6数控伺服系统
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数控系统伺服电机控制
进一步提高滚珠丝杠 副移动速度和加速度比较 难了。０ ９ 年代 以来 ， 高速高精的大型加工机床中， 应用直线电机直接驱动进给驱动方式 。 它比滚珠
变压器或测速发电机作为位置隧 度检测 器件来 构成半闭环位置控制系统 ， 系统的反馈信号取 其 自 电机轴或 丝杆上 ， 系统中的机械传动装置 进给 处 于反馈回路之外 ， 其刚度等非线性 因素对系统 稳定性没有影响 ， 安装调试 比较方便 。机床的定 位精度与机械传动装置的精度有关 ， 而数控装置 都有螺距误差补 偿和间隙补 偿等项功能 ， 在传动
工业技术
ｃ ｅｅｏ ＬＵ￣Ｐ Ｎ ｎ Ｕ Ｕ瞄囵溘匿函困 ｗｃ硪 ／Ｉ２ Ｔｎ ．
数控 系统 伺服 电机 控制
刘 西 明
（ 尔滨电机厂有限责任公 司， 哈 黑龙 江 哈 尔滨 １ ０４ ） ５ ０ ０
摘 要： 近年 来 ， 服 电机 控制 技 术正朝 着交 流化 、 字化 、 伺 数 智能化 三 个方 向发展 。 为数 控机床 的执行 机 构 ， 作 伺服 系统将 电力 电子 器
件 、 制 、 动及保 护等 集为 一体 ， 随着数 字脉 宽调制 技 术 、 种 电机 材料技 术 、 电子技 术及 现代 控制 技 术的进 步 ， 控 驱 并 特 微 经历 了从 步进
到 直流 ， 而到 交流 的发展 历程 。本 文对 其技 术现 状及 发展 趋 势作 简要探讨 。 进 关 键词 ： 控 系统 ； 数 伺服 电机 ； 直接 驱 动 伺服 电机 比步进 电机性能更优越 ， 随着现代 电机控制理论的发展 ， 伺服电机控制技术成为了 机床数控系统的重要组成部分 ，并正朝着交 流 化、 数字化、 智能化方向发展。 １数控机床伺服系统 １ ． １开环伺服系统 开环伺服系统不设检测反馈装置 ， 不构成运 动反馈控制回路 ， 电动机按数控装 置发 出的指令 脉冲工作 ， 对运动误差没有检测反馈和处理修正 过程 ， 采用步进 电机作为驱动器件 ， 机床 的位置 精度完全取决于步进 电动机 的步距 角精 度和机 械部分的传动精度 ，难以达到比较 高精度要求 。 步进 电动机的转速不可能很 高， 运动部件 的速度 受到限制。 但步进电机结构简单 、 可靠性高 、 成本 低， 且其控制电路也简单 。所以开环控制 系统多 用于精度和速度要求不高的经济型数控机床。 １ ． ２全闭环伺服系统 闭环伺服系统 主要由比较环节 、 服驱动放 伺 大 器 ， 给伺 服电动机 、 进 机械传动装 置和直线位 移测量装置组成。 对韧床 运动部件的移动量具 有 检测与反馈修正功能 ， 用直流伺服电动机或交 采 流伺服电动机作为驱动部件。 可以采用直接安装 在工作台的光栅或感应同步器作为位置检测器 件； 来构成高精度 的全闭环位置控制系统。系统 的直线位移检测器安装在移动部件上 ， 其精度 主 伺服 电机不会 出现此 现象 ， 非常平稳 ， 运转 交流 伺服 系统具有共振抑制功能 ， 可涵盖机械 的刚性 不足 ， 并且系统 内部具有频率解 析机能 ， 可检测 出机械的共振 点， 便于系统调整。 控制精度高 交流伺服 电机 的控制精度 由电机轴后端 的 旋转编码器保证。 例如松下全数字式交流伺服 电 机 ， 于带 １ 位编码器的电机而言 ， 器每接 对 ７ 驱动 收 ２ ７ １ １ ７ 个脉冲电机转一 圈，即其脉冲当 １＝３０２ 量为 ３ ０ １ １７ － ． 秒。是步距角为 １ 。 ６￣３０２９ ９ ／ ８ ． 的步 ８ 进电机 的脉冲当量的 １ ５。 ， ５ ６ ２ ． ３过载能力强 步进电机不具有过载能力 ， 为了克服 陨性负 载在启动瞬间的惯 ｌ力矩 ， 生 选型时需要选取额定 转矩 比负载转矩大很多的电机 ， 了力矩浪费 造成 的现象。而交流伺服 电机具有较强 的过载能力 ， 例如松 下交 流伺服系统 中的伺服 电机 的最大转 矩达到额定转矩 的三倍 ， 可用于克服启动瞬间的 惯Ｉ 生力矩。 了它对机 床的控制能力和通信速度。 这些技术的 发展 ， 使伺服系统性能改善、 可靠性提高、 调试方 便、 柔性增强 ， 大大推 动了高精高速加工技术的
数控机床进给伺服系统类故障诊断与处理（3篇）
数控机床进给伺服系统类故障诊断与处理数控机床进给伺服系统是数控机床中非常关键的一个组成部分，它直接影响机床加工的精度和效率。
然而，在使用过程中，由于各种原因，进给伺服系统可能会出现故障。
本文将介绍数控机床进给伺服系统的常见故障及其诊断与处理方法。
一、数控机床进给伺服系统常见故障1. 运动不平稳：机床在加工工件时，出现运动不平稳的情况，可能是由于进给伺服系统的故障引起的。
这种情况表现为运动过程中有明显的抖动或者不稳定的现象。
2. 运动失效：机床无法正常运动，不响应操作指令。
这种情况可能是由于进给伺服系统的电源故障、控制器故障或者连接线路故障引起的。
3. 位置误差过大：机床在加工过程中，位置误差超过了允许范围，导致加工工件的尺寸不准确。
这种情况可能是由于进给伺服系统的位置反馈元件（如编码器）故障引起的。
4. 加工速度过慢：机床在加工时，进给速度远低于预设值，导致加工效率低下。
这种情况可能是由于进给伺服系统的电机故障或者速度控制回路故障引起的。
二、故障诊断与处理方法1. 运动不平稳的诊断与处理：首先，检查机床的润滑系统，确保润滑油是否充足，并且清洁。
其次，检查机床的传动系统，确保螺杆和导轨的润滑良好。
如果问题还未解决，可以通过检查进给伺服系统的控制器参数是否正确、电机驱动器是否正常工作等方式进一步诊断。
