数控原理与维修第二章伺服系统.ppt

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1、 数控原理与电气维修数控原理与电气维修 第二章第二章 伺服驱动系统伺服驱动系统 数控机床的性能主要取决于伺服驱动系统及位置控制系统的性能。数控机床伺服驱动系统分为进给驱动系统和主轴驱动系统。驱动系统由驱动部件（交、直流电动机及速度检测元件）和速度控制单元组成，其职能是提供切削过程轴所需要的转矩和功率，并且可以任意调节运转速度。数控原理与电气维修数控原理与电气维修 第二章第二章 伺服驱动系统伺服驱动系统第一节 伺服控制原理 伺服控制的功能是精确地控制机床运动部件的坐标位置，快速而准确地跟踪指令运动。所以也称为位置控制。根据位置比较的工作原理不同，又可将闭环、半闭环系统分为相位比较伺服系统和幅值比

2、较伺服系统。数控原理与电气维修数控原理与电气维修 第二章第二章 伺服驱动系统伺服驱动系统第一节 伺服控制原理 1、位置控制原理 闭环位置控制系统又称为位置伺服系统，是基于反馈控制原理工作的，即把被控变量与输入的指令值随机的进行比较，以形成偏差值，并用此偏差值来控制伺服机构向着消除偏差的方向运动（负反馈），最终使输出等于输入。数控原理与电气维修 第二章 伺服驱动系统第一节 伺服控制原理 1、位置控制原理位置伺服系统控制原理框图 数控原理与电气维修数控原理与电气维修 第二章第二章 伺服驱动系统伺服驱动系统第一节第一节 伺服控制原理伺服控制原理1 1、位置控制原理、位置控制原理 安装在机床工作台上的

3、位置安装在机床工作台上的位置检测元件检测元件将将机械位移机械位移量量转换为转换为电信号电信号，反馈给位置比较电路与数控装置送，反馈给位置比较电路与数控装置送来的指令脉冲进行比较。当机床工作台实际位置与指来的指令脉冲进行比较。当机床工作台实际位置与指令位置不符时，位置比较电路得到一个令位置不符时，位置比较电路得到一个偏差信号偏差信号。由。由于这一偏差信号很小，需要放大通过功率放大器进行于这一偏差信号很小，需要放大通过功率放大器进行放大放大。伺服电动机根据放大的偏差信号带动机床工作。伺服电动机根据放大的偏差信号带动机床工作台向着使偏差信号减小的方向运动，直到偏差信号为台向着使偏差信号减小的方向运动

4、，直到偏差信号为零。数控系统的零。数控系统的定位误差定位误差主要取决于位置检测元件的主要取决于位置检测元件的精度精度，与功率放大器、伺服电动机没有直接关系。，与功率放大器、伺服电动机没有直接关系。数控原理与电气维修数控原理与电气维修 第二章第二章 伺服驱动系统伺服驱动系统1、位置控制原理 根据位置比较的工作原理不同，将闭环、半闭环系统分为：相位比较伺服系统 幅值比较伺服系统 数字式伺服系统。数控原理与电气维修数控原理与电气维修 第二章第二章 伺服驱动系统伺服驱动系统第一节 伺服控制原理 相位比较伺服系统 相位比较伺服系统是将数控装置发出的指令脉冲和位置检测反馈信号都转换为相应的同频率的某一载波

5、的不同相位的脉冲信号，在位置控制单元进行相位比较。相位差反映了指令位置与机床工作台实际位置的偏差。数控原理与电气维修第二章 伺服驱动系统第一节 伺服控制原理 相位比较伺服系统相位比较伺服系统的工作原理框图 数控原理与电气维修数控原理与电气维修第二章第二章 伺服驱动系统伺服驱动系统第一节 伺服控制原理 相位比较伺服系统 旋转变压器作为位置检测的半闭环控制。旋转变压器工作在移相器状态，把机械角位移转换为电信号的位移。由数控装置发出的指令脉冲经脉冲-相位变换器变成相对于基准相位0 0而变化的指令脉冲C C ：数控原理与电气维修数控原理与电气维修 第二章第二章 伺服驱动系统伺服驱动系统第一节第一节 伺

6、服控制原理伺服控制原理 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 C C的大小与指令脉冲个数成正比：的大小与指令脉冲个数成正比：C C超前或落后于超前或落后于 0 0，取决于指令脉冲的方向（正传，取决于指令脉冲的方向（正传或反转）：或反转）：C C随时间变化的快慢与指令脉冲频率成正比：随时间变化的快慢与指令脉冲频率成正比：基准相位基准相位 0 0经经9090移相，变成幅值相等、频率相同、移相，变成幅值相等、频率相同、相位相差相位相差9090的正弦、余弦信号，给旋转变压器两个的正弦、余弦信号，给旋转变压器两个正交绕组励磁，从它的转子绕组取出的感应电压相位正交绕组励磁，从它的转子绕组取出的感应电压相位 P

