第五章 数控伺服系统.ppt

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1、第5章 数控伺服系统12/29/202212/29/20225.1 概 述 伺服系统是指以机械位置或速度作为控制对象的自伺服系统是指以机械位置或速度作为控制对象的自动控制系统。又称为位置随动系统、驱动系统、伺服机动控制系统。又称为位置随动系统、驱动系统、伺服机构或伺服单元。构或伺服单元。伺服系统的输入量来自数控装置发出的进给脉冲或伺服系统的输入量来自数控装置发出的进给脉冲或进给位移量，伺服系统的输出就是能直接驱动伺服电机进给位移量，伺服系统的输出就是能直接驱动伺服电机所需的电压或电流，从而经伺服电机传动系统，使机床所需的电压或电流，从而经伺服电机传动系统，使机床的工作台等产生精确的位移。的工作

2、台等产生精确的位移。它接受来自数控装置的进它接受来自数控装置的进给指令信号，经变换、调节和放大后驱动执行件，转化给指令信号，经变换、调节和放大后驱动执行件，转化为直线或旋转运动。为直线或旋转运动。12/29/202212/29/2022n n伺服系统是数控装置伺服系统是数控装置伺服系统是数控装置伺服系统是数控装置(计算机计算机计算机计算机)和机床的联系环节，和机床的联系环节，和机床的联系环节，和机床的联系环节，是数控机床的重要组成部分。是数控机床的重要组成部分。是数控机床的重要组成部分。是数控机床的重要组成部分。n n该系统包括了大量的电力电子器件，结构复杂，综该系统包括了大量的电力电子器件，

3、结构复杂，综该系统包括了大量的电力电子器件，结构复杂，综该系统包括了大量的电力电子器件，结构复杂，综合性强。合性强。合性强。合性强。进给伺服系统是数控系统主要的子系统。如果说进给伺服系统是数控系统主要的子系统。如果说C C装置装置是数控系统的是数控系统的“大脑大脑”，是发布，是发布“命令命令”的的“指挥所指挥所”，那么进给伺服系统则是数控系统的，那么进给伺服系统则是数控系统的“四肢四肢”，是一种，是一种“执行机构执行机构”。它忠实地执行由。它忠实地执行由CNCCNC装置发来的运动命装置发来的运动命令，精确控制执行部件的运动方向，进给速度与位移量。令，精确控制执行部件的运动方向，进给速度与位移量

4、。12/29/202212/29/2022n n伺服系统是数控系统的重要组成部分，伺服伺服系统是数控系统的重要组成部分，伺服系统的性能在很大的程度上决定了数控机床系统的性能在很大的程度上决定了数控机床的性能。的性能。n n例如，数控机床的最高移动速度，跟踪速度，例如，数控机床的最高移动速度，跟踪速度，定位速度等指标均与伺服系统的动态和静态定位速度等指标均与伺服系统的动态和静态性能有关。性能有关。n n因此，伺服系统一直是现代数控机床的关键因此，伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之一。技术之一。12/29/202212/29/20225.1.1 伺服系统的组成n n数控机床伺服系统的一般结构是

5、一个三数控机床伺服系统的一般结构是一个三闭环系统，内环是电流环，中环是速度闭环系统，内环是电流环，中环是速度环，外环是位置环。环，外环是位置环。位置调解位置调解速度调解速度调解电流调解电流调解转换驱动转换驱动工作台工作台电流反馈电流反馈速度反馈速度反馈位置反馈位置反馈MG12/29/202212/29/2022 组成：组成：伺服电机伺服电机 驱动信号控制转换电路驱动信号控制转换电路 电子电力驱动放大模块电子电力驱动放大模块 位置调节单元位置调节单元 速度调节单元速度调节单元 电流调节单元电流调节单元 检测装置检测装置12/29/202212/29/20225.1.1 伺服系统的组成 电流环由电

6、流调节控制模块、电流环由电流调节控制模块、电流电流检测和检测和电流电流反馈部分组成。反馈部分组成。速度环中用作速度反馈的检测装置，目前大多数通过位置量速度环中用作速度反馈的检测装置，目前大多数通过位置量的微分得到速度。速度控制单元由速度调节器，电流调节器及的微分得到速度。速度控制单元由速度调节器，电流调节器及功率驱动放大器等组成。功率驱动放大器等组成。位置环是由位置环是由CNC装置中的位置控制模块、速度单元、位置装置中的位置控制模块、速度单元、位置检测及反馈控制等组成。位置控制主要是对机床运动坐标轴进检测及反馈控制等组成。位置控制主要是对机床运动坐标轴进行控制使之满足一定的位置精度，速度控制在

