数控机床伺服驱动系统
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伺服驱动系统
参考资料：/%C5%C9%BF%CB652/blog/item/6dc3505e89715b411038c2a 8.html数控机床中的伺服驱动系统取代了传统机床的机械传动，是数控机床的重要特征之一，因此在一定意义上，伺服驱动系统的性能和可靠性决定了整台数控机床的性能和可靠性。
位置伺服驱动系统是由驱动系统与ＣＮＣ系统中的位置控制部分构成的。
数控机床的驱动系统主要有两种：主轴驱动系统和进给驱动系统。
从作用看，前者控制机床主轴旋转运动，后者控制机床各坐标的进给运动。
不论是主轴驱动系统还是进给驱动系统，从电气控制原理来分都可分为直流驱动和交流驱动系统。
直流驱动系统在２０世纪７０年代初至８０年代中期占据主导地位，这是由于直流电动机具有良好的调速性能，输出力矩大，过载能力强，精度高，控制原理简单，易于调整等。
随着微电子技术的迅速发展，加之交流伺服电动机材料、结构及控制理论有了突破性的进展，又推出了交流驱动系统，标志着新一代驱动系统的开始。
由于交流驱动系统保持了直流驱动系统的优越性，而且交流电动机维护简单，便于制造，不受恶劣环境影响，所以目前直流驱动系统已逐步被交流驱动系统所取代。
一、主轴驱动系统数控机床要求主轴在很宽的范围内转速连续可调，恒功率范围宽。
当要求机床有螺纹加工功能、准停功能和恒线速加工等功能时，就要对主轴提出相应的速度控制和位置控制要求。
１．直流主轴驱动系统由于直流调速性能的优越性，直流主轴电动机在数控机床的主轴驱动中得到广泛应用，主轴电动机驱动多采用晶闸管调速的方式。
（１）工作原理数控机床直流主轴电动机由于功率较大，且要求正、反转及停止迅速，故驱动装置通常采用三相桥式反并联逻辑无环流可逆调速系统，这样在制动时，除了缩短制动时间外，还能将主轴旋转的机械能转换成电能送回电网。
１）主电路图６－９为三相桥式反并联逻辑无环流可逆调速系统的主电路，逻辑无环流可逆系统是利用逻辑电路，使一组晶闸管在工作时，另一组晶闸管的触发脉冲被封锁，从而切断正、反两组晶闸管之间流通的电流。
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
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
DS
A4
Q CP
≥1
A7
DS
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，
数控机床伺服系统的分类及其应用要求
数控机床伺服系统的分类及其应用要求数控机床伺服系统又称为位置随动系统,简称为伺服系统。
数控机床伺服系统是把数控信息转化为机床进给运动的执行机构，在许多自动化控制领域广泛应用。
数控机床伺服系统的种类繁多、技术原理各具特色，这对其应用带来很大的困扰，本文就数控机床伺服系统的分类及其应用要求做简单介绍。
一、数控机床伺服系统的分类数控机床伺服系统按其用途和功能分为进给驱动系统和主轴驱动系统;按其控制原理和有无位置检测反馈环节分为开环系统和闭环系统;按驱动执行元件的动作原理分为电液伺服驱动系统和电气伺服驱动系统。
电气伺服驱动系统又分为直流伺服驱动系统和交流伺服驱动系统。
1.进给驱动与主轴驱动进给驱动是用于数控机床工作台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转矩。
主轴驱动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。
一般地，对于进给驱动系统，主要关心它的转矩大小、调节范围的大小和调节精度的高低，以及动态响应速度的快慢。
对于主轴驱动系统，主要关心其是否具有足够的功率、宽的恒功率调节范围及速度调节范围。
2.开环控制和闭环控制数控机床伺服驱动系统按有无位置反馈分两种基本的控制结构，即开环控制和闭环控制，如图5--1所示。
由此形成位置开环控制系统和位置闭环控制系统。
闭环控制系统又可根据位置检测装置在机床上安装的位置不同，进一步分为半闭环伺服驱动控制系统和全闭环伺服驱动控制系统。
若位置检测装置安装在机床的工作台上，构成的伺服驱动控制系统为全闭环控制系统;若位置检测装置安装在机床丝杠上，构成的伺服驱动控制系统则为半闭环控制系统。
现代数控机床的伺服驱动多采用闭环控制系统。
开环控制系统常用于经济型数控或老设备的改造。
3.直流伺服驱动与交流伺服驱动70年代和80年代初，数控机床多采用直流伺服驱动。
直流大惯量伺服电机具有良好的宽调速性能，输出转矩大，过载能力强，而且，由于电机惯性与机床传动部件的惯量相当，构成闭环后易于调整。
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
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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，
伺服驱动系统
④ 电机应能承受频繁启动、制动和反转.