7、 P与转子相对于定子的空间位置有关，即与转子相对于定子的空间位置有关，即 P P反映了反映了电动机轴的实际位置。电动机轴的实际位置。数控原理与电气维修数控原理与电气维修第二章第二章 伺服驱动系统伺服驱动系统第一节 伺服控制原理 相位比较伺服系统 在相位比较伺服系统中，鉴相器对在相位比较伺服系统中，鉴相器对指令信号指令信号和和反反馈信号馈信号的的相位进行比较相位进行比较，判别两者之间的，判别两者之间的相位差相位差，把，把它转化为带极性的偏差信号，作为速度控制单元的输它转化为带极性的偏差信号，作为速度控制单元的输入信号。鉴相器的输出信号通常为脉宽调制波，需经入信号。鉴相器的输出信号通常为脉宽调制波

8、，需经低通滤波器除去高次谐波，变换为平滑的电压信号，低通滤波器除去高次谐波，变换为平滑的电压信号，然后送到速度控制单元。由速度控制单元驱动电动机然后送到速度控制单元。由速度控制单元驱动电动机带动工作台向消除误差的方向运动。带动工作台向消除误差的方向运动。数控原理与电气维修数控原理与电气维修第二章第二章 伺服驱动系统伺服驱动系统第一节 伺服控制原理 幅值比较伺服系统 幅值比较伺服系统是以位置检测信号幅值的大小来反映机床工作台的位移，并以此信号作为位置反馈信号与指令信号进行比较，从而获得位置偏差信号。偏差信号反映了指令位置与机床工作台实际位置的偏差。数控原理与电气维修数控原理与电气维修 第二章第二

9、章 伺服驱动系统伺服驱动系统第一节 伺服控制原理 幅值比较伺服系统 在幅值比较伺服系统中，采用不同的检测元件（光栅、磁栅、感应同步器或旋转变压器）时所得到的反馈信号各不相同。比较单元需要将指令信号和反馈信号转换成同一形式的信号才能比较。数控原理与电气维修 第二章 伺服驱动系统第一节 伺服控制原理 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统的工作原理框图 数控原理与电气维修数控原理与电气维修 第二章第二章 伺服驱动系统伺服驱动系统第一节 伺服控制原理 幅值比较伺服系统 采用光栅或磁栅的脉冲式幅值比较伺服系统，检测装置输出的反馈信号有正向反馈脉冲和负向反馈脉冲，其每个脉冲表示的位移量与指令脉冲当量相同，在可

10、逆计数器中与指令脉冲进行比较（指令脉冲做加法、反馈脉冲做减法），得到的差值经D/A转换为模拟电压，经功率放大后驱动伺服电动机带动工作台移动。数控原理与电气维修数控原理与电气维修 第二章第二章 伺服驱动系统伺服驱动系统第一节第一节 伺服控制原理伺服控制原理 数字式伺服系统数字式伺服系统 随着计算机、微处理器技术的发展和其成本的日随着计算机、微处理器技术的发展和其成本的日益降低，伺服系统向益降低，伺服系统向模块化模块化、标准化标准化发展，即伺服系发展，即伺服系统中凡适于统中凡适于软件化软件化、数字化数字化的部分，如比较单元、放的部分，如比较单元、放大单元中的调节器及运算器等一系列组件都由单独的大单

11、元中的调节器及运算器等一系列组件都由单独的微处理器来处理，使伺服系统能够充分利用微处理器微处理器来处理，使伺服系统能够充分利用微处理器功能以及计算机软件的灵活性。在控制方面，数学模功能以及计算机软件的灵活性。在控制方面，数学模型和算法方面引入，从而进一步完善伺服系统的功能。型和算法方面引入，从而进一步完善伺服系统的功能。数字式伺服系统与模拟系统有着本质的区别。数字式伺服系统与模拟系统有着本质的区别。数控原理与电气维修 第二章 伺服驱动系统第一节 伺服控制原理 数字式伺服系统直流电动机数字式伺服系统的工作原理简图 数控原理与电气维修数控原理与电气维修 第二章第二章 伺服驱动系统伺服驱动系统第一节

12、 伺服控制原理 数字式伺服系统数字式伺服系统 直流电动机数字式伺服系统与传统的模拟直流电动机数字式伺服系统与传统的模拟系统相比，在数字伺服系统中的三个环系统相比，在数字伺服系统中的三个环位位置环置环、速度环速度环和和电流环电流环的比较、计算和调节的比较、计算和调节功能都是由软件来完成。系统在速度环与电功能都是由软件来完成。系统在速度环与电流环之间加入了数字流环之间加入了数字PIDPID校正环节，以进一步校正环节，以进一步改善系统的动、静态特性，通过系统软件对改善系统的动、静态特性，通过系统软件对KPKP、KDKD、KIKI进行适当调节，可以得到非常理进行适当调节，可以得到非常理想的动、静态特性