7、满足位置控制的行控制使之满足一定的位置精度，速度控制在满足位置控制的前提下，按系统的参数与控制速度使之以最快响应且无超调满前提下，按系统的参数与控制速度使之以最快响应且无超调满足进给要求。足进给要求。电力电子驱动装置由驱动信号产生电路和功率放大器组成电力电子驱动装置由驱动信号产生电路和功率放大器组成12/29/202212/29/2022（1）控制精度高伺服系统的控制精度是指反映出输出量的精度程度，当然最终还要看机床的精度，对定位精度和轮廓加工精度要求都比较高，对一般切削加工的数控机床定位精度一般为0.10.001mm，对于高精度高速切削及高档磨床其精度要求达到0.1m，控制精度不得低于机床的

8、总体精度。一般总体机床精度为0.01mm对控制精度不得低于0.005mm较为合适。（2）稳定性好稳定性是指系统受外界干扰要小，在外界干扰作用下，能在短暂的时间内恢复到原来的平衡状态。伺服系统有较强的抗干扰能力，确保进给速度的正常工作。（3）快速响应快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统在确保精度的前提下的跟踪速度，稳定性是指系统受外界干扰要小，当稳定输入发生跳变时，系统能在较短的时间内从一个状态过度到新的状态，要求伺服系统跟踪指令信号的响应更快。5.1.25.1.2对伺服系统的基本要求对伺服系统的基本要求 12/29/202212/29/2022n n（4 4）调速范围宽）调速范围

9、宽 调速范围调速范围RNRN是指生产机械要求电机能提供的是指生产机械要求电机能提供的最高转速最高转速nmaxnmax和最低转速和最低转速nminnmin之比，通常之比，通常RN=RN=nmax/nminnmax/nmin ，式中，式中，nmaxnmax和和nminnmin一般都是指额定转矩下的转速。一般都是指额定转矩下的转速。n n 在中、高档数控机床中就要求伺服系统具有足够宽的调速范在中、高档数控机床中就要求伺服系统具有足够宽的调速范围。目前，最先进的水平是，在进给速度范围已可达到脉冲当围。目前，最先进的水平是，在进给速度范围已可达到脉冲当量为量为1m1m的情况之下，进给速度以的情况之下，进

10、给速度以0 0240m/min240m/min连续可调。但连续可调。但对于一般中档数控机床而言，要求伺服系统在对于一般中档数控机床而言，要求伺服系统在0 024m/min24m/min进给进给速度下都能工作就足够了。一般来说，对于要求速度范围为速度下都能工作就足够了。一般来说，对于要求速度范围为1:200001:20000的位置控制系统，在总的开环位的位置控制系统，在总的开环位n n置增益为置增益为2020（1/s1/s）时，只要保证速度单元具有时，只要保证速度单元具有1:10001:1000的调速范的调速范围就完全可以满足要求。当然，现代数控机床中最先进水平的围就完全可以满足要求。当然，现代

11、数控机床中最先进水平的速度控制单元的技术已达到速度控制单元的技术已达到1:1000001:100000的调速范围。的调速范围。n n 对于主轴伺服系统主要是速度及准停控制，它要求对于主轴伺服系统主要是速度及准停控制，它要求1:1001:10010001000范围内的恒转矩调速和范围内的恒转矩调速和1 1：1010以上的恒功率调速，而且保以上的恒功率调速，而且保证足够大的输出功率。证足够大的输出功率。12/29/202212/29/2022 （5）低速大转矩 一般切削加工时，大切削量均采用低速进给，所以要求伺服系统在低速时要有大的转矩输出。进给伺服控制属于恒转矩控制，而主轴伺服控制在低速时为恒转

12、矩控制，在高速时为恒功率控制，在低速下要减小或消除难以解决的爬行现象及低速振动噪音。对于主轴用的伺服系统有时可以用一个的进给伺服系统来替代主轴伺服系统，一般为速度控制系统，除上面的一般要求之外，还具有下面的控制功能：1)准停控制 为了自动换刀，要求主轴能进行高精度的准确位置停止。2)角度分析控制 分度有两种：一是固定的等分角位置控制。二是连续的任意角度控制。（作特殊加工时，主轴坐标有了进给坐标的功能，称为“C”轴控制。）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机也相应提出高精度、快反映、宽调速和大转矩的要求，一般具备小惯量大转矩的具体特征 1)最低进给速度到最高进给速度范围都能稳定