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伺服系统,其驱动元件为步进 电机.
功率步进电机控制系统的结构最简单,控制最容易,维修最方 便,控制为全数字化,这完全符合数字化控制技术的要求,控 制系统与步进电机的驱动控制电路结为一体.
步进电机又称脉冲电机,每接受一个脉冲信号转子转过一个角度,称为步距 角.
脉冲数目：位移大小；脉冲频率：速度大小；通电顺序：方向控制. 步进电机的结构：单段式三相反应式步进电机结构：
工作原理：电磁吸合 转子：开槽形成齿 定子：有磁极
以三相单三拍为例说明工作原理：
✓ 第一拍：A相励磁绕组通电,B、C励磁绕组断电.A相定子绕组的磁力线为 保持磁阻最小,给转子施加力矩,使相邻转子齿与之对齐.
暂的调节过程后,达到新的或者恢复到原来的平衡状态.直
接影响数控加工的精度和表面粗糙度.
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
系统的跟踪精度.
4调速范围宽 调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转
速和最低转速之比.0~30m/min.
5低速大转矩 进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制,在整个速
按使用场合分：有功率步进电机和控制步进电机.
按电机结构分：有单段式径向式、多段式轴向式、印刷绕组 式.
按工作相数分：有三相、四相、五相等.
按使用频率分：有高频步进电机和低频步进电机.
数控机床中使用较多的是反应式步进电机和永磁感应式步进 电机
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2步进电机的结构与工作原理
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如上所述,在电磁转矩的作用下,转子有一定的稳定平衡点.
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伺服系统,其驱动元件为步进 电机.
功率步进电机控制系统的结构最简单,控制最容易,维修最方 便,控制为全数字化,这完全符合数字化控制技术的要求,控 制系统与步进电机的驱动控制电路结为一体.
步进电机又称脉冲电机,每接受一个脉冲信号转子转过一个角度,称为步距 角.
脉冲数目：位移大小；脉冲频率：速度大小；通电顺序：方向控制. 步进电机的结构：单段式三相反应式步进电机结构：
工作原理：电磁吸合 转子：开槽形成齿 定子：有磁极
以三相单三拍为例说明工作原理：
✓ 第一拍：A相励磁绕组通电,B、C励磁绕组断电.A相定子绕组的磁力线为 保持磁阻最小,给转子施加力矩,使相邻转子齿与之对齐.
暂的调节过程后,达到新的或者恢复到原来的平衡状态.直
接影响数控加工的精度和表面粗糙度.
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
系统的跟踪精度.
4调速范围宽 调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转
速和最低转速之比.0~30m/min.
5低速大转矩 进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制,在整个速
按使用场合分：有功率步进电机和控制步进电机.
按电机结构分：有单段式径向式、多段式轴向式、印刷绕组 式.
按工作相数分：有三相、四相、五相等.
按使用频率分：有高频步进电机和低频步进电机.
数控机床中使用较多的是反应式步进电机和永磁感应式步进 电机
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2步进电机的结构与工作原理
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如上所述,在电磁转矩的作用下,转子有一定的稳定平衡点.