13、。想的动、静态特性。数控原理与电气维修数控原理与电气维修 第二章第二章 伺服驱动系统伺服驱动系统第一节 伺服控制原理相关知识连接相关知识连接 自动控制的基本规律与调节器 自动控制系统中的控制装置，对系统的性能有着极其重要的影响，系统中的控制器（即调节器）种类很多，每种调节器的输出之间都具有一个确定的关系及控制规律。数控原理与电气维修数控原理与电气维修 第二章第二章 伺服驱动系统伺服驱动系统第一节 伺服控制原理相关知识连接相关知识连接 自动控制的基本规律与调节器 比例控制与比例调节器（P调节器）所谓比例控制，是指系统的输出与输入之间（偏差量）成比例的控制，简称P控制，其实P调节器实际上就是一个反

14、向放大器。数控原理与电气维修数控原理与电气维修 第二章第二章 伺服驱动系统伺服驱动系统第一节第一节 伺服控制原理伺服控制原理相关知识连接相关知识连接相关知识连接相关知识连接 自动控制的基本规律与调节器自动控制的基本规律与调节器 积分控制与积分调节器积分控制与积分调节器 （I I调节器）调节器）当自动控制系统中不允许静差存在时，比例调节当自动控制系统中不允许静差存在时，比例调节器就不能满足需要，必须引入器就不能满足需要，必须引入积分控制积分控制，所谓积分控，所谓积分控制就是指系统的制就是指系统的输出量输出量与与输出量输出量对对时间的积分时间的积分成正比成正比例的控制，简称例的控制，简称I I控制

15、。控制。I I控制调节器的输出电压控制调节器的输出电压V V0 0与输入电压与输入电压U U：对时：对时间积分成正比。间积分成正比。I I调节器实际是一个运算积分电路。调节器实际是一个运算积分电路。积分调节可以消除输出量的稳态误差，能实现无精差积分调节可以消除输出量的稳态误差，能实现无精差控制。控制。数控原理与电气维修数控原理与电气维修 第二章第二章 伺服驱动系统伺服驱动系统第一节第一节 伺服控制原理伺服控制原理 相关知识连接相关知识连接相关知识连接相关知识连接 自动控制的基本规律与调节器自动控制的基本规律与调节器 比例积分控制与比例积分调节器比例积分控制与比例积分调节器 比例控制速度快，但有

16、静差，积分控制能消除静差，比例控制速度快，但有静差，积分控制能消除静差，但过程时间较长，这是因为积分作用总是落后于输入但过程时间较长，这是因为积分作用总是落后于输入时间的变化，因此积分作为辅助调节，系统不单独使时间的变化，因此积分作为辅助调节，系统不单独使用用I I调节器。调节器。比例积分调节器将前两种控制结合起来，形成比比例积分调节器将前两种控制结合起来，形成比例积分规律，简称例积分规律，简称PIPI调节器，是以比例控制为主，积调节器，是以比例控制为主，积分控制为辅，分控制为辅，PIPI调节器由调节器由比例比例和和积分积分部分部分相加相加而成的。而成的。数控原理与电气维修数控原理与电气维修

17、第二章第二章 伺服驱动系统伺服驱动系统第一节 伺服控制原理 相关知识连接相关知识连接相关知识连接相关知识连接 自动控制的基本规律与调节器自动控制的基本规律与调节器 比例积分微分控制与比例积分微分调节器 一般情况，PI调节器能满足基本控制要求，对要求更高的自动控制，还常加入微分控制，就是系统的输出量与输入量的变化速度成比例的控制，称为P控制，比例积分微分调节器（PID），就是把比例、积分、微分三种控制规律结合起来。数控原理与电气维修数控原理与电气维修 第二章第二章 伺服驱动系统伺服驱动系统第二节 步进电动机伺服驱动系统 步进驱动系统的执行机构为步进电机。步步进驱动系统的执行机构为步进电机。步进电

18、机流行于进电机流行于2020世纪世纪7070年代，其结构简单、年代，其结构简单、控制容易、维修方便，控制信息全部数字化。控制容易、维修方便，控制信息全部数字化。是一种将是一种将数字脉冲数字脉冲转化成一个转化成一个步距角步距角增量的增量的电磁执行元件。方便地将电脉冲转换为角位电磁执行元件。方便地将电脉冲转换为角位移，具有较好的定位精度，无漂移和无积累移，具有较好的定位精度，无漂移和无积累定位误差，能跟踪一定频率范围的脉冲列，定位误差，能跟踪一定频率范围的脉冲列，可以作为同步电动机使用。可以作为同步电动机使用。数控原理与电气维修数控原理与电气维修 第二章第二章 伺服驱动系统伺服驱动系统第二节 步进

19、电动机伺服驱动系统1、步进电动机伺服系统工作原理 步进电动机伺服系统的驱动电源由环形分配器和功率放大器组成。环形分配器接收来自数控机床控制系统的进给脉冲信号，并把此信号转化为控制步进电动机各相定子绕组依次通电、断电的信号，使步进电动机运转。数控原理与电气维修 第二章 伺服驱动系统第二节 步进电动机伺服驱动系统1、步进电动机伺服系统工作原理步进电动机伺服系统工作原理框图 数控原理与电气维修数控原理与电气维修 第二章第二章 伺服驱动系统伺服驱动系统第二节第二节 步进电动机伺服驱动系统步进电动机伺服驱动系统1 1、步进电动机伺服系统工作原理、步进电动机伺服系统工作原理 环形分配器环形分配器 环形分配