13、运行平滑过度。2)进给电机应具有大的较长时间的过载能力，一般能过载4-5倍左右，持续时间达10分钟以上，转动惯量要小3)满足快速响应的要求，一般进给伺服电机做成细长，高档进给具备400rad/s2以上的加速度，保证电机在0.2s以内从静止起动到1500rad/min。4)电机应能承受频繁的起动制动和反转，20次/min以上。12/29/202212/29/2022 1 1按调节理论分类按调节理论分类（1 1）开环伺服系统）开环伺服系统 （2 2）闭环伺服系统）闭环伺服系统（3 3）半闭环伺服系统）半闭环伺服系统5.1.3 伺服系统的分类指令指令驱动电路驱动电路步进电机步进电机工作台工作台脉冲脉

14、冲伺服电机伺服电机速度检测速度检测速度控制速度控制位置控制位置控制位置检测位置检测伺服电机伺服电机速度控制速度控制位置控制位置控制工作台工作台脉冲编码器脉冲编码器指令指令12/29/202212/29/2022n n开环数控系统开环数控系统n n没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置进给系统），故系统稳定性好。进给系统），故系统稳定性好。电机电机机械执行部件机械执行部件A相、相、B相相C相、相、f、nCNC插补指令插补指令脉冲频率脉冲频率f脉冲个数脉冲个数n换算换算脉冲环脉冲环形分配形分配变换变换功率功率放大放大12/29/202212/29/20

15、22n n无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其精度无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度。精度。n n一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。n n这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般用于经济驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般用于经济型数控机床。型数控机床。12/29/202212/

16、29/2022n n 半闭环数控系统半闭环数控系统n n半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置动装置(常用伺服电机常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。位置控制调节位置控制调节器器速度控制速度控制调节与驱动调节与驱动检测与反馈单检测与反馈单元元位置控制单元位置控制单元速度控制单元速度控制单元+-电机电机机械执行部件机械执行部件CNC插补插补指令指令实际实际位置位置反馈反馈实际实际速度速度反馈反馈12/29/202212/29/2022n

17、 n半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。不如开环系统，但比闭环要好。n n由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除。因此，其精度较闭环差，较开环好。难以消除。因此，其精度较闭环差，较开环好。但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。精度。n n半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而

18、在现代高，因而在现代CNCCNC机床中得到了广泛应用。机床中得到了广泛应用。12/29/202212/29/2022n n 全闭环数控系统全闭环数控系统n n全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直接对运动部件的实际位置进行检测。直接对运动部件的实际位置进行检测。位置控制调节位置控制调节器器速度控制速度控制调节与驱动调节与驱动检测与反馈检测与反馈单元单元位置控制单元位置控制单元速度控制单元速度控制单元+-电机电机机械执行部件机械执行部件CNC插补插补指令指令实际实际位置位置反馈反馈实际实际速度速度反馈反馈12/29/202212/29/2022n

19、n从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。差、间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。n n由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。困难。n n该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。床、超精磨床以及较大型的数控机床等

20、。12/29/202212/29/20222.按使用的驱动元件分类1）电液系统电液系统的执行元件为液压元件，其前一级为电气元件，驱动元件为液动机和液压缸，常用的有电液脉冲马达和电液伺服马达。电液脉冲马达驱动力矩大，但制造成体高、寿命不太长，所以只是在具有特殊要求时，才采用电液伺服系统。2）电气伺服系统 电气伺服系统全部采用电子器件和电机部件，随着电子工业的发展，制）造成本越来越低，可靠性越来越高。电气伺服系统中的驱动元件主要有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机。3、按执行电机类型分类 1)1）直流伺服系统 直流伺服系统常用的伺服电机有小惯量直流伺服电机和永磁直流伺服电机。永磁直流伺服电机能在

