《数控机床电气驱动》PPT课件.ppt

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1、第四章第四章 进给运动控制进给运动控制10/25/20224.1 4.1 概概概概 述述述述1.1.数控机床伺服系统的概念数控机床伺服系统的概念 数数控控机机床床伺伺服服系系统统是是以以数数控控机机床床移移动动部部件件（如如工工作作台台、主主轴轴或或刀刀具具等等）的的位位置置和和速速度度为为控控制制对对象象的的自自动动控控制制系系统统，也也称称为为随随动动系系统统、拖拖动动系系统统或或伺伺服服机机构构。它它接接受受CNCCNC装装置置输输出出的的插插补补指指令令，并并将将其其转转换换为为移移动动部部件件的的机机械械运运动动（主主要要是是转转动动和和平平动动）。伺伺服服系系统统是是数数控控机机床

2、床的的重重要要组组成成部部分分，是是数数控控装装置置和和机机床床本本体体的的联联系系环环节节，其其性性能能直直接接影影响响数数控控机机床床的的精精度度、工工作作台台的的移移动动速速度度和和跟跟踪踪精度等技术指标。精度等技术指标。10/25/2022通常将伺服系统分为开环系统和闭环系统。开环系统通常将伺服系统分为开环系统和闭环系统。开环系统通常主要以步进电动机作为控制对象，闭环系统通常以直流通常主要以步进电动机作为控制对象，闭环系统通常以直流伺服电动机或交流伺服电动机作为控制对象。伺服电动机或交流伺服电动机作为控制对象。10/25/2022 速速度度环环由由速速度度调调节节器器、电电流流调调节节

3、器器及及功功率率驱驱动动放放大大器器等等部部分分组组成成，利利用用测测速速发发电电机机、脉脉冲冲编编码码器器等等速速度度传传感感元元件件，作作为为速速度度反反馈馈的的测测量量装装置置。位位置置环环是是由由CNCCNC装装置置中中位位置置控控制制、速速度度控控制制、位位置置检检测测与与反反馈馈控控制制等等环环节节组组成成，用用以以完完成成对对数数控控机机床床运运动动坐坐标标轴轴的的控控制制。数数控控机机床床运运动动坐坐标标轴轴的的控控制制不不仅仅要要完完成成单单个个轴轴的的速速度度位位置置控控制制，而而且且在在多多轴轴联联动动时时，要要求求各各移移动动轴轴具具有有良良好好的的动动态态配配合合精精

4、度度，这这样样才才能能保证加工精度、表面粗糙度和加工效率。保证加工精度、表面粗糙度和加工效率。10/25/2022(1)伺服系统的作用伺服系统的作用2)根据根据CNC装置发出的控制信息对机床移动部件的位置和速度装置发出的控制信息对机床移动部件的位置和速度进行控制。进行控制。1)数控伺服系统具有放大控制信号的能力。数控伺服系统具有放大控制信号的能力。(2)数控机床对伺服系统应具有的基本性数控机床对伺服系统应具有的基本性能能1)高高精精度度：伺伺服服系系统统的的精精度度指指输输出出量量能能够够复复现现输输入入量量的的精精确确程程度度。由由于于数数控控机机床床执执行行机机构构的的运运动动是是由由伺伺

5、服服电电动动机机直直接接驱驱动动的的，为为了了保保证证移移动动部部件件的的定定位位精精度度和和零零件件轮轮廓廓的的加加工工精精度度，要要求求伺伺服服系系统统应应具具有有足足够够高高的的定定位位精精度度和和联联动动坐坐标标的的协协调调一一致致精精度度。一一般般的的数数控控机机床床要要求求的的定定位位精精度度为为，高高档档设设备备的的定定位位精精度度要要求求达达到到以以上上。在在速速度度控控制制中中，要要求求高高的的调调速速精精度度和和比比较较强强的的抗抗负负载载扰扰动动能能力力。即即伺伺服服系系统统应应具具有有比比较较好好的的动动、静态精度。静态精度。10/25/20222)良良好好的的稳稳定定

6、性性稳稳定定性性是是指指系系统统在在给给定定输输入入作作用用下下，经经过过短短时时间间的的调调节节后后达达到到新新的的平平衡衡状状态态；或或在在外外界界干干扰扰作作用用下下，经经过过短短时时间间的的调调节节后后重重新新恢恢复复到到原原有有平平衡衡状状态态的的能能力力。稳稳定定性性直直接接影影响响数数控控加加工工的的精精度度和和表表面面粗粗糙糙度度，为为了了保保证证切切削削加加工工的的稳稳定定均均匀匀，数数控控机机床床的的伺伺服服系系统统应应具具有有良良好好的的抗抗干干扰扰能能力力，以以保保证证进进给速度的均匀、平稳。给速度的均匀、平稳。3动态响应速度快动态响应速度快动态响应速度是伺服系统动态品