20、器的环形分配器的功能功能是把来自计算机数控装置的是把来自计算机数控装置的脉脉冲冲信号按一定规律信号按一定规律分配给分配给步进电动机各相的功率步进电动机各相的功率放大放大器，器，驱动驱动相应的励磁绕组，使步进按规定方式工作。相应的励磁绕组，使步进按规定方式工作。脉冲分配方式有两种：脉冲分配方式有两种：一种是一种是软件软件脉冲分配，由计算机软件完成：脉冲分配，由计算机软件完成：另一种是另一种是硬件硬件脉冲分配，有专门的硬件脉冲分配脉冲分配，有专门的硬件脉冲分配器完成。器完成。数控原理与电气维修数控原理与电气维修 第二章第二章 伺服驱动系统伺服驱动系统第二节第二节 步进电动机伺服驱动系统步进电动机伺

21、服驱动系统1 1、步进电动机伺服系统工作原理、步进电动机伺服系统工作原理 环形分配器环形分配器 脉冲分配方式脉冲分配方式 三相步进电动机环形脉冲分配工作方式有：三相步进电动机环形脉冲分配工作方式有：单拍分配方式，按单拍分配方式，按A-B-CA-B-C依次通电，称为依次通电，称为三相单三拍三相单三拍方式。方式。双拍分配方式，按双拍分配方式，按AB-BC-CAAB-BC-CA依次通电，称为依次通电，称为三相三相双三拍双三拍方式。方式。混合分配方式，按混合分配方式，按A-AB-B-BC-C-CAA-AB-B-BC-C-CA依次通电，称为依次通电，称为三相六三相六拍方式。拍方式。数控原理与电气维修数控

22、原理与电气维修 第二章第二章 伺服驱动系统伺服驱动系统第二节第二节 步进电动机伺服驱动系统步进电动机伺服驱动系统1 1、步进电动机伺服系统工作原理、步进电动机伺服系统工作原理 环形分配器环形分配器 硬件脉冲分配器硬件脉冲分配器 硬件脉冲分配器由硬件脉冲分配器由门电路及逻辑电路门电路及逻辑电路构成，提供符构成，提供符合步进电动机控制指令所需要的顺序脉冲。目前，环合步进电动机控制指令所需要的顺序脉冲。目前，环形分配器已作为可靠性高、尺寸小、使用方便的集成形分配器已作为可靠性高、尺寸小、使用方便的集成电路，分为电路，分为TTLTTL集成电路和集成电路和CMOSCMOS集成电路。国产集成电路。国产TT

23、LTTL脉冲分配器有三相（脉冲分配器有三相（YB 013YB 013），四相（），四相（YB 014YB 014）、）、五相（五相（YB 015YB 015）、六相（）、六相（YB 016YB 016），均为），均为1818管脚直管脚直插式封装。插式封装。数控原理与电气维修数控原理与电气维修 第二章第二章 伺服驱动系统伺服驱动系统第二节 步进电动机伺服驱动系统1、步进电动机伺服系统工作原理环形分配器YB 013三相六拍接线图：数控原理与电气维修数控原理与电气维修 第二章第二章 伺服驱动系统伺服驱动系统YB 013YB 013环形分配器环形分配器相应管脚功能如下：相应管脚功能如下：EOEO选通输

24、出控制，控制脉冲分配器是选通输出控制，控制脉冲分配器是 否输出顺序脉冲。否输出顺序脉冲。RR清零，输出脉冲前，对脉冲分配器清零，进行初始化。清零，输出脉冲前，对脉冲分配器清零，进行初始化。A0A0、A1A1通电方式控制：通电方式控制：A1 A0=00A1 A0=00，三相单三拍方式。，三相单三拍方式。A1 A0=10A1 A0=10，三相双三拍方式。，三相双三拍方式。A1 A0=X1A1 A0=X1（X X为为“0”0”或为或为“1”1”皆可），三相六拍方皆可），三相六拍方式。式。E1E1、E2E2选通输入控制，决定控制指令起作用的时刻。选通输入控制，决定控制指令起作用的时刻。CPCP时钟输入

25、，时钟输入，+、-正反控制端，决定步进电动机旋转方向。正反控制端，决定步进电动机旋转方向。SS出错报警输出，在某控制信号出错或脉冲分配器运行错误出错报警输出，在某控制信号出错或脉冲分配器运行错误 时发出报警信号。时发出报警信号。数控原理与电气维修数控原理与电气维修 第二章第二章 伺服驱动系统伺服驱动系统第二节 步进电动机伺服驱动系统1、步进电动机伺服系统工作原理 功率放大器 功率放大器是将环形分配器的输出电流进行功率放大，转换为步进电动机定子绕组电流。过去多采用单电压驱动电路，后来采用高低压驱动电路，现在则比较多的采用恒流斩波、调频调压和细分驱动电路等形式的驱动电路。数控原理与电气维修数控原理

