第六章 数控机床的伺服系统
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机床数控技术：第6章 数控伺服系统
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6.2 伺服电动机
伺服电动机是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。
数控机床中常用的伺服电机： ● 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） ● 步进电机（适于轻载、负荷变动不大） ● 直线电机（高速、高精度）
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6.2.1 直流伺服电机及工作特性
6.1 概述
伺服系统的性能直接关系到数控机床执行件的 静态和动态特性、工作精度、负载能力、响应快慢 和稳定程度等。所以，至今伺服系统还被看做是一 个独立部分，与数控装置和机床本体并列为数控机 床的三大组成部分。
按ISO标准，伺服系统是一种自动控制系统，其 中包含功率放大和反馈，从而使得输出变量的值紧 密地响应输入量的值。
数控机床常用的直流电动机有： ●直流进给伺服系统：永磁式直流电机； ●直流主轴伺服系统：励磁式直流电机；
图6.5 直流伺服驱动系统的一般结构
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6.2.1 直流伺服电机及工作特性
直流电动机原理
根据法拉第电磁感应定理 当载流导体位于磁场中，导
体上受到的电磁力F:
F = B ×L× i
B：磁场的磁通密度； L： 导体长度； i：导体中的电流。 F、B、i之间的方向关 系可用左手定则确定。
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6.1 概述
6.1.4 伺服系统的发展 由于直流电动机存在换向火花和电刷磨损等问题
，美国通用电气(GE)公司于1983年研制成功采用 笼型异步交流伺服电动机的交流伺服系统。采用 矢量变换控制变频调速，使交流电动机具有和直 流电动机—样的控制性能，又具有机构简单、可 靠性高、成本低，以及电动机容量不受限制和机 械惯性小等优点。 日本于1986年又推出了全数字交流伺服系统。
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6.2 伺服电动机
伺服电动机是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。
数控机床中常用的伺服电机： ● 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） ● 步进电机（适于轻载、负荷变动不大） ● 直线电机（高速、高精度）
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6.2.1 直流伺服电机及工作特性
6.1 概述
伺服系统的性能直接关系到数控机床执行件的 静态和动态特性、工作精度、负载能力、响应快慢 和稳定程度等。所以，至今伺服系统还被看做是一 个独立部分，与数控装置和机床本体并列为数控机 床的三大组成部分。
按ISO标准，伺服系统是一种自动控制系统，其 中包含功率放大和反馈，从而使得输出变量的值紧 密地响应输入量的值。
数控机床常用的直流电动机有： ●直流进给伺服系统：永磁式直流电机； ●直流主轴伺服系统：励磁式直流电机；
图6.5 直流伺服驱动系统的一般结构
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6.2.1 直流伺服电机及工作特性
直流电动机原理
根据法拉第电磁感应定理 当载流导体位于磁场中，导
体上受到的电磁力F:
F = B ×L× i
B：磁场的磁通密度； L： 导体长度； i：导体中的电流。 F、B、i之间的方向关 系可用左手定则确定。
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6.1 概述
6.1.4 伺服系统的发展 由于直流电动机存在换向火花和电刷磨损等问题
，美国通用电气(GE)公司于1983年研制成功采用 笼型异步交流伺服电动机的交流伺服系统。采用 矢量变换控制变频调速，使交流电动机具有和直 流电动机—样的控制性能，又具有机构简单、可 靠性高、成本低，以及电动机容量不受限制和机 械惯性小等优点。 日本于1986年又推出了全数字交流伺服系统。
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数控机床电气控制第六章
第六章 检测装置
