数控机床的驱动与控制系统(1)
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定位精度：移动件到达指令位置的准确度。 重复定位精度：移动件在任编意辑pp定t 位点的定位一致性。 11
7.1 数控机床的驱动系统分类
7.1.3 数控机床对驱动系统的要求
3、调速范围宽（调速范围：最低转速到最高转速的范围-nmin/nmax ）
由于工件材料、刀具以及加工要求各不相同，要保证数控 机床在任何情况下都能得到最佳切削条件，伺服系统就必须有 足够的调速范围。这样既能满足高速加工要求，又能满足低速 进给要求。
特点：能够实现位置和运动 的准确控制。
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7.1 数控机床的驱动系统分类
1. 按其控制对象和使用目的分类
进给驱动：控制机床各轴的切削进给运动, 含速度控 制和位置控制，也是一般概念的伺服驱动系统；
主轴驱动：控制主轴的旋转和切削过程的转矩和功 率，要求有足够的功率、宽的恒功率调节范围及速 度调节范围；
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7.1 数控机床的驱动系统分类
7.1.3 数控机床对驱动系统的要求
1、精度高，定位误差（重复定位误差）小，跟随误差小。 一 般 要 求 定 位 精 度 为 0.001~0.01mm ， 高 档 设 备 达 到
0.01μm以上。 2、快速响应特性好、无超调、无振荡。
快速响应是伺服系统动态品质的标志之一，反映系统的 跟踪精度。要求加、减速度足够大，能频繁启、停和正、反 向运动。
（1） 步进电机的结构与工作原理
反应式步进电机（可变磁阻式步进电机、VR步进电机）结构； 工作原理：当某相定子磁极励磁后，吸引转子使转子的齿与该 相定子磁极上的齿对齐（电磁吸引原理）。
S N
图7-4 单段式三相反应式步 进电机结构原理
图7-5 展开后的步进电机齿距
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（1） 步进电机的结构与工作原理
4、低速切削时，要求系统能输出大转矩
5、系统可靠性高
系统的可靠性常用发生故障时间间隔长短的平均值作为依
据，即平均无故障时间(MBTF)。这个时间越长，可靠性越好。
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7.1 数控机床的驱动系统分类
7.1.4 驱动系统中常用的检测装置
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7.2 步进电机及其驱动系统
主要用于开环伺服控制，系统由 “步进电机驱动线路” + “步进电机” 组成，对工作台位移、速度和运动方向进 行控制。
第七章 数控机床的驱动与控制系统
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1
数控机床伺服驱动系统概述
伺服驱动系统接收数控单元的位移/速度控 制指令,驱动工作台/主轴按照控制指令的 要求进行运动。 伺服驱动系统直接影响移动速度、跟踪精 度、定位精度等一系列重要指标，是数控 机床的关键技术。
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数控机床的伺服驱动
组成：
驱动电路--信号的转换（D/A）和放大； 伺服电机--信号和能量的转化输出（电—机）； 传动及执行机构--信号和能量的传递；
辅助驱动：采用简易的位置控制，如控制刀库的辅
助系统。
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7.1 数控机床的驱动系统分类
7.1.2 按调节理论分类
（1）开环伺服系统：无检测反馈控制通道，由步进电机、驱动电
路、传动机构组成。用于经济型数控和老设备改造。 工作原理：将指令数字脉冲信号转换为电机的角位移。
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7.1 数控机床的驱动系统分类
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（1） 步进电机的结构与工作原理
多段式轴向磁路的反应式步进电机--励磁绕组为环形绕组， 定子齿数和转子齿数相等。每段之间定子齿在径向依次错开1／ m齿距（m为相数），转子齿不错位；
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7.1 数控机床的驱动系统分类
7.1.2 按调节理论分类
（3）半闭环伺服系统：采用角位移检测元件对电机轴或滚珠丝杠 的角位移进行测量反馈，其精度处于开环与闭环之间，安装调 试方便。
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7.1 数控机床的驱动系统分类
7.1.2 按调节理论分类
（3）半闭环伺服系统
脉冲当量0.005-0.001mm，快进速度15-24m/min。主 要用于中档数控机床上。
令指给进
步进电机驱动线路
步进电机 床 机
进给 脉冲
脉冲 混合 电路
加减 脉冲 分配 电路
加减 速电 路
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环形 分配 器
功率 放大 至步进 器 电机绕阻