2. 运动失效的诊断与处理：首先，检查进给伺服系统的电源供应情况，确保电源正常。
其次，检查进给伺服系统的连接线路，包括电源线、编码器连接线等，确保线路没有松动或者断裂。
如果问题还未解决，可以通过检查进给伺服系统的控制器和电机驱动器是否正常工作等方式进一步诊断。
3. 位置误差过大的诊断与处理：首先，检查进给伺服系统的位置反馈元件，如编码器是否损坏或者松动。
如果问题还未解决，可以通过检查进给伺服系统的控制器参数是否正确、电机驱动器是否正常工作等方式进一步诊断。
4. 加工速度过慢的诊断与处理：首先，检查进给伺服系统的电机是否正常工作，包括电机是否有异常声音或者发热等。
FANUC 6M数控系统ALM 086报警的维修
FANUC 6M数控系统ALM 086报警的维修故障现象：某采用FANUC 6M数控系统的卧式加工中心，当系统与计算机通过RS232口通信时，发生ALM086号报警（传送异常或I/O 设备异常）、ALM 085报警（读入数据的位数不对或波特率不对），以及传送的程序发生程序段丢失现象，且无规律性。
分析及处理过程：根据085、086号报警信息，首先检查了计算机和数控设备的通信配置，但未发现问题。
然后检查了计算机和数控设备的输入、输出接口，发现接口亦正常，从而排除了设备故障的可能；检查QHCAM-APT通信软件，它在其他机床上工作正常，因此也不应存在问题。
由此初步认为故障应在连接电缆上。
通过检查通信电缆，发现电缆存在短路现象，打开RS232通信插头，检查发现插头连接不良；重新焊好后，故障消除。
解决办法：6.8.20短接，并且不要接到金属壳上！参考资料：FANUC 0i_B/C 系统使用RS-232-C 接口的参数设定和电缆连接技术部：张锐B-64115CM/02原因：（a）有关阅读机／穿孔机接口的参数设定不正确。
请检查设定数据及参数。
（b）外部输入、输出设备或主计算机不良。
（c）母板或串行通讯板不良。
（d）CNC 与输入、输出设备间的电缆不良。
085 COMMUNICATION ERROR 用阅读机/穿孔机接口进行数据读入时，出现溢出错误，奇偶错误或成帧错误。
可能是输入的数据的位数不吻合，或波特率的设定、设备的规格号不对。
086 DR SIGNAL OFF 用阅读机/穿孔机接口进行数据输入输出时，I/O 设备的动作准备信号（DR）断开。
可能是I/O 设备电源没有接通，电缆断线或印刷电路板出故障。
087 BUFFER OVERFLOW 用阅读机/穿孔机接口读入数据时，虽然指定了读入停止，但超过了10 个字符后输入仍未停止。
I/O 设备或印刷电路板出故障。
附：FANUC 0MD系统报警说明1. 程序报警(P/S报警)报警号报警内容000修改后须断电才能生效的参数，参数修改完毕后应该断电。
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）
31
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
32
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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数控机床的伺服系统
第6章 数控机床的伺服系统
伺服驱动装置
位置控制模块 速度控制单元
工作台 位置检测
速度环 速度检测 位置环
伺服电机
测量反馈
图6-1 闭环进给伺服系统结构
数控机床闭环进给系统的一般结构如图，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。
第6章 数控机床的伺服系统
A C1 B4 2 B 3C A
逆时针转30º
C 4 B
A 1 2 3 A
B
C 1 B
A 2
B 3 C
C
逆时针转30º
4 A
第6章 数控机床的伺服系统
采用三相双三拍控制方式，即通电顺序按AB→BC→CA→AB（逆时针 方向）或AC→CB→BA→AC（顺时针方向）进行，其步距角仍为30。由于 双三拍控制每次有二相绕组通电，而且切换时总保持一相绕组通电，所以 工作比较稳定。
第6章 数控机床的伺服系统
设 A 相首先通电，转子齿与定子 A 、 A′ 对齐（图 3a ）。然后在 A 相继续通电的情 况下接通 B 相。这时定子 B 、 B′ 极对转子 齿 2 、 4 产生磁拉力，使转子顺时针方向转 动，但是 A 、 A′ 极继续拉住齿 1 、 3 ，因 此，转子转到两个磁拉力平衡为止。这时转 子的位置如图 3b 所示，即转子从图 (a) 位 置顺时针转过了 15° 。接着 A 相断电， B 相继续通电。这时转子齿 2 、 4 和定子 B 、 B′ 极对齐（图 c ），转子从图 (b) 的位置又 转过了 15° 。其位置如图 3d 所示。这样， 如果按 A→A 、 B→B→B 、 C→C→C 、 A→A… 的顺序轮流通电，则转子便顺时针 方向一步一步地转动，步距角 15° 。电流 换接六次，磁场旋转一周，转子前进了一个 齿距角。如果按 A→A 、 C→C→C 、 B→B→B 、 A→A… 的顺序通电，则电机 转子逆时针方向转动。这种通电方式称为六 拍方式。
数控伺服系统介绍
数控伺服系统介绍数控伺服系统介绍随着数字化和自动化技术的发展，数控伺服系统在机械加工、自动化控制、机器人等领域中越来越得到广泛的应用。
数控伺服系统是一种利用数控技术和伺服技术相结合的控制系统，具有高精度、高可靠性、高速度和高灵敏度等特点，被广泛应用于高科技领域中。
数控伺服系统由伺服控制器、伺服电机、传感器和负载等几个基本组成部分构成。