7、质的重要指动态响应速度是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。目前数控机床的插补时间一般在标，它反映了系统的跟踪精度。目前数控机床的插补时间一般在20ms以下，在如此短的时间内伺服系统要快速跟踪指令信号，以下，在如此短的时间内伺服系统要快速跟踪指令信号，要求伺服电动机能够迅速加减速，以实现执行部件的加减速控制，要求伺服电动机能够迅速加减速，以实现执行部件的加减速控制，并且要求很小的超调量。并且要求很小的超调量。10/25/20224调速范围要宽，低速时能输出大转矩。机床的调速范围调速范围要宽，低速时能输出大转矩。机床的调速范围RN是指机床要求电动机能够提供的最高转速是指机床要求电

8、动机能够提供的最高转速nmax和最低转和最低转速速nmin之比，即：之比，即：车车床床的的主主轴轴伺伺服服系系统统一一般般是是速速度度控控制制系系统统，除除了了一一般般要要求求之之外外，还还要要求求主主轴轴和和伺伺服服驱驱动动可可以以实实现现同同步步控控制制，以以实实现现螺螺纹纹切削的加工要求。有的车床要求主轴具有恒线速功能。切削的加工要求。有的车床要求主轴具有恒线速功能。机机床床的的加加工工特特点点是是低低速速时时进进行行重重切切削削，因因此此要要求求伺伺服服系系统统应应具具有有低低速速时时输输出出大大转转矩矩的的特特性性，以以适适应应低低速速重重切切削削的的加加工工实实际际要要求求，同同时

9、时具具有有较较宽宽的的调调速速范范围围以以简简化化机机械械传传动动链链，进进而而增增加加系系统统刚刚度度，提提高高转转动动精精度度。一一般般情情况况下下，进进给给系系统统的的伺伺服服控控制制属属于于恒恒转转矩矩控控制制，而而主主轴轴坐坐标标的的伺伺服服控控制在低速时为恒转矩控制，高速时为恒功率控制。制在低速时为恒转矩控制，高速时为恒功率控制。10/25/20225 5)高高性性能能电电动动机机 伺伺服服电电动动机机是是伺伺服服系系统统的的重重要要组组成成部部分分，为为使使伺伺服服系系统统具具有有良良好好的的性性能能，伺伺服服电电动动机机也也应应具具有有高高精精度度、快响应、宽调速和大转矩的性能

10、。具体是：快响应、宽调速和大转矩的性能。具体是：（1）电电动动机机从从最最低低速速到到最最高高速速的的调调速速范范围围内内能能够够平平滑滑运运转转，转矩波动要小，尤其是在低速时要无爬行现象；转矩波动要小，尤其是在低速时要无爬行现象；（2）电动机应具有大的、长时间的过载能力，一般要求数分）电动机应具有大的、长时间的过载能力，一般要求数分钟内过载钟内过载46倍而不烧毁；倍而不烧毁；（3）为了满足快速响应的要求，即随着控制信号的变化，）为了满足快速响应的要求，即随着控制信号的变化，电动机应能在较短的时间内达到规定的速度；电动机应能在较短的时间内达到规定的速度；（4）电动机应能承受频繁启动、制动和反转

11、的要求。）电动机应能承受频繁启动、制动和反转的要求。10/25/20222.伺服驱动系统的分类伺服驱动系统的分类（1 1）驱驱动动方方式式分分类类 液液压压伺伺服服系系统统、气气压压伺伺服服系系统和电气伺服系统统和电气伺服系统伺服系统可以分为电液伺服系统和电气伺服系统，电液伺伺服系统可以分为电液伺服系统和电气伺服系统，电液伺服系统的执行元件是电液脉冲马达和电液伺服马达。但由于服系统的执行元件是电液脉冲马达和电液伺服马达。但由于该系统存在噪音、漏油等问题，其逐渐被电气伺服系统所取该系统存在噪音、漏油等问题，其逐渐被电气伺服系统所取代。代。电气伺服系统全部采用电子元件和电动机部件，操作方电气伺服系

12、统全部采用电子元件和电动机部件，操作方便，可靠性高。便，可靠性高。目前电气伺服系统的驱动元件主要有步进电目前电气伺服系统的驱动元件主要有步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机，有关这些驱动元动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机，有关这些驱动元件的工作原理可以参阅本章中的相关内容。件的工作原理可以参阅本章中的相关内容。10/25/2022（3）按有无检测元件和反馈环节分类，伺服系统可以分为开）按有无检测元件和反馈环节分类，伺服系统可以分为开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统。开环伺服系环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统。开环伺服系统与闭环伺服系统如前所述。半闭环与闭环伺服系统的结