6.5 光栅 6.5.1 光栅结构与工作原理 无论是长光栅或圆光栅，主要由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。通常，标尺光栅固定在机床活动部 件（如工作台或丝杠）上，光栅读数头安装在机床的固定部件（如机床底座）上，两者由于工作台的移动而 雨相对移动。在光栅读数头中，有一个指示光栅，它可以随光栅读数头在标尺光栅上移动，因此，在光栅安 装时，必须严格保证标尺光栅和指示光栅的平行度要求以及二者之间的间隙（通常取 0.05mm 或 0.lmm）要 求。 1 结构 （1）光栅尺 标尺光栅和指示光栅，统称光栅尺，采用真空镀膜方法光刻上均匀密集线纹的透明玻璃板或长条形金属 镜面。对于长光栅，这些线纹相互平行、距离相等，该间距被称为栅距。对于圆光栅，这些线纹是等栅距角 的向心条纹。栅距和栅距角是决定光栅光学性质的基本参数。常见的长光栅的线纹密度为每毫米 25 条、50 条、 条、 条、 条。 100 125 250 对于圆光栅， 如果直径为 70mm， 一周内的刻线 100～768 条； 如果直径为 110mrn， 一周内的刻线 600～1024 条。但是对于同一光栅元件，其标尺光栅和指示光栅的线纹密度必须相同。
Hale Waihona Puke 第六章 检测装置图 6-3 绝对式光电编码器的结构图 由于绝对式光电编码器转过的圈数由 RAM 保存，所以断电后机床的位置即使断电或断电后又移动过也 能够正常工作。
第六章 检测装置
6.3 感应同步器 6.3.1 感应同步器结构与工作原理 1.结构特点 直线式感应同步器由定尺和滑尺组成，相当于一个展开式的多极旋转变压器，其结构如图 6-4 所示。定 尺和滑尺的基板由与机床线胀系数相近的钢板制成，钢板上用绝缘粘接剂贴有钢箔，利用照相腐蚀的办法做 成图示的印刷线路绕组。感应同步器定尺绕组是一个单向均匀的连续绕组；滑尺有两个绕组，其位置相距绕 组节距（2 ）的 1/4，分别称为正弦绕组和余弦绕组。定尺和滑尺绕组的节距相等，均为 2 ，这是衡量感 应同步器精度的主要参数，工艺上要保证其节距的精度。一块标准型感应同步器定尺长度为 250mm，节距 为 2mm，其绝对精度可达 2.5 m，分辨率为 0.25 m。
《数控机床伺服系统》PPT课件
动而相对移动。
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光栅尺是用真空镀膜的方法刻上均匀密集线纹的透 明玻璃片或长条形金属镜面。
对于长光栅，这些线纹相互平行，各线纹之间的距 离相等，称此距离为栅距。
对于圆光栅，这些线纹是等栅距角的向心条纹。栅 距和栅距角是决定光栅光学性质的基本参数。
栅距和栅距角是决定光栅光学性质的基本参数。
2。交流伺服系统
电机转速可采用以下两种方法: (1)改变磁极对数P，这是一种有效的调速方法,它是
通过对定子绕组接线的切换改变磁极对数调速的。 (2)变频调速。变频调速是平滑改变定子供电电压频
率f，而使转速平滑变化的调速方法，多数交流伺 服电动机都采用这种调速方法。
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4.5 位置检测装置
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永磁式宽调速直流电动机为永磁式电动机， 其磁场磁通是恒定的，只能通过改变电枢 的电压进行调速。
常用的电压调速有两种方法:晶闸管调速 (SCR)和晶体管脉宽调制调速(PWM)。
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晶体管脉宽调速(PWM)的主要特点
PWM调速具有如下特点: (1)晶体管的频率远比转子能跟随的频率高得多,避
开了机械共振。
(2)电枢电流的脉动小,电动机在低速时工作也十分 平滑、稳定。
(3)调速比可以很大。 (4)电流波形系数较小,热变形小。 (5>功率损耗小。 (6)频带宽动态硬度好,响应很快。
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缺点: 如不能承受高的峰值电流。一般都是将峰值 电流限制到二倍有效电流。另外，还有大功率晶体 管性能不够稳定，价格较贵等缺点。
材料有玻璃光栅和金属光栅之分。
光栅主要由光栅尺(包括标尺光栅和指示光栅)和光 栅读数头两部分组成,
数控技术第二版课后答案
数控技术第二版章节练习答案第一章绪论数控机床是由哪几部分组成，它的工作流程是什么答：数控机床由输入装置、CNC装置、伺服系统和机床的机械部件构成。
数控加工程序的编制-输入-译码-刀具补偿-插补-位置控制和机床加工数控机床的组成及各部分基本功能答：组成：由输入输出设备、数控装置、伺服系统、测量反馈装置和机床本体组成输入输出设备：实现程序编制、程序和数据的输入以及显示、存储和打印数控装置：接受来自输入设备的程序和数据，并按输入信息的要求完成数值计算、逻辑判断和输入输出控制等功能。
伺服系统：接受数控装置的指令，驱动机床执行机构运动的驱动部件。