其中伺服控制器是数控伺服系统的核心部分，负责对伺服电机进行控制和调节；伺服电机则是负责将电能转化为机械能的核心部件，将电信号转化为运动控制信号；传感器则是利用位置、速度和力等物理量进行测量，并通过反馈控制实现系统的闭环控制；而负载则是指受到控制力的物理对象，例如机器人等自动化设备。
伺服控制器是数控伺服系统的最核心部分，是将机器加工的动作进行可编程化的设定和控制，实现对机器的可靠控制。
伺服控制器的工作原理是将伺服电机控制信号传输到控制器内的电路板上，通过内部电路板将电器信号转化为脉冲信号，再通过编程控制，使伺服马达根据编程指令进行动作控制。
传感器是数控伺服系统的重要组成部分，被广泛应用于过程监测、异常诊断、故障预测等领域中。
传感器主要分为原理性传感器和物理量传感器两种类型，通过测量物理量来实现对系统状态的检测和控制。
原理性传感器主要包括温度传感器、气敏传感器、压力传感器、水质传感器等，主要用于测量温度、湿度、压力、水质等参数。
而物理量传感器主要是用于测量力、速度、方向等物理量的传感器，例如力传感器、速度传感器、角度传感器等。
伺服电机是数控伺服系统的控制核心部分，通过将电器信号转化为运动控制信号，实现对机器的精定位和高速控制。
伺服电机具有重力偏差小、力矩大、稳定性好等特点，常被应用于精密加工、自动化控制、机器人等领域中。
伺服电机根据不同的工作环境情况，可以分为交流伺服电机和直流伺服电机两种类型，而正弦伺服电机、矩形伺服电机、齿轮箱电机等则是根据不同的工作特点和应用场合而设计出来的。
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。
数控伺服系统PPT课件( 27页)
•
14、一个人的知识，通过学习可以得到;一个人的成长，就必须通过磨练。若是自己没有尽力，就没有资格批评别人不用心。开口抱怨很容易，但是闭嘴努力的人更加值得尊敬。
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15、如果没有人为你遮风挡雨，那就学会自己披荆斩棘，面对一切，用倔强的骄傲，活出无人能及的精彩。
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5、人生每天都要笑，生活的下一秒发生什么，我们谁也不知道。所以，放下心里的纠结，放下脑中的烦恼，放下生活的不愉快，活在当下。人生喜怒哀乐，百般形态，不如在心里全部淡然处之，轻轻一笑，让心更自在，生命更恒久。积极者相信只有推动自己才能推动世界，只要推动自己就能推动世界。
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15、只有在开水里，茶叶才能展开生命浓郁的香气。
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5、从来不跌倒不算光彩，每次跌倒后能再站起来，才是最大的荣耀。
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6、这个世界到处充满着不公平，我们能做的不仅仅是接受，还要试着做一些反抗。
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7、一个最困苦、最卑贱、最为命运所屈辱的人，只要还抱有希望，便无所怨惧。
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8、有些人，因为陪你走的时间长了，你便淡然了，其实是他们给你撑起了生命的天空；有些人，分开了，就忘了吧，残缺是一种大美。
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11、这个世界其实很公平，你想要比别人强，你就必须去做别人不想做的事，你想要过更好的生活，你就必须去承受更多的困难，承受别人不能承受的压力。
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12、逆境给人宝贵的磨炼机会。只有经得起环境考验的人，才能算是真正的强者。自古以来的伟人，大多是抱着不屈不挠的精神，从逆境中挣扎奋斗过来的。
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13、不同的人生，有不同的幸福。去发现你所拥有幸运，少抱怨上苍的不公，把握属于自己的幸福。你，我，我们大家都可以经历幸福的人生。
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6、人性本善，纯如清溪流水凝露莹烁。欲望与情绪如风沙袭扰，把原本如天空旷蔚蓝的心蒙蔽。但我知道，每个人的心灵深处，不管乌云密布还是阴淤苍茫，但依然有一道彩虹，亮丽于心中某处。
第七章数控机床伺服系统
第一节 概述
2、数控机床对进给伺服系统的要求
(5) 调速范围要宽，低速时能输出大转矩 调速范围要宽，低速时能输出大转矩。机床的调速范围RN是指机床要求 电动机能够提供的最高转速nmax和最低转速nmin之比，即：
R
N
=
n max n min
其中nmax和nmin一般是指额定负载时 额定负载时的电动机最高转速和最低转速，对于 额定负载时 小负载的机械也可以是实际负载时最高和最低转速。一般的数控机床进 给伺服系统的调速范围RN为1：24 000就足够了，代表当前先进水平的速 度控制单元的技术已可达到1：100 000的调速范围。同时要求速度均匀、 稳定、无爬行，且速降要小。在平均速度很低的情况下（1mm/min以下） 要求有一定瞬时速度。零速度时要求伺服电动机处于锁紧状态，以维持 定位精度。