13、构统与闭环伺服系统如前所述。半闭环与闭环伺服系统的结构一致，只是位置检测元件不直接安装在最终运动部件上（工一致，只是位置检测元件不直接安装在最终运动部件上（工作台），而是传动装置的一个环节上（如丝杠或传动轴上），作台），而是传动装置的一个环节上（如丝杠或传动轴上），由于传动链有一部分在位置环以外，在位置环以外的传动精由于传动链有一部分在位置环以外，在位置环以外的传动精度得不到系统的补偿，因此其控制精度低于闭环伺服系统。度得不到系统的补偿，因此其控制精度低于闭环伺服系统。但对于闭环伺服系统，由于受机械变形、温度变化、振动以但对于闭环伺服系统，由于受机械变形、温度变化、振动以及其他因素的影响，系统

14、的稳定性较差。同时由于半闭环的及其他因素的影响，系统的稳定性较差。同时由于半闭环的反馈量测量方便等特点，使半闭环伺服系统也得到广泛应用。反馈量测量方便等特点，使半闭环伺服系统也得到广泛应用。（2）驱动执行元件分类，可分为直流电动机伺服系统、交流）驱动执行元件分类，可分为直流电动机伺服系统、交流电动机伺服系统、步进电动机伺服系统。电动机伺服系统、步进电动机伺服系统。（4）按输出被控制量的性质分类，可分为位置伺服系统、）按输出被控制量的性质分类，可分为位置伺服系统、速度伺服系统速度伺服系统.10/25/20224.进给伺服电动机的类型进给伺服电动机的类型伺伺服服电电动动机机为为数数控控伺伺服服系系

15、统统的的重重要要组组成成部部分分，是是速速度度和和轨迹控制的执行元件。轨迹控制的执行元件。数控机床中常用的伺服电机：数控机床中常用的伺服电机：直流伺服电机（调速性能良好）直流伺服电机（调速性能良好）交流伺服电机（主要使用的电机）交流伺服电机（主要使用的电机）步进电机（适于轻载、负荷变动不大）步进电机（适于轻载、负荷变动不大）直线电机（高速、高精度）直线电机（高速、高精度）10/25/20221.由于直流伺服电动机使用机械由于直流伺服电动机使用机械(电刷、换向器电刷、换向器)换向，因换向，因此存在许多缺点。而直流伺服电动机优良的调速特性正是此存在许多缺点。而直流伺服电动机优良的调速特性正是通过机

16、械换向得到的，因而这些缺点无法克服。通过机械换向得到的，因而这些缺点无法克服。2.交流伺服电动机与直流伺服电动机相比最大的优点在于交流伺服电动机与直流伺服电动机相比最大的优点在于它不需要维护，制造简单，适合于在恶劣环境下工作。目它不需要维护，制造简单，适合于在恶劣环境下工作。目前，国外的交流伺服系统已实现了全数字化，即在伺服系前，国外的交流伺服系统已实现了全数字化，即在伺服系统中，除了驱动级外，全部功能均由微处理器完成，可高统中，除了驱动级外，全部功能均由微处理器完成，可高速、实时地实现前馈控制、补偿、最优控制、等功速、实时地实现前馈控制、补偿、最优控制、等功能。能。应应用于进给驱动的交流伺服

17、电动机有交流同步电动机与异步用于进给驱动的交流伺服电动机有交流同步电动机与异步电动机两大类。电动机两大类。由于数控机床进给驱动的功率一般不大由于数控机床进给驱动的功率一般不大(数百至数千瓦数百至数千瓦)，而交流异步电动机的调速指标一般不如交流同步电动机，而交流异步电动机的调速指标一般不如交流同步电动机，因此大多数进给伺服系统采用永磁式交流同步电动机。因此大多数进给伺服系统采用永磁式交流同步电动机。10/25/20224.2 4.2 步进电动机伺服系统步进电动机伺服系统 步进电动机伺服系统主要应用于开环位置控制中，步进电动机伺服系统主要应用于开环位置控制中，该系统由环形分配器、步进电动机、驱动电

18、源等部该系统由环形分配器、步进电动机、驱动电源等部分组成。这种系统简单容易控制，维修方便且控制分组成。这种系统简单容易控制，维修方便且控制为全数字化，比较适应当前计算机技术发展的趋势为全数字化，比较适应当前计算机技术发展的趋势10/25/2022步进电动机的工作原理步进电动机的工作原理1.步进电动机分类步进电动机分类 步进电动机的分类方法很多，根据不同的分类方步进电动机的分类方法很多，根据不同的分类方式，可将步进电动机分为多种类型，如表所示式，可将步进电动机分为多种类型，如表所示步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为为机机械械角角位位移移的的电电磁磁机机械械装装置置

19、。又又叫叫脉脉冲冲马马达达。每每施施加加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旋旋转转一一个个固固定定的的角角度度，称称为为一一步步，每每一一步步所所转转过过的角度称为步距角。的角度称为步距角。10/25/2022步进电动机的分类分 类 方 式具 体 类 型按力矩产生的原理（1）反应式：转子无绕组，由被激磁的定子绕组产生反应力矩实现步进运行（2）激磁式：定、转子均有激磁绕组（或转子用永久磁钢），由电磁力矩实现步进运行按输出力矩大小（1）伺服式：输出力矩在百分之几到十分之几（Nm）只能驱动较小的负载，要与液压扭矩放大器配用，才能驱动机床工作台等较大的负载（2）功率式：输出力矩在5

