第二讲数控机床的伺服系统
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数控机床的伺服系统概述
.
控制过程： 由数控系统送出的进给指令脉冲，经驱动电路控 制和功率放大后，使步进电机传动，通过齿轮副 与滚珠丝杠螺母副驱动执行部件。
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1.2 闭环和半闭环进给系统
伺服驱动装置： 直流或者交流伺服电机
电液伺服阀-液压马达。
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与开环进给系统主要区别：
安装在执行部件或其他传动元件上的位置 检测装置，将执行部件的实际位移量转换成电脉 冲后，反馈到输入端并与输入位置指令信号进行 比较，将两者的差值放大和变换，控制伺服驱动 装置驱动执行部件以给定的速度向着消除偏差的 方向运动，直到指令位置与反馈的实际位置的差 值等于零为止。
数控机床
.
伺服系统的应用
.
伺服的上位及下位装置
.
概念： 机械位置或角度作为控制对象自动控制系统。
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组成： 伺服电路、 伺服驱动装置、 机械传动机构、 执行部成： 伺服驱动装置： 步进电机、 功率步进电机、 电液脉冲马达。
图 5.1 开环进给系统
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图 5.1 开环进给系统
图 5.2 进给系统
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图 5.2 进给系统
数控机床
《数控机床伺服系统》PPT课件
动而相对移动。
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37
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。
精选ppt
25
4.5 位置检测装置
精选ppt
22
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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23
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。
精选ppt
24
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,
第二讲数控机床的伺服系统.ppt
第二讲
数控机床的伺服系统
在这一讲，我们一起学习 数控机床对进给伺服系统的要求 数控伺服驱动系统的分类 步进电机驱动系统 交流伺服系统
一、伺服驱动概述
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。如果说CNC装置是数控系统的“大脑”， 是发布“命令”的“指挥所”，那么进给伺服系统则是 数控系统的“四肢”，是一种“执行机构”。它忠实地 执行由CNC装置发来的运动命令，精确控制执行部件的 运动方向，进给速度与位移量。伺服系统接收来自数控 装置的进给脉冲，经变换和放大，再驱动数控机床各加 工坐标轴运动。这些轴有的带动工作台，有的直接带动 刀架，通过几个坐标轴的综合联动，使刀具相对于工件 产生各种复杂的机械运动，从而加工出所要求的零件形 状。
1.步进电动机的工作原理
（图4.2a)为三相反应式步进电动机的结构图。它是 由转子、定子及定子绕组所组成。定子上有六个均布的 磁极，直径方向相对的两个极的线圈串联，构成电动机 的一相控制绕组。 （图4.2b)所示为反应式步进电动机工作原理示意图。 定子、转子是用硅钢片等软磁材料制成的，定子上有A、 B、C三对磁极，分别绕有A、B、C三相绕组。三对磁极 在空间上相互错开120°。转子上有4个齿，它在定子磁 场中被磁化，被磁化就会呈现磁极性。当定子A相绕组通 电时，形成以A-A′为轴线的磁场，转子受磁场拉力作用 而产生转矩，使转子的1、3两齿和定子的A-A’极对齐， （如图4.2b)所示；