第 二 节 典 型 进 给 伺 服 系 统
–
柔性差： 柔性差：系统全由硬件构成，使得它的各调节器参数在机电联 调整定后就固定下来了，不易改变，这对负载惯量变化不大的 位置伺服系统（如车床刀架进给控制），可获得满意的控制性 。 对 负载惯量 大的系统， 。 的数 ， 在整
（负载惯量变化） – 量 化成 ， 响 电
第一节 概述
1、数控机床伺服系统的概念及组成 （1）在位置控制中，根据插补运算得到的为之指令 （即一串脉冲指令或二进制数据），与位置检测装置 反馈来的机床坐标轴的实际位置进行比较，形成位置 偏差，经变换得到速度给定电压。 （2）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，以驱动机床部件，从而把速度量变为位置量。
提高系统 精度 环 措施 的精度；
一. 开环进给伺服系统
传动间隙补偿 在整个行程范围内测量传动机构传动间隙，取其平均值存放 在数控系统中的间隙补偿单元，当进给系统反向运动时，数控 系统自动将补偿值加到进给指令中，从而达到补偿目的。 – 螺矩误差补偿 滚珠丝杆在数控机床应用广泛，虽然滚珠丝杆精度较高，但 的 精 ， 将其精度控 在一 的范围内的， 的螺 存在 一 的误差的， 用 机的运 ， 补偿滚珠丝 的螺矩 误差， 高进给 精度。 测量 进给丝 螺 误差 ( )，然 用 误差补偿 补偿 补偿。 补偿 –
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，
数控机床进给伺服系统的工作原理(共5张PPT)
度作为控制量的自动控制系统，又称位置随动系统、驱动系统、 伺服机构或伺服单元。
进给伺服系统的工作原理
进给伺进服系给统伺的工服作系原理统是数控装置和机床主机的联系环节，接收CNC装置插补器发出的进给
数控装置插补信号输送到位置控制模块的位置比较电路，与位置检测反馈电路来的反馈信号相比较后，位置比较电路输出位置移动信号
机床完成进给运动。。 带动传动机构，最后转化为机床的直线或转动位移。
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。 进给伺服系统的工作原理 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。 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。
进 进给伺服系统的工作原理
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。 数控装置插补信号输送到位置控制模块的位置比较电路，与位置检测反馈电路来的反馈信号相比较后，位置比较电路输出位置移动信号
给 ，经位置控制和速度控制单元输出到速度环，直到机床完成进给运动。 比较控制环节 驱动控制单元 执行元件 进给伺服系统(Feed Servo System)——以移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统，又称位置随动系统、驱动系统、伺服机 指 构或伺服单元。 令 机 进给伺服系统的工作原理 床 数控机床常见故障诊断与排除
，经位脉置控冲制或和速进度给控制位单移元量输出信到息速度，环经，直过到变机换床完和成放进给大运由动伺。 服电机带动传动机构，最后转化为机床的
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。
进给伺直服系线统或是数转控动装置位和移机。床主机的联系环节，接收CNC装置插补器发出的进给脉冲或进给位移量信息，经过变换和放大由伺服电机
进给伺服系统的工作原理
进给伺进服系给统伺的工服作系原理统是数控装置和机床主机的联系环节，接收CNC装置插补器发出的进给
数控装置插补信号输送到位置控制模块的位置比较电路，与位置检测反馈电路来的反馈信号相比较后，位置比较电路输出位置移动信号
机床完成进给运动。。 带动传动机构，最后转化为机床的直线或转动位移。
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。 进给伺服系统的工作原理 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。 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。
进 进给伺服系统的工作原理
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。 数控装置插补信号输送到位置控制模块的位置比较电路，与位置检测反馈电路来的反馈信号相比较后，位置比较电路输出位置移动信号
给 ，经位置控制和速度控制单元输出到速度环，直到机床完成进给运动。 比较控制环节 驱动控制单元 执行元件 进给伺服系统(Feed Servo System)——以移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统，又称位置随动系统、驱动系统、伺服机 指 构或伺服单元。 令 机 进给伺服系统的工作原理 床 数控机床常见故障诊断与排除
，经位脉置控冲制或和速进度给控制位单移元量输出信到息速度，环经，直过到变机换床完和成放进给大运由动伺。 服电机带动传动机构，最后转化为机床的
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。