20、50 Nm以上，可以直接驱动机床工作台等较大的负载按定子数（1）单定子式；（2）双定子式；（3）三定子式；（4）多定子式按各相绕组分布（1）径向分相式：电机各相按圆周依次排列（2）轴向分相式：电机各相按轴向依次排列10/25/202210/25/202210/25/20222步进电动机的结构步进电动机的结构 目前，我国使用的步进电动机多为反应式步进电动机。在目前，我国使用的步进电动机多为反应式步进电动机。在反应式步进电动机中，有反应式步进电动机中，有轴向分相和径向分相轴向分相和径向分相两种。图所示两种。图所示是一典型的单定子、径向分相、反应式是一典型的单定子、径向分相、反应式(转子是带齿的铁心

21、转子是带齿的铁心(反应式反应式)或磁钢或磁钢(混合式混合式)，无绕组。，无绕组。)伺服步进电动机的结伺服步进电动机的结构原理图构原理图1-绕组绕组2-定子铁心定子铁心3-转子铁转子铁 步进电动机可构成步进电动机可构成A、B、C三相控制绕组，故称三相步进三相控制绕组，故称三相步进电动机。若任一相绕组通电，电动机。若任一相绕组通电，便形成一组定子磁极，其方向便形成一组定子磁极，其方向即图中所示的即图中所示的NS极。在定子的极。在定子的每个磁极上面向转子的部分，每个磁极上面向转子的部分，又均匀分布着又均匀分布着5个小齿，这些小个小齿，这些小齿呈梳状排列，齿槽等宽，齿齿呈梳状排列，齿槽等宽，齿间夹角为

22、。转子上没有绕组，间夹角为。转子上没有绕组，只有均匀分布的只有均匀分布的40个齿，其大个齿，其大小和间距与定子上的完全相同。小和间距与定子上的完全相同。10/25/2022步进电动机的齿距步进电动机的齿距 三三相相定定子子磁磁极极上上的的小小齿齿在在空空间间位位置置上上依依次次错错开开1/31/3齿齿距距，如如图图所所示示。当当A A相相 磁磁极极上上的的小小齿齿与与转转子子上上的的小小齿齿对对齐齐时时，B B相相磁磁极极上上的的齿齿刚刚好好超超前前（或或滞滞后后）转转子子齿齿1/31/3齿齿距距角角，C C相相磁磁极极齿齿超超前前（或或滞滞后后）转转子子齿齿2/32/3齿齿距距角角。步步进进

23、电电动动机机每每走走一一步步所所转转过过的的角角度度称称为为步步距距角角，其其大大小小等等于于错错齿齿的的角角度度。错错齿齿角角度度的的大大小小取取决决于于转转子子上上的的齿齿数数，磁磁极极数数越越多多，转转子子上上的的齿齿数数越越多多，步步距距角角越越小小，步步进进电电动动机机的的位位置置精精度度越越高高，其其结结构构也越复杂。也越复杂。10/25/2022轴向分相反应式步进电动机结构原理图轴向分相反应式步进电动机结构原理图 各各段段定定子子铁铁心心形形如如内内齿齿轮轮，由由硅硅钢钢片片叠叠成成。转转子子形形如如外外齿齿轮轮，也也由由硅硅钢钢片片叠叠成成。各各段段定定子子上上的的齿齿在在圆圆

24、周周方方向向均均匀匀分分布布，彼彼此此之之间间错错开开1/51/5齿齿距距，其其转转子子齿齿彼彼此此不不错错位位。当当设设置置在在定定子子铁铁心心环环形形槽槽内内的的定定子子绕绕组组通通电电时时，形形成成一一相相环环形形绕绕组组，构构成图中所示的磁力线。成图中所示的磁力线。10/25/20223.步进电动机的工作原理步进电动机的工作原理 当当A相绕组通电时，转子的齿与定子相绕组通电时，转子的齿与定子AA上的齿对齐。若上的齿对齐。若A相断电，相断电，B相通相通电，由于磁力的作用，转子的齿与定子电，由于磁力的作用，转子的齿与定子BB上的齿对齐，转子沿顺时针方向转过，上的齿对齐，转子沿顺时针方向转过

25、，如果控制线路不停地按如果控制线路不停地按ABCACA的顺序控制步进电动机绕组的通断电，的顺序控制步进电动机绕组的通断电，步进电动机的转子便不停地顺时针转动。若通电顺序改为步进电动机的转子便不停地顺时针转动。若通电顺序改为ACCBAA，步，步进电动机的转子将逆时针转动。这种通电方式称为三相三拍，而通常的通电方进电动机的转子将逆时针转动。这种通电方式称为三相三拍，而通常的通电方式为三相六拍，其通电顺序为式为三相六拍，其通电顺序为AAABBBCCCAABBCCCAA及及AACCCBBBAAACCCBBBAA，相应地，定子绕组的通电状态每改变一次，相应地，定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过。因此