2、数控机床对进给伺服系统的要求
数控机床进给伺服系统的性能在很大程度上决定了 数控机床的效率及精度的高低。为此数控机床对进给伺 服系统的位置控制、速度控制、以及伺服电动机、机械 传动等方面都有很高的要求。具体来说有这样一些要求：
数控机床的伺服系统
在这一讲，我们一起学习 数控机床对进给伺服系统的要求 数控伺服驱动系统的分类 步进电机驱动系统 交流伺服系统
一、伺服驱动概述
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。如果说CNC装置是数控系统的“大脑”， 是发布“命令”的“指挥所”，那么进给伺服系统则是 数控系统的“四肢”，是一种“执行机构”。它忠实地 执行由CNC装置发来的运动命令，精确控制执行部件的 运动方向，进给速度与位移量。伺服系统接收来自数控 装置的进给脉冲，经变换和放大，再驱动数控机床各加 工坐标轴运动。这些轴有的带动工作台，有的直接带动 刀架，通过几个坐标轴的综合联动，使刀具相对于工件 产生各种复杂的机械运动，从而加工出所要求的零件形 状。
1.步进电动机的工作原理
（图4.2a)为三相反应式步进电动机的结构图。它是 由转子、定子及定子绕组所组成。定子上有六个均布的 磁极，直径方向相对的两个极的线圈串联，构成电动机 的一相控制绕组。 （图4.2b)所示为反应式步进电动机工作原理示意图。 定子、转子是用硅钢片等软磁材料制成的，定子上有A、 B、C三对磁极，分别绕有A、B、C三相绕组。三对磁极 在空间上相互错开120°。转子上有4个齿，它在定子磁 场中被磁化，被磁化就会呈现磁极性。当定子A相绕组通 电时，形成以A-A′为轴线的磁场，转子受磁场拉力作用 而产生转矩，使转子的1、3两齿和定子的A-A’极对齐， （如图4.2b)所示；
2、数控机床对进给伺服系统的要求
数控机床进给伺服系统的性能在很大程度上决定了 数控机床的效率及精度的高低。为此数控机床对进给伺 服系统的位置控制、速度控制、以及伺服电动机、机械 传动等方面都有很高的要求。具体来说有这样一些要求：
《数控技术伺服》课件
网络化
总结词
随着工业互联网的发展，数控技术伺服系统的网络化成为必然趋势。
详细描述
网络化是指将数控技术伺服系统与互联网进行连接，实现远程监控、远程维护和数据共享等功能。网 络化可以提高生产效率、降低维护成本，同时促进制造业的数字化转型。实现网络化需要借助通信协 议、网络安全等技术，确保数据传输的可靠性和安全性。
05 数控技术伺服系统的维护与保养
CHAPTER
日常维护
定期检查
对伺服系统进行定期检查，确保各部件正常工作。
清洁保养
保持伺服系统的清洁，避免灰尘、杂物等影响正常运行。
润滑保养
对需要润滑的部位进行定期润滑，保证机械部件的顺畅运转。
故障诊断与排除
故障识别
通过观察、听诊、触诊等方式，识别伺服系统是否存 在异常。
智能化
总结词
随着人工智能技术的发展，数控技术伺服系统的智能化成为新的发展趋势。
详细描述
智能化是指将人工智能技术应用于数控技术伺服系统中，实现自适应控制、自主学习和自决策等功能。智能化可 以提高伺服系统的响应速度、稳定性和可靠性，同时降低对操作人员技能的要求。实现智能化需要借助机器学习 、深度学习等人工智能技术，对数据进行处理和分析，以优化伺服系统的性能。
伺服驱动器
01
伺服驱动器是数控技术伺服系统中的能源转换装置，负责将输 入的电能转换为适合伺服电机的能源形式。
02
伺服驱动器通常采用先进的电力电子技术，如PWM控制、矢量
控制等，实现高精度的电流和电压调节。
伺服驱动器还具有过载保护、短路保护等功能，能够确保系统
03
的安全可靠运行。
伺服控制器
伺服控制器是数控技术伺服系统的核心控制单 元，负责接收来自数控系统的指令，并输出控 制信号给伺服驱动器和伺服电机。
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，
数控机床的伺服系统专业知识讲义
数控机床的伺服系统专业知识
§6. 2 开环伺服系统及步进电机
4．根据结构分类
A
步进电机可制成
轴向分相式（多段式）
