数控机床的伺服驱动系统
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第4章 数控机床伺服系统
图4-7 永磁直流伺服电动机
第4章 数控机床伺服系统
第4章 数控机床伺服系统 工作原理：假设是单三拍通电工作方式。 （1）A 相通电时，定子A 相的五个小齿和转子对 齐。此时，B 相和 A 相空间差120，含 1 120/9 = 13 齿 3 2 A 相和 C 相差240，含240/ 9 = 26 个 3 齿。所以，A 相的转子、定子的五个小齿对 齐时，B 相、C 相不能对齐，B相的转子、 定子相差 1/3 个齿（3），C相的转子、定 子相差2/3个齿（6）。
mz2 k
式中：n —转速（r/min）； f —控制脉冲频率，即每秒输入步进电动机的脉冲数； 由上式可知：工作台移动的速度由指令脉冲的频率所控制。
第4章 数控机床伺服系统 特点：
(1)来一个脉冲，转一个步距角。
(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。
(3)改变脉冲顺序，改变方向。
种类：
有励磁式和反应式两种。两种的区别在于励磁式步进电机的转 子上有励磁线圈，反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。
第4章 数控机床伺服系统
计算机数控系统 机床 I/O 电路和装置 操作面板 键盘 输入输出 设备 机 床
PLC
计算机 数 装 控 置
主轴伺服单元
主轴驱动装置
进给伺服单元 测量装置
进给驱动装置
主进辅 运给助 传控 动 动制 机机机 构构构
数控机床的组成
第4章 数控机床伺服系统
第4章
数控机床伺服系统
第4章 数控机床伺服系统
360o s mz2 k
第4章 数控机床伺服系统
每个步距角对应工作台一个位移值，这个位移值称为脉 冲当量。 因此，只要控制指令脉冲的数量即可控制工作台移动的 位移量。步距角越小，它所达到的位置精度越高，因此实际 使用的步进电动机一般都有较小的步距角。 步进电动机的转速公式为：n 60 f
第4章 数控机床伺服系统
第4章 数控机床伺服系统 工作原理：假设是单三拍通电工作方式。 （1）A 相通电时，定子A 相的五个小齿和转子对 齐。此时，B 相和 A 相空间差120，含 1 120/9 = 13 齿 3 2 A 相和 C 相差240，含240/ 9 = 26 个 3 齿。所以，A 相的转子、定子的五个小齿对 齐时，B 相、C 相不能对齐，B相的转子、 定子相差 1/3 个齿（3），C相的转子、定 子相差2/3个齿（6）。
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式中：n —转速（r/min）； f —控制脉冲频率，即每秒输入步进电动机的脉冲数； 由上式可知：工作台移动的速度由指令脉冲的频率所控制。
第4章 数控机床伺服系统 特点：
(1)来一个脉冲，转一个步距角。
(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。
(3)改变脉冲顺序，改变方向。
种类：
有励磁式和反应式两种。两种的区别在于励磁式步进电机的转 子上有励磁线圈，反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。
第4章 数控机床伺服系统
计算机数控系统 机床 I/O 电路和装置 操作面板 键盘 输入输出 设备 机 床
PLC
计算机 数 装 控 置
主轴伺服单元
主轴驱动装置
进给伺服单元 测量装置
进给驱动装置
主进辅 运给助 传控 动 动制 机机机 构构构
数控机床的组成
第4章 数控机床伺服系统
第4章
数控机床伺服系统
第4章 数控机床伺服系统
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第4章 数控机床伺服系统
每个步距角对应工作台一个位移值，这个位移值称为脉 冲当量。 因此，只要控制指令脉冲的数量即可控制工作台移动的 位移量。步距角越小，它所达到的位置精度越高，因此实际 使用的步进电动机一般都有较小的步距角。 步进电动机的转速公式为：n 60 f
5数控机床伺服驱动和检测
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第一节 概述
但直流电机有电刷，限制了转速的提高，而且结构复杂，价格 也高。进入80年代后，由于交流电机调速技术的突破，交流伺服 驱动系统进入电气传动调速控制的各个领域。交流伺服电机，转 子惯量比直流电机小，动态响应好。而且容易维修，制造简单， 适合于在较恶劣环境中使用，易于向大容量、高速度方向发展， 其性能更加优异，已达到或超过直流伺服系统，交流伺服电机已 在数控机床中得到广泛应用。 直线电动机的实质是把旋转电动机沿径向剖开，然后拉直演 变而成，利用电磁作用原理，将电能直接转换成直线运动动能的 一种推力装置，是一种较为理想的驱动装置。在机床进给系统中， 采用直线电动机直接驱动与旋转电动机的最大区别是取消了从电 动机到工作台之间的机械传动环节，把机床进给传动链的长度缩 短为零。正由于这种传动方式，带来了旋转电动机驱动方式无法 达到的性能指标和优点。由于直线电动机在机床中的应用目前还 处于初级阶段，还有待进一步研究和改进。随着各相关配套技术 的发展和直线电动机制造工艺的完善，相信用直线电动机作进给 驱动的机床会得到广泛应用。
选择：①伺服系统要求的分辨率； ②考虑机械传动系统的参数。
分辨率（分辨角）α
