数控伺服系统概述
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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
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。
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。
•
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。
•
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。
•
15、只有在开水里，茶叶才能展开生命浓郁的香气。
•
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。
•
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。
•
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。
•
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。
•
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。
•
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。
•
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。
•
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，
数控机床伺服系统培训课件
•起动频率fq 电机正常起动时(不丢步)所能承受旳最高 控制频率,起动频率低于持续运动频率,由 于起动时电机既要克服负载力矩,又要克 服惯性力矩，且负载越大，fq越低。
•持续运行频率（最高工作频率） fm步ax进电机持续工作时能接受旳最高频率,因运行时
转动惯量旳影响比起动时大大减小，因此fmax 》 fq，它表明步进电机所能到达旳最高速度
•步进电机定子绕组的通电状态的改变速度越快，其 转子旋转的速度越快，即通电状态的变化频率越高， 转子的转速越高，即步进电机选型及工作方式定下后， 步令距脉角冲频率是f确的定大的小，：因n=此其×转60速f=n3(r6/0min×)只60取f 决于指
mzk
2. 步进电机旳重要特性
•步距角 输入一种脉冲信号,转子转过旳角度 步距角越小,加工精度越高
变化外加电压u 变化磁通量
他励式直流电动机 调速原理图
电枢等效电路图
变化磁通量旳措施不能满足数控机床旳规定，而变 化电压旳措施具有恒转矩旳调速特性，机械特性好，
即机械特性与调整特性都是直线，转速与控制量U之 间是线性关系，而后一种措施转速与控制量 是非
线性关系，控制及设计系统都不以便。因此永磁直
流电机大都采用该调速方案。
•脉冲分派器（环C)伺服电动机
直流伺服电动机是将直流电能转换成机械能旳旋转电动机 直流伺服电动机具有良好旳调速特性，对伺服电机旳调速 性能规定高旳设备中，大都采用DC伺服电动机驱动。
直流伺服电动机的工作原理主要基于
电磁力定律：载流导体在磁场中要受到电磁力作用
电磁感应定律：当导体在磁场中运动并切割磁力线时，导 体中要产生感应电动势
㈣ 交流(AC)伺服电动机
直流伺服电动机构造较复杂，电刷、换向器需常常维 护，电机转速受限，AC克服此缺陷，因此AC伺服电动 机有取代DC伺服电动机旳趋势
•持续运行频率（最高工作频率） fm步ax进电机持续工作时能接受旳最高频率,因运行时
转动惯量旳影响比起动时大大减小，因此fmax 》 fq，它表明步进电机所能到达旳最高速度
•步进电机定子绕组的通电状态的改变速度越快，其 转子旋转的速度越快，即通电状态的变化频率越高， 转子的转速越高，即步进电机选型及工作方式定下后， 步令距脉角冲频率是f确的定大的小，：因n=此其×转60速f=n3(r6/0min×)只60取f 决于指
mzk
2. 步进电机旳重要特性
•步距角 输入一种脉冲信号,转子转过旳角度 步距角越小,加工精度越高
变化外加电压u 变化磁通量
他励式直流电动机 调速原理图
电枢等效电路图
变化磁通量旳措施不能满足数控机床旳规定，而变 化电压旳措施具有恒转矩旳调速特性，机械特性好，
即机械特性与调整特性都是直线，转速与控制量U之 间是线性关系，而后一种措施转速与控制量 是非
线性关系，控制及设计系统都不以便。因此永磁直
流电机大都采用该调速方案。
•脉冲分派器（环C)伺服电动机
直流伺服电动机是将直流电能转换成机械能旳旋转电动机 直流伺服电动机具有良好旳调速特性，对伺服电机旳调速 性能规定高旳设备中，大都采用DC伺服电动机驱动。
直流伺服电动机的工作原理主要基于
电磁力定律：载流导体在磁场中要受到电磁力作用
电磁感应定律：当导体在磁场中运动并切割磁力线时，导 体中要产生感应电动势
㈣ 交流(AC)伺服电动机
直流伺服电动机构造较复杂，电刷、换向器需常常维 护，电机转速受限，AC克服此缺陷，因此AC伺服电动 机有取代DC伺服电动机旳趋势
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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(2) 双电压供电功放器：双电压供电功率放 大器又称高低电压供电功放器
29
CNC
3.3 步进式伺服系统
3.3.3 提高步进式伺服系统精度的措施
影响步进电机开环系统传动精度的因素： 步进电机的步距角精度； 机械传动部件的精度； 丝杆等机械传动部件、支承的传动间隙； 传动件和支承件的变形。 提高步进电机开环系统传动精度的措施： 适当提高系统组成环节的精度； 采取各种精度补偿措施：
30
CNC
3.3 步进式伺服系统
▪ 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 是总不可做的绝对精确，总是将其精度控制在一定的范围内的， 也就是它的螺距总是存在着一定的误差的，利用计算机的运算处 理能力，可以补偿滚珠丝杠的螺矩累积误差，以提高进给位移精 度。
号产生角位移或角速度，带动被控对象运动。 ▪ 数控伺服系统中常用的驱动元件有：
–步进电动机 –直流伺服电动机 –交流伺服电动机
9
CNC
3.2 伺服系统的驱动元件
3.2.1 步进电动机
步进电机流行于70年代，系统结构简单、控制容易、 维修方面，且控制为全数字化。随着计算机技术的发展，除 功率驱动电路之外，其它部分均可由软件实现，从而进一步 简化结构。目前步进电机仅用于小容量、低速、精度要不高 的场合，如经济型数控；打印机、绘图机等计算机的外部设 备。
25
CNC
3.3 步进式伺服系统
脉冲混合电路
将插补信号或者手动信号等转换为使工作台正向 进给的“正向进给”信号或使工作台反向进给的 “反向进给”信号。
加减脉冲分配电路
当机床在进给脉冲的控制下正在沿着某一方向进 给时，由于各种误差补偿脉冲的存在，可能会有 个别的方向进给脉冲，通过加减脉冲分配电路从 正在进给方向的进给脉冲指令中抵消相同数量的 方向补偿脉冲。
跟踪指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率
• 加减速特性 :描述步进电动机由静止到工作频率和由
工作频率到静止的加减速过程中，定子绕组通电状态 的变化频率与时间的关系
13
CNC
3.2 伺服系统的驱动元件
3.2.2 直流伺服电动机
• 小惯量直流电动机:转动惯量小，反应灵敏， 动态特性好，适用于高速与负载惯量较小的场 合。
宽调速直流电动机性能
• 输出力矩大 • 过载能力强 • 动态响应性能好 • 低速运转平稳 • 易于调试
因此，宽调速直流伺服电动机是目前机电一 体化闭环伺服系统中应用较多的控制电动机。
16
CNC
3.2 伺服系统的驱动元件
直流伺服电动机调速方式
• 晶闸管直流调速（SCR ）
• 脉宽调制直流调速(PWM)
• 大惯