26、与电气维修 第二章第二章 伺服驱动系统伺服驱动系统第二节 步进电动机伺服驱动系统1、步进电动机伺服系统工作原理 功率放大器 双电压驱动电路 双电压驱动电路供给步进电动机绕组有两种电压：高压U1 1=80V以上，低压U2 2=12V-24V。数控原理与电气维修数控原理与电气维修 第二章第二章 伺服驱动系统伺服驱动系统第二节 步进电动机伺服驱动系统1、步进电动机伺服系统工作原理 功率放大器 双电压驱动电路数控原理与电气维修数控原理与电气维修 第二章第二章 伺服驱动系统伺服驱动系统第二节第二节 步进电动机伺服驱动系统步进电动机伺服驱动系统1 1、步进电动机伺服系统工作原理、步进电动机伺服系统工作原理

27、 功率放大器功率放大器 双电压驱动电路双电压驱动电路 在相序输入信号在相序输入信号I IH H、I IL L到来之前，到来之前，VTVT1 1、VTVT2 2同时同时导通，给绕组加上导通，给绕组加上U U1 1，以提高绕组中电流上升率，当，以提高绕组中电流上升率，当电流达到规定值时，电流达到规定值时，VTVT1 1关断、关断、VTVT2 2任然导通（任然导通（t tH H的脉的脉宽小于宽小于t tL L），则自动切换到），则自动切换到U U2 2。该电路的优点是在较。该电路的优点是在较宽的频率范围内有较大的平均电流，能产生较大且平宽的频率范围内有较大的平均电流，能产生较大且平稳的平均转矩、其缺

28、点是电流的波顶有谷点。稳的平均转矩、其缺点是电流的波顶有谷点。数控原理与电气维修数控原理与电气维修 第二章第二章 伺服驱动系统伺服驱动系统第二节第二节 步进电动机伺服驱动系统步进电动机伺服驱动系统1 1、步进电动机伺服系统工作原理、步进电动机伺服系统工作原理 功率放大器功率放大器 斩波驱动电路斩波驱动电路 斩波驱动电路与前图所示电路结构相同，把环形分配器输出斩波驱动电路与前图所示电路结构相同，把环形分配器输出的脉冲作为输入信号，若为正脉冲，则的脉冲作为输入信号，若为正脉冲，则VTVT1 1、VTVT2 2同时导通。由同时导通。由于于U U1 1电压较高，绕组回路中又没有串联电阻，绕组中电流迅速

29、电压较高，绕组回路中又没有串联电阻，绕组中电流迅速上升，当电流达到规定值时，由于采用电阻上升，当电流达到规定值时，由于采用电阻RCRC的作用，经整形、的作用，经整形、放大后送至放大后送至VTVT1 1基极，使基极，使VTVT1 1截止。接着绕组由截止。接着绕组由VTVT2 2供电，绕组供电，绕组中电流迅速下降，但刚下降至额定值以下时，由于采用电阻中电流迅速下降，但刚下降至额定值以下时，由于采用电阻RCRC的作用，使整形电路无信号输出，此时高压前置放大电路又的作用，使整形电路无信号输出，此时高压前置放大电路又使使VTVT1 1导通，电流又上升。导通，电流又上升。如此反复进行，形成一个在额定电流值

30、上下波动呈锯齿状的如此反复进行，形成一个在额定电流值上下波动呈锯齿状的绕组电流波形，近似恒流。绕组电流波形，近似恒流。数控原理与电气维修数控原理与电气维修 第二章第二章 伺服驱动系统伺服驱动系统第二节第二节 步进电动机伺服驱动系统步进电动机伺服驱动系统1 1、步进电动机伺服系统工作原理、步进电动机伺服系统工作原理 功率放大器功率放大器 细分驱动电路细分驱动电路 步进电动机每对应一个通电步进电动机每对应一个通电脉冲脉冲，转子转动，转子转动一步一步，在三相步进电动机采用双三拍通电方式时，两相同时在三相步进电动机采用双三拍通电方式时，两相同时通电，转子的齿与定子的齿步对齐，而是停在两定子通电，转子的

31、齿与定子的齿步对齐，而是停在两定子齿之间，若两相通以不同大小的电流，转子的齿会偏齿之间，若两相通以不同大小的电流，转子的齿会偏向通电流较大的齿，如果把额定电流分成向通电流较大的齿，如果把额定电流分成n n个极个极分别分别进行通电，转子就以进行通电，转子就以n n个通电极分别决定的步数来完个通电极分别决定的步数来完成一个步距角所转过的角度，使原来的每个脉冲走过成一个步距角所转过的角度，使原来的每个脉冲走过一个步距角，变成了每个脉冲走一个步距角，变成了每个脉冲走1/n1/n个步距角个步距角，即把，即把原来原来一个步距角细分成一个步距角细分成n n份份。数控原理与电气维修数控原理与电气维修第二章第二