设增量式码盘的规格为 n 线/转：
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二、脉冲编码器
第 五 章 数 控 机 床 的 驱 动 装 置
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二、脉冲编码器
第 五 章 数 控 机 床 的 驱 动 装 置
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二、脉冲编码器
第 五 章 数 控 机 床 的 驱 动 装 置
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第一节 概述
数控机床闭环进给系统的一般结构如图所示，这是一个双闭环系统，内环 为速度环，外环为位置环。速度环由速度控制单元、速度检测装置等构成。速 度控制单元是一个独立的单元部件，它是用来控制电机转速的，是速度控制系 统的核心。速度检测装置有测速发电机、脉冲编码器等。位置环是由CNC装置 中的位置控制模块、速度控制单元、位置检测及反馈控制等部分组成。由速度 检测装置提供速度反馈值的速度环控制在进给驱动装置内完成，而装在电动机 轴上或机床工作台上的位置反馈装置提供位置反馈值构成的位置环由数控装置 来完成。伺服系统从外部来看，是一个以位置指令输入和位置控制为输出的位 置闭环控制系统。但从内部的实际工作来看，它是先把位置控制指令转换成相 应的速度信号后，通过调速系统驱动伺服电机，才实现实际位移的。
第五章 数控机床的伺服驱动系统
机可能在过载的条件下工作，这就要求电动机有较强的抗过 载能力。通常要求在数分钟内过载4～6倍而不损坏。
（7）惯性匹配 移动部件加速和降速时都有较大的惯量，由于要求系统
的快速响应性能好，因而电动机的惯量要与移动部件的惯量 匹配。通常要求电动机的惯量不小于移动部件惯量。
数控机床的伺服驱动系统
5.2 位置控制
D/A 转换器
伺服放大器
伺服 电动机
Pf 反馈脉冲
位置检测
脉冲处理
图 5-2 脉冲比较伺服系统结构框图
工作台
光栅或光 电编码器
数控机床的伺服驱动系统
(1) 由计算机数控制装置提供指令的脉冲。 (2) 反映机床工作台实际位置的位置检测器。 (3) 完成指令信号与反馈信号相比较的比较器。 (4) 将比较器输出数字信号转变成伺服电动机模拟控制 信号的数/模转换器。 (5) 执行元件（伺服电动机）。
数控机床的伺服驱动系统
（1）指令脉冲PC=0，这时反馈脉冲Pf=0，则Pe=0，则伺
服电动机的速度给定为零，工作台继续保持静止不动。
（2）现有正向指令PC+=2，可逆计数器加2，在工作台尚 未移动之前，反馈脉冲Pf+=0，可逆计数器输出Pe=Pc+－Pf+=2
－0=2，经转换，速度指令为正，伺服电动机正转，工作台 正向进给。
CP A9 ≥1
CP
RC
+Vcc B
A A10 RD Q +Vcc
A3
DS
A4
Q CP
≥1
A7
DS
CPQ
A8 ≥1
RC
+Vcc BQ
A A11 RD +Vcc
D Q7 A12
（7）惯性匹配 移动部件加速和降速时都有较大的惯量，由于要求系统
的快速响应性能好，因而电动机的惯量要与移动部件的惯量 匹配。通常要求电动机的惯量不小于移动部件惯量。
数控机床的伺服驱动系统
5.2 位置控制
D/A 转换器
伺服放大器
伺服 电动机
Pf 反馈脉冲
位置检测
脉冲处理
图 5-2 脉冲比较伺服系统结构框图
工作台
光栅或光 电编码器
数控机床的伺服驱动系统
(1) 由计算机数控制装置提供指令的脉冲。 (2) 反映机床工作台实际位置的位置检测器。 (3) 完成指令信号与反馈信号相比较的比较器。 (4) 将比较器输出数字信号转变成伺服电动机模拟控制 信号的数/模转换器。 (5) 执行元件（伺服电动机）。
数控机床的伺服驱动系统
（1）指令脉冲PC=0，这时反馈脉冲Pf=0，则Pe=0，则伺
服电动机的速度给定为零，工作台继续保持静止不动。
（2）现有正向指令PC+=2，可逆计数器加2，在工作台尚 未移动之前，反馈脉冲Pf+=0，可逆计数器输出Pe=Pc+－Pf+=2
－0=2，经转换，速度指令为正，伺服电动机正转，工作台 正向进给。
CP A9 ≥1
CP
RC
+Vcc B
A A10 RD Q +Vcc
A3
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A4
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A7
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CPQ
A8 ≥1
RC
+Vcc BQ
A A11 RD +Vcc
D Q7 A12
数控系统伺服驱动器接线及参数设定
数控系统伺服驱动器接线及参数设定数控系统是一种实现数控机床运动控制的系统，它通过数控程序控制伺服驱动器驱动电机实现机床各轴的精确定位和运动控制。
正确的接线和参数设定对于数控系统的稳定运行和良好性能至关重要。
一、数控系统伺服驱动器接线1.电源线接线：将电源线的两根火线分别接入伺服驱动器的AC1和AC2端口，将零线接入伺服驱动器的COM端口。
2.电动机线接线：将电动机的三根相线分别接入伺服驱动器的U、V、W端口，注意保持相序正确。
3.编码器线接线：将编码器的信号线分别接入伺服驱动器的A相、B相和Z相端口，注意保持对应关系。
4.I/O信号线接线：将数控系统的输入信号线分别接入伺服驱动器的I/O端口，将数控系统的输出信号线分别接入伺服驱动器的O/I端口。