21、较大过载转矩下长时间工作以及电机的转子惯量较大，能直接与丝杠相连而不需中间传动位置。此外，它还有一个特点是可在低速下运转，如能在1r/min甚至在0.1/min下平稳地运转。因此，这种直流伺服系统在数控机床上获得了广泛的运用。永磁直流伺服电机的缺点是有电刷，限制了转速的提高，一般额定转速为10001500r/min，而且结构复杂，价格较贵。2）交流伺服系统 交流伺服系统使用交流异步伺服电机和永磁同步伺服电机，交流伺服电机没有电刷换向器，维护保养简单且转子惯量较有直流电机小，使得动态响应好，另外在同样体积下，交流电机的输出功率可比直流电机提高50%左右，交流电机的容量可以比直流电机造得大，达到更

22、高的电压和转速。12/29/202212/29/20224.驱动轴分类1）进给伺服系统它包括速度控制环和位置控制环。进给伺服系统完成各坐标轴的进给运动，快速响应好，精度高，具有定位和轮廓跟踪功能，是数控机床中要求最高的伺服控制。2）主轴伺服系统 一般的主轴控制只是一个速度控制系统，主要实现主轴的旋转运动，提供切削过程中任意转速的转矩和功率，对于具有准停控制的主轴与进给伺服系统一样，有时就用进给伺服系统来替代主轴伺服系统。5.按反馈量的方式分类1)1）脉冲、数字比较伺服系统该系统是闭环伺服系统中的一种控制方式，它是将数控装置发出的数字（或脉冲）指令信号与检测装置测得的以数字（或脉冲）形式表示的反

23、馈信号直接进行比较，以产生位置误差，达到闭环控制。脉冲、数字比较伺服系统结构简单、容易实现、整机控制稳定，在一般数控伺服系统中应用十分普遍。2）相位比较伺服系统在相位比较伺服系统中，给定量与反馈量都变成某个载波的相位通过检相器作两者相位比较，获得实际位置与给定位置的偏差，实现闭环控制。相位伺服系统对于感应式检测元件如旋转变压器，感应同步器较适用。1)3）幅值比较伺服系统 幅值比较伺服系统是以位置检测信号的幅值大小来反映位移量。系统工作时要将此幅值信号转换成数字信号，然后给定数字信号进行比较，从而获得位置偏差信号构成闭环系统。在现代数控中相位比较和幅值比较系统从结构上和安装维护上都比脉冲、数字比

24、较系统复杂和要求高，在一般情况下脉冲、数字比较伺服系统应用广泛，而相位比较系统又比幅值比较系统应用的多。12/29/202212/29/20225.2 伺服元件的驱动元件 伺服电动机伺服电动机为数控伺服系统的重要组成部分，是速为数控伺服系统的重要组成部分，是速度和轨迹控制的执行元件。度和轨迹控制的执行元件。数控机床中常用的驱动元件数控机床中常用的驱动元件伺服电机伺服电机：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

25、精度）12/29/202212/29/20225.2.1 步进电机n n步进电机是将电脉冲信号变换成角位移或步进电机是将电脉冲信号变换成角位移或线位移的一种机电式数模转换器，它是根线位移的一种机电式数模转换器，它是根据同步电机原理制成的。据同步电机原理制成的。n n步进电机是较早实用的典型的机电一体化步进电机是较早实用的典型的机电一体化元件组件。步进电动机本体、步进电动机元件组件。步进电动机本体、步进电动机驱动器和控制器构成步进电动机系统不可驱动器和控制器构成步进电动机系统不可分割的三大部分。分割的三大部分。12/29/202212/29/20225.2.1步进电机步进电机的分类按力矩产生的原

26、理分1.反应式步进电机2.激磁式步进电机按输出力矩大小分1.伺服式步进电机2.功率式步进电机按定子数分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12/29/202212/29/2022n n1、工作原理：n n 当第一个脉冲通入当第一个脉冲通入A A相时，磁通企图沿着磁阻最小相时，磁通企图沿着磁阻最小的路径闭合，在此磁场力的作用下，转子的的路径闭合，在此磁场力的作用下，转子的1 1、3 3齿要齿要和和A A级对齐。当下一个脉冲通入级对齐。当下一个脉冲通入B B相时，磁通同样要按相

27、时，磁通同样要按磁阻最小的路径闭合，即磁阻最小的路径闭合，即2 2、4 4齿要和齿要和B B级对齐，则转级对齐，则转子就顺逆时针方向转动一定的角度。子就顺逆时针方向转动一定的角度。12/29/202212/29/2022具体过具体过具体过具体过程流程程流程程流程程流程图：图：图：图：12/29/202212/29/2022n n 若通电脉冲的次序为若通电脉冲的次序为A A、B B、C C、AA，则不难推则不难推出，转子将以顺时针方向一步步地旋转。这样，用出，转子将以顺时针方向一步步地旋转。这样，用不同的脉冲通入次序方式就可以实观对步进电动机不同的脉冲通入次序方式就可以实观对步进电动机的控制。的