32、章 伺服驱动系统伺服驱动系统细分驱动电路工作原理框图第二节第二节 步进电动机伺服驱动系统步进电动机伺服驱动系统1 1、步进电动机伺服系统工作原理、步进电动机伺服系统工作原理 功率放大器功率放大器数控原理与电气维修数控原理与电气维修第二章第二章 伺服驱动系统伺服驱动系统第二节第二节 步进电动机伺服驱动系统步进电动机伺服驱动系统1 1、步进电动机伺服系统工作原理、步进电动机伺服系统工作原理 功率放大器功率放大器 细分驱动电路细分驱动电路 在在一个脉冲信号一个脉冲信号VmVm的宽度内，绕组电流保持不变，的宽度内，绕组电流保持不变，但把但把电流按极性分成电流按极性分成n n份份。由数字控制信号经。由数

33、字控制信号经D/AD/A转转换器转换得到绕组电流控制电压换器转换得到绕组电流控制电压V Vrefref。V Vrefref的波形如图的波形如图所示，它和采用电阻所示，它和采用电阻ReRe上的电流反馈信号经比较后上的电流反馈信号经比较后控制控制VTVT的通断，以保证绕组电流值稳定在要求的级的通断，以保证绕组电流值稳定在要求的级别上。在每个电流级别上，步进电动机停留在对应的别上。在每个电流级别上，步进电动机停留在对应的角度上，从而角度上，从而 实现对步进电动机的细分控制，实现对步进电动机的细分控制，V Vb b的的波形和绕组电流波形波形和绕组电流波形i iL L。数控原理与电气维修数控原理与电气维

34、修 第二章第二章 伺服驱动系统伺服驱动系统第二节第二节 步进电动机伺服驱动系统步进电动机伺服驱动系统1 1、步进电动机伺服系统工作原理、步进电动机伺服系统工作原理 功率放大器功率放大器 三相步进电动机 线性细分时各相 电路时序图 数控原理与电气维修数控原理与电气维修 第二章第二章 伺服驱动系统伺服驱动系统第二节第二节 步进电动机伺服驱动系统步进电动机伺服驱动系统1 1、步进电动机伺服系统工作原理、步进电动机伺服系统工作原理 功率放大器功率放大器 细分驱动电路 上图是三相步进电动机线性细分10步各相阶梯的电流，原来一相的一个大脉冲经细分后，由n个阶梯脉冲所替代。在这种线性细分情况下，由于线性分配

35、各相电流所得到的合成磁矢量是变化的，使步进电动机转子的转角不是平均细分。而按正弦规律变化的相电流，得到的合成磁势值不变，所以细分精确，这样使转租步距角呈线性均匀细分 数控原理与电气维修数控原理与电气维修 第二章第二章 伺服驱动系统伺服驱动系统相关知识连接相关知识连接相关知识连接相关知识连接 步进电机的分类、结构与工作原理步进电机的分类、结构与工作原理1、步进电机的分类 步进电动机又称为脉冲马达，是将电脉冲信号转成角位移的执行器件。步进电机的分类有几种方法；按步进电机力矩产生原理分类有反应式；励磁式；按步进电机定子绕组数量分类；有两相、三相、四相、五相和多相步进电机。数控原理与电气维修数控原理与

36、电气维修 第二章第二章 伺服驱动系统伺服驱动系统相关知识连接相关知识连接 2、步进电机结构 目前使用的步进电机一般为反应式步进电机，有径向分相和轴向分相两种。由定子1、定子绕组2、转子3组成。数控原理与电气维修数控原理与电气维修 第二章第二章 伺服驱动系统伺服驱动系统相关知识连接相关知识连接 2、步进电机结构径向分相 轴向分相 1-定子、2-定子绕组、3-转子数控原理与电气维修数控原理与电气维修 第二章第二章 伺服驱动系统伺服驱动系统相关知识连接相关知识连接 2、步进电机结构 三相反应式步进电机定子上有六个均匀分布的磁极，每个定子磁极上均布5个齿，齿槽距相等，齿间夹角为9。转子上没有绕组，沿圆

37、周方向均匀分布40个齿，齿槽等宽，齿间夹角也是为9.因此，电动机三相定子磁极上的小齿在空间依次错开了1/3齿距。数控原理与电气维修数控原理与电气维修 第二章第二章 伺服驱动系统伺服驱动系统相关知识连接相关知识连接 2、步进电机结构步进电机齿距分布图 数控原理与电气维修数控原理与电气维修 第二章第二章 伺服驱动系统伺服驱动系统相关知识连接相关知识连接 3 3、步进电动机工作原理步进电动机工作原理 由于三相定子磁极上的小齿在空间依次错开了由于三相定子磁极上的小齿在空间依次错开了1/31/3齿距，当齿距，当A A相相磁极上的齿与转子上的磁极上的齿与转子上的齿对齐齿对齐时，时，B B相相磁极上的齿刚好

38、磁极上的齿刚好超前超前（或滞后或滞后）转子齿）转子齿1/31/3齿距角齿距角即即33，C C相相磁极上的齿磁极上的齿超前超前（或滞后或滞后）转子）转子齿齿2/32/3齿距齿距角角，即，即6.6.当采用直流电源给三相反应式步进电机的当采用直流电源给三相反应式步进电机的A A、B B、C C三相定子绕组轮流供电是，感应力矩将吸引步三相定子绕组轮流供电是，感应力矩将吸引步进电机的转子齿与进电机的转子齿与A A、B B、C C三相定子磁极上的齿分别三相定子磁极上的齿分别对齐，转子将被拖动，按定子上对齐，转子将被拖动，按定子上A A、B B、C C磁极位置顺磁极位置顺序的方向一步一步移动，每步移动的角度