二、数控系统伺服驱动器参数设定伺服驱动器的参数设定包括基本参数设定和运动参数设定。
1.基本参数设定：包括电源参数设定、电机参数设定和编码器参数设定。
-电源参数设定：设置电源电压和频率等基本参数，确保电源供电稳定。
-电机参数设定：设置电机类型、额定电流、极数等参数，确保驱动器与电机匹配。
-编码器参数设定：设置编码器型号、分辨率等参数，确保编码器信号精确反馈。
2.运动参数设定：包括速度参数设定、加速度参数设定和位置参数设定。
-速度参数设定：设置速度环的比例增益、积分增益和速度限制等参数，确保速度控制精度。
-加速度参数设定：设置加速度环的比例增益、积分增益和加速度限制等参数，确保加速度控制平稳。
-位置参数设定：设置位置环的比例增益、积分增益和位置限制等参数，确保位置控制准确。
3.其他参数设定：包括滤波参数设定、限位参数设定和插补参数设定等。
-滤波参数设定：设置滤波器的截止频率和衰减系数等参数，确保驱动器与电机的振动减小。
-限位参数设定：设置限位开关的触发逻辑和触发动作等参数，确保机床在限位时及时停止。
-插补参数设定：设置插补周期、插补梯度和插补速度等参数，确保插补运动的平滑与快速。
数控技术 第七章 数控机床的进给伺服系统
三 步进电动机的基本控制方法
（2） 双电压功率放大电路 优点：功耗低，改善了脉冲 优点：功耗低， 前沿。 前沿。 缺点：高低压衔接处电流波 缺点： 形呈凹形， 形呈凹形，使步进电机 输出转矩降低， 输出转矩降低，适用于 大功率和高频工作的步 进电机。 进电机。
三 步进电动机的基本控制方法
（3） 斩波恒流功放电路 优点： 优点：1）R3较小（小 R3较小（ 较小 于兆欧） 于兆欧）使整个 系统功耗下降， 系统功耗下降， 效率提高。 效率提高。 2）主回路不串 电阻， 电阻，电流上升 快，即反应快。 即反应快。 3）由于取样绕 组的反馈作用， 组的反馈作用， 绕组电流可以恒定在确定的数值上， 绕组电流可以恒定在确定的数值上，从而保证在很大频率范 围内，步进电机能输出恒定的转矩。 围内，步进电机能输出恒定的转矩。
二 数控机床对伺服系统的基本要求
1 高精度 一般要求定位精度为0.01~0.001mm； ； 一般要求定位精度为 高档设备的定位精度要求达到0.1um以上。 以上。 高档设备的定位精度要求达到 以上 2 快速响应 3 调速范围宽 调速范围指的是 max/nmin 。 调速范围宽:调速范围指的是 调速范围指的是:n 进给伺服系统:一般要求 进给伺服系统 一般要求0~30m/min，有的已达到 一般要求 ，有的已达到240m/min 主轴伺服系统:要求 主轴伺服系统 要求1:100~1:1000恒转矩调速 要求 恒转矩调速 1:10以上的恒功率调速 以上的恒功率调速
一 直流伺服电动机调速原理
7-30 直流电动机的机械特性
二 直流电动机的PWM调速原理 直流电动机的 调速原理
7-24 脉宽调制示意图 脉宽调制示意图
Ud =
τ
T
U = δ T U δ T 称为导通率
数控系统伺服驱动器接线及参数设定
数控系统伺服驱动器接线及参数设定数控系统是一种将数字信号转化为机电信号控制机床动作的系统，其中伺服驱动器是数控系统的重要组成部分。
接下来将详细介绍数控系统伺服驱动器接线及参数设定的相关内容。
一、数控系统伺服驱动器接线1.电源接线：伺服驱动器需要接入适配的电源，以提供稳定的电源电压。
通常有三种常用的电源接线方式：单相220V接线、三相380V接线、单相220V与三相380V混合接线。
-单相220V接线：适用于功率较小的伺服驱动器。
通常需要连接L、N和G三根导线，L为火线，N为零线，G为地线。
-三相380V接线：适用于功率较大的伺服驱动器。
通常需要连接主线和辅助线。
主线有三根导线：R、S、T分别为三相电的火线，辅助线为PE 线，用于连接设备的接地线。
-单相220V与三相380V混合接线：适用于一些特殊场合，需根据具体情况进行接线。
2.控制信号接线：伺服驱动器需要接收数控系统发出的控制信号，以控制机床的动作。
通常有以下几个常用的控制信号接线方式：-脉冲信号接线：通常需要连接PUL+、PUL-、DIR+和DIR-四个接口。
PUL+为脉冲信号正极，PUL-为脉冲信号负极，DIR+为方向信号正极，DIR-为方向信号负极。
-使能信号接线：通常需要连接ENA+和ENA-两个接口。
ENA+为使能信号正极，ENA-为使能信号负极，当ENA+处于高电平时，伺服驱动器处于使能状态。
-报警信号接线：通常需要连接ALM+和ALM-两个接口。
当伺服驱动器发生故障或异常情况时，会产生报警信号，通过连接报警信号接口，可以及时响应故障并采取相应的措施。
二、数控系统伺服驱动器参数设定伺服驱动器的参数设定是为了使其能够更好地适应具体的机床加工需求，提高加工精度和效率。
1.速度参数设定：包括加速时间、减速时间、最大速度等参数的设定。
通过合理设定速度参数，可以控制机床的加工速度，以满足不同工件加工的需求。
2.位置参数设定：包括回零速度、回零位置、绝对位置、相对位置等参数的设定。
数控机床伺服系统的分类
数控机床伺服系统的分类数控机床伺服系统按用途和功能分为进给驱动系统和主轴驱动系统；按控制原理和有无检测反馈环节分为开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统；按使用的执行元件分为电液伺服系统和电气伺服系统。
1.按用途和功能分：(1)进给驱动系统：是用于数控机床工作台坐标或刀架坐标的控制系统，控制机床各坐标轴的切削进给运动，并提供切削过程所需的力矩。