进给伺直服系线统或是数转控动装置位和移机。床主机的联系环节，接收CNC装置插补器发出的进给脉冲或进给位移量信息，经过变换和放大由伺服电机
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
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2020/2/9
6.1.1 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 速度调节单元 电流调节单元 检测装置 一般闭环系统为三环结构：位置环、速度环、电流环。
2020/2/9
位置调解
6.1.1 伺服系统的组成
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
（6.4）
2020/2/9
2一般直流电机的工作特性
当负载转矩为零时： 理想空载转速
当转速为零时：
0 Ua K e
（6.5）
△ω
启动转矩
当电机带动某一负载TL时
Ts
Ua Rg
KT
电机转速与理想空载转速ω 的差 O
Ra
KeKT 2
TL
( 6.6） （6.7）
ω（n） ωO
△ω
2020/2/9
（2）交流主轴伺服电机的发展 ① 输出转换型交流主轴电机 三角-星形切换，绕组数切换或二者组合切换。 ② 液体冷却电机 ③ 内装式主轴电机
2020/2/9
6.3 速度控制
概述：
速度控制系统由速度控制单元、伺服电机和速度检测 装置组成。分为主运动和进给运动。
+
-
速度控制 调节与驱动
实际 位置 反馈
实际 速度 反馈
检测与反馈 单元
机械执行部件 电机
2020/2/9
6.1.2 伺服系统的分类
从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间 隙和失动量。具有很高的位置控制精度。
由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和 间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭 环系统的设计、安装和调试都相当困难。
瓦状永磁材料（定子） 电枢（转子）
换向极
主磁极 定子 转子
线圈
图6.5永磁直流伺服电机的结构
图6.6直流主轴电机结构示意图
2020/2/9
2 一般直流电机的工作特性
⑴ 静态特性
电磁转矩由下式表示:
TM KT Ia
（6.1）
KT —转矩常数； Φ—磁场磁通；Ia —电枢电流；TM —电磁
O
TL TS T
图6.7 直流电机的机械特性
2一般直流电机的工作特性
⑵ 动态特性
直流电机的动态力矩平衡方程式为
TM TL J d
dt
式中
TM ─电机电磁转矩； TL ─ 折算到电机轴上的负载转矩； ω ─ 电机转子角速度； J ─ 电机转子上总转动惯量；
t ─时间自变量。
（6.8）
2020/2/9
第 6 章 数控伺服系统
2020/2/9
6.1 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。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。伺服系统是数控装置(计算机)和机床的联系 环节，是数控机床的重要组成部分。
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。
Ⅰ区为连续工作区； Ⅱ区为断续工作区，由负 载-工作周期曲线决定工作时间；Ⅲ区为瞬时加 减速区
0 1 3 tR 6 10 30 60 100 tR(min)
图6﹒9负载-工作周期曲线
2020/2/9
4．主轴直流伺服电机的工作原理和特性
P,T
1
2
2020/2/9
O
nj
nmax
n
图6.10 直流主轴电机特性曲线 1-转矩特性曲线 2-功率特性曲线
鼠笼式交流异步伺服电机
普通交流 异步感应电机
交流主轴电机
通风孔
图6﹒14交流主轴电机与普通交流 异步感应电机的比较图示意图
P（KW） 8 6 4 2
0 2000 4000 60008000 12000 n（r/min）
图6．15 交流主轴伺服电机的特性曲线
2020/2/9
3、交流伺服电机的发展
（1）永磁交流同步伺服电机的发展 ① 新永磁材料的应用 钕铁硼 ② 永久磁铁的结构改革 内装永磁交流同步伺服电机 ③ 与机床部件一体化的电机 空心轴永磁交流同步伺服电机
2020/2/9
6.1.2 伺服系统的分类
半闭环数控系统
半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置(常 用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直 接检测运动部件的实际位置。
CNC 插补 指令
位置控制单元 + -
位置控制调节 器
速度控制单元
+
-
速度控制 调节与驱动
实际 位置 反馈
实际 速度 反馈
检测与反馈单 元
机械执行部件 电机
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6.1.2 伺服系统的分类
半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此 可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系 统，但比闭环要好。