测量反馈装置：检测速度和位移，并将信息反馈给数控装置，构成闭环控制系统。
机床本体：用于完成各种切削加工的机械部分。
．什么是点位控制、直线控制、轮廓控制数控机床三者如何区别答：（1）点位控制数控机床特点：只与运动速度有关，而与运动轨迹无关。
如：数控钻床、数控镗床和数控冲床等。
（2）直线控制数控机床特点：a.既要控制点与点之间的准确定位，又要控制两相关点之间的位移速度和路线。
b.通常具有刀具半径补偿和长度补偿功能，以及主轴转速控制功能。
如：简易数控车床和简易数控铣床等。
（3）连续控制数控机床（轮廓控制数控机床）：对刀具相对工件的位置，刀具的进给速度以及它的运动轨迹严加控制的系统。
具有点位控制系统的全部功能，适用于连续轮廓、曲面加工。
．数控机床有哪些特点答：a．加工零件的适用性强，灵活性好；b．加工精度高，产品质量稳定；c．柔性好；d．自动化程度高，生产率高；e．减少工人劳动强度；f．生产管理水平提高。
适用范围：零件复杂、产品变化频繁、批量小、加工复杂等．按伺服系统的控制原理分类，分为哪几类数控机床各有何特点答：（1）开环控制的数控机床；其特点：a.驱动元件为步进电机；b.采用脉冲插补法：逐点比较法、数字积分法；c.通常采用降速齿轮；d. 价格低廉，精度及稳定性差。
（2）闭环控制系统；其特点：a. 反馈信号取自于机床的最终运动部件（机床工作台）；b. 主要检测机床工作台的位移量；c. 精度高，稳定性难以控制，价格高。
数控机床的伺服驱动系统
不同的含义。数组说明的方括号中给出的是某一维的长度;而 数组元素中的下标是该元素在数组中的位置标识。 数组是一种构造类型的数据。一维数组可以看作是由一维数 组嵌套而构成的。
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6.2 二维数组
6.2.3二维数组的初始化
一维数组初始化也是在类型说明时给各下标变量赋以初值。 一维数组可按行分段赋值，也可按行连续赋值。
6.2 步进电机及其驱动控制系统
4、根据结构分类 步进电机可制成轴向分相式和径向分相式，轴向分相式
又称多段式，径向分相式又称单段式。单段反应式步进电机， 是目前步进电机中使用最多的一种结构形式。还有一种反应 式步进电机是按轴向分相的，这种步进电机也称为多段反应 式步进电机。
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6.2 步进电机及其驱动控制系统
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6.2 步进电机及其驱动控制系统
6.2.1步进电机的分类
1、根据相数分类 步进电机有二、四、五、六相等几种，相数越多，步距
角越小，而且采用多相通电，可以提高步进电机的输出转矩。
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6.2 步进电机及其驱动控制系统
2、根据力矩产生的原理分类 分为反应式和永磁反应式(也称混合式)两类。 反应式步进电机的定子有多相磁极，其上有励磁绕组， 而转子无绕组，用软磁材料制成，由被励磁的定子绕组产生 反应力矩实现步进运行。永磁反应式步进电机的定子结构与 反应式相似，但转子用永磁材料制成或有励磁绕组、由电磁 力矩实现步进运行，这样可提高电机的输出转矩，减少定子 绕组的电流。
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6.2 步进电机及其驱动控制系统
1、三相三拍工作方式 在图6-2中，设A相通电，A相绕组的磁力线为保持磁阻
最小，给转子施加电磁力矩，使磁极A与相邻转子的1、3齿 对齐；接下来若B相通电，A相断电，磁极B又将距它最近的 2、4齿吸引过来与之对齐，使转子按逆时针方向旋转30°； 下一步C相通电，B相断电，
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6.2 二维数组
6.2.3二维数组的初始化
一维数组初始化也是在类型说明时给各下标变量赋以初值。 一维数组可按行分段赋值，也可按行连续赋值。
6.2 步进电机及其驱动控制系统
4、根据结构分类 步进电机可制成轴向分相式和径向分相式，轴向分相式
又称多段式，径向分相式又称单段式。单段反应式步进电机， 是目前步进电机中使用最多的一种结构形式。还有一种反应 式步进电机是按轴向分相的，这种步进电机也称为多段反应 式步进电机。
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6.2 步进电机及其驱动控制系统
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6.2 步进电机及其驱动控制系统
6.2.1步进电机的分类
1、根据相数分类 步进电机有二、四、五、六相等几种，相数越多，步距