主要关心其力矩大小、调速范围大小、调节精度高低、动态响应的快速性。
进给驱动系统一般包括速度控制环和位置控制环。
(2)主轴驱动系统：用于控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴提供驱动功率和所需的切削力。
主要关心其是否有足够的功率、宽的恒功率调节范围及速度调节范围；它只是一个速度控制系统。
2.按使用的执行元件分：(1)电液伺服系统其伺服驱动装置是电液脉冲马达和电液伺服马达。
其优点是在低速下可以得到很高的输出力矩，刚性好，时间常数小、反应快和速度平稳；其缺点是液压系统需要供油系统，体积大、噪声、漏油等。
（2）电气伺服系统其伺服驱动装置伺服电机（如步进电机、直流电机和交流电机等）。
其优点是操作维护方便，可靠性高。
其中，1）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。
2）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。
3.按控制原理分（1）开环伺服系统系统中没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置→进给系统），故系统稳定性好。
开环伺服系统的特点：1. 一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。
2. 无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，机床运动精度主要取决于伺服驱动电机和机械传动机构的性能和精度。
步进电机步距误差，齿轮副、丝杠螺母副的传动误差都会反映在零件上，影响零件的精度。
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，
数控机床的进给伺服系统概述
M j max
• 当步进电机励磁绕组相数大于3时，多相通电多数 能提高输出转矩。
• 所以功率较大的步进电机多数采用多于三相的励磁 绕组，且多相通电。
3、启动转矩Mq
AB C Mq
e
当电机所带负载ML<Mq时，电机可不失步的启动。
2、最高启动频率和最高工作频率
最高启动频率fg： 步进电机由静止突然启动，并不失步地进 入稳速运行，所允许的启动频率的最高值。 最高启动频率fg与步进电机的惯性负载J有 关。
故电动机的转速n为：
n f (r/s) 60 f (r/min) f ——控制脉冲的频率
mzk
mzk
SB-58-1型五定子轴向分相反应式步进电机。
• 定子和转子都分为5段，呈轴向分布；有16个 齿均匀分布在圆周上，
• 齿距=360º/16=22.5º；各相定子彼此径向错开 1/5个齿的齿距；
如按5相5拍通电，则步距角为：
4）电动机定子绕组每改变一次通电方式——称为一拍 5）每输入一个脉冲信号，转子转过的角度——步距角αº • 上述通电方式称为：三相单三拍。（三相三拍） • 单——每次通电时，只有一相绕组通电； • 双——每次通电时，有两相绕组通电； • 三拍——经过三次切换绕组的通电状态为一个循环； • 除此之外的通电方式还有： • 三相双三拍： AB—BC—CA—AB • 三相单双六拍： A—AB—B—BC—C—CA—A
第三节 数控机床的检测装置
1、检测装置的作用
• 检测装置是数控机床闭环伺服系统的重要组成部分 • 其作用是：检测位移和速度，发送反馈信号，构成
（1） 直线进给系统 已知：进给系统的脉冲当量δmm；步进电机的
步距角αº；滚珠丝杠的导程t mm；
求： 齿轮传动比 i。
• 当步进电机励磁绕组相数大于3时，多相通电多数 能提高输出转矩。
• 所以功率较大的步进电机多数采用多于三相的励磁 绕组，且多相通电。
3、启动转矩Mq
AB C Mq
e
当电机所带负载ML<Mq时，电机可不失步的启动。
2、最高启动频率和最高工作频率
最高启动频率fg： 步进电机由静止突然启动，并不失步地进 入稳速运行，所允许的启动频率的最高值。 最高启动频率fg与步进电机的惯性负载J有 关。
故电动机的转速n为：
n f (r/s) 60 f (r/min) f ——控制脉冲的频率
mzk
mzk
SB-58-1型五定子轴向分相反应式步进电机。
• 定子和转子都分为5段，呈轴向分布；有16个 齿均匀分布在圆周上，
• 齿距=360º/16=22.5º；各相定子彼此径向错开 1/5个齿的齿距；
如按5相5拍通电，则步距角为：
4）电动机定子绕组每改变一次通电方式——称为一拍 5）每输入一个脉冲信号，转子转过的角度——步距角αº • 上述通电方式称为：三相单三拍。（三相三拍） • 单——每次通电时，只有一相绕组通电； • 双——每次通电时，有两相绕组通电； • 三拍——经过三次切换绕组的通电状态为一个循环； • 除此之外的通电方式还有： • 三相双三拍： AB—BC—CA—AB • 三相单双六拍： A—AB—B—BC—C—CA—A
第三节 数控机床的检测装置
1、检测装置的作用
• 检测装置是数控机床闭环伺服系统的重要组成部分 • 其作用是：检测位移和速度，发送反馈信号，构成
（1） 直线进给系统 已知：进给系统的脉冲当量δmm；步进电机的
步距角αº；滚珠丝杠的导程t mm；
求： 齿轮传动比 i。
数控机床的伺服驱动系统
1
数控机床的伺服驱动系统
伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统，而在数控机床中，伺服系
2
统主要指各坐标轴进给驱动的位置控制系统，它由执行组件（如步进电机、交直流电动机