39、为序的方向一步一步移动，每步移动的角度为33，称为，称为步距角步距角。数控原理与电气维修数控原理与电气维修 第二章第二章 伺服驱动系统伺服驱动系统相关知识连接相关知识连接相关知识连接相关知识连接 3 3、步进电动机工作原理步进电动机工作原理 步进电机的步距角可按下式计算步进电机的步距角可按下式计算 360/kmz360/kmz 式中：式中：k-k-通电方式系数：通电方式系数：采用单相或双相通电方式时，采用单相或双相通电方式时，k=1k=1：采用单双相轮流通电方式时，采用单双相轮流通电方式时，k=2k=2 m-m-步进电机的相数；步进电机的相数；z-z-步进电机转子齿数。步进电机转子齿数。数控原

40、理与电气维修数控原理与电气维修 第二章第二章 伺服驱动系统伺服驱动系统第三节 直流伺服驱动系统 直流伺服电动机具有线性调速范围宽、信号响应迅速、堵转转矩大，和无控制电压时立即停转等特点，因此被广泛应用于数控系统。数控原理与电气维修数控原理与电气维修 第二章第二章 伺服驱动系统伺服驱动系统第三节 直流伺服驱动系统1 1、直流伺服驱动系统的调速原理、直流伺服驱动系统的调速原理 调速调速是指在某一具体是指在某一具体负载负载条件下，通过改条件下，通过改变电动机或电源变电动机或电源参数参数的方法，使电动机机械的方法，使电动机机械特性特性得以得以改变改变，从而使电动机的转速发生变，从而使电动机的转速发生变

41、化或保持不变。在改变电动机转速时，要求化或保持不变。在改变电动机转速时，要求在转速指令发出后，电动机的转速能以最短在转速指令发出后，电动机的转速能以最短的时间达到指令转速，在速度指令值不变时，的时间达到指令转速，在速度指令值不变时，要求电动机转速保持恒定不变。要求电动机转速保持恒定不变。数控原理与电气维修数控原理与电气维修 第二章第二章 伺服驱动系统伺服驱动系统第三节 直流伺服驱动系统1、直流伺服驱动系统的调速原理 永磁直流伺服电动机的调速是通过改变电枢的电压来完成的。目前应用的有晶体管（SCR）调速系统、晶体管脉宽调制(PWM)调速系统和集成电路调速系统。数控原理与电气维修数控原理与电气维修

42、 第二章第二章 伺服驱动系统伺服驱动系统第三节 直流伺服驱动系统1、直流伺服驱动系统的调速原理晶体管脉宽调速系统晶体管脉宽调速系统 脉宽调制（脉宽调制（PWMPWM）是利用脉冲宽度调制器）是利用脉冲宽度调制器对大功率晶体管的开关时间进行控制，将直对大功率晶体管的开关时间进行控制，将直流电压转化成某一频率的方波电压，加到直流电压转化成某一频率的方波电压，加到直流电动机电枢两端，通过对方波流电动机电枢两端，通过对方波脉冲宽度脉冲宽度的的控制控制，改变电枢两端的，改变电枢两端的平均电压平均电压，从而达到，从而达到调节电动机转速的目的。调节电动机转速的目的。数控原理与电气维修 第二章 伺服驱动系统1、

43、直流伺服驱动系统的调速原理晶体管脉宽调速系统直流伺服系统双环调速控制示意图 数控原理与电气维修数控原理与电气维修 第二章第二章 伺服驱动系统伺服驱动系统1 1、直流伺服驱动系统的调速原理、直流伺服驱动系统的调速原理晶体管脉宽调速系统晶体管脉宽调速系统 整个系统由整个系统由速度环速度环、电流环电流环组成。组成。电流环由电流互感器或采用电阻获得电枢电流实际电流环由电流互感器或采用电阻获得电枢电流实际值的反馈构成，其作用是由电流调节器对电动机的电值的反馈构成，其作用是由电流调节器对电动机的电枢回路引起滞后作用的某些时间常数进行补偿，使动枢回路引起滞后作用的某些时间常数进行补偿，使动态电流按所需的规律

44、变化：态电流按所需的规律变化：速度环速度环由测速电动机获得电动机实际转速反馈构成，由测速电动机获得电动机实际转速反馈构成，其作用是对电动机其作用是对电动机速度偏差速度偏差进行调节，以实现所要求进行调节，以实现所要求的动态特性。的动态特性。电流环电流环可以增加调速特性的可以增加调速特性的硬度硬度，而速，而速度环可以增大调速的范围。度环可以增大调速的范围。数控原理与电气维修数控原理与电气维修第二章第二章 伺服驱动系统伺服驱动系统1、直流伺服驱动系统的调速原理晶体管脉宽调速系统系统的特点 PWM脉宽调制调速系统的核心为脉宽调制器（PWM）、基极驱动电路与脉宽调制式的开关功率放大器。直流PWM系统组成