第三章 CNC的伺服驱动系统
CNC 插补指令
脉冲频率f 脉冲个数n
换算
f、n
脉冲环 形分配
变换
A相、B相 功率 放大
C相、…
机械执行部件
电机 2020/6/14
3.1.2 伺服系统的分类
开环数控系统 – 抗扰能力差！ – 无位置反馈，精度差，精度主要取决于伺服驱
动系统和机械传动机构的性能和精度。 – 一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。 – 结构简单、调试方便、维修简单、价格低廉，
AC~ 50Hz
中间直流环节
变压变频
整流
DC
逆变
AC
交-直-交（间接）变压变频器
2020/6/14
3.2.2 交流伺服电机驱动系统
◆ PWM交—直—交变压变频器 由二极管组成不控整流器和由全控型功率开关器件组 成的脉宽调制（PWM）逆变器。
交-直-交PWM变压变频器主回路结构图 （三相全桥式）
3.2.2 交流伺服电机驱动系统
直流环节滤波器参数的影响。 采用不可控的二极管整流器，电源侧功率因数较
高，且不受逆变输出电压大小的影响。
3.2.2 交流伺服电机驱动系统
PWM交—直—交变压变频器的缺点
由于二极管整流装置的单向导电特性，当电动 机工作在回馈制动状态时能量不能回馈至电网 ，造成直流侧电压上升，称作泵升电压。
3.2.2 交流伺服电机驱动系统
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1．能承受的峰值电流和过载能力高（能产生额定力矩10倍 的瞬时转矩），以满足数控机床对其加减速的要求。
2．具有大的转矩／惯量比，快速性好。 3．低速时输出的转矩大。这种电动机能与丝杠直接相连，
省去了齿轮等传动机构，提高了机床的进给传动精度。
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4.2 数控机床的进驱动给系统
4．调速范围大。与高性能伺服单元组成速度控制装置时，调速 范围1：1000
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4.2 数控机床的进驱动给系统
晶闸管调速系统中，多采用三相全控桥式整流电路作为直流 速度控制单元的主回路，通过对12个晶闸管触发角的控制， 达到控制电动机电枢电压的目的。
采用晶体管脉宽调速系统与晶闸管控制方式相比具有如下主 要优点：
1．避开与机械的共振。 2．电枢电流脉动小。 3．动态特性好。 在实际的速度控制单元中，为了保证其能安全可靠地工作，
电气伺服系统。
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4.1 数控机床驱动系统的概念
2．按执行元件的类别分类可分为直流电动机伺服系统、交 流电动机伺服驱动系统和步进电动机伺服系统。
3．按有无检'测元件和反馈环节分类可分为开环伺服系统、 闭环伺服系统和半闭环伺服系统。
4．按输出被控制量的性质分类可分为位置伺服系统、速度 伺服系统。
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4.2 数控机床的进驱动给系统
进给驱动系统的控制电机一般采用步进电动机、直流伺服电 动机、交流伺服电动机三类电机作为动力装置。
4.2.1步进电动机驱动的进给系统
步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的电磁机 械装置。对步进电动机施加一个电脉冲信号时，它就旋转一 个固定的角度，称为一步，每一步所转过的角度叫做步距角。
5．转子热容量大。电动机的过载性能好，一般能过载运行几十 分钟。
特性曲线主要有两种： （1）转矩—速度特性曲线，又叫工作曲线，如图4-14所示 （2）负载周期曲线。 负载周期曲线的使用方法如下： ①根据实际负载转矩，求出电动机过载倍数Tmd。 ②在负载周期曲线的水平轴上找到实际所需工作时间tR，并从
2．步进电动机的主要特性 （1）步距角的步距误差 步进电动机每走一步，转子实际的角位移与设计的步距角存
在有步距误差。 （2）静态矩角特性
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4.2 数控机床的进驱动给系统
所谓静态是指步进电动机不改变通电状态，转子不产生步进 运动的工作状态。
（3）启动惯频特性 在负载转矩ML=0的条件下，步进电动机由静止状态突然启
1．定子磁极是一个永磁体，永磁体材料有三类。 （1）铸造型铝镍和钼镍合金，这种材料有价格昂贵 加上性
能差和过载能力低的缺点。
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4.2 数控机床的进驱动给系统