26、在本例中，三相三拍的通电方式其步距角等于，三相六拍通电转子转过。因此在本例中，三相三拍的通电方式其步距角等于，三相六拍通电方式其步距角方式其步距角 等于等于10/25/2022综上所述，可以得到如下结论：综上所述，可以得到如下结论：（1 1）步进电动机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转过一个确定的）步进电动机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转过一个确定的角度，即步距角；角度，即步距角；（2 2）改变步进电动机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向随之改变；）改变步进电动机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向随之改变；（3 3）步进电动机定子绕组通电状态的改变速度越快，其转子旋转的速度

27、越快，）步进电动机定子绕组通电状态的改变速度越快，其转子旋转的速度越快，即通电状态的变化频率越高，转子的转速越高；即通电状态的变化频率越高，转子的转速越高；（4 4）步进电动机步距角与定子绕组的相数）步进电动机步距角与定子绕组的相数m m、转子的齿数、转子的齿数z z、通电方式、通电方式k k有关，可有关，可用下式表示：用下式表示：式中式中m m相相m m拍时，拍时，k=1k=1；m m相相2m2m拍时，拍时，k=2k=2。对对于于上上图图所所示示的的单单定定子子、径径向向分分相相、反反应应式式步步进进电电动动机机，当当它它以以三三相相三三拍拍通通电电方方式工作时，其步距角为式工作时，其步距角

28、为若按三相六拍通电方式工作，则步距角为若按三相六拍通电方式工作，则步距角为10/25/2022422步进电动机的驱动电源步进电动机的驱动电源由步进电动机的工作原理知由步进电动机的工作原理知道，要使电动机正常的一步一步地运行，控制脉冲必须按一道，要使电动机正常的一步一步地运行，控制脉冲必须按一定的顺序分别供给电动机各相，例如三相单拍驱动方式，供定的顺序分别供给电动机各相，例如三相单拍驱动方式，供给脉冲的顺序为给脉冲的顺序为A AB BC CA A或或A AC CB BA A，称为环形脉冲分，称为环形脉冲分配。脉冲分配有两种方式：一种是硬件脉冲分配（或称为脉配。脉冲分配有两种方式：一种是硬件脉冲分

29、配（或称为脉冲分配器），另一种是软件脉冲分配，是由计算机的软件完冲分配器），另一种是软件脉冲分配，是由计算机的软件完成的。成的。环形分配器可用数字集成电路系列中的基本门电路和触发环形分配器可用数字集成电路系列中的基本门电路和触发器构成，但这样构成的环形分配器过于复杂。实用的环形分配器构成，但这样构成的环形分配器过于复杂。实用的环形分配器均是集成化的专用电路芯片，这些芯片通常还包括除脉冲分器均是集成化的专用电路芯片，这些芯片通常还包括除脉冲分配控制之外的其他功能配控制之外的其他功能10/25/202210/25/20222 2软件脉冲分配软件脉冲分配在在计计算算机机控控制制的的步步进进电电动动机

30、机驱驱动动系系统统中中，可可以以采采用用软软件件的的方方法法实实现现环环形形脉脉冲冲分分配配。软软件件环环形形分分配配器器的的设设计计方方法法有有很很多多，如如查查表表法法、比比较较法法、移移位寄存器法等，它们各有特点，其中常用的是查表法。位寄存器法等，它们各有特点，其中常用的是查表法。单片机控制的步进电动机驱动电路框图单片机控制的步进电动机驱动电路框图 P1P1口口的的三三个个引引脚脚经经过过光光电电隔隔离离、功功率率放放大大之之后后，分分别别与与电电动动机机的的A A、B B、C C三三相相连连接接。当当采采用用三三相相六六拍拍方方式式时时，电电动动机机正正转转的的通通电电顺顺序序为为A

31、AABABB BBCBCC CCACAA A；电电动动机机反反转转的的顺顺序序为为A AACACC CCBCBB BBABAA A。它它们们的的环环形形分分配配如如表表6-26-2所所示示。把把表表中中的的数数值值按按顺顺序序存存入入内内存存的的EPROMEPROM中中，并并分分别别设设定定表表头头的的地地址址为为TAB0TAB0，表表尾尾的的地地址址为为TAB5TAB5。计计算算机机的的P1P1口口按按从从表表头头开开始始逐逐次次加加1 1的的顺顺序序变变化化，电电动动机机正正向向旋旋转转。如如果果按按从从TAB5TAB5，逐逐次次减减1 1的的顺顺序序变变化化，电电动动机则反转。机则反转。