角越小，而且采用多相通电，可以提高步进电机的输出转矩。
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6.2 步进电机及其驱动控制系统
2、根据力矩产生的原理分类 分为反应式和永磁反应式(也称混合式)两类。 反应式步进电机的定子有多相磁极，其上有励磁绕组， 而转子无绕组，用软磁材料制成，由被励磁的定子绕组产生 反应力矩实现步进运行。永磁反应式步进电机的定子结构与 反应式相似，但转子用永磁材料制成或有励磁绕组、由电磁 力矩实现步进运行，这样可提高电机的输出转矩，减少定子 绕组的电流。
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6.2 步进电机及其驱动控制系统
1、三相三拍工作方式 在图6-2中，设A相通电，A相绕组的磁力线为保持磁阻
最小，给转子施加电磁力矩，使磁极A与相邻转子的1、3齿 对齐；接下来若B相通电，A相断电，磁极B又将距它最近的 2、4齿吸引过来与之对齐，使转子按逆时针方向旋转30°； 下一步C相通电，B相断电，
数控机床伺服驱动系统
变挡机构
电磁离合器变挡机构：电磁离合器可以通过控制线圈的通 断，来控制传动链接续和切断，便于实现电气自动控制。 其缺点是体积较大，产生的磁通易使机械零件磁化。在数 控机床主轴传动中，使用电磁离合器可简化变速机构，通 过安装在各传动轴上离合器的吸合与分离，形成不同的运 动组合传动链，实现主轴变速。数控机床常使用无滑环摩 擦片式电磁离合器和牙嵌式电磁离合器。摩擦片式电磁离 合器采用摩擦片传递转矩，允许不停车变速。但如果速度 过高，会产生大量的摩擦热。牙嵌式电磁离合器将摩擦面 加工成一定的齿形，可提高传递转矩，缩小离合器的径向 和轴向尺寸，使主轴结构更加紧凑，减少摩擦势，但牙嵌 式电磁离合器必须在低速时才能变速。
数控机床对伺服系统的基本要求
5）低速大转矩 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。进给坐标的伺服控制属于恒转矩 控制，在整个速度范围内都要保持这个转 矩；主轴坐标的伺服控制在低速时为恒转 矩控制，能提供较大转矩；在高速时为恒 功率控制，具有足够大的输出功率。
数控机床对伺服系统的基本要求
2）稳定性好 稳定性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，对伺服系统 要求有较强的抗干扰能力。稳定性是保证 数控机床正常工作的条件，直接影响数控 加工的精度和表面粗糙度。
数控机床对伺服系统的基本要求
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
削速度与主轴转速的关系可知，若保持切削速v恒定不变， 当切削直径D逐渐减小时，主轴转速n必须逐渐增大。
数控装置必须设计相应的控制软件来完成主轴转速的调整。 车削端面过程中，切削直径变化的增量为
Di 2Fti
数控机床伺服系统
直流脉宽调速系统的优点 PWM驱动装置与一般晶闸管驱动装置相比 具有以下优点： ①需用的大功率可控器件少，线路简单。 ②调速范围宽。 ⑧快速性好。 ④电流波形系数好，附加WM驱动装置 的不足在于过载能力差，在大功率场合， 还不能与晶闸管相抗衡，
3、转速电流双闭环系统
晶体管直流脉宽(PWM)调速系统
调速的方法是改变加在电机电枢两端电压 的平均值。一个不变的整流电压，如何 改变它的平均电压呢? 使用的方法是改变占空比，也就是让晶体 管断续地导通，实现的方法是需要为晶 体管的基极提供振荡的电流信号。 调节基极电流的占空比是通过脉冲宽度调 制器实现的。 制器实现的。
幅值比较伺服系统以位置检测信号的幅值大小反 映机械位移的数值，并以此信号作为位置反馈 信号，一般还要转换成数字信号才能与指令信 号进行比较，而后获得位置偏差信号构成闭环 控制系统。此类伺服系统的位置检测装置多用 感应同步器或旋转变压器。
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、数字比较系统复杂和 要求高，因此，一般情况下脉冲、数字 比较伺服系统应用最为广泛，相位比较 系统又比幅值比较系统应用的多。 (4)全数字伺服系统
直流电动机调速：
永磁直流伺服电机的速度一转矩特性曲线， 也称工作特性曲线
直流电机晶闸管供电的速度控制系统
1、速度负反馈有静差单闭环调速系统
2、无静差转速负反馈单闭环调速系统
上述两种单闭环调速系统仅适合于一般要求不高的调速系统， 上述两种单闭环调速系统仅适合于一般要求不高的调速系统， 对于高性能的调速系统，如数控机床进给伺服系统， 对于高性能的调速系统，如数控机床进给伺服系统，要求快速 启动、制动、动态特性好，通常采用转速电流双闭环系统。 启动、制动、动态特性好，通常采用转速电流双闭环系统。
数控技术第6章数控机床伺服系统
转矩控制模式
通过比较实际转矩与设定转矩的差值，调节电机 的输入电压或电流，使电机按照设定的转矩进行 旋转。
