源模块、一个单电机模块和2个双电机模块。产品不断的更新换代，我们应该怎么办？3.SINAMICSS120Combi伺服驱动产品SINAMICSS120Combi伺服驱动产品在数控机床上一般可与SINUMERIK840DslBASIC、SINUMERIK828DBASIC、SINUMERIK828D、SINUMERIK828DADVANCED等数控系统配合使用，是主轴功率15kW以下、五轴以下的紧凑型标准机床的最佳选择。它包括电源滤波器、电源电抗器、功率模块等。3.SINAMICSS120Combi伺服驱动产品3.1电源滤波器订货号6SL3000-0BE21-6DA□，额定电源功率有10kW、16kW、20kW三种。电源滤波器为选件，可根据实际需要选配。3.SINAMICSS120Combi伺服驱动产品3.2电源电抗器

电源电抗器如图所示，它的作用在于将低频电网谐波降低到允许范围内。在S120Combi中，必须配置电源电抗器。电源电抗器的规格见表。3.SINAMICSS120Combi伺服驱动产品3.3功率模块 S120Combi功率模块集成了整流单元、用于3轴或4轴的电机模块（逆变器）和一个主轴TTL编码器的信号转换模块。有3轴型功率模块和4轴型功率模块两种，4、西门子其它伺服驱动系统4.1SINAMICSV60 SINAMICSV60与提供脉冲/方向信号的数控系统配合，如SINUMERIK801、SINUMERIK802Sbaseline、SINUMERIK808D等数控系统，为经济型车床及铣床提供完整解决方案，主要适用于注重经济性的简单应用场合。包含CPM60.1驱动模块和1FL5交流伺服电机。4、西门子其它伺服驱动系统4.2SINAMICSV70 SINAMICSV70伺服系统由SINAMICSV70伺服驱动器和SIMOTICSS-1FL6伺服电机构成，通过DriveBus总线接口，与西门子数控系统SINUMERIK808DADVANCED配套使用。SINAMICSV70伺服驱动器和SIMOTICSS-1FL6伺服电机用于进给驱动。4、西门子其它伺服驱动系统4.2SINAMICSV70 SINAMICSV70主轴驱动器和SIMOTICSM-1PH1主轴电机用于主轴驱动。4、西门子其它伺服驱动系统4.3SINAMICSV90 SINAMICSV90与SIMOTICSS-1FL6配套使用，组成的伺服驱动系统可实现位置控制、速度控制和扭矩控制。功率范围为0.4kW～7kW，电压范围为3相AC380V～480V(-15%/+10%)。可以与脉冲控制接口或模拟伺服接口的数控系统配套使用。行业榜样抗震救灾项目9发那科伺服驱动系统1、发那科数控系统的结构2、发那科的伺服驱动系统组成3、αi系列伺服驱动产品4、

βi系列伺服驱动产品5、接口介绍1、发那科数控系统的结构信号分三路传送一路信号是FANUC串行伺服总线FSSB总线（FanucSerialServoBus，FSSB），将CNC与伺服放大器连接起来，控制机床的进给运动。一路信号是主轴串行总线，传送主轴的有关信号，控制主轴驱动。一路是I/OLink总线，进行PLC控制，完成有关机床的开关信号处理。2、发那科的伺服驱动系统组成发那科数控系统的伺服控制主要含有三个环节，又称为三环控制，它们是：①位置环、②速度环、③电流环。

3.1概述

αi系列伺服驱动产品是FANUC数控系统的高性能伺服驱动产品，它包括伺服放大器、伺服主轴电机和伺服电机，如图9.2所示。αi系列伺服放大器采用模块化的结构形式，由电源模块（PowerSupplyModule，PSM）、主轴放大器模块（SpindleamplifierModule，SPM）、伺服放大器模块（ServoamplifierModule，SVM）三部分组成。3、αi系列伺服驱动产品3、αi系列伺服驱动产品3.2技术特点采用光纤总线技术，线路简单，抗干扰能力强。配备高分辨率的编码器，最大分辨率可以达到1600万/转。实现高速、高精度的伺服控制。结构紧凑，安装方便。3、αi系列伺服驱动产品3.3电源模块（PSM）电源模块（PSM）是为主轴和伺服提供逆变直流电源的模块。三相200V的交流电源输入，经PSM处理后，向直流母线排输送DC300V电压供主轴和伺服放大器用。另外PSM模块中有输入保护电路，通过外部急停信号ESP或内部继电器MCC控制主电源的输入，起到输入保护作用。3、αi系列伺服驱动产品3.4主轴放大器模块（SPM）主轴放大器模块（SPM）接收数控系统CNC发出的串行主轴指令，该指令格式是FANUC公司主轴产品通讯协议，所以又被称之为FANUC数字主轴，与其它公司产品没有兼容性。该主轴放大器经过变频调速控制向FANUC主轴电机输出动力电源。该放大器JY2和JY4接口分别接收主轴速度反馈信号和主轴位置编码器信号。3、αi系列伺服驱动产品3.5伺服放大器模块（SVM）伺服放大器模块（SVM）接收从数控系统CNC通过FSSB传送的轴控制指令，驱动伺服电机按照指令运转，同时JFn接口接收伺服电机编码器反馈信号，并将位置信息通过FSSB光缆再转输到CNC中。αi-B系列伺服驱动产品是发那科αi系列的最新产品4、

βi系列伺服驱动产品4.1概述βi系列伺服驱动产品是FANUC公司生产的经济性伺服驱动产品，它包括多伺服轴/主轴一体型βiSVSP伺服放大器、独立型βiSV（FSSB接口）伺服放大器、独立型βiSV（I/Olink接口）伺服放大器、βi主轴电机和伺服电机。4、

βi系列伺服驱动产品4.2多伺服轴/主轴一体型伺服放大器（βiSVSP）

多伺服轴/主轴一体型伺服放大器（βiSVSP）可以控制3个进给轴和1个主轴。βi系列伺服没有独立的电源模块和主轴驱动模块，因此三相交流200V的电源直接输入伺服放大器，如果主轴使用伺服主轴，只能选择βiSVSP模块。4、

βi系列伺服驱动产品4.3独立型伺服放大器βiSV（FSSB接口）

独立型伺服放大器βiSV（FSSB接口）连接在FSSB总线上，接收通过光纤总线从数控系统传送来的信号，用作进给轴的控制。此时主轴的驱动往往使用第三方生产的变频器进行控制，具体的接线可参考相应的技术手册。4、

βi系列伺服驱动产品4.3独立型伺服放大器βiSV（FSSB接口） βiSV-B系列是最新产品，有单轴伺服放大器和双轴伺服放大器两种，4、

βi系列伺服驱动产品4.4独立型伺服放大器βiSV（I/Olink接口）

独立型伺服放大器βiSV（I/Olink接口）连接在I/OLink总线上，由PMC进行控制，可以用作I/OLink轴使用，不能进行插补控制，一般是控制加工中心刀库的定位、上下料机械手等。。特点采用光纤总线技术，线路简单，抗干扰能力强。配备高分辨率的编码器，最大分辨率可以达到128,000/转。实现高速、高精度的伺服控制。结构紧凑，安装方便。价格相对α系列便宜控制电源连接5、接口介绍主电源的连接4、接口介绍4、接口介绍FSSB连接MCC与急停的连接MCC：一般用于串接在伺服主电源接触器的线圈，且交流接触器线圈电压不超过