32、10/25/2022步序导电相工作状态数值（16进制）程序的数据表正转 反转CBATABA0 0 101HTAB0 DB 01HAB0 1 103HTAB1 DB 03HB0 1 002HTAB2 DB 02HBC1 1 006HTAB3 DB 06HC1 0 004HTAB4 DB 04HCA1 0 105HTAB5 DB 05H计算机的三相六拍环形分配表计算机的三相六拍环形分配表10/25/20221)1)步进电动机的主要特性步进电动机的主要特性(1)(1)步步距距角角 步步进进电电机机的的步步距距角角 是是反反映映步步进进电电机机定定子子绕绕组组的的通通电电状状态态每每改改变变一一次次，

33、转转子子转转过过的的角角度度，它它是是决决定定步步进进伺伺服服系系统统脉脉冲冲当当量量的的重重要要参参数数。数数控控机机床床中中常常见见的的反反应应式式步步进进电电机机的的步步距距角角一一般般为为 0.5 0.5 步步距距角角越越小，数控机床的控制精度越高。小，数控机床的控制精度越高。步进电动机的主要特性步进电动机的主要特性及选用及选用10/25/20222 2）矩角特性、最大静态转矩）矩角特性、最大静态转矩 M Mjmaxjmax 矩角特性是步进电机的一个重要特性，它是指步进电机产生矩角特性是步进电机的一个重要特性，它是指步进电机产生的静态转矩与失调角的变化规律。空载时，若步进电机某相绕的静

34、态转矩与失调角的变化规律。空载时，若步进电机某相绕组通电，根据步进电机的工作原理，电磁力矩会使得转子齿槽组通电，根据步进电机的工作原理，电磁力矩会使得转子齿槽与该相定子齿槽相对齐，这时，转子上没有力矩输出。如果在与该相定子齿槽相对齐，这时，转子上没有力矩输出。如果在电机轴上加一逆时针方向的负载转矩电机轴上加一逆时针方向的负载转矩M M，则步进电机转子就要逆，则步进电机转子就要逆时针方向转过一个角度时针方向转过一个角度 才能重新稳定下来，这时转子上受到才能重新稳定下来，这时转子上受到的电磁转矩和负载转矩相等。我们称为静态转矩的电磁转矩和负载转矩相等。我们称为静态转矩 Mj ，e为失为失调角。不断

35、改变值调角。不断改变值M M，对应的就有，对应的就有 值及角值及角e，得到与的函，得到与的函数曲线，如图所示。我们称曲线数曲线，如图所示。我们称曲线 Mj=f=f（）为转矩为转矩失失调角特性曲线，或称为矩角特性。调角特性曲线，或称为矩角特性。10/25/2022步进电动机静态矩角特性曲线步进电动机静态矩角特性曲线3 3）启动转矩）启动转矩 q q 图中曲线图中曲线A和曲线和曲线B的交点所对应的力矩是电机运行状的交点所对应的力矩是电机运行状态的最大启动转矩。当负载力矩态的最大启动转矩。当负载力矩M Mf f 小于小于q时，电机才能时，电机才能正常启动运行，否则，将造成失步，电机也不能正常启动。正

36、常启动运行，否则，将造成失步，电机也不能正常启动。一般地，随着电机相数的增加，由于矩角特性曲线变密，一般地，随着电机相数的增加，由于矩角特性曲线变密，相邻两矩角特性曲线的交点上移相邻两矩角特性曲线的交点上移 ，Mq Mq 会使增加；改变会使增加；改变m m相相m m拍通电方式为拍通电方式为m m相相2m拍通电方式，同样会使得以提高。拍通电方式，同样会使得以提高。10/25/20223 3）空空载载启启动动频频率率 f fq q 空空载载时时，步步进进电电机机由由静静止止突突然然启启动动,并并进进入入不不丢丢步步的的正正常常运运行行所所允允许许的的最最高高频频率率，称称为为启启动动频频率率或或突

37、突跳跳频频率率。若若启启动动时时频频率率大大于于突突跳跳频频率率，步步进进电电机机就就不不能能正正常常启启动动。空空载载启启动动时时，步步进进电电动动机机定定子子绕绕组组通通电电状状态态变变化化的的频率不能高于该突跳频率。频率不能高于该突跳频率。4）连续运行的最高工作频率）连续运行的最高工作频率fmax步进电机连续运行时，它所能接受的，即保证不步进电机连续运行时，它所能接受的，即保证不丢步运行的极限频率，称为最高工作频率丢步运行的极限频率，称为最高工作频率f fmaxmax。它。它是决定定子绕组通电状态最高变化频率的参数，是决定定子绕组通电状态最高变化频率的参数，它决定了步进电机的最高转速。它

38、决定了步进电机的最高转速。10/25/20225）矩频特性与动态转）矩频特性与动态转矩矩 矩频特性矩频特性 M Md d=F(f)=F(f)所描述所描述的是步进电动机连续稳定的是步进电动机连续稳定运行时输出转矩与连续运运行时输出转矩与连续运行频率之间的关系。如图行频率之间的关系。如图所示，该特性曲线上每一所示，该特性曲线上每一频率所对应的转矩为动态频率所对应的转矩为动态转矩。可见，动态转矩的转矩。可见，动态转矩的基本趋势是随连续运行频基本趋势是随连续运行频率的增大而降低。率的增大而降低。步进电动机的矩频特性曲线步进电动机的矩频特性曲线10/25/20226）加减速特性）加减速特性步进电机的加减