径向分相式（单段式）
B
C
外壳 C段绕组 C段定子
转轴 C段转子 空气隙
A
B
转子 齿距
主磁通通路 数控机床的伺服系统专业知识
C
铁心
绕组
定子磁极 转子
§6. 2 开环伺服系统及步进电机
（三）步进电机的主要特性
§6. 2 开环伺服系统及步进电机
A C1 2 B B 4 3C
A
A C1 2B B 4 3C
A
A C 1 2B
B4 3 C A
B相通电
A
C1 B
4
2
B 3C
A
AB相通电
BC相通电
A
C1B 42
B3 C
A
A相通电
C相通电
A
C 2B
1
3
B4 C
A
CA相通电
2)三相六拍工作方式 通电顺序为：AABBBCCCAA 六拍。
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。
数控机床的伺服系统专业知识
§6. 2 开环伺服系统及步进电机
3．根据输出力矩的大小分类 可将步进电机分两类：伺服步进电机 功率步进电机 伺服步进电机（快速步进电机），输出力矩在几十～数百 N·m，只能带动小负载，加上液压扭矩放大器可驱动工 作台。 功率步进电机输出力矩在5～50KN·m以上，能直接驱动 工作台。
§6. 2 开环伺服系统及步进电机
4．根据结构分类
A
步进电机可制成
轴向分相式（多段式）
径向分相式（单段式）
B
C
外壳 C段绕组 C段定子
转轴 C段转子 空气隙
A
B
转子 齿距
主磁通通路 数控机床的伺服系统专业知识
C
铁心
绕组
定子磁极 转子
§6. 2 开环伺服系统及步进电机
（三）步进电机的主要特性
§6. 2 开环伺服系统及步进电机
A C1 2 B B 4 3C
A
A C1 2B B 4 3C
A
A C 1 2B
B4 3 C A
B相通电
A
C1 B
4
2
B 3C
A
AB相通电
BC相通电
A
C1B 42
B3 C
A
A相通电
C相通电
A
C 2B
1
3
B4 C
A
CA相通电
2)三相六拍工作方式 通电顺序为：AABBBCCCAA 六拍。
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。
数控机床的伺服系统专业知识
§6. 2 开环伺服系统及步进电机
3．根据输出力矩的大小分类 可将步进电机分两类：伺服步进电机 功率步进电机 伺服步进电机（快速步进电机），输出力矩在几十～数百 N·m，只能带动小负载，加上液压扭矩放大器可驱动工 作台。 功率步进电机输出力矩在5～50KN·m以上，能直接驱动 工作台。
数控机床的伺服系统教学课件PPT
脉冲 环形分配
环节
功能型 功率放大
电路
步进电动机 激磁绕组
驱动电路 供电电源
1.光电耦合隔离接口
数控装置输出的脉 冲控制信号在和步 进电动机的驱动电 路相联接时，都必 须设置一个光电耦 合隔离接口，以防 止外部驱动电路对 计算机内部极敏感 集成电路的干扰和 损坏。
来自数控装置 的控制脉冲
R2
Vcc
Eb —电枢线圈所产生的反电势 Kb —与结构及磁场性质相关的电磁常数
n —直流电动机的工作转速
施加在电枢线圈上的电压主要用以克服 反电势。但由于电枢线圈本身必然有电 阻，也要耗散一部分能量，故外加的电 压为：
R
C
V
V
（ a）
（ b）
（ c） （ d）
（3）并联增流电容电路
为使激磁绕组在通
电瞬间L的工作电流L Rc
L
建立得更加迅速，
可端在 再限 并R流 联电 上D阻 一的个两大R D
R
电容来减小回路的
来 器
自 的
环 指
形 令
分脉动配冲 态阻抗，而稳态
工作时V的阻抗仍V然
V
仅为限流电阻本身。
（ a）
（ b）
B相
C相
各相定子
各相转子
9°
3°
6°
转子顺时针方向
可以得到如下结论： （1）步进电机的步距角α与定子绕组的相数 ｍ、转子的齿数ｚ、通电方式ｋ有关，可用 下式表示：
360 mzk
式中，ｍ相ｍ拍时，ｋ=1； ｍ相２ｍ拍时，ｋ=2；
α一般为0.75°～3°。 （2）改变步进电机定子绕组的通电顺序，转 子的旋转方向也随之改变。 （3）通电状态的变化频率越高，转子的转速 越高。
数控机床伺服系统概述
数控机床伺服系统概述
数控机床伺服系统主要由伺服电机、编码器、伺服驱动器和控制器等组成。