等）和相应的控制电路组成，包括主驱动和进给驱动。伺服系统接收来自CNC装置的进给
脉冲，经变换和放大，再驱动各加工坐标轴按指令脉冲运动。这些轴有的带动工作台，有
（4）步进电动机的主要特点
步进电动机受脉冲信号的 控制，每输入一个脉冲， 就变换一次绕组的通电状 态，电动机就相应转动一 步。因此角位移与输入脉 冲个数成严格的比例关系。
一旦停止送入控制脉冲， 只要维持控制绕组电流不 变，电动机可以保持在其 固定的位置上，不需要机 械制动装置。
输出转角精度高，虽有相 邻齿距误差；但无积累误 差。
4.3.2.2 直流伺服电动机
直流伺服电动机是数控机床伺服系统中应用最早的，也是使用最广泛的 执行组件。直流伺服电动机有永磁式和电磁式两种结构类型。随着磁性 材料的发展，用稀土材料制作的永磁式直流伺服电动机的性能超过了电 磁式直流伺服电动机，目前广泛应用于机床进给驱动。直流伺服电动机 的工作原理与普通直流电动机完全相同，但工作状态和性能差别很大。 机床进给伺服系统中使用的多为大功率直流伺服电动机，如低惯量电动 机和宽调速电动机等。
θb =
从上面的分析可以看 出，步进电动机转动 的角度取决于定子绕 组的相数、转子齿数 及供电的逻辑状态。 若以θb表示步距角， 则有
（4-12）
360
mzK 式中 m—步进电动机相数；z—转子齿数；K—由 步进电动机控制方式确定的拍数和相数的比例系 数，如三相三拍时，K＝１；而三相六拍制时，K ＝２。 为了提高加工精度，一般要求步距角很小，数控 机床中常用的步进电动机步距角为0.36ｏ～3ｏ
数控机床的伺服驱动系统
伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统，而在数控机床中，伺服系
2
统主要指各坐标轴进给驱动的位置控制系统，它由执行组件（如步进电机、交直流电动机
等）和相应的控制电路组成，包括主驱动和进给驱动。伺服系统接收来自CNC装置的进给
脉冲，经变换和放大，再驱动各加工坐标轴按指令脉冲运动。这些轴有的带动工作台，有
（4）步进电动机的主要特点
步进电动机受脉冲信号的 控制，每输入一个脉冲， 就变换一次绕组的通电状 态，电动机就相应转动一 步。因此角位移与输入脉 冲个数成严格的比例关系。
一旦停止送入控制脉冲， 只要维持控制绕组电流不 变，电动机可以保持在其 固定的位置上，不需要机 械制动装置。
输出转角精度高，虽有相 邻齿距误差；但无积累误 差。
4.3.2.2 直流伺服电动机
直流伺服电动机是数控机床伺服系统中应用最早的，也是使用最广泛的 执行组件。直流伺服电动机有永磁式和电磁式两种结构类型。随着磁性 材料的发展，用稀土材料制作的永磁式直流伺服电动机的性能超过了电 磁式直流伺服电动机，目前广泛应用于机床进给驱动。直流伺服电动机 的工作原理与普通直流电动机完全相同，但工作状态和性能差别很大。 机床进给伺服系统中使用的多为大功率直流伺服电动机，如低惯量电动 机和宽调速电动机等。
θb =
从上面的分析可以看 出，步进电动机转动 的角度取决于定子绕 组的相数、转子齿数 及供电的逻辑状态。 若以θb表示步距角， 则有
（4-12）
360
mzK 式中 m—步进电动机相数；z—转子齿数；K—由 步进电动机控制方式确定的拍数和相数的比例系 数，如三相三拍时，K＝１；而三相六拍制时，K ＝２。 为了提高加工精度，一般要求步距角很小，数控 机床中常用的步进电动机步距角为0.36ｏ～3ｏ
数控机床的伺服系统
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4.2 步进电动机驱动控制系统
4.2.3 步进电动机的驱动控制
1.步进电动机的工作方式 从一相通电换接到另一相通电称为一拍，每拍转子转过一个
步距角。按A→B → C → A → …的顺序通电时，电动机的转 子便会按此顺序一步一步地旋转;反之，若按A → C → B → A→…的顺序通电，则电动机就会反向转动，这种三相依次 单相通电的方式，称为三相单三拍式运行，“单”是指每次 只有一相绕组通电，“三拍”是指一个循环内换接了三次， 即A、B、C三拍。单三拍通电方式每次只有一相控制绕组通 电吸引转子，容易使转子在平衡位置附近产生振荡，运行稳 定性较差;另外，在切换时一相控制绕组断电而另一相控制绕 组开始
4.2.2 步进电动机的工作原理与主要特 性
1.步进电动机的工作原理
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4.2 步进电动机驱动控制系统
步进电动机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。下面以 图4-2所示的一个最简单步进电动机结构为例说明步进电动机 的工作原理。其定子上分布有6个齿极，每两个相对齿极装有 一相励磁绕组，构成三相绕组。
也称为数组的长度。
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6.1 一维数组
对数组的定义应注意以下几点。 (1)数组的类型实际上是指数组元素的取值类型。对于同一
个数组，其所有元素的数据类型都是相同的。 (2)数组名的书写规则应符合标识符的书写规定。 (3)数组名不能与其他变量名相同。 (4)不能在方括号中用变量来表示元素的个数，但是可以用
按伺服控制方式不同，数控机床伺服系统可分为开环、闭环 和半闭环系统。开环型采用步进电动机驱动，控制方式简单， 信号单向传递，无位置反馈，所以精度不高，适用于要求不 高的经济型数控机床中。而闭环控制系统采用直流、交流伺 服电动机驱动，位置检测元件安装于机床运动部件上，