由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消 除。因此，其精度较闭环差，较开环好。但可对这类误 差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。
3．永磁直流伺服电机的工作特性
(1) 永磁直流伺服电机的性能特点 1) 低转速大惯量 2) 转矩大 3) 起动力矩大 4) 调速泛围大，低速运行平稳，力矩波动小 (2) 永磁直流伺服电机性能用特性曲线和数据表描述 1) 转矩-速度特性曲线（工作曲线） 2) 负载-工作周期曲线
过载倍数Tmd，负载工作周期比 d。 3) 数据表：N、T、时间常数、转动惯量等等。
该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超 精磨床以及较大型的数控机床等。
2020/2/9
6.1.2 伺服系统的分类
2．按使用的执行元件分类
（1）电液伺服系统 电液脉冲马达和电液伺服马达。 优点：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。 缺点：液压系统需要供油系统，体积大。噪声、漏油。
和最低转速之比。0～24m / 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。
2020/2/9
6.1.2 对伺服系统的基本要求
对伺服电机的要求：
（1）调运范围宽且有良好的稳定性，低速时的速度平稳性 （2）电机应具有大的、较长时间的过载能力，以满足低速
半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因 而在现代CNC机床中得到了广泛应用。
2020/2/9
6.1.2 伺服系统的分类
全闭环数控系统
全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直接对 运动部件的实际位置进行检测。
CNC 插补 指令
位置控制单元 + -
位置控制调节 器
速度控制单元
转矩。电枢回路的电压平衡方程式为:
Ua Ia Ra Ea
（6.2）
Ua─ 电枢上的外加电压；Ra─ 电枢电阻；Ea─ 电枢反电势。
电枢反电势与转速之间有以下关系：
Ea Ke
（6.3）
Ke─电势常数；ω─电机转速（角速度）。
根据以上各式可以求得：
Ua
Ra
TM
Ke Ke KT 2
度。包括定位精度和轮廓加工精度。
2．稳定性好 稳定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。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
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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6.1 概 述
进给伺服系统是数控系统主要的子系统。如果说 C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。
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)。 （4）能承受频繁的起动、制动和正反转。
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6.1.2 伺服系统的分类
1．按调节理论分类
（1）开环伺服系统
脉冲 驱动电路
步进电机
工作台
（2）闭环伺服系统
（2）永磁交流同步伺服电机工作原理和性能
N θ ns nr
S
图6﹒12 工作原理
T（N-cm）
12000
10000
8000
V
Ⅱ
S
6000
4000
2000
Ⅰ
0
1000 2000 3000 n（r/min）
图6﹒13 特性曲线
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2．交流主轴伺服电机的结构和工作原理
交流主轴电机的要求：
大功率 低速恒转矩、高速恒功率
换算
f、n
脉冲环 形分配
变换
相
功率
放大
C相、…
机械执行部件
电机
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6.1.2 伺服系统的分类
无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其精 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。 这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、
维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求 不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般 用于经济型数控机床。
6.1.1 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 速度调节单元 电流调节单元 检测装置 一般闭环系统为三环结构：位置环、速度环、电流环。
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位置调解
6.1.1 伺服系统的组成
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
（6.4）