45、原理如图所示，其调速有如下特点：数控原理与电气维修 第二章 伺服驱动系统1、直流伺服驱动系统的调速原理晶体管脉宽调速系统直流PWM系统组成的原理框图 数控原理与电气维修数控原理与电气维修 第二章第二章 伺服驱动系统伺服驱动系统1、直流伺服驱动系统的调速原理晶体管脉宽调速系统的特点 频带宽，晶体管的结电容小，截止频率频带宽，晶体管的结电容小，截止频率高，允许系统有较高的工作频率。较宽的频高，允许系统有较高的工作频率。较宽的频带，动态响应迅速，可以获得较好的系统动带，动态响应迅速，可以获得较好的系统动态性能。目前，态性能。目前，PWMPWM系统的开关工作频率一系统的开关工作频率一般为般为2KHZ(

46、2KHZ(有的为有的为5KHZ)5KHZ)，远远大于晶闸管系，远远大于晶闸管系统的统的300HZ300HZ。数控原理与电气维修数控原理与电气维修 第二章第二章 伺服驱动系统伺服驱动系统1、直流伺服驱动系统的调速原理晶体管脉宽调速系统的特点 电流脉动小，波形系数小。电动机为感性电流脉动小，波形系数小。电动机为感性负载，电路的电感与电流频率成正比，电负载，电路的电感与电流频率成正比，电流脉动的幅度随频率的升高而下降，电流流脉动的幅度随频率的升高而下降，电流的波形系数接近的波形系数接近1 1。波形系数小，使电动机。波形系数小，使电动机内部发热小，输出转矩平稳，有利于低速内部发热小，输出转矩平稳，有利

47、于低速加工。加工。电源的利于率高，在整个工作范围内的功电源的利于率高，在整个工作范围内的功率因数可达率因数可达0.90.9。数控原理与电气维修第二章 伺服驱动系统相关知识连接相关知识连接 直流电动机结构与工作原理1、直流电动机结构 由两个基本部分组成：一是固定不动的部分 称为定子：二是转动的部分称为转子（也称为电枢）。外形与结构如图示：直流电动机的外形与结构图 数控原理与电气维修数控原理与电气维修 第二章第二章 伺服驱动系统伺服驱动系统相关知识连接相关知识连接相关知识连接相关知识连接 直流电动机结构与工作原理直流电动机结构与工作原理1 1、直流电动机结构直流电动机结构 定子定子 定子的作用是产

48、生主磁场，并作为电动机转子的机械支撑。由定子的作用是产生主磁场，并作为电动机转子的机械支撑。由主磁极、换向磁极、电刷装置、机座、端盖等构成。主磁极、换向磁极、电刷装置、机座、端盖等构成。主磁极主磁极主磁极用来产生主磁场，流向主磁极的电流一般称为励主磁极用来产生主磁场，流向主磁极的电流一般称为励 磁电流。磁电流。换向磁极换向磁极又称为附加磁极，由它产生的附加磁场能减又称为附加磁极，由它产生的附加磁场能减 少电枢绕组在电流换向时产生火花。少电枢绕组在电流换向时产生火花。电刷装置电刷装置其作用是将转动的电枢换向器与外电路相连，使电其作用是将转动的电枢换向器与外电路相连，使电 流经电刷输入或输出电枢，

49、电刷组的数量一般等于主流经电刷输入或输出电枢，电刷组的数量一般等于主 磁极的数量。磁极的数量。数控原理与电气维修 第二章 伺服驱动系统相关知识连接相关知识连接 直流电动机结构与工作原理1、直流电动机结构 转子又称为电枢，由电枢铁芯、电枢绕组、换向器等组成，转子的主体结构如图示：直流电动机的转子 数控原理与电气维修数控原理与电气维修 第二章第二章 伺服驱动系统伺服驱动系统相关知识连接相关知识连接相关知识连接相关知识连接 直流电动机结构与工作原理直流电动机结构与工作原理1 1、直流电动机结构直流电动机结构电枢铁芯电枢铁芯是电动机磁路的组是电动机磁路的组 成部分，用来传导磁通成部分，用来传导磁通 和

50、嵌放电枢绕组和嵌放电枢绕组电枢绕组电枢绕组 电动机通电运行时，在主磁场的作用下产电动机通电运行时，在主磁场的作用下产 生电磁转矩。生电磁转矩。换向器换向器又称为整流子，是直流电动机的特有装置。它又称为整流子，是直流电动机的特有装置。它 由许多上宽下窄的冷拉梯形铜排叠成圆筒形，由许多上宽下窄的冷拉梯形铜排叠成圆筒形，铜片间用云母或其它绝缘材料隔开。换向片与铜片间用云母或其它绝缘材料隔开。换向片与 换向片之间，换向器与转轴之间都是绝缘的。换向片之间，换向器与转轴之间都是绝缘的。保证旋转的电枢绕组与静止的外电路相通。保证旋转的电枢绕组与静止的外电路相通。数控原理与电气维修数控原理与电气维修第二章第二