速度控制模式
通过比较实际转速与设定转速的差值，调节电机 的输入电压或电流，使电机按照设定的速度进行 旋转。
速度控制参数优化
优化PID参数
PID控制器是常用的速度调节器，通过调整比例、积分和微分参数， 提高系统的动态性能和稳态精度。
总结词
类型与原理
详细描述
编码器有多种类型，如光电编码器、磁编码器等。其工作 原理是将被测的旋转角度转换为周期性的电信号，通过计 数电信号的脉冲数来得到角度值。
总结词
应用与选型
详细描述
在数控机床中，编码器常用于测量主轴的旋转角度和转速 ，是数控系统闭环控制的关键元件之一。选择合适的编码 器需要考虑测量范围、分辨率、安装尺寸等因素，以确保 机床的加工精度和稳定性。
方式好，但仍然受到传动链误差的影响。
03
全闭环控制
全闭环控制方式是在半闭环控制的基础上，通过在执行机构上加入一个
反馈环节，实现整个系统的闭环控制。这种方式精度和稳定性最高，但
结构复杂，成本也较高。
伺服系统的控制算法
PID控制算法
PID控制算法是一种经典的控制算法，通过比例、积分、微分三个环节的调节，实现对系 统的精确控制。PID控制算法简单、可靠，被广泛应用于各种伺服系统中。
电流控制参数
电流控制参数是用于调节伺服系统电流环的控制参数，包括电流比例增益、积分时间常数和微分时间常 数等。这些参数的调节直接影响着系统的力矩输出和稳定性。
03
数控机床伺服系统的驱动元 件
步进电机
步进电机是一种将脉冲信号转换 为线性运动的装置，通过控制脉 冲频率和数量来控制电机的转速
通过比较实际转矩与设定转矩的差值，调节电机 的输入电压或电流，使电机按照设定的转矩进行 旋转。
速度控制模式
通过比较实际转速与设定转速的差值，调节电机 的输入电压或电流，使电机按照设定的速度进行 旋转。
速度控制参数优化
优化PID参数
PID控制器是常用的速度调节器，通过调整比例、积分和微分参数， 提高系统的动态性能和稳态精度。
总结词
类型与原理
详细描述
编码器有多种类型，如光电编码器、磁编码器等。其工作 原理是将被测的旋转角度转换为周期性的电信号，通过计 数电信号的脉冲数来得到角度值。
总结词
应用与选型
详细描述
在数控机床中，编码器常用于测量主轴的旋转角度和转速 ，是数控系统闭环控制的关键元件之一。选择合适的编码 器需要考虑测量范围、分辨率、安装尺寸等因素，以确保 机床的加工精度和稳定性。
方式好，但仍然受到传动链误差的影响。
03
全闭环控制
全闭环控制方式是在半闭环控制的基础上，通过在执行机构上加入一个
反馈环节，实现整个系统的闭环控制。这种方式精度和稳定性最高，但
结构复杂，成本也较高。
伺服系统的控制算法
PID控制算法
PID控制算法是一种经典的控制算法，通过比例、积分、微分三个环节的调节，实现对系 统的精确控制。PID控制算法简单、可靠，被广泛应用于各种伺服系统中。
电流控制参数
电流控制参数是用于调节伺服系统电流环的控制参数，包括电流比例增益、积分时间常数和微分时间常 数等。这些参数的调节直接影响着系统的力矩输出和稳定性。
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数控机床伺服系统的驱动元 件
步进电机
步进电机是一种将脉冲信号转换 为线性运动的装置，通过控制脉 冲频率和数量来控制电机的转速
数控技术第二版 课后答案 朱晓春
数控技术第二版章节练习答案第一章绪论1.1数控机床是由哪几部分组成，它的工作流程是什么？答：数控机床由输入装置、CNC装置、伺服系统和机床的机械部件构成。
数控加工程序的编制-输入-译码-刀具补偿-插补-位置控制和机床加工1.2 数控机床的组成及各部分基本功能答：组成：由输入输出设备、数控装置、伺服系统、测量反馈装置和机床本体组成输入输出设备：实现程序编制、程序和数据的输入以及显示、存储和打印数控装置：接受来自输入设备的程序和数据，并按输入信息的要求完成数值计算、逻辑判断和输入输出控制等功能。
伺服系统：接受数控装置的指令，驱动机床执行机构运动的驱动部件。
测量反馈装置：检测速度和位移，并将信息反馈给数控装置，构成闭环控制系统。
机床本体：用于完成各种切削加工的机械部分。
1.3．什么是点位控制、直线控制、轮廓控制数控机床？三者如何区别？答：（1）点位控制数控机床特点：只与运动速度有关，而与运动轨迹无关。
如：数控钻床、数控镗床和数控冲床等。
（2）直线控制数控机床特点：a.既要控制点与点之间的准确定位，又要控制两相关点之间的位移速度和路线。
b.通常具有刀具半径补偿和长度补偿功能，以及主轴转速控制功能。
如：简易数控车床和简易数控铣床等。
（3）连续控制数控机床（轮廓控制数控机床）：对刀具相对工件的位置，刀具的进给速度以及它的运动轨迹严加控制的系统。
具有点位控制系统的全部功能，适用于连续轮廓、曲面加工。
1.5．按伺服系统的控制原理分类，分为哪几类数控机床？各有何特点？答：（1）开环控制的数控机床；其特点：a.驱动元件为步进电机；b.采用脉冲插补法：逐点比较法、数字积分法；c.通常采用降速齿轮；d. 价格低廉，精度及稳定性差。