（2）各向异性铁氧体磁铁，铁氧体磁铁的矫顽力很高，有很强 的抗去磁能力；磁铁装配后不需要进行开路、短路、堵转或 反转等稳定性处理。
永磁同步交流伺服电机，气隙磁场由稀土永磁体产生，转矩 控制由调节电枢的电流实现，转矩的控制较感应电机简单
无刷直流伺服电机，其结构与永磁同步伺服电机相同，借助 较简单的位置传感器（如霍耳磁敏开关）的信号，控制电枢 绕组的换向，控制最为简单
（3）稀土钴永磁合金，稀土钴永磁合金具有极大的矫顽力，是 铁氧体的2～3倍，具有很高的最大磁能积，是铁氧体的10 倍。
2．电枢结构在电枢方面，可以分为普通型和小惯量型两大类。 小惯量型电枢又要分为空心杯形电枢、无槽电枢和印刷绕组 电枢三类。
四．直流伺服驱动装置
目前，直流伺服驱动装置均采用晶闸管（俗称可控硅SCR） 调速系统或晶体管脉宽调制（即PWM）调速系统。
3．失控保护失控是指电动机在正常运转时．速度反馈突然 消失（如测速发电机断线），使得电动机转速突然急骤上升， 即所谓“飞车”。
4.2.3交流伺服电动机驱动的进给系统
交流伺服驱动因其无刷、响应快、过载能力强等优点，已全 面替代了直流驱动。
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4.2 数控机床的进驱动给系统
感应式交流伺服电机，其转子电流由滑差电势产生，并与磁 场相互作用产生转矩
流电动机工作原理示意图，N极与S极为电动机定子，其为永 久磁铁或激励绕组所形成的磁极，在A、B两电刷间加直流电 压时，电流便从B刷流人，从A刷流出。
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4.2 数控机床的进驱动给系统
由公式 n = （Ua - Ia Ra）/ CeФ可以看到，调速可以 有三种方法：
1．改变电动机控制电压Ua，即改变电枢电压。 2．改变磁通Ф，即改变励磁回路电流Ij。 3．改变电枢电路的电阻。
三．步进电动机驱动器的控制原理
步进电动机各励磁绕组是按一定节拍，依次轮流通电工作 的，为此，需将CNC发出的控制脉冲按步进电动机规定的 通电顺序分配到定子各励磁绕组中。完成脉冲分配的功能 元件称环形脉冲分配器。
环形分配器的功能可以由硬件完成（如D触发器组成的电 路），也可由软件产生，将每相绕组的控制信号定义为 I/O输出口之位，其状态输出可以用逻辑表达式或查表等 方式来实现，比逻辑电路要简单的多。
该点向上做垂线，与所要求的Tmd的那条曲线相交。
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4.2 数控机床的进驱动给系统
三．永磁直流伺服电动机的结构
永磁直流电动机可分为驱动用永磁直流电动机和永磁直流伺 服电动机两大类。驱动用永磁直流电动机通常是指不带稳速 装置，没有伺服要求的电动机；而永磁直流伺服电动机则除 具有驱动用永磁直流电动机的性能外，还具有一定的伺服特 性和快速响应能力。
第四章 数控机床伺服驱动系统
4.1 数控机床驱动系统的概念 4.2 数控机床的进驱动给系统 4.3 数控机床的主轴系统 4.4 位置检测装置
4.1 数控机床驱动系统的概念
一．伺服系统的概念
数控机床伺服系统是以机械位移为直接控制目标的自动控制 系统，也可称为位置随动系统，简称为伺服系统。
用步进电动机通常是开环控制。
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4.1 数控机床驱动系统的概念
3．传动机构 包括减速装置和滚珠丝杠等。若采用直线电动机作为执行元
件，则传动机构与执行元件为一体。 4．检测元件及反馈电路 包括速度反馈和位置反馈，有旋转变压器、光电编码器、光
栅等。
四．伺服驱动系统的分类
伺服系统有多种分类方法，简述如下： 1．按驱动方式分类可分为液压伺服系统、气压伺服系统和
减少废品率；解决复杂曲面零件的加工问题；解决复杂零件 的加工精度问题，缩短制造周期等。 3．快速响应，无超调 为了提高生产率和保证加工质量，除了要求有较高的定位精 度外，还要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号 的响应要快。 4．低速大转矩，过载能力强 数控机床要求进给驱动系统有非常宽的调速范围，例如在加 工曲线和曲面时，拐角位置某轴的速度会逐渐降至零。
二．步进电动机工作原理及特性
1．步进电动机组成和工作原理 步进电机主要由转子和定子组成，其中转子上有绕组，根据
绕组的数量分为2相、3相和5相等步进电动机。
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4.2 数控机床的进驱动给系统
改变上述两相电流的采样点数，可以在一个驱动器上实现多 种细分数，即获得多种不同的步距角。