伺服电机是数控机床伺服系统中的动力部分，它通过电磁感应原理将电能转化为机械能，提供动力给机床的各个运动轴。
编码器是用来测量机床运动轴运动位置的装置，将位置信息反馈给伺服系统控制器，以实现精确控制。
伺服驱动器是将控制器的指令转换为电流信号，并通过控制伺服电机的电流大小和方向来控制机床运动轴的运动。
控制器是数控机床伺服系统的核心部分，它根据加工工艺要求和用户的指令，控制伺服驱动器的工作状态，实现机床运动轴的运动控制。
数控机床伺服系统的工作原理是：控制器接收用户输入的指令和加工工艺要求，根据这些信息生成相应的运动轴指令。
这些指令经过处理后，转变为驱动伺服驱动器的控制信号，通过控制伺服电机的转子和定子之间的磁场相互作用，来实现机床各个运动轴的精确运动。
1.高精度：数控机床伺服系统能够实现微小的位置调整和高精度的加工，通过编码器的反馈信号，控制器可以精确控制机床运动。
2.高响应性：数控机床伺服系统具有快速响应的特点，当控制器发送指令后，伺服电机能够迅速调整到指定位置，提高了加工效率。
3.高稳定性：数控机床伺服系统具有良好的稳定性，能够在长时间运行过程中保持精确的位置和速度控制，减少加工误差。
4.可编程性：数控机床伺服系统可以通过编程的方式，实现多种复杂的运动轨迹和加工工艺，提高了生产的灵活性和效率。
总之，数控机床伺服系统是数控机床中的重要组成部分，它通过控制伺服电机的运动，实现机床的高精度、高响应和高稳定性运动控制。
它的
应用使数控机床具备了更高的加工精度、更高的生产效率和更好的生产灵活性。
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精度，还要求有良好的快速响应特性。这就对伺服系统的
动态性能提出两方面的要求：一方面，在伺服系统处于频
繁地启动、制动、加速、减速等动态过程中，为了提高生
产效率和保证加工质量，要求加速度、减速度足够大，以
缩短过渡过程时间，一般电动机速度由零到最大，或从最
大减少到零，过渡时间应控制在200ms以下，甚至少于几
十毫秒，而且速度变化时不应有超调（超过给定速度值）
另一方面，当负载突变时，过渡过程恢复时间要短且无振
荡，这样才能得到光滑的加工表面。 第二讲数控机床的伺服系统
5）高精度
要满足数控加工精度的要求，关键是保证数控机床 的定位精度和进给跟随精度。位置伺服系统的定位精度 一般要求能达到1μm甚至0.1μm，相应地，对伺服系统 的分辨力也提出了要求，什么是伺服系统的分辨力呢？ 就是当伺服系统接受数控装置送来的一个脉冲时，工作 台相应移动的单位距离叫分辨力，也称脉冲当量。系统 分辨力取决于伺服系统稳定工作性能和所使用的位置检 测元件。目前的闭环伺服系统都能达到1μm的分辨力。 高精度数控机床可达到0.1μm的分辨力甚至更小。
第二讲数控机床的伺服系统
n 在伺服系统位置控制中，来自数控装置插补运算得到的 位置指令，与位置检测装置反馈来的机床坐标轴的实际 位置相比较，形成位置偏差，经变换为伺服装置提供控 制电压，驱动工作台向误差减小的方向移动。在速度控 制中，伺服驱动装置根据速度给定电压和速度检测装置 反馈的实际转速对伺服电动机进行控制，以驱动机床进 给传动部件。
要求，随时都可能实现正向或反向运动。从能量 角度看，应该实现能量的可逆转换，即在加工运 行时，电动机从电网吸收能量变为机械能；在制 动时应把电动机的机械惯性能量变为电能回馈给 电网，以实现快速制动。
2）速度范围宽 为适应不同的加工条件，数控机床要求进给
能在很宽的范围内无级变化。这就要求伺服电动 机有很宽的调速范围和优异的调速特性。对一般 数控机床而言，进给速度范围在0～24m／min时， 就可满足加工要求。
•交流伺服系 统
1.按执行机构的控制方式分类
1)开环伺服系统
开环伺服系统没有检测反馈装置，数控装置发出 的指令信号流程是单向的，其精度主要决定于驱动元 件和伺服电机的性能，开环伺服系统所用的电动机主 要是步进电动机。移动部件的速度与位移是由输入脉 冲的频率和脉冲数决定的，位移精度主要决定于该系 统各有关零部件的精度。
第二讲数控机床的伺服 系统
2020/12/11
第二讲数控机床的伺服系统
第二讲 数控机床的伺服系统