39、速特性是描述步进电步进电机的加减速特性是描述步进电机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加减速过机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加减速过程中，定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系。程中，定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系。当要求步进电机启动到大于突跳频率的工作频率时，当要求步进电机启动到大于突跳频率的工作频率时，变化速度必须逐渐上升；同样，从最高工作频率或高变化速度必须逐渐上升；同样，从最高工作频率或高干突跳频率的工作频率停止时，变化速度必须逐渐下干突跳频率的工作频率停止时，变化速度必须逐渐下降。逐渐上升和下降的加速时间、减速时间不能过小，降。逐渐上升和下降的加速时间、减速时间不能

40、过小，否则会出现失步或超步。我们用加速时间常数否则会出现失步或超步。我们用加速时间常数和减和减速时间常数速时间常数来描述步进电机的升速和降速特性，来描述步进电机的升速和降速特性，10/25/20222.步进电动机的选择步进电动机的选择选择步进电动机时可从以下几个方面考虑。选择步进电动机时可从以下几个方面考虑。(1)数控机床中常使用的步进电动机按结构可分为反应式和永数控机床中常使用的步进电动机按结构可分为反应式和永磁反应式步进电动机，按相数可分为三相、四相和五相等磁反应式步进电动机，按相数可分为三相、四相和五相等步进电动机，按输出力矩可分为伺服式步进电动机，按输出力矩可分为伺服式(功率较小功率较

41、小)和功率和功率式式(功率较大功率较大)步进电动机。数控机床上大多使用功率式步步进电动机。数控机床上大多使用功率式步进电动机。反应式步进电动机进电动机。反应式步进电动机(如如110BF，130BF，150BF)的价格低于永磁反应式步进电动机，但性能上不如永磁反的价格低于永磁反应式步进电动机，但性能上不如永磁反应式步进电动机。在选择步进电动机时，首先要确定步进应式步进电动机。在选择步进电动机时，首先要确定步进电动机的类型。电动机的类型。10/25/2022(2)根据机床的加工精度要求，选择进给轴的脉冲当量，如根据机床的加工精度要求，选择进给轴的脉冲当量，如001nltn或或0005mm。(3)根

42、据所选步进电动机的步距角、丝杠的螺距以及所要求的根据所选步进电动机的步距角、丝杠的螺距以及所要求的脉冲当量，计算减速齿轮的降速比。采用减速齿轮具有如脉冲当量，计算减速齿轮的降速比。采用减速齿轮具有如下优点：下优点：容易配置出所要求的脉冲当量；容易配置出所要求的脉冲当量；减小工作台和丝杠折算到电动机轴上的惯量；减小工作台和丝杠折算到电动机轴上的惯量；增大工作台的推力。但采用减速齿轮会带来额外的传动增大工作台的推力。但采用减速齿轮会带来额外的传动误差，使机床的快速移动速度降低，而且它自身又引入附加误差，使机床的快速移动速度降低，而且它自身又引入附加的转动惯量。的转动惯量。10/25/2022(4)

43、电动机在最快移动速度时，由矩频特性决定的电动机输电动机在最快移动速度时，由矩频特性决定的电动机输出转矩要大于负载转矩，并留有余量。通常负载转矩应小出转矩要大于负载转矩，并留有余量。通常负载转矩应小于于02-03倍的电动机最大静转矩。倍的电动机最大静转矩。(5)步进电动机的启动频率与负载转矩和惯量有很大关系。步进电动机的启动频率与负载转矩和惯量有很大关系。通常步进电动机的带载启动频率应小于空载启动频率通常步进电动机的带载启动频率应小于空载启动频率的一半。的一半。10/25/2022提高步进伺服系统精度的措施（补）提高步进伺服系统精度的措施（补）步步进进式式伺伺服服系系统统是是一一个个开开环环系系

44、统统，在在此此系系统统中中，步步进进电电动动机机的的质质量量、机机械械传传动动部部分分的的结结构构和和质质量量以以及及控控制制电电路路的的完完善善与与否否，均均影影响响到到系系统统的的工工作作精精度度。要要提提高高系系统统的的工工作作精精度度，应应从从这这几几个个方方面面考考虑虑：如如改改善善步步进进电电机机的的性性能能，减减小小步步距距角角；采采用用精精密密传传动动副副，减减少少传传动动链链中中传传动动间间隙隙等等。但但这这些些因因素素往往往往由由于于结结构构和和工工艺艺的的关关系系而而受受到到一一定定的的限限制制。为为此此，需需要要从从控控制制方方法法上上采采取一些措施，弥补其不足。取一些