（2）闭环控制系统；其特点：a. 反馈信号取自于机床的最终运动部件（机床工作台）；b. 主要检测机床工作台的位移量；c. 精度高，稳定性难以控制，价格高。
（3）半闭环控制系统：其特点：a. 反馈信号取自于传动链的旋转部位；b. 检测电动机轴上的角位移；c. 精度及稳定性较高，价格适中。
第6章 数控机床的伺服系统
Um ——激磁电压幅值； k ——电磁耦合系数，k＜1；
θ ——相位角，亦即转子偏转角。
当转子反转时同样可得到
U 2 kU m cos(t )
结论：转子输出电压的相位角和转子的 偏转角θ之间有严格的对应关系，只要检 测出转子的输出电压的相位角，就可以 求得转子的偏转角，也就可得到被测轴 的角位移（因为在结构上被测轴与旋转 变压器的转子连接在一起）。
第6章 数控机床的伺服系统
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，操作维护 方便，可靠性高。电器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。 电气伺服系统又分为直流伺服系统和交流伺服系统。
直流伺服系统 其进给运动系统采用大惯量宽调速永磁直流 伺服电机和中小惯量直流伺服电机；主运动系统采用他激直 流伺服电机。其优点是调速性能好；其缺点是有电刷，速度 不高。 交流伺服系统 其进给运动系统采用交流感应异步伺服电机 （一般用于主轴伺服系统）和永磁同步伺服电机（一般用于 进给伺服系统）。优点是结构简单、不需维护、适合于在恶 劣环境下工作；动态响应好、转速高和容量大。
感应同步器按运动方式分为两种：
旋转式：测量角度位移信号，结构包括定子和转子
直线式 ： 测量直线位移信号，结构包括定尺和滑尺
第6章 数控机床的伺服系统
1.直线式感应同步器的结构
1—基板；2—绝缘层；3—绕组；4—屏蔽层
标准直线式感应同步器定尺长度为250mm，滑尺长度为100mm。 定尺安装在机床固定部件上，滑尺安装在移动部件上，两尺平行安 置，之间保持约为（0.25±0.05）mm的间隙。
滑尺在移动一个节距的过程中，感应 同步器定尺绕组的感应电压近似于余弦函 数变化了一个周期。
第六章数控机床的伺服系统-
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。
§6. 2 开环伺服系统及步进电机
3．运行矩频特性 连续运行频率：步进电机启动后，其运行速度能跟踪指令脉冲 频率连续上升而不丢步的最高工作频率。其值远大于启动频率。 运行矩频特性：是描述步进电机在连续运行时，输出转矩与连 续运行频率之间的关系。
（三）步进电机的主要特性
1．矩角特性、最大静态转矩Mjmax和启动转矩Mq
静态：步进电机处于通电状态，转子处在不动状态。
静态转矩Mj ：在电机轴上施加一个负载转矩M，转子会在载荷
方向上转过一个角度θ（失调角），转子因而受到一个电磁转矩
Mj的作用与负载平衡。
Mj
矩角特性：步进电机单 相通电的静态转矩Mj随 失调角θ的变化曲线。
第六章 数控机床的伺服系统
● 数控机床对进给伺服系统的要求 ● 伺服系统的分类及主要特点 ● 常用伺服驱动装置的特点 ● 几种典型位置检测装置工作原理 ● 闭环和半闭环进给伺服系统
第六章 数控机床的伺服系统
CNC装置: 数控系统的“大脑”， 发布“命令”的“指挥所”
进给伺服系统: 数控系统的“四肢”， 一种 “执行机构” 。
T/ (N?m)
15 10 5
o
4
8
12
14
16
20
f/ kHz
§6. 2 开环伺服系统及步进电机
4．加、减速特性
步进电机的加减速特性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启动频率的工作频率时，变化速 度必须逐渐上升；从最高工作频率或高于启动频率的工作频 率停止时，变化速度必须逐渐下降。逐渐上升和下降的加速、 减速时间不能过小，否则会失步或超步。
§6. 2 开环伺服系统及步进电机
3．运行矩频特性 连续运行频率：步进电机启动后，其运行速度能跟踪指令脉冲 频率连续上升而不丢步的最高工作频率。其值远大于启动频率。 运行矩频特性：是描述步进电机在连续运行时，输出转矩与连 续运行频率之间的关系。
（三）步进电机的主要特性
1．矩角特性、最大静态转矩Mjmax和启动转矩Mq
静态：步进电机处于通电状态，转子处在不动状态。
静态转矩Mj ：在电机轴上施加一个负载转矩M，转子会在载荷
方向上转过一个角度θ（失调角），转子因而受到一个电磁转矩
Mj的作用与负载平衡。
Mj
矩角特性：步进电机单 相通电的静态转矩Mj随 失调角θ的变化曲线。
第六章 数控机床的伺服系统
● 数控机床对进给伺服系统的要求 ● 伺服系统的分类及主要特点 ● 常用伺服驱动装置的特点 ● 几种典型位置检测装置工作原理 ● 闭环和半闭环进给伺服系统