在三相、五相步进电机中,定子极数随之增加，相应地增加了 通电循环的拍数，在一定的转子齿数下，可获得更小的步距 角。其结构原理与二相步进电机相似。
动，不丢步地进入正常运行状态所允许的最高启动频率，称 为启动频率或突跳频率，超过此值就不能正常启动。 （4）连续运行频率 步进电动机启动后，当控制的脉冲频率在连续上升时，能不 失步运行的最高脉冲重复频率称为连续运行频率。 （5）矩频特性
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4.2 数控机床的进驱动给系统
矩频特性是描述步进电动机在负载惯量一定且稳态运行时的 最大输出转矩与脉冲重复频率的关系曲线。
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4.2 数控机床的进驱动给系统
4.2.2直流伺服进给驱动
由于数控机床对伺服驱动装置有较高的要求，而直流电动机 具有良好的调速特性，为一般交流电动机所不及，因此，以 数控机床半闭环、闭环控制伺服驱动均采用直流伺服电动机。
一．直流电动机的工作原理 如4-10所示为图为直流电动机结构示意，图4-11所示为直
都具有多种自动保护电路，一般常具有如下报警保护措施：
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4.2 数控机床的进驱动给系统
1．一般过载保护通过在主回路中串联热继电器，在电动机、 伺服变压器、散热片内埋入能对温度检测的热控开关来进行 过载保护。
2．过电流保护它包括当| I | > Imax时产生的报警，或当 电流的平均值大于Imax时产生的报警。
件所处在数控机床不同的位置，它可以分为半闭环、全闭环和 混合闭环三种。 六．伺服驱动系统电机类型 1．进给驱动用的伺服电动机主要有以下几类： （1）改进型直流电动机 这种电动机在结构上与传统的直流电动机没有区别，只是它没 汁成转动惯量较小，过载能力较强，且具有较好的换向性能。
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4.1 数控机床驱动系统的概念
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4.1 数控机床驱动系统的概念
5．可靠性高 数控机床，特别是自动生产线上的设备要求具有长时间连续
稳定工作的能力
三．伺服驱动系统的组成
一般闭环驱动系统主要由以下几个部分组成： 1．驱动装置 驱动电路接收CNC发出的指令，并将输入信号转换成电压信
号，经过功率放大后，驱动电动机旋转。 2．执行元件 可以是步进电动机、直流电动机，也可以是交流电动机。采
（2）小惯量直流电动机 这类电动机又分无槽圆柱体电枢结构和带印制绕组的盘形结
构两种。 （3）步进电动机 由于步进电动机制造容易，它所组成的开环进给驱动装置也
比较简单易调，在20世纪60年代至70年代初，这种电动机 在数控机床上曾风行一时。 （4）永磁直流伺服的电动机 （5）无刷直流电动机 无刷直流电动机也叫无换向器直流电动机。
一．步进电动机的分类 步进电动机的分类有如下分类： 1．按步进电动机输出转矩的大小，可分为快速步进电动机
2．具有大的转矩／惯量比，快速性好。 3．低速时输出的转矩大。这种电动机能与丝杠直接相连，
省去了齿轮等传动机构，提高了机床的进给传动精度。
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4.2 数控机床的进驱动给系统
4．调速范围大。与高性能伺服单元组成速度控制装置时，调速 范围1：1000
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4.2 数控机床的进驱动给系统
晶闸管调速系统中，多采用三相全控桥式整流电路作为直流 速度控制单元的主回路，通过对12个晶闸管触发角的控制， 达到控制电动机电枢电压的目的。
采用晶体管脉宽调速系统与晶闸管控制方式相比具有如下主 要优点：
1．避开与机械的共振。 2．电枢电流脉动小。 3．动态特性好。 在实际的速度控制单元中，为了保证其能安全可靠地工作，
电气伺服系统。
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4.1 数控机床驱动系统的概念
2．按执行元件的类别分类可分为直流电动机伺服系统、交 流电动机伺服驱动系统和步进电动机伺服系统。
3．按有无检'测元件和反馈环节分类可分为开环伺服系统、 闭环伺服系统和半闭环伺服系统。
4．按输出被控制量的性质分类可分为位置伺服系统、速度 伺服系统。
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4.2 数控机床的进驱动给系统