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7.2 步进电机及其驱动系统
7.2.1 步进电机（亦称脉冲电机、电脉冲马达）
作用：将电脉冲转换成相应的机械角位移或直线位移。 电脉冲数决定位移量； 电脉冲频率决定位移速度； 电脉冲相序决定位移方向。
7.1.2 按调节理论分类
（2）闭环伺服系统：有位置检测装置（直线位移检测元件），用 位移指令与工作台实际位移的差值作为控制量；由位置环和速 度环组成；具有很高的跟随精度和定位精度，安装调试困难。
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7.1 数控机床的驱动系统分类
7.1.2 按调节理论分类
（2）闭环伺服系统
脉冲当量0.001-0.0001mm，快进速度24-100m/min。 主要用于精密、大型数控设备上。
7.1.2 按调节理论分类
（1）开环伺服系统
• 特点 1）无位移检测装置，控制精度低； 2）结构简单、易于调整、成本低。
• 主要技术指标 1）定位精度可达±0.02mm； 2）脉冲当量可达0.01mm； 3）快速进给速度4-15m/min；
• 应用:经济型数控机床及机床数控化改造
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7.1 数控机床的驱动系统分类
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7.2 步进电机及其驱动系统
工作台
丝杠
步进电机 编码器
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（1） 步进电机的结构与工作原理
与步进电机有关的几个概念： “段” —指步进电机的定子数目，分“单段式”、“多段式”； “相”Байду номын сангаас“相数” —产生不同对N、S极磁场的励磁线圈对数； “拍” —指从一相通电切换成另一相通电的意思； “拍数”—完成一个磁场周期性变化所需脉冲数，或指电机转 过一个齿距角所需脉冲数； “步”-对步进电机输入一个脉冲，则输出一个位移（角位移 或直线位移），称为“一步”； “步距角”—对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移，用 θ表示； “失步” —电机运转时运转的编辑步pp数t ，不等于理论上的步数。17
单段式（一个定子，也称径向式）反应式步进电机（图7-4）：
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（1） 步进电机的结构与工作原理
多段式径向磁路的反应式步进电机--由单段式演变而来， 各相励磁绕组沿轴向分段布置，每段之间的定子齿在径向互相 错开1／m齿距（m为相数）；
磁路沿径向
三段式径向磁路反应式编步辑p进pt 电动机结构示意图
7.1 数控机床的驱动系统分类
7.1.3 数控机床对驱动系统的要求
3、调速范围宽（调速范围：最低转速到最高转速的范围-nmin/nmax ）
由于工件材料、刀具以及加工要求各不相同，要保证数控 机床在任何情况下都能得到最佳切削条件，伺服系统就必须有 足够的调速范围。这样既能满足高速加工要求，又能满足低速 进给要求。
特点：能够实现位置和运动 的准确控制。
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7.1 数控机床的驱动系统分类
1. 按其控制对象和使用目的分类
进给驱动：控制机床各轴的切削进给运动, 含速度控 制和位置控制，也是一般概念的伺服驱动系统；
主轴驱动：控制主轴的旋转和切削过程的转矩和功 率，要求有足够的功率、宽的恒功率调节范围及速 度调节范围；
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7.1 数控机床的驱动系统分类
7.1.3 数控机床对驱动系统的要求
1、精度高，定位误差（重复定位误差）小，跟随误差小。 一 般 要 求 定 位 精 度 为 0.001~0.01mm ， 高 档 设 备 达 到
0.01μm以上。 2、快速响应特性好、无超调、无振荡。
快速响应是伺服系统动态品质的标志之一，反映系统的 跟踪精度。要求加、减速度足够大，能频繁启、停和正、反 向运动。
（1） 步进电机的结构与工作原理
反应式步进电机（可变磁阻式步进电机、VR步进电机）结构； 工作原理：当某相定子磁极励磁后，吸引转子使转子的齿与该 相定子磁极上的齿对齐（电磁吸引原理）。
S N
图7-4 单段式三相反应式步 进电机结构原理
图7-5 展开后的步进电机齿距
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（1） 步进电机的结构与工作原理
4、低速切削时，要求系统能输出大转矩
5、系统可靠性高
系统的可靠性常用发生故障时间间隔长短的平均值作为依
据，即平均无故障时间(MBTF)。这个时间越长，可靠性越好。
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7.1 数控机床的驱动系统分类
7.1.4 驱动系统中常用的检测装置
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7.2 步进电机及其驱动系统
主要用于开环伺服控制，系统由 “步进电机驱动线路” + “步进电机” 组成，对工作台位移、速度和运动方向进 行控制。