第二讲数控机床的伺服系统
在这一讲，我们一起学习 n 数控机床对进给伺服系统的要求 n 数控伺服驱动系统的分类 n 步进电机驱动系统 n 交流伺服系统
第二讲数控机床的伺服系统
n 一、伺服驱动概述
n
伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自
6）低速大转矩
数控机床的切削加工一般在工作台低速时进行，所 以低速时进给驱动要有大的转矩输出，以满足低速进给 切削的要求。
第二讲数控机床的伺服系统
二、伺服系统的分类
•按控制原理和 有无检测反馈 环分类：
•开环伺服系统 •闭环伺服系统 •半闭环伺服系统
•按使用的 伺服电动
•直流伺服系统
机类型分 类：
降(静态速降指的是伺服系统带负载运行时的转速和理
想空载转速之差)应小于5％，动态速降(动态速降指伺
服系统在承受突加负载时因电机轴力矩与承受的突加负
载不相适应而造成的短时速度陡降超调现象)应小于10
％。
第二讲数控机床的伺服系统
n 4）快速响应无超调
n
数控机床在加工时，为了保证轮廓切削形状精度和提
高零件表面光洁度，对位置伺服系统既要求有较高的定位
刀架，通过几个坐标轴的综合联动，使刀具相对于工件
产生各种复杂的机械运动，从而加工出所要求的零件形
状。
n 1、伺服系统的组成
n
数控机床伺服系统一般由位置检测装置、位置控制
模块、伺服驱动装置、伺服电动机及机床进给传动链组
成，（如图4.1所示。）
第二讲数控机床的伺服系统
图4.1闭环伺服系统组成
闭环伺服系统的一般结构通常由位置环和速 度环组成。速度环速度控制单元是一个独立的单 元部件，它由伺服电动机、伺服驱动装置、测速 装置及速度反馈组成；位置环由数控系统中的位 置控制模块、位置检测装置及位置反馈组成。
动控制系统。如果说CNC装置是数控系统的“大脑”，
是发布“命令”的“指挥所”，那么进给伺服系统则是
数控系统的“四肢”，是一种“执行机构”。它忠实地
执行由CNC装置发来的运动命令，精确控制执行部件的
运动方向，进给速度与位移量。伺服系统接收来自数控
装置的进给脉冲，经变换和放大，再驱动数控机床各加
工坐标轴运动。这些轴有的带动工作台，有的直接带动
n 2、数控机床对进给伺服系统的要求
n
数控机床进给伺服系统的性能在很大程度上决定了
数控机床的效率及精度的高低。为此数控机床对进给伺
服系统的位置控制、速度控制、以及伺服电动机、机械
传动等方面都有很高的要求。具体来说有这样一些要求：
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1）可逆运行 在加工过程中，机床工作台根据加工轨迹的
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n 3）具有足够的传动刚性和高的速度稳定性
n
伺服系统在不同的负载情况下或切削条件发生变化
时，也就是工件重量发生变化或加工时吃刀深度发生变
化时，伺服系统应使刀具进给速度保持恒定。刚性良好
的伺服系统系统，速度受负载力矩变化的影响很小。通
常情况，数控机床系统 闭环控制系统是指在机床的运动部件上安装位置测
量装置，例如光栅、感应同步器和磁栅等位置测量装置， （如图1.9所示。）在加工中，位置测量装置将测量到 的工作台实际位置反馈到数控装置中，与输入的指令位 移相比较，用比较的差值控制移动部件，直到差值为零， 即实现移动部件的最终精确定位。从理论上讲，闭环控 制系统的控制精度主要取决于检测装置的精度，它完全 可以消除由于传动部件制造中存在的误差给工件加工带 来的影响，所以这种控制系统可以得到很高的加工精度。 但是闭环控制系统的设计和调整都有较大的难度，它主 要用于一些精度要求很高的镗铣床、超精车床和加工中 心上。
第二讲数控机床的伺服系统
n 开环控制的优点是：结构简单、系统稳定、容易 调试、成本低廉等。但是系统对移动部件的误差 没有补偿和校正，所以精度低，位置精度通常为 ±0.01～±0.02mm。一般适用于经济型数控机床。 （图1.8所示为开环数控系统的示意图。)
图1.8开环数控系统
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