进给伺服系统
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准则
变换前后由同样的旋转磁势（即产生同样的旋转磁 场）
方法
A、B、C三相坐标系的交流量→D、Q两相固定坐 标系的交流量→转子磁场定向的M’－T’直角坐标系 的直流量
电动机控制对比
直流电动机
与电机电磁转矩相关的主磁通Φ和电枢电流Ia是相 互独立的两个变量
分别控制励磁电流和电枢电流，即可方便地进行转 矩电压U
改变Ke
即改变磁通量Φ（改 变激磁回路电阻Rj以 改变激磁电流Ij）
在电枢回路中串联调 节电阻Rt，此时，转 速公式变为
n (U IaRa) ke
n U Ia (Ra Rt ) ke
大惯量直流伺服电机
又称：
宽调速直流伺服电机、直流力矩电机
激磁方式：
PWM调速的特点
开关频率高 纹波系数低 频带较宽 可在高峰值电流下工作
4.4 交流伺服系统
含义：
使用AC电机的伺服系统
分类：
交流感应电机（异步）：结构简单，容量大， 价格低，一般用作主运动的驱动电路
交流同步电机（永磁）：进给运动的驱动电 机
永磁同步式交流伺服电机
组成：
交流伺服电机调速
永磁式
特点：
输出力矩大：
高性能的磁性材料，产生强磁场φ，具有大的矫顽力和足 够的厚度，能承受高的峰值电流以满足快的加减速要求
增加转子的槽数和槽的截面积，增大磁极对数，使得转矩惯量比增大，电枢电感减小，电机的机械时间常数和电气 时间常数都减小，改善响应的快速性。
大惯量直流伺服电机
特点：
大惯量的结构使在长期过载工作时具有大的 热容量，过载能力强，允许持续过载的时间 长。
之内成为不稳定因素，设计和调试较困难
4.2 步进电机及其调速
步进电机的结构与工作原理 步进电机的特征参数 步进电机开环进给的传动计算及电机选
用 步进电机的驱动
步进电机的结构与工作原理
步进电机控制原理：
电脉冲信号→角位移 脉冲数→位移 脉冲频率→转速
缺点：
容易失步（大负载和高速情况下）
速度。 决定于负载惯量J、定子相数、通电方式、
控制电路的功率放大级
转矩——频率特性
负载转矩越大，工作频 率越低，符合加工实际 需求
在步进电机运行时，对 应于某一频率，只有当 负载转矩小于它在该频 率时的最大动态转矩， 电机才能正常运转
应根据负载要求参照高 频输出转矩来选用步进 电机的规格
步进电机开环进给的传动计算及电机选用 传动计算
4.1 概述
4.1.1 基本定义 4.1.2 伺服系统的基本要求 4.1.3 分类
4.1.1 基本定义
伺服系统
根据数控装置给出的指令控制工作台的速度、 位移或主轴转速的控制系统。
分类：
进给伺服系统 主轴伺服系统
进给伺服系统
组成
伺服驱动电路 伺服驱动装置（电机） 位置检测装置 机械传动机构 执行部件
过转轴传到丝杠，若不采取措施，丝杠热变 形将影响传动精度 电机电刷易磨损，维修保养也存在一定问题。
直流伺服电机的运行特性
直流伺服电机的调速系统
可控硅调速系统 脉冲调宽调速系统（PWM）
直流伺服电机的可控硅调速系统
又称：
晶闸管供电转速电流双闭环直流调速系统
Ud
PWM控制示意图
通过改变脉冲宽度的方法来改变电枢回路的 平均电压，达到电机调速的目的
空载时，步进电机由静止突然启动，并 不失步地进入稳速运行，所允许的启动 频率fg的最高值。
启停频率>fg时，步进电机不能正常运行。 fg与步进电机的惯性负载J有关，J↑ fg ↓ CNC机床加速度受限于fg
连续运行的最高工作频率
步进电机连续运行时所能接受的最高控 制频率
远大于启动频率 与步距角一起决定执行部件的最大运动
根据驱动装置分
步进电机驱动系统 直流电机驱动系统 交流电机驱动系统
开环
开环与闭环
闭环
负载变化时，速度也随着 变化，需人为修正
结构简单，易于控制，精 度差，低速不平稳，高速 扭矩小
用于轻负载且负载变化不 大的场合
不间断的比较系统输 入与驱动输出
全闭环
半闭环
开环进给伺服系统
伺服驱动装置：
低速高转矩和大惯量结构可以与机床进给丝 杠直接连接；
电机轴上装有精密的测速发电机、旋转变压 器或脉冲编码器，从而可以得到精密的速度 和位置检测信号，以反馈到速度控制单元和 位置控制单元。
大惯量直流伺服电机
缺点：