第六章 数控机床的伺服系统
CNC装置: 数控系统的“大脑”， 发布“命令”的“指挥所”
进给伺服系统: 数控系统的“四肢”， 一种 “执行机构” 。
T/ (N?m)
15 10 5
o
4
8
12
14
16
20
f/ kHz
§6. 2 开环伺服系统及步进电机
4．加、减速特性
步进电机的加减速特性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启动频率的工作频率时，变化速 度必须逐渐上升；从最高工作频率或高于启动频率的工作频 率停止时，变化速度必须逐渐下降。逐渐上升和下降的加速、 减速时间不能过小，否则会失步或超步。
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1.3 步进电动机的结构和工作原理
（当1）旋反转应磁式场步的进轴电线机与工转作子原直理轴方向一致时，磁通所通过的路
径的磁反阻应最式小步，进与电转机子又横称轴作方磁向阻一步致进时电，机磁。阻反最应大式。电磁机通具有类 似的于转弹子簧本的身性没质有，磁它性力，图只将是转依子靠直转轴子方上向两与个定正子交磁方极向方磁向一致， 达阻到的磁不阻同最而小产的生位转置矩。（磁称通作的反收应缩转使矩转）子。产生力矩并旋转。
快速响应要求： 过渡过程时间要短（200ms ～几ms）；
超调要小。
两者互相矛盾
要合理选择。
（2）4）主调轴调速速范范围围宽要R求N
主调轴速主范要围考RN虑指速生度产控机制械（要无求位电置机控能制提环供）的。最一高般转地速nmax ➢和在最1低:1转00速～n1m0in0之0范比围。内即（：低速）为恒转矩调速；
对进给和主轴伺服控制的要求有所不同：
M
进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制；
P
主轴坐标的伺服控制在低速时为恒转矩
控制，在高速时 为恒功率控制。
n min n j
nmax
主轴伺服电机功率转矩特性曲线
电３流.反电馈气：伺采用服取系样统电阻的、控霍制尔集结成构电路传感器等。
速度反馈当：今采C用N测C系速统发多电采机用、伺光服电电编机码的器位、置旋调转节变系压统器，等下。图 位置反是馈其：典采型用的光电电气编伺码服器系、统旋框转图变。压器、光栅等。
④能频繁起停及正反转：电动机应能承受频繁的起动、 制动和反转。
1、步进电动机
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。即： 当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定 的方向转动一个固定的角度。
1.1 步进电动机的实现控制的方法 通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而
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2、步进电机的工作原理
按电磁吸引的原理工作的。必须抓住两点：
磁力线力图走磁阻最小的路径，从而产生反应力矩 各相定子齿之间彼此错齿1/m齿距，m为相数
几个概念的含义：
一、数控机床对伺服系统的要求 二、伺服驱动系统的基本组成 三、伺服驱动系统的分类
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一、数控机床对伺服系统的要求
1 精度高 一般脉冲当量为0.01—0.001mm 2 快速响应特性好 能在200ms以内恢复平衡 3 调速范围大 调速范围在1—10000之间 4 可靠性好 平均无故障工作时间达一万小时以上。
机械执行部件
电机
☆ 开环伺服系统采用步进电机作为驱动元件； ☆ 没有位置反馈回路和速度反馈回路； ☆ 设备投资低，调试维修方便，但精度差，高速扭矩小； ☆ 用于中、低档数控机床及普通机床改造。
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2
闭环伺服系统
数控 装置 位置控制单元 CNC 插补 指令 + 位置控制调节 器 速度控制单元 +
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Nanjing Forest University
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现代数控技术
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本章
学习目标
掌握开环步进式伺服系统中步进电机的工作原理、 步进电机的驱动控制线路
掌握数控机床位置检测装置中的旋转变压器、感 应同步器、光栅、脉冲编码器工作原理
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1、步进电机的种类及结构