4.2 步进电动机驱动控制系统
4.2.3 步进电动机的驱动控制
1.步进电动机的工作方式 从一相通电换接到另一相通电称为一拍，每拍转子转过一个
步距角。按A→B → C → A → …的顺序通电时，电动机的转 子便会按此顺序一步一步地旋转;反之，若按A → C → B → A→…的顺序通电，则电动机就会反向转动，这种三相依次 单相通电的方式，称为三相单三拍式运行，“单”是指每次 只有一相绕组通电，“三拍”是指一个循环内换接了三次， 即A、B、C三拍。单三拍通电方式每次只有一相控制绕组通 电吸引转子，容易使转子在平衡位置附近产生振荡，运行稳 定性较差;另外，在切换时一相控制绕组断电而另一相控制绕 组开始
4.2.2 步进电动机的工作原理与主要特 性
1.步进电动机的工作原理
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4.2 步进电动机驱动控制系统
步进电动机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。下面以 图4-2所示的一个最简单步进电动机结构为例说明步进电动机 的工作原理。其定子上分布有6个齿极，每两个相对齿极装有 一相励磁绕组，构成三相绕组。
也称为数组的长度。
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6.1 一维数组
对数组的定义应注意以下几点。 (1)数组的类型实际上是指数组元素的取值类型。对于同一
个数组，其所有元素的数据类型都是相同的。 (2)数组名的书写规则应符合标识符的书写规定。 (3)数组名不能与其他变量名相同。 (4)不能在方括号中用变量来表示元素的个数，但是可以用
按伺服控制方式不同，数控机床伺服系统可分为开环、闭环 和半闭环系统。开环型采用步进电动机驱动，控制方式简单， 信号单向传递，无位置反馈，所以精度不高，适用于要求不 高的经济型数控机床中。而闭环控制系统采用直流、交流伺 服电动机驱动，位置检测元件安装于机床运动部件上，
数控机床进给伺服系统的基本结构(共7张PPT)
。
速度控制模块
一进给伺服系统的结构
步进伺服系统原理图
伺服电机、速度检测装置、速度反馈比较环节、速度控制模块 数控机床常见故障诊断与排除 位置指令、位置检测装置、位置反馈比较环节、位置控制模块、速度控制环、机械传动装置 位置指令、位置检测装置、位置反馈比较环节、位置控制模块、速度控制环、机械传动装置 伺服电机、速度检测装置、速度反馈比较环节、速度控制模块 伺服系统的结构通常由位置控制环和速度控制环组成。 伺服电机、速度检测装置、速度反馈比较环节、速度控制模块 数控机床进给伺服系统的基本结构 驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统，机械传动部件和执行部件组成机械传动系统，检测元件和反馈电路组成检测装置（或称作检测系统） 。 驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统，机械传动部件和执行部件组成机械传动系统，检测元件和反馈电路组成检测装置（或称作检测系统） 。 伺服系统的结构通常由位置控制环和速度控制环组成。 位置指令、位置检测装置、位置反馈比较环节、位置控制模块、速度控制环、机械传动装置 驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统，机械传动部件和执行部件组成机械传动系统，检测元件和反馈电路组成检测装置（或称作检测系统） 。
数控机床常见故障诊断与排除 数控机床进给伺服系统的基本结构
一进给伺服系统的结构
数控机床的伺服系统一般由驱动元件、机械传动部件、执行部件和检测反馈环 节等组成。驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统，机械传动部件和执行部
件组成机械传动系统，检测元件和反馈电路组成检测装置（或称作检测系
统）。）。
一进给伺服系统的结构
制环 数控机床的伺服系统一般由驱动元件、机械传动部件、执行部件和检测反馈环节等组成。
伺服电机、速度检测装置、速度反馈比较环节、速度控制模块
数控加工技术-第五章 数控机床的伺服系统
《数控加工技术》
2. 步进电动机的工作原理 反应式步进电动机又叫可变磁阻式 (Variable Reluctance) 步进电动机, 简称 VR 电动机。 (1) 反应式步进电动机的结构
图 5-5 径向式三相反应式电动机的结构原理 1—绕组 2—定子铁心 3—转子铁心 4—A 相
图 5-6 三相轴向分相式反应式步进电动机的结构原理 1—外壳 2—C 段绕组 3—C 段定子 4—转轴 5—C 段检转子 6—空气隙
《数控加工技术》
1. 步进电动机的分类 步进电动机的种类繁多, 步进电动机按运动方式可分为旋转运动、 直线运动、 平面运 动和滚切运动式步进电动机; 按工作原理可分为反应式 (磁阻式)、 电磁式、 永磁式、 永磁 感应子式步进电动机; 按使用场合可分为功率步进电动机和控制步进电动机; 按结构可分为单 段式 (径向式)、 多段式 (轴向式)、 印刷绕组式步进电动机; 按相数可分为三相、 四相、五 相步进电动机等; 按使用频率可分为高频步进电动机和低频步进电动机。 不同类型的步进电 动机, 其工作原理、 驱动装置也不完全一样。
普通高等教育3D版机械类规划教材
数 控 加 工 技 术（3D版）
2020.8
《数控加工技术》
第五章 数控机床的伺服系统
§5-1 数控机床的伺服系统概述 §5-2 伺服系统的驱动元件 §5-3 伺服系统的位置检测装置