第七章 数控机床的驱动与控制系统
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1
数控机床伺服驱动系统概述
伺服驱动系统接收数控单元的位移/速度控 制指令,驱动工作台/主轴按照控制指令的 要求进行运动。 伺服驱动系统直接影响移动速度、跟踪精 度、定位精度等一系列重要指标，是数控 机床的关键技术。
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数控机床的伺服驱动
组成：
驱动电路--信号的转换（D/A）和放大； 伺服电机--信号和能量的转化输出（电—机）； 传动及执行机构--信号和能量的传递；
辅助驱动：采用简易的位置控制，如控制刀库的辅
助系统。
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7.1 数控机床的驱动系统分类
7.1.2 按调节理论分类
（1）开环伺服系统：无检测反馈控制通道，由步进电机、驱动电
路、传动机构组成。用于经济型数控和老设备改造。 工作原理：将指令数字脉冲信号转换为电机的角位移。
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7.1 数控机床的驱动系统分类
20
（1） 步进电机的结构与工作原理
多段式轴向磁路的反应式步进电机--励磁绕组为环形绕组， 定子齿数和转子齿数相等。每段之间定子齿在径向依次错开1／ m齿距（m为相数），转子齿不错位；
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7.1 数控机床的驱动系统分类
7.1.2 按调节理论分类
（3）半闭环伺服系统：采用角位移检测元件对电机轴或滚珠丝杠 的角位移进行测量反馈，其精度处于开环与闭环之间，安装调 试方便。
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7.1 数控机床的驱动系统分类
7.1.2 按调节理论分类
（3）半闭环伺服系统
脉冲当量0.005-0.001mm，快进速度15-24m/min。主 要用于中档数控机床上。
令指给进
步进电机驱动线路
步进电机 床 机
进给 脉冲
脉冲 混合 电路
加减 脉冲 分配 电路
加减 速电 路
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环形 分配 器
功率 放大 至步进 器 电机绕阻
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7.2 步进电机及其驱动系统
7.2.1 步进电机（亦称脉冲电机、电脉冲马达）
作用：将电脉冲转换成相应的机械角位移或直线位移。 电脉冲数决定位移量； 电脉冲频率决定位移速度； 电脉冲相序决定位移方向。
7.1.2 按调节理论分类
（2）闭环伺服系统：有位置检测装置（直线位移检测元件），用 位移指令与工作台实际位移的差值作为控制量；由位置环和速 度环组成；具有很高的跟随精度和定位精度，安装调试困难。
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7.1 数控机床的驱动系统分类
7.1.2 按调节理论分类
（2）闭环伺服系统
脉冲当量0.001-0.0001mm，快进速度24-100m/min。 主要用于精密、大型数控设备上。
7.1.2 按调节理论分类
（1）开环伺服系统
• 特点 1）无位移检测装置，控制精度低； 2）结构简单、易于调整、成本低。
• 主要技术指标 1）定位精度可达±0.02mm； 2）脉冲当量可达0.01mm； 3）快速进给速度4-15m/min；
• 应用:经济型数控机床及机床数控化改造
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7.1 数控机床的驱动系统分类
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7.2 步进电机及其驱动系统
工作台
丝杠
步进电机 编码器
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16
（1） 步进电机的结构与工作原理
与步进电机有关的几个概念： “段” —指步进电机的定子数目，分“单段式”、“多段式”； “相”Байду номын сангаас“相数” —产生不同对N、S极磁场的励磁线圈对数； “拍” —指从一相通电切换成另一相通电的意思； “拍数”—完成一个磁场周期性变化所需脉冲数，或指电机转 过一个齿距角所需脉冲数； “步”-对步进电机输入一个脉冲，则输出一个位移（角位移 或直线位移），称为“一步”； “步距角”—对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移，用 θ表示； “失步” —电机运转时运转的编辑步pp数t ，不等于理论上的步数。17
单段式（一个定子，也称径向式）反应式步进电机（图7-4）：
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（1） 步进电机的结构与工作原理
多段式径向磁路的反应式步进电机--由单段式演变而来， 各相励磁绕组沿轴向分段布置，每段之间的定子齿在径向互相 错开1／m齿距（m为相数）；
磁路沿径向
三段式径向磁路反应式编步辑p进pt 电动机结构示意图