28、控制。n n 脉冲的数量控制电机的转角；脉冲的频率控制电脉冲的数量控制电机的转角；脉冲的频率控制电机的转速；脉冲的通入次序控制电机的方向。机的转速；脉冲的通入次序控制电机的方向。n n 定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍。上述定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍。上述的通电方式称为三相单三拍。所谓的通电方式称为三相单三拍。所谓“单单”是指每次是指每次只有一相绕组通电；所谓只有一相绕组通电；所谓“三拍三拍”是指经过三次切是指经过三次切换控制绕组的通电状态为一个循环。换控制绕组的通电状态为一个循环。n n具体过程参照教材：具体过程参照教材：P185186P185186。12/29/202212/

29、29/2022(1)步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转步进电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，即为步进电机的过一个确定的角度，即为步进电机的步距角步距角；(2)改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向将随改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向将随之改变；之改变；(3)步进电机定子绕组通电状态的变化频率越高，转子的转速步进电机定子绕组通电状态的变化频率越高，转子的转速越高；越高；(4)步进电机的步进电机的步距角步距角与定子绕组的相数与定子绕组的相数m、转子的齿数转子的齿数z、通电方式通电方式K有关，可用下式表示：有关，可用下式表示：式中，

30、三相三拍时式中，三相三拍时K=1；三相六拍时三相六拍时K=2。例 题n2.性能参数12/29/202212/29/2022 如如如如前前前前图图图图所所所所示示示示的的的的步步步步进进进进电电电电机机机机，若若若若转转转转子子子子齿齿齿齿数数数数z z4040，以三相三拍通电时，以三相三拍通电时，以三相三拍通电时，以三相三拍通电时，步距角步距角步距角步距角为为为为 若以三相六拍通电方式工作时，若以三相六拍通电方式工作时，若以三相六拍通电方式工作时，若以三相六拍通电方式工作时，步距角步距角步距角步距角为为为为12/29/202212/29/2022 目目前前，我我国国使使用用的的步步进进电电机机

31、多多为为反反应应式式步步进进电电机机，如如图图所所示示。这这是是一一台台典典型型的的单单定定子子径径向向分分相相的的三三相相反反应应式式步步进进电电机机的的结构原理图结构原理图单单定定子子径径向向分分相相式式三三相相步步进进电电机机结结构构原原理理图图12/29/202212/29/2022多定子轴向分相式五相步进电机结构原理图多定子轴向分相式五相步进电机结构原理图12/29/202212/29/2022步进电机的主要特性步进电机的主要特性(1)步距角步距角步进电机的步距角是反映步进电机定子绕组的通电步进电机的步距角是反映步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过的角度。状态每改变一次，转

32、子转过的角度。它是决定步进伺服系它是决定步进伺服系统脉冲当量的重要参数。数控机床中常见的反应式步进电统脉冲当量的重要参数。数控机床中常见的反应式步进电机的步距角一般为机的步距角一般为0.5o3o度。通常，步进角越小，加工精度。通常，步进角越小，加工精度越高。度越高。(2)启动频率启动频率步进电机在空载的条件下由静止突然启动，并进步进电机在空载的条件下由静止突然启动，并进入不丢步的正常运行所允许的最高频率，称为启动频率或入不丢步的正常运行所允许的最高频率，称为启动频率或突跳频率。突跳频率。若启动时频率大于突跳频率，步进电机就不能若启动时频率大于突跳频率，步进电机就不能正常启动。因此，空载启动时，

33、步进电机定子绕组通电状正常启动。因此，空载启动时，步进电机定子绕组通电状态变化的频率不能高于该突跳频率当步进电机加负载后，态变化的频率不能高于该突跳频率当步进电机加负载后，其启动频率随负载转动惯量增加而减小。其启动频率随负载转动惯量增加而减小。12/29/202212/29/2022(3)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保证不步进电机连续运行时保证不丢步的极限频率丢步的极限频率fmax称为最高工作频率。称为最高工作频率。(4)加减速特性加减速特性步进电机的加减速特性是描述步进电机由静止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