45、措施，弥补其不足。10/25/2022 1 1反向间隙补偿反向间隙补偿在在进进给给传传动动结结构构中中，提提高高传传动动元元件件的的制制造造精精度度并并采采取取消消除除传传动动间间隙隙的的措措施施，可可以以减减小小但但不不能能完完全全消消除除传传动动间间隙隙。机机械械传传动动链链在在改改变变转转向向时时，由由于于间间隙隙的的存存在在，最最初初的的若若干干个个指指令令脉脉冲冲只只能能起起到到消消除除间间隙隙的的作作用用，造造成成步步进进电电动动机机的的空空走走，而而工工作作台台无无实实际际移移动动，因因此此产产生生了了传传动动误误差差。反反向向间间隙隙补补偿偿的的基基本本方方法法是是：事事先先测

46、测出出反反向向间间隙隙的的大大小小并并存存储储，设设为为N Nd d；每每当当接接收收到到反反向向位位移移指指令令后后，在在改改变变后后的的方方向向上上增增加加N Nd d个个进进给给脉脉冲冲，使使步步进进电电机机转转动动越越过过传传动动间间隙隙，从从而而克服因步进电动机的空走而造成的反向间隙误差。克服因步进电动机的空走而造成的反向间隙误差。10/25/2022（3）当机床工作台移动时，安装在机床上的微动开关每与挡）当机床工作台移动时，安装在机床上的微动开关每与挡块接触一次，就发出了一个误差补偿信号，对螺距误差进行补块接触一次，就发出了一个误差补偿信号，对螺距误差进行补偿，以消除螺距的积累误差

47、。偿，以消除螺距的积累误差。2螺距误差补偿螺距误差补偿在步进式开环伺服驱动系统中，丝杠的螺距累积误差直接影响着在步进式开环伺服驱动系统中，丝杠的螺距累积误差直接影响着工作台的位移精度，若想提高开环伺服驱动系统的精度，就必须予工作台的位移精度，若想提高开环伺服驱动系统的精度，就必须予以补偿。通过对丝杠的螺距进行实测，得到丝杠全程的误差分布曲以补偿。通过对丝杠的螺距进行实测，得到丝杠全程的误差分布曲线。误差有正有负，当误差为正时，表明实际的移动距离大于理论线。误差有正有负，当误差为正时，表明实际的移动距离大于理论的移动距离，应该采用扣除进给脉冲指令的方式进行误差的补偿，的移动距离，应该采用扣除进给

48、脉冲指令的方式进行误差的补偿，使步进电机少走一步；当误差为负时，表明实际的移动距离小于理使步进电机少走一步；当误差为负时，表明实际的移动距离小于理论的移动距离，应该采取增加进给脉冲指令的方式进行误差的补偿，论的移动距离，应该采取增加进给脉冲指令的方式进行误差的补偿，使步进电机多走一步。具体的做法是：使步进电机多走一步。具体的做法是：（1）安置两个补偿杆分别负责正误差和负误差的补偿；）安置两个补偿杆分别负责正误差和负误差的补偿；（2）在在两两个个补补偿偿杆杆上上，根根据据丝丝杠杠全全程程的的误误差差分分布布情情况况及及如如上上所述螺距误差的补偿原理，设置补偿开关或挡块；所述螺距误差的补偿原理，设

49、置补偿开关或挡块；10/25/2022 伺服电机是转速及方向都受控制电压信号控制的一类电动机，常在自动控制系伺服电机是转速及方向都受控制电压信号控制的一类电动机，常在自动控制系统用作执行元件。伺服电机分为直流、交流两大类。统用作执行元件。伺服电机分为直流、交流两大类。直流伺服电机在电枢控制时具有良好的机械特性和调节特性。机电时间常数小，直流伺服电机在电枢控制时具有良好的机械特性和调节特性。机电时间常数小，起动电压低。其缺点是由于有电刷和换向器，造成的摩擦转矩比较大，有火花干起动电压低。其缺点是由于有电刷和换向器，造成的摩擦转矩比较大，有火花干扰及维护不便。扰及维护不便。4.3 4.3 直流、交

50、流伺服电动机直流、交流伺服电动机4.3.1 4.3.1 直流伺服电动机及工作特性直流伺服电动机及工作特性1.1.、直流伺服电动机的结构和工作原理、直流伺服电动机的结构和工作原理(1)(1)永磁式直流伺服电动机永磁式直流伺服电动机普通型普通型永磁式直流伺服电动机转子的惯量大，调速范围宽，又叫大惯量永磁式直流伺服电动机转子的惯量大，调速范围宽，又叫大惯量宽调速永磁式直流伺服电动机。广泛应用在进给直流伺服系统中。宽调速永磁式直流伺服电动机。广泛应用在进给直流伺服系统中。10/25/20221直流伺服电机的结构直流伺服电机的结构1）普通型直流伺服电机普通型直流伺服电机普普通通型型直直流流伺伺服服电电机