进给驱动系统的控制电机一般采用步进电动机、直流伺服电 动机、交流伺服电动机三类电机作为动力装置。
4.2.1步进电动机驱动的进给系统
步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的电磁机 械装置。对步进电动机施加一个电脉冲信号时，它就旋转一 个固定的角度，称为一步，每一步所转过的角度叫做步距角。
5．转子热容量大。电动机的过载性能好，一般能过载运行几十 分钟。
特性曲线主要有两种： （1）转矩—速度特性曲线，又叫工作曲线，如图4-14所示 （2）负载周期曲线。 负载周期曲线的使用方法如下： ①根据实际负载转矩，求出电动机过载倍数Tmd。 ②在负载周期曲线的水平轴上找到实际所需工作时间tR，并从
2．步进电动机的主要特性 （1）步距角的步距误差 步进电动机每走一步，转子实际的角位移与设计的步距角存
在有步距误差。 （2）静态矩角特性
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4.2 数控机床的进驱动给系统
所谓静态是指步进电动机不改变通电状态，转子不产生步进 运动的工作状态。
（3）启动惯频特性 在负载转矩ML=0的条件下，步进电动机由静止状态突然启
1．定子磁极是一个永磁体，永磁体材料有三类。 （1）铸造型铝镍和钼镍合金，这种材料有价格昂贵 加上性
能差和过载能力低的缺点。
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4.2 数控机床的进驱动给系统
（2）各向异性铁氧体磁铁，铁氧体磁铁的矫顽力很高，有很强 的抗去磁能力；磁铁装配后不需要进行开路、短路、堵转或 反转等稳定性处理。
永磁同步交流伺服电机，气隙磁场由稀土永磁体产生，转矩 控制由调节电枢的电流实现，转矩的控制较感应电机简单
无刷直流伺服电机，其结构与永磁同步伺服电机相同，借助 较简单的位置传感器（如霍耳磁敏开关）的信号，控制电枢 绕组的换向，控制最为简单
（3）稀土钴永磁合金，稀土钴永磁合金具有极大的矫顽力，是 铁氧体的2～3倍，具有很高的最大磁能积，是铁氧体的10 倍。
2．电枢结构在电枢方面，可以分为普通型和小惯量型两大类。 小惯量型电枢又要分为空心杯形电枢、无槽电枢和印刷绕组 电枢三类。
四．直流伺服驱动装置
目前，直流伺服驱动装置均采用晶闸管（俗称可控硅SCR） 调速系统或晶体管脉宽调制（即PWM）调速系统。
3．失控保护失控是指电动机在正常运转时．速度反馈突然 消失（如测速发电机断线），使得电动机转速突然急骤上升， 即所谓“飞车”。
4.2.3交流伺服电动机驱动的进给系统
交流伺服驱动因其无刷、响应快、过载能力强等优点，已全 面替代了直流驱动。
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4.2 数控机床的进驱动给系统
感应式交流伺服电机，其转子电流由滑差电势产生，并与磁 场相互作用产生转矩
流电动机工作原理示意图，N极与S极为电动机定子，其为永 久磁铁或激励绕组所形成的磁极，在A、B两电刷间加直流电 压时，电流便从B刷流人，从A刷流出。
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4.2 数控机床的进驱动给系统
由公式 n = （Ua - Ia Ra）/ CeФ可以看到，调速可以 有三种方法：
1．改变电动机控制电压Ua，即改变电枢电压。 2．改变磁通Ф，即改变励磁回路电流Ij。 3．改变电枢电路的电阻。
三．步进电动机驱动器的控制原理
步进电动机各励磁绕组是按一定节拍，依次轮流通电工作 的，为此，需将CNC发出的控制脉冲按步进电动机规定的 通电顺序分配到定子各励磁绕组中。完成脉冲分配的功能 元件称环形脉冲分配器。
环形分配器的功能可以由硬件完成（如D触发器组成的电 路），也可由软件产生，将每相绕组的控制信号定义为 I/O输出口之位，其状态输出可以用逻辑表达式或查表等 方式来实现，比逻辑电路要简单的多。
该点向上做垂线，与所要求的Tmd的那条曲线相交。
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4.2 数控机床的进驱动给系统
三．永磁直流伺服电动机的结构
永磁直流电动机可分为驱动用永磁直流电动机和永磁直流伺 服电动机两大类。驱动用永磁直流电动机通常是指不带稳速 装置，没有伺服要求的电动机；而永磁直流伺服电动机则除 具有驱动用永磁直流电动机的性能外，还具有一定的伺服特 性和快速响应能力。
第四章 数控机床伺服驱动系统
4.1 数控机床驱动系统的概念 4.2 数控机床的进驱动给系统 4.3 数控机床的主轴系统 4.4 位置检测装置
4.1 数控机床驱动系统的概念
一．伺服系统的概念