控制不如步进电机简单 快速响应性能不如小惯量电机 耐温可达150～200℃，转子温度高，热量通
据电机学知，交流异步电机的转速表达式为：
n 60 f1 1 s
p
式中 f1—定子电源频率（Hz）； p—磁极对数； s—转差率。
交流伺服电机变频调速的关键：获得调频调压 的交流电流
交流伺服电机变频调速
正弦波脉宽调制信号
矢量变换控制原理
目的
建立一个与交流电动机等效的直流电动机模型，得 到与直流电机相同的优异控制性能。
单电压功率放大器 双电压功率放大器
功率放大器
单电压供电功放器用于小功率步进电机驱动
步进电机的特征参数
步距角及误差 静态矩角特性 最大启动转矩 最高启动频率 连续运行的最高工作频率 转矩—频率特性
步距角及误差
步距角
K：比例系数，相邻两次通 电的相数相同K=1，否则 K=2。
m：定子相数 z：转子齿数
性能取决于
各组成环节的特性 各环节性能参数的合
理匹配
4.1.2 伺服系统的技术要求
位移精度
控制分辨率、位置精度、重复精度 0.01~0.001mm 0.1μm
调速范围宽
需要足够的调速范围来达到最优的金属切除率
反向死区小 能频繁启、停和正反转 快速性和稳定性
快速性和稳定性
动态响应快（快速性）：
步进电机的结构与工作原理
单三拍：A→B →C →A 双三拍：AB →BC →CA →AB 三相六拍：A →AB →B →BC → C→ CA →A
步进电机的驱动电路
环形分配器（环分器）
控制脉冲通过环分器 控制步进电机励磁绕 组按一定顺序通、断 电
硬件、软件
功率放大器
功率放大，脉冲电流 1~10A，每一相绕组 都有一套
单输入单输出的单变量控制系统
交流电机
定子与转子间存在强烈的电磁耦合关系 I2时刻影响着气隙磁通 定子电压和电流均是随时间交变的矢量，而磁通是
空间交变矢量 如仅仅控制定子电压和频率，其输出机械特性受到
磁通的影响将不会是线性的
交流电机等效变换
矢量控制变频调速系统（SPWM）
步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达
位移精度取决：
步进电机的角位移精度 齿轮丝杠等传动元件的导程或节矩精度 系统的摩擦阻尼特性
性能
定位精度：±0.02mm，±0.01mm 速度：脉冲当量为0.01mm时，不超过5m/min
特点：
结构简单，用于精度要求不高的机床
闭环和半闭环进给伺服系统
驱动装置：
α：步距角 i：齿轮传动链的传动比 δ：脉冲当量 t：滚珠丝杠导程
电机选用原则
满足精度要求 输出转矩>负载转矩（工作矩频特性、起
动矩频特性曲线，由频率f查找M） 步距角与机械系统匹配，以得到机床所
需的脉冲当量 最高运行频率必须满足机床快速性要求。
4.3 直流伺服电机及其调速系统
直流伺服电机调速
步距误差：一周内各步误差 的最大值，由制造精度、齿 槽分布、气隙因素决定。误 差不累积，下一周误差分布 情况与这一周相同。
静态矩角特性
最大启动转矩
步进电机启动时能承受的最大负载转矩 Mq。若大于Mq ，电机不能启动。
在最大静转矩相同的条件下，相数增大 时，步进电动机带负载能力也相应增大。
最高启动频率
直流伺服电机的脉冲调宽调速系统
脉冲宽度调制电路C
任务：
将速度指令电压信号转换成脉冲周期固定而宽度可 由速度指令电压信号的大小调节变化的脉冲电压。
组成：
调制信号发生器（三角波或锯齿波） 比较器 脉冲分配器
输出脉冲电压：控制脉宽调制放大器PWM的 基极b1～b4
晶体管脉宽放大器（PWM）
双极式PWM变换器工作原理
直流或交流伺服电机、电液伺服阀—液压马达。
位移精度取决于：
检测装置的分辨率和精度
性能指标：
定位精度：±0.005~0.01mm，±0.1μm 移动速度：与导程为10mm的丝杠直连，
1~30m/min
特点：
控制执行部件以给定的速度向消除偏差的方向运动。 结构较复杂，成本较高；机械传动机构包含在系统
到达稳态值的时间越短越好 200~100ms，<几十ms 反映系统跟踪精度的高低，直接影响轮廓加工精度
高度和表面加工质量
稳定性：
信号经过振荡后达到的稳态值与理论稳态的差值e 越小越好
负载特性要硬，当负载发生变化或受外界干扰时， 输出基本不变，保持平稳均匀