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2一般直流电机的工作特性
当负载转矩为零时： 理想空载转速
当转速为零时：
0 Ua K e
（6.5）
△ω
启动转矩
当电机带动某一负载TL时
Ts
Ua Rg
KT
电机转速与理想空载转速ω 的差 O
Ra
KeKT 2
TL
( 6.6） （6.7）
ω（n） ωO
△ω
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（2）交流主轴伺服电机的发展 ① 输出转换型交流主轴电机 三角-星形切换，绕组数切换或二者组合切换。 ② 液体冷却电机 ③ 内装式主轴电机
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6.3 速度控制
概述：
速度控制系统由速度控制单元、伺服电机和速度检测 装置组成。分为主运动和进给运动。
+
-
速度控制 调节与驱动
实际 位置 反馈
实际 速度 反馈
检测与反馈 单元
机械执行部件 电机
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6.1.2 伺服系统的分类
从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间 隙和失动量。具有很高的位置控制精度。
由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和 间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭 环系统的设计、安装和调试都相当困难。
瓦状永磁材料（定子） 电枢（转子）
换向极
主磁极 定子 转子
线圈
图6.5永磁直流伺服电机的结构
图6.6直流主轴电机结构示意图
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2 一般直流电机的工作特性
⑴ 静态特性
电磁转矩由下式表示:
TM KT Ia
（6.1）
KT —转矩常数； Φ—磁场磁通；Ia —电枢电流；TM —电磁
O
TL TS T
图6.7 直流电机的机械特性
2一般直流电机的工作特性
⑵ 动态特性
直流电机的动态力矩平衡方程式为
TM TL J d
dt
式中
TM ─电机电磁转矩； TL ─ 折算到电机轴上的负载转矩； ω ─ 电机转子角速度； J ─ 电机转子上总转动惯量；
t ─时间自变量。
（6.8）
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第 6 章 数控伺服系统
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6.1 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。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。伺服系统是数控装置(计算机)和机床的联系 环节，是数控机床的重要组成部分。
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。
Ⅰ区为连续工作区； Ⅱ区为断续工作区，由负 载-工作周期曲线决定工作时间；Ⅲ区为瞬时加 减速区
0 1 3 tR 6 10 30 60 100 tR(min)
图6﹒9负载-工作周期曲线
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4．主轴直流伺服电机的工作原理和特性
P,T
1
2
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O
nj
nmax
n
图6.10 直流主轴电机特性曲线 1-转矩特性曲线 2-功率特性曲线
鼠笼式交流异步伺服电机
普通交流 异步感应电机
交流主轴电机
通风孔
图6﹒14交流主轴电机与普通交流 异步感应电机的比较图示意图
P（KW） 8 6 4 2
0 2000 4000 60008000 12000 n（r/min）
图6．15 交流主轴伺服电机的特性曲线
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3、交流伺服电机的发展
（1）永磁交流同步伺服电机的发展 ① 新永磁材料的应用 钕铁硼 ② 永久磁铁的结构改革 内装永磁交流同步伺服电机 ③ 与机床部件一体化的电机 空心轴永磁交流同步伺服电机
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6.1.2 伺服系统的分类
半闭环数控系统
半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置(常 用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直 接检测运动部件的实际位置。
CNC 插补 指令
位置控制单元 + -
位置控制调节 器
速度控制单元
+
-
速度控制 调节与驱动
实际 位置 反馈
实际 速度 反馈
检测与反馈单 元
机械执行部件 电机
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6.1.2 伺服系统的分类