数控机床伺服系统是以机械位移为直接控制目标的自动控制 系统，也可称为位置随动系统，简称为伺服系统。
用步进电动机通常是开环控制。
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4.1 数控机床驱动系统的概念
3．传动机构 包括减速装置和滚珠丝杠等。若采用直线电动机作为执行元
件，则传动机构与执行元件为一体。 4．检测元件及反馈电路 包括速度反馈和位置反馈，有旋转变压器、光电编码器、光
栅等。
四．伺服驱动系统的分类
伺服系统有多种分类方法，简述如下： 1．按驱动方式分类可分为液压伺服系统、气压伺服系统和
减少废品率；解决复杂曲面零件的加工问题；解决复杂零件 的加工精度问题，缩短制造周期等。 3．快速响应，无超调 为了提高生产率和保证加工质量，除了要求有较高的定位精 度外，还要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号 的响应要快。 4．低速大转矩，过载能力强 数控机床要求进给驱动系统有非常宽的调速范围，例如在加 工曲线和曲面时，拐角位置某轴的速度会逐渐降至零。
二．步进电动机工作原理及特性
1．步进电动机组成和工作原理 步进电机主要由转子和定子组成，其中转子上有绕组，根据
绕组的数量分为2相、3相和5相等步进电动机。
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4.2 数控机床的进驱动给系统
改变上述两相电流的采样点数，可以在一个驱动器上实现多 种细分数，即获得多种不同的步距角。
在三相、五相步进电机中,定子极数随之增加，相应地增加了 通电循环的拍数，在一定的转子齿数下，可获得更小的步距 角。其结构原理与二相步进电机相似。
动，不丢步地进入正常运行状态所允许的最高启动频率，称 为启动频率或突跳频率，超过此值就不能正常启动。 （4）连续运行频率 步进电动机启动后，当控制的脉冲频率在连续上升时，能不 失步运行的最高脉冲重复频率称为连续运行频率。 （5）矩频特性
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4.2 数控机床的进驱动给系统
矩频特性是描述步进电动机在负载惯量一定且稳态运行时的 最大输出转矩与脉冲重复频率的关系曲线。
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4.2 数控机床的进驱动给系统
4.2.2直流伺服进给驱动
由于数控机床对伺服驱动装置有较高的要求，而直流电动机 具有良好的调速特性，为一般交流电动机所不及，因此，以 数控机床半闭环、闭环控制伺服驱动均采用直流伺服电动机。
一．直流电动机的工作原理 如4-10所示为图为直流电动机结构示意，图4-11所示为直
都具有多种自动保护电路，一般常具有如下报警保护措施：
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4.2 数控机床的进驱动给系统
1．一般过载保护通过在主回路中串联热继电器，在电动机、 伺服变压器、散热片内埋入能对温度检测的热控开关来进行 过载保护。
2．过电流保护它包括当| I | > Imax时产生的报警，或当 电流的平均值大于Imax时产生的报警。
件所处在数控机床不同的位置，它可以分为半闭环、全闭环和 混合闭环三种。 六．伺服驱动系统电机类型 1．进给驱动用的伺服电动机主要有以下几类： （1）改进型直流电动机 这种电动机在结构上与传统的直流电动机没有区别，只是它没 汁成转动惯量较小，过载能力较强，且具有较好的换向性能。
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4.1 数控机床驱动系统的概念
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4.1 数控机床驱动系统的概念
5．可靠性高 数控机床，特别是自动生产线上的设备要求具有长时间连续
稳定工作的能力
三．伺服驱动系统的组成
一般闭环驱动系统主要由以下几个部分组成： 1．驱动装置 驱动电路接收CNC发出的指令，并将输入信号转换成电压信
号，经过功率放大后，驱动电动机旋转。 2．执行元件 可以是步进电动机、直流电动机，也可以是交流电动机。采
（2）小惯量直流电动机 这类电动机又分无槽圆柱体电枢结构和带印制绕组的盘形结
构两种。 （3）步进电动机 由于步进电动机制造容易，它所组成的开环进给驱动装置也
比较简单易调，在20世纪60年代至70年代初，这种电动机 在数控机床上曾风行一时。 （4）永磁直流伺服的电动机 （5）无刷直流电动机 无刷直流电动机也叫无换向器直流电动机。
一．步进电动机的分类 步进电动机的分类有如下分类： 1．按步进电动机输出转矩的大小，可分为快速步进电动机