34、减速过程中，定子绕组通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。电状态的变化频率与时间的关系。加减速特性曲线加减速特性曲线12/29/202212/29/2022n n3.3.步进电动机具有自身的特点，归纳起来有：步进电动机具有自身的特点，归纳起来有：步进电动机具有自身的特点，归纳起来有：步进电动机具有自身的特点，归纳起来有：n n 1 1）可以用数字信号直接进行开环控制，整个系统造）可以用数字信号直接进行开环控制，整个系统造）可以用数字信号直接进行开环控制，整个系统造）可以用数字信号直接进行开环控制，整个系统造价低。价低。价低。价低。n n 2 2）

35、位移与输入脉冲信号树相对应，步距误差不长期）位移与输入脉冲信号树相对应，步距误差不长期）位移与输入脉冲信号树相对应，步距误差不长期）位移与输入脉冲信号树相对应，步距误差不长期积累，可以组成结构较为简单而又具有一定精度的开积累，可以组成结构较为简单而又具有一定精度的开积累，可以组成结构较为简单而又具有一定精度的开积累，可以组成结构较为简单而又具有一定精度的开环控制系统，也可以在要求高精度时组成闭环控制系环控制系统，也可以在要求高精度时组成闭环控制系环控制系统，也可以在要求高精度时组成闭环控制系环控制系统，也可以在要求高精度时组成闭环控制系统。统。统。统。n n 3 3）无刷，电动机本体部件少，可

36、靠性高。）无刷，电动机本体部件少，可靠性高。）无刷，电动机本体部件少，可靠性高。）无刷，电动机本体部件少，可靠性高。n n 4 4）易于起动，停止，正反转及变转。）易于起动，停止，正反转及变转。）易于起动，停止，正反转及变转。）易于起动，停止，正反转及变转。n n 5 5）停止时，可以通电自锁。）停止时，可以通电自锁。）停止时，可以通电自锁。）停止时，可以通电自锁。n n 6 6）速度可在相当宽的范围内平滑调节，同时用一台）速度可在相当宽的范围内平滑调节，同时用一台）速度可在相当宽的范围内平滑调节，同时用一台）速度可在相当宽的范围内平滑调节，同时用一台控制器控制几步电动机，可使它们完全同步运行

37、。控制器控制几步电动机，可使它们完全同步运行。控制器控制几步电动机，可使它们完全同步运行。控制器控制几步电动机，可使它们完全同步运行。n n 7 7）步进电动机带惯性负载能力差。）步进电动机带惯性负载能力差。）步进电动机带惯性负载能力差。）步进电动机带惯性负载能力差。n n 8 8）由于存在失步和低频共振，因此步进电动机的加）由于存在失步和低频共振，因此步进电动机的加）由于存在失步和低频共振，因此步进电动机的加）由于存在失步和低频共振，因此步进电动机的加减方法根据利应用状态的不同而复杂化。减方法根据利应用状态的不同而复杂化。减方法根据利应用状态的不同而复杂化。减方法根据利应用状态的不同而复杂化

38、。12/29/202212/29/2022步进系统原理框图步进系统原理框图步进式伺服系统的工作原理步进式伺服系统的工作原理12/29/202212/29/20221 1工作台位移量的控制工作台位移量的控制工作台位移量的控制工作台位移量的控制 进进进进给给给给脉脉脉脉冲冲冲冲数数数数NN定定定定子子子子绕绕绕绕组组组组通通通通电电电电状状状状态态态态变变变变化化化化次次次次数数数数NN步进电机转子的转角步进电机转子的转角步进电机转子的转角步进电机转子的转角工作台位移量工作台位移量工作台位移量工作台位移量L L2 2工作台进给速度的控制工作台进给速度的控制工作台进给速度的控制工作台进给速度的控制

39、进进进进给给给给脉脉脉脉冲冲冲冲的的的的频频频频率率率率f f定定定定子子子子绕绕绕绕组组组组通通通通电电电电状状状状态态态态的的的的变变变变化化化化频频频频率率率率f f步进电机转子的转速步进电机转子的转速步进电机转子的转速步进电机转子的转速工作台进给速度工作台进给速度工作台进给速度工作台进给速度v v3 3工作台运动方向的控制工作台运动方向的控制工作台运动方向的控制工作台运动方向的控制 步进电机定子绕组的通电顺序步进电机定子绕组的通电顺序步进电机定子绕组的通电顺序步进电机定子绕组的通电顺序步进电机正转步进电机正转步进电机正转步进电机正转或反转或反转或反转或反转工作台的进给方向工作台的进给方