《数控加工技术》 5.1 数控机床的伺服系统概述
5.1.1 伺服系统的组成及工作原理
《数控加工技术》
3) 三相六拍工作方式。 若定子绕组的通电顺序是A→AB→B→BC→C→CA→A→……, 这 种通电方式是单、 双相轮流通电。
《数控加工技术》
5.1.3 数控伺服系统的分类
第7章 数控机床的进给伺服系统PPT课件
起动频率fq 的选择 先计算电机轴上的等效负载转动惯量：
式中 J1、J2——齿轮的转动惯量(N·m·s2)；J3——丝杠的转动惯量 d ——冲当量(mm／脉冲)。
然后进行负载启动频率fqF 的估算； 式中 fq——空载启动频率(Hz)，T——由矩频特性决定的力矩(Nm)
J——电机转子转动惯量(N·m·s2)。 依照机床要求的启动频率fqF ，可选择fq
第七章 数控机床的进给伺服系统
7-1 概述 7-2 步进电动机及其驱动系统 7-3 直流伺服电动机及其速度控制 7-4 交流伺服电动机及其速度控制 7-5 主轴驱动 7-6 位置控制
§ 7-1 概述
立式铣床
加工中心 刀库刀具定位电机 机械手旋转定位电机
带制动器伺服电机 主轴电机
伺服电机
伺服驱动系统（Servo System)
称做空载运行频率fmax。它也是步进电动机的重要性能指标，对于提高 生产率和系统的快速性具有重要意义。
fmax 应能满足机床工作台最高运行速度。
6. 运行矩频特性 运行矩频特性T＝f(F)是描述步进电动
机连续稳定运行时，输出转矩T与连续运行 T 频率之间的关系。它是衡量步进电动机运转 时承载能力的动态性能指标。
f
三、步进电动机驱动电源 1. 作用 发出一定功率的电脉冲信号，使定子励磁绕组顺序通电。 2. 基本要求 （1）电源的基本参数与电动机相适应； （2）满足步进电动机起动频率和运行频率的要求； （3）抗干扰能力强，工作可靠； （4）成本低，效率高，安装维修方便。
1.步距角 步进电动机每步的转角称为步距角，计算公式：
θ＝ 360 (°) Z mK
式中 m—步进电动机相数 Z—转子齿数 K—控制方式系数， K=拍数p/相数m
式中 J1、J2——齿轮的转动惯量(N·m·s2)；J3——丝杠的转动惯量 d ——冲当量(mm／脉冲)。
然后进行负载启动频率fqF 的估算； 式中 fq——空载启动频率(Hz)，T——由矩频特性决定的力矩(Nm)
J——电机转子转动惯量(N·m·s2)。 依照机床要求的启动频率fqF ，可选择fq
第七章 数控机床的进给伺服系统
7-1 概述 7-2 步进电动机及其驱动系统 7-3 直流伺服电动机及其速度控制 7-4 交流伺服电动机及其速度控制 7-5 主轴驱动 7-6 位置控制
§ 7-1 概述
立式铣床
加工中心 刀库刀具定位电机 机械手旋转定位电机
带制动器伺服电机 主轴电机
伺服电机
伺服驱动系统（Servo System)
称做空载运行频率fmax。它也是步进电动机的重要性能指标，对于提高 生产率和系统的快速性具有重要意义。
fmax 应能满足机床工作台最高运行速度。
6. 运行矩频特性 运行矩频特性T＝f(F)是描述步进电动
机连续稳定运行时，输出转矩T与连续运行 T 频率之间的关系。它是衡量步进电动机运转 时承载能力的动态性能指标。
f
三、步进电动机驱动电源 1. 作用 发出一定功率的电脉冲信号，使定子励磁绕组顺序通电。 2. 基本要求 （1）电源的基本参数与电动机相适应； （2）满足步进电动机起动频率和运行频率的要求； （3）抗干扰能力强，工作可靠； （4）成本低，效率高，安装维修方便。
1.步距角 步进电动机每步的转角称为步距角，计算公式：
θ＝ 360 (°) Z mK
式中 m—步进电动机相数 Z—转子齿数 K—控制方式系数， K=拍数p/相数m
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伺服系统结构图
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❖ 伺服系统的主要功能就是从数控系统接收微 小的电控信号（5V左右，mA级），放大成强 电的驱动信号（几十、上百伏、安培级）， 用以驱动伺服系统的执行元件——伺服电动 机，将电控信号的变化，转换成电动机输出 轴的角位移或角速度的变化，从而带动机床 主体部件（如工作台、主轴或刀具进给等） 运动，实现对机床主体运动的速度控制和位 置控制，达到加工出所需工件的外形和尺寸 的最终目标。
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❖ 对伺服电机的要求：
❖ （1）调运范围宽且有良好的稳定性，低速 时的速度平稳,无爬行现象。
❖ （2）电机应具有大的、较长时间的过载能 力，以满足低速大转矩的要求。
❖ （3）反应速度快，电机必须具有较小的转 动惯量、较大的转矩、尽可能小的机电时 间常数和很大的加速度(400rad/s2以上)。
❖ 该系统包括了大量的电力电子器件，结构复 杂，综合性强。
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❖ 伺服系统是数控机床的重要组成部分。伺服 系统位于数控机床数控系统与机床主体之间， 伺服系统是数控装置(计算机)和机床的联系环 节。 伺服系统的作用示意图见下图。
指令
动作
CNC系统
伺服系统
机床
•脉冲频率 •脉冲数量
•速度 •位置
伺服系统的作用示意图
❖ 两者的共同之处是通过系统的执行元件直接或通过 机械传动装置间接带动被控制对象，完成给定控制 规律要求的动作。不同之处可以用位移与速度之间 的关系来理解。