4.1.3 分类
根据有无反馈环分
开环、闭环、半闭环
变换前后由同样的旋转磁势（即产生同样的旋转磁 场）
方法
A、B、C三相坐标系的交流量→D、Q两相固定坐 标系的交流量→转子磁场定向的M’－T’直角坐标系 的直流量
电动机控制对比
直流电动机
与电机电磁转矩相关的主磁通Φ和电枢电流Ia是相 互独立的两个变量
分别控制励磁电流和电枢电流，即可方便地进行转 矩电压U
改变Ke
即改变磁通量Φ（改 变激磁回路电阻Rj以 改变激磁电流Ij）
在电枢回路中串联调 节电阻Rt，此时，转 速公式变为
n (U IaRa) ke
n U Ia (Ra Rt ) ke
大惯量直流伺服电机
又称：
宽调速直流伺服电机、直流力矩电机
激磁方式：
PWM调速的特点
开关频率高 纹波系数低 频带较宽 可在高峰值电流下工作
4.4 交流伺服系统
含义：
使用AC电机的伺服系统
分类：
交流感应电机（异步）：结构简单，容量大， 价格低，一般用作主运动的驱动电路
交流同步电机（永磁）：进给运动的驱动电 机
永磁同步式交流伺服电机
组成：
交流伺服电机调速
永磁式
特点：
输出力矩大：
高性能的磁性材料，产生强磁场φ，具有大的矫顽力和足 够的厚度，能承受高的峰值电流以满足快的加减速要求
增加转子的槽数和槽的截面积，增大磁极对数，使得转矩惯量比增大，电枢电感减小，电机的机械时间常数和电气 时间常数都减小，改善响应的快速性。
大惯量直流伺服电机
特点：
大惯量的结构使在长期过载工作时具有大的 热容量，过载能力强，允许持续过载的时间 长。
之内成为不稳定因素，设计和调试较困难
4.2 步进电机及其调速
步进电机的结构与工作原理 步进电机的特征参数 步进电机开环进给的传动计算及电机选
用 步进电机的驱动
步进电机的结构与工作原理
步进电机控制原理：
电脉冲信号→角位移 脉冲数→位移 脉冲频率→转速
缺点：
容易失步（大负载和高速情况下）
速度。 决定于负载惯量J、定子相数、通电方式、
控制电路的功率放大级
转矩——频率特性
负载转矩越大，工作频 率越低，符合加工实际 需求
在步进电机运行时，对 应于某一频率，只有当 负载转矩小于它在该频 率时的最大动态转矩， 电机才能正常运转
应根据负载要求参照高 频输出转矩来选用步进 电机的规格
步进电机开环进给的传动计算及电机选用 传动计算
4.1 概述
4.1.1 基本定义 4.1.2 伺服系统的基本要求 4.1.3 分类
4.1.1 基本定义
伺服系统
根据数控装置给出的指令控制工作台的速度、 位移或主轴转速的控制系统。
分类：
进给伺服系统 主轴伺服系统
进给伺服系统
组成
伺服驱动电路 伺服驱动装置（电机） 位置检测装置 机械传动机构 执行部件
过转轴传到丝杠，若不采取措施，丝杠热变 形将影响传动精度 电机电刷易磨损，维修保养也存在一定问题。
直流伺服电机的运行特性
直流伺服电机的调速系统
可控硅调速系统 脉冲调宽调速系统（PWM）
直流伺服电机的可控硅调速系统
又称：
晶闸管供电转速电流双闭环直流调速系统
Ud
PWM控制示意图
通过改变脉冲宽度的方法来改变电枢回路的 平均电压，达到电机调速的目的
空载时，步进电机由静止突然启动，并 不失步地进入稳速运行，所允许的启动 频率fg的最高值。
启停频率>fg时，步进电机不能正常运行。 fg与步进电机的惯性负载J有关，J↑ fg ↓ CNC机床加速度受限于fg
连续运行的最高工作频率
步进电机连续运行时所能接受的最高控 制频率
远大于启动频率 与步距角一起决定执行部件的最大运动
根据驱动装置分
步进电机驱动系统 直流电机驱动系统 交流电机驱动系统
开环
开环与闭环
闭环
负载变化时，速度也随着 变化，需人为修正
结构简单，易于控制，精 度差，低速不平稳，高速 扭矩小
用于轻负载且负载变化不 大的场合
不间断的比较系统输 入与驱动输出
全闭环
半闭环
开环进给伺服系统
伺服驱动装置：
低速高转矩和大惯量结构可以与机床进给丝 杠直接连接；
电机轴上装有精密的测速发电机、旋转变压 器或脉冲编码器，从而可以得到精密的速度 和位置检测信号，以反馈到速度控制单元和 位置控制单元。
大惯量直流伺服电机
缺点：
控制不如步进电机简单 快速响应性能不如小惯量电机 耐温可达150～200℃，转子温度高，热量通