40、向工作台的进给方向工作台的进给方向12/29/202212/29/2022步进电机的驱动控制线路步进电机的驱动控制线路12/29/202212/29/20221脉冲混合电路脉冲混合电路无无论论是是数数控控装装置置送送来来的的插插补补进进给给信信号号、齿齿补补信信号号，还还是是手手动动进进给给、手手动动回回原原点点信信号号等等等等，这这些些信信号号的的目目的的无无非非是是要要使使工工作作台台正正向向进进给给和和反反向向进进给给，因因此此首首先先应应将将这这些些信信号号混混合合为为使使工工作作台台正正向向运运行行的的“正正向向进进给给”信信号号或或使使之之反反向向运运行行的的“反反向向进进给给”信

41、号。这就是脉冲混合电路的作用。信号。这就是脉冲混合电路的作用。2加减脉冲分配电路加减脉冲分配电路加加减减脉脉冲冲分分配配电电路路的的作作用用，是是将将正正反反向向进进给给脉脉冲冲，根根据据步步进进电电机机的的原原转转向向和和可可逆逆计计数数器器的的存存数数状状态态，决决定定脉脉冲冲进进入入可可逆逆计计数数器器时时，应应作作加加法法计计数数还还是是减减法法计计数数。若若步步进进电电机机正正转转，输输入入正正向向进进给给脉脉冲冲：步步进进电电机机反反转转，输输入入反反向向进进给给脉脉冲冲，此此时时不不管管可可逆逆计计数数器器是是否否全全为为零零，均均作作加加法法计计数数。而而当当可可逆逆计计数数器

42、器非非全全零零时时，步步进进电电机机正正转转，输输入入反反向向进进给给脉脉冲冲；步步进进电电机机反反转转，输入正向进给脉冲，均作减法计数。输入正向进给脉冲，均作减法计数。12/29/202212/29/20223加减速电路加减速电路(自动升降速电路自动升降速电路)步进电机的加减速特性要求是，进入步进电机绕组的脉冲电步进电机的加减速特性要求是，进入步进电机绕组的脉冲电流的频率变化要平滑，而且应有一定的时间常数，但各进给脉冲流的频率变化要平滑，而且应有一定的时间常数，但各进给脉冲频率间的变化可能是跃变的。因此应该将此跃变频率经加减速电频率间的变化可能是跃变的。因此应该将此跃变频率经加减速电路缓冲后

43、，再进入步进电机绕组，使步进电机工作正常可靠。这路缓冲后，再进入步进电机绕组，使步进电机工作正常可靠。这就是加减速电路的作用。就是加减速电路的作用。12/29/202212/29/20224环形分配器环形分配器环形分配器的作用是把来自加减速的一串进给脉冲按一定环形分配器的作用是把来自加减速的一串进给脉冲按一定规律分成若干路电平信号去控制步进电机的几个定子绕组，使规律分成若干路电平信号去控制步进电机的几个定子绕组，使其正向运转或反相运转。其正向运转或反相运转。简单移相寄存器简单移相寄存器10001000112/29/202212/29/20225.功率放大器功率放大器从环形分配器来的脉冲电流只有

44、几毫安，而步进电机从环形分配器来的脉冲电流只有几毫安，而步进电机的定子绕组需要几安培的电流，因此需要功率放大。功率的定子绕组需要几安培的电流，因此需要功率放大。功率放大器由前置放大器和大功率驱动两部分组成。前置放大放大器由前置放大器和大功率驱动两部分组成。前置放大器是为了放大环形分配器送来的脉冲信号并推动大功率驱器是为了放大环形分配器送来的脉冲信号并推动大功率驱动部分而设置的，一般可根据要求选择一个适当的集成元动部分而设置的，一般可根据要求选择一个适当的集成元件；大功率驱动部分进一步将前置放大器送来的脉冲电流件；大功率驱动部分进一步将前置放大器送来的脉冲电流信号放大，得到步进电机各相绕组所需的