步进电机的种类 概念：每给一个脉冲走一步。 按产生力矩原理分：反应式、激磁式 按输出力矩大小分：伺服式、功率式 按定子数：单定子、双定子、三定子、多定子 按各相绕阻分布：径向分相式、轴向分相式 根据运动方式：回转式、直线式
-
速度控制 调节与驱动
机械执行部件
实际 位置 反馈
实际速 度反馈
电机
检测与反馈单元
☆闭环伺服系统的位置检测装置安装在机床的工作台上； ☆检测装置构成闭环位置控制。 ☆闭环方式被大量用在精度要求较高的大型数控机床上。
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3 半闭环控制系统
数控 装置
位置控制单元 CNC 插补 指令 + 位置控制调节器 速度控制单元 +
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三、伺服驱动系统的分类
一般根据其控制原理和有无位置检测反馈环节 来进行分类：
1 开环伺服系统 2 闭环伺服系统 3 半闭环伺服系统
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1 开环伺服系统
CNC 数控 装置 插补指令 脉冲频率f f、n 脉冲个数n 换算
脉冲环 A相、B相 功率 形分配 放大 变换 C相、…
掌握鉴相式伺服系统和鉴幅式伺服系统工作原理
了解开环增益等概念
重点：步进电机的工作原理、旋转变压器、感应同步
器、光栅、脉冲编码器工作原理、鉴相式伺服系统和 鉴幅式伺服系统工作原理
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学习内容
第一节 概述 第二节 开环步进式伺服系统 第三节 数控机床的检测装置 第四节 闭环伺服系统 第五节 闭环伺服系统分析
一步进电动机 二步进电动机的驱动控制线路 三提高步进驱动伺服精度的措施
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一 步进电动机
1、步进电机的种类及结构 2、步进电机的工作原理 3、步进电机的主要特点 4、步进电机的主要特性 5、步进电机的选择
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二、伺服驱动系统的基本组成
1 2 3 4 比较环节（开环没有） 驱动控制单元 执行元件 反馈检测单元（开环没有）
数控 装置
CNC 插补 指令 比较控制环节 驱动控制单元 机械执行部件
电机
检测与反馈单元
伺服驱动系统的基本组成
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-
速度控制 调节与驱动
机械执行部件
实际位 置Hale Waihona Puke 馈实际速 度反馈电机
检测与反馈单元
☆位置检测元件安装在电动机轴上或丝杠上，用以精确控制电机的角度， 为间接测量； ☆坐标运动的传动链有一部分在位置闭环以外，其传动误差没有得到系统 的补偿； ☆半闭环伺服系统的精度低于闭环系统。 ☆适用于精度要求适中的中小型数控机床。
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第二节 开环步进式伺服系统
采用步进电机的伺服系统又称为开环步进式伺服系统。 脉冲当量一般取0.01或0.001度，脉冲当量越小，进给位 移的分辨率和精度就越高。
60 f
or
f
开环步进式伺服系统主要由：环形脉冲分配器（环 分）功率放大器（功放）步进电机等组成，工作时 从左向右，设计时从右向左。 所以设计时首先选择步进电机。
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第一节 概述
伺服驱动系统是指以位置和速度作为控制对象的自动控制 系统，又称随动系统，即输出随输入而变化。 功用：接受CNC装置送来的进给指令脉冲，经过一定的信 号转换，功率放大，转化为机床各坐标轴的进给运动。 实现器件：步进电机、伺服电机
伺服驱动系统作为一种实现进给运动的执行机构，是数控机床的一个重要 组成部分，在很大程度上决定了数控机床的性能。伺服控制技术是数控机床 的关键技术之一。
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1、步进电机的种类及结构
单定子、径向分布反应式三相伺服步进电机
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2、步进电机的工作原理
以三相、径向、反应式步进电机工作原理为例
组成：转子（带齿）
定子（6个磁极、三相 绕组）。
通电方式：
单三拍正转：A-B-C-A 单三拍反转：A-C-B-A 双三拍正转：AB-BC-CA-AB 双三拍反转：AC-CB-BA-AC 三相六拍正转：A-AB-B-BC-C-CA-A 三相六拍反转：A-AC-C-CB-B-BA-A