据电机学知，交流异步电机的转速表达式为：
n 60 f1 1 s
p
式中 f1—定子电源频率（Hz）； p—磁极对数； s—转差率。
交流伺服电机变频调速的关键：获得调频调压 的交流电流
交流伺服电机变频调速
正弦波脉宽调制信号
矢量变换控制原理
目的
建立一个与交流电动机等效的直流电动机模型，得 到与直流电机相同的优异控制性能。
单电压功率放大器 双电压功率放大器
功率放大器
单电压供电功放器用于小功率步进电机驱动
步进电机的特征参数
步距角及误差 静态矩角特性 最大启动转矩 最高启动频率 连续运行的最高工作频率 转矩—频率特性
步距角及误差
步距角
K：比例系数，相邻两次通 电的相数相同K=1，否则 K=2。
m：定子相数 z：转子齿数
性能取决于
各组成环节的特性 各环节性能参数的合
理匹配
4.1.2 伺服系统的技术要求
位移精度
控制分辨率、位置精度、重复精度 0.01~0.001mm 0.1μm
调速范围宽
需要足够的调速范围来达到最优的金属切除率
反向死区小 能频繁启、停和正反转 快速性和稳定性
快速性和稳定性
动态响应快（快速性）：
步进电机的结构与工作原理
单三拍：A→B →C →A 双三拍：AB →BC →CA →AB 三相六拍：A →AB →B →BC → C→ CA →A
步进电机的驱动电路
环形分配器（环分器）
控制脉冲通过环分器 控制步进电机励磁绕 组按一定顺序通、断 电
硬件、软件
功率放大器
功率放大，脉冲电流 1~10A，每一相绕组 都有一套
单输入单输出的单变量控制系统
交流电机
定子与转子间存在强烈的电磁耦合关系 I2时刻影响着气隙磁通 定子电压和电流均是随时间交变的矢量，而磁通是
空间交变矢量 如仅仅控制定子电压和频率，其输出机械特性受到
磁通的影响将不会是线性的
交流电机等效变换
矢量控制变频调速系统（SPWM）
步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达
位移精度取决：
步进电机的角位移精度 齿轮丝杠等传动元件的导程或节矩精度 系统的摩擦阻尼特性
性能
定位精度：±0.02mm，±0.01mm 速度：脉冲当量为0.01mm时，不超过5m/min
特点：
结构简单，用于精度要求不高的机床
闭环和半闭环进给伺服系统
驱动装置：
α：步距角 i：齿轮传动链的传动比 δ：脉冲当量 t：滚珠丝杠导程
电机选用原则
满足精度要求 输出转矩>负载转矩（工作矩频特性、起
动矩频特性曲线，由频率f查找M） 步距角与机械系统匹配，以得到机床所
需的脉冲当量 最高运行频率必须满足机床快速性要求。
4.3 直流伺服电机及其调速系统
直流伺服电机调速
步距误差：一周内各步误差 的最大值，由制造精度、齿 槽分布、气隙因素决定。误 差不累积，下一周误差分布 情况与这一周相同。
静态矩角特性
最大启动转矩
步进电机启动时能承受的最大负载转矩 Mq。若大于Mq ，电机不能启动。
在最大静转矩相同的条件下，相数增大 时，步进电动机带负载能力也相应增大。
最高启动频率
直流伺服电机的脉冲调宽调速系统
脉冲宽度调制电路C
任务：
将速度指令电压信号转换成脉冲周期固定而宽度可 由速度指令电压信号的大小调节变化的脉冲电压。
组成：
调制信号发生器（三角波或锯齿波） 比较器 脉冲分配器
输出脉冲电压：控制脉宽调制放大器PWM的 基极b1～b4
晶体管脉宽放大器（PWM）
双极式PWM变换器工作原理
直流或交流伺服电机、电液伺服阀—液压马达。
位移精度取决于：
检测装置的分辨率和精度
性能指标：
定位精度：±0.005~0.01mm，±0.1μm 移动速度：与导程为10mm的丝杠直连，
1~30m/min
特点：
控制执行部件以给定的速度向消除偏差的方向运动。 结构较复杂，成本较高；机械传动机构包含在系统
到达稳态值的时间越短越好 200~100ms，<几十ms 反映系统跟踪精度的高低，直接影响轮廓加工精度
高度和表面加工质量
稳定性：
信号经过振荡后达到的稳态值与理论稳态的差值e 越小越好
负载特性要硬，当负载发生变化或受外界干扰时， 输出基本不变，保持平稳均匀
4.1.3 分类
根据有无反馈环分
开环、闭环、半闭环