45、脉冲电流。它既信号放大，得到步进电机各相绕组所需的脉冲电流。它既要控制步进电机各相绕组的通断电，又要起功率放大的作要控制步进电机各相绕组的通断电，又要起功率放大的作用，因而它是步进电机驱动线路中很重要的一部分。通常用，因而它是步进电机驱动线路中很重要的一部分。通常采用大功率晶体管、快速可控硅或可关断可控硅。采用大功率晶体管、快速可控硅或可关断可控硅。12/29/202212/29/2022提高步进系统精度的措施提高步进系统精度的措施1细分线路细分线路 所谓细分线路，就是把步进电机的一所谓细分线路，就是把步进电机的一步步 再分得细一些，来减小步距角。再分得细一些，来减小步距角。2齿距误差和反向间

46、隙补偿齿距误差和反向间隙补偿3混合伺服系统混合伺服系统12/29/202212/29/2022两种控制线路刀具轨迹比较两种控制线路刀具轨迹比较12/29/202212/29/2022间隙补偿原理间隙补偿原理 根根据据实实际际测测得得传传动动间间隙隙或或齿齿距距误误差差的的大大小小，每每当当出出现现反反向向或或移移动动到到有有齿齿距距误误差差的的位位置置时时，用用补补充充固定的脉冲来克固定的脉冲来克服。服。12/29/202212/29/2022混合伺服系统12/29/202212/29/2022小结小结:1.步进电机受脉冲电流控制，转子的角位移正比于输入脉冲的数量转子的角速度正比于输入脉冲的频

47、率转子的旋转方向取决于定子绕组的通电顺序2.步进电机有一定的步距误差,但没有累计误差3.若维持控制绕组的电流不变,则步进电机就可停在某一位置不动12/29/202212/29/2022 永永磁磁式式直直流流电电机机（有有槽槽、无无槽槽、杯型杯型 、印刷绕组）、印刷绕组）励磁式直流电机励磁式直流电机 混合式直流电机混合式直流电机 无刷直流电机无刷直流电机 直流力矩电机直流力矩电机 永永磁磁式式直直流流电电机机类类型型中中的的有有槽槽电电枢永磁直流电机（普通型）；枢永磁直流电机（普通型）；励励磁磁式式直直流流电电机机类类型型中中的的他他激激直流电机。直流电机。5.2.2 直流伺服电机常用的直流电动

48、机有：直流进给伺服系统：直流主轴伺服系统：12/29/202212/29/2022 1 1 1 1直流伺服电机的结构直流伺服电机的结构直流伺服电机的结构直流伺服电机的结构极靴极靴机壳机壳瓦状永磁材料（定子）瓦状永磁材料（定子）电枢（转子）电枢（转子）换向极换向极主磁极主磁极定子定子转子转子线圈线圈图图5.5永磁直流伺服电机的结构永磁直流伺服电机的结构 图图5.6直流主轴电机结构示意图直流主轴电机结构示意图 12/29/202212/29/2022 2.1调速原理调速原理n n电机转子在电磁转距电机转子在电磁转距M的作用下旋转，其大小为：的作用下旋转，其大小为：n n (1)n n -电机转距系

49、数电机转距系数 Ia a-电机电枢电流电机电枢电流n n电枢转动以后，因导体切割磁力线而产生反电势电枢转动以后，因导体切割磁力线而产生反电势其值为其值为 Ea a=ke e n RtRjUjIjUIaEa12/29/202212/29/2022n n根据电压平衡公式根据电压平衡公式n n U=Ea a+Ia a Ra an n电机的转速电机的转速n n从公式可以看出，调节电机转速的方法有三种从公式可以看出，调节电机转速的方法有三种n n1）改变电枢电压）改变电枢电压Un n2）改变磁通量（即改变改变磁通量（即改变K e e=cm m 值），改变激值），改变激磁回路的电阻磁回路的电阻Rj j以改

50、变激磁电流，可以达到改变以改变激磁电流，可以达到改变磁通量的目的。磁通量的目的。(2)12/29/202212/29/2022n n3 3）在电枢回路中串联调节电阻）在电枢回路中串联调节电阻）在电枢回路中串联调节电阻）在电枢回路中串联调节电阻R Rt t,转速计算公式：转速计算公式：转速计算公式：转速计算公式：n n分析：分析：分析：分析：n n调节激磁回路电阻的方法，容易实现，但激磁回路调节激磁回路电阻的方法，容易实现，但激磁回路调节激磁回路电阻的方法，容易实现，但激磁回路调节激磁回路电阻的方法，容易实现，但激磁回路的电感大，电气时间常数较大，调速的快速性较差。的电感大，电气时间常数较大，调