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（一）位置控制系统的主要技术指标
1.系统静态误差。 2.速度误差和正弦跟踪误差。 3.速度品质因数和加速度品质因数。 4.最大跟踪角速度、最低平滑角速度、最大角加
❖ （4）能承受频繁的起动、制动和正反转。
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❖ 三、位置控制系统和速度控制系统的主要技 术指标
❖ 位置控制系统是保证位置精度的重要环节。
❖ 速度控制系统由速度控制单元、伺服电动机、速度 检测装置等构成。速度控制系统的核心是速度控制 单元，用来控制电动机转速。
❖ 一般的位置控制包括位置环和速度环，具有位置控 制环节的系统才是真正的伺服系统。
第6 章 数控机床的伺服驱动系统
机械电子工程系 机械设计制造及其自动化教研室
李德俭 副教授
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目录
第一节 概 述 第二节 步进电动机伺服系统 第三节 数控机床的位置检测装置 第四节 直流电动机伺服系统 第五节 交流电动机伺服系统 复习题
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第一节 概 述
❖ 一、数控机床伺服系统的概念及组成
❖ 数控机床伺服系统是指以数控机床移动部件 的位置和速度作为控制对象的自动控制系统。 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，转化为直线 或旋转运动。数控机床伺服系统又称为位置 随动系统、驱动系统、伺服机构或伺服单元。
6
h
❖ 伺服系统的组成
❖ 组成：伺服电机
❖
驱动信号控制转换电路
❖
电子电力驱动放大模块
❖
位置调节单元
❖
速度调节单 一般闭环系统为三环结构：位置环、速度环、 电流环。
7
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❖ 伺服系统的组成
位置调解
速度调解
电流调解
转换驱动
M
工作台
电流反馈
G
速度反馈
位置反馈
位置、速度和电流环均由：调节控制模块、检测
速度。
5.振幅指标和频带宽度。 6.系统对阶跃信号输入的响应特性。 7.等速跟踪状态下，负载扰动所造成的瞬时误差
和过渡过程时间。
8.对系统工作制、平均无故障时间（MTBF）、 可靠性、使用寿命的要求。
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（二）速度控制系统的主要技术要求 1.被控对象的最高运行速度 2.最低平滑速度。 3.速度调节的连续性和平滑性要求。 4.静差率或转速降。 5.对阶跃信号输入下系统的响应特性。 6.负载扰动下的系统响应特性。 7.对系统工作制、平均无故障工作时间、
和反馈部分组成。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。
严格来说：位置控制包括位置、速度和电流控制；
速度控制包括速度和电流控制。
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❖二、伺服系统应具有的基本性能
❖ ⑴ 精度高 ❖ ⑵ 稳定性好 ❖ ⑶ 快速响应好 ❖ ⑷调速范围宽 ❖ ⑸低速大转矩
••复的调伺快❖进力现重速由❖外调服速给较稳输要范于界节系响都大定围机入指干过统应比，是是床扰程量标较这的是指指在作后的，大就精伺生系低用，精它要，产度服统速下达确反求也机切是 系在到，主就程 映械削给指 统新能要轴是度 了时定的在输 动求电说，。 系输或短出 态电动吃切包 统入者暂量 品机机刀深恢的或括 的能 质输和抗 能比•工刀数的服异给3定•除机求精起精设以跟加统还也的的1内为0为5出机杠这的•控持制供控提。零具控范电的伺m进位了械具度着度备内踪工除要就升加。0适/复响度•性境具定载使好进了转制这在较制0直的床就供0件的机围机调服m要给精要精有和主为的。表了是降速r应i、、有性或进的给。到数～矩，个低大，接转的要保/的的种床内要速系n求坐度求度足进要定面要良要速度0不稳负足。切给系速，m2原控在转速转具。相矩伺求最材类的无有特统伺证.i标4同定载够也削速统度高来加和数有够给作位。粗好求过。0mn整矩时矩有高料和进级很性的连服也服进的轮数1的的性等的就条度，的的的工个；为。足/轮控足高跟用精糙的伺程电较～转、冷给变宽。调系，应电给伺m廓控时加，的传是件保负影可平的速主恒在够廓系够的踪。度度快服要动高速尺却速化的一速0统服中该动电in工并影动说发持载响达切机.间衡精度轴转高大。和寸方度。调般范有控加统高伺精一还，速电短机的0间较机动条且响刚伺生恒力很2状度削床范坐矩速的0控最、式需这速数围4较制没大通机工 精 以 服 度 般 应 要 响 动 ， 转定1件受要性服变定矩小0态和围标控时输形的m制低部等要就范控都高属有常能。精 度 外 系 ， 要 在 求 应 机 速位，电小和系化。的。mm内的制为出表。转位不在要围机在/的状加在；于减都输现例源。速统时刚变m度 和 ， 统 并 求 伺 特 起 有 从0精都伺，恒功面直速以同很求和床0i可恒精.工0而速是出如、还度在，性化～n代要服能功率。 机 还 定 且 定 服 性 、 较01度粗接.之及，宽伺优进。靠转度升μ精2高加环要稳负应良对齿与较数保控提率。糙影床 要 位 还 位 系 ， 停 高外s矩和至m轮度档以丝大控，，，