半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此 可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系 统，但比闭环要好。
由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消 除。因此，其精度较闭环差，较开环好。但可对这类误 差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。
3．永磁直流伺服电机的工作特性
(1) 永磁直流伺服电机的性能特点 1) 低转速大惯量 2) 转矩大 3) 起动力矩大 4) 调速泛围大，低速运行平稳，力矩波动小 (2) 永磁直流伺服电机性能用特性曲线和数据表描述 1) 转矩-速度特性曲线（工作曲线） 2) 负载-工作周期曲线
过载倍数Tmd，负载工作周期比 d。 3) 数据表：N、T、时间常数、转动惯量等等。
该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超 精磨床以及较大型的数控机床等。
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6.1.2 伺服系统的分类
2．按使用的执行元件分类
（1）电液伺服系统 电液脉冲马达和电液伺服马达。 优点：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。 缺点：液压系统需要供油系统，体积大。噪声、漏油。
和最低转速之比。0～24m / 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。
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6.1.2 对伺服系统的基本要求
对伺服电机的要求：
（1）调运范围宽且有良好的稳定性，低速时的速度平稳性 （2）电机应具有大的、较长时间的过载能力，以满足低速
半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因 而在现代CNC机床中得到了广泛应用。
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6.1.2 伺服系统的分类
全闭环数控系统
全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直接对 运动部件的实际位置进行检测。
CNC 插补 指令
位置控制单元 + -
位置控制调节 器
速度控制单元
转矩。电枢回路的电压平衡方程式为:
Ua Ia Ra Ea
（6.2）
Ua─ 电枢上的外加电压；Ra─ 电枢电阻；Ea─ 电枢反电势。
电枢反电势与转速之间有以下关系：
Ea Ke
（6.3）
Ke─电势常数；ω─电机转速（角速度）。
根据以上各式可以求得：
Ua
Ra
TM
Ke Ke KT 2
度。包括定位精度和轮廓加工精度。
2．稳定性好 稳定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。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
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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6.1 概 述
进给伺服系统是数控系统主要的子系统。如果说 C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。
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)。 （4）能承受频繁的起动、制动和正反转。
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6.1.2 伺服系统的分类
1．按调节理论分类
（1）开环伺服系统
脉冲 驱动电路
步进电机
工作台
（2）闭环伺服系统
（2）永磁交流同步伺服电机工作原理和性能
N θ ns nr
S
图6﹒12 工作原理
T（N-cm）
12000
10000
8000
V
Ⅱ
S
6000
4000
2000
Ⅰ
0
1000 2000 3000 n（r/min）
图6﹒13 特性曲线
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2．交流主轴伺服电机的结构和工作原理
交流主轴电机的要求：
大功率 低速恒转矩、高速恒功率
换算
f、n
脉冲环 形分配
变换
相
功率
放大
C相、…
机械执行部件
电机
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6.1.2 伺服系统的分类
无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其精 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。 这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、
维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求 不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般 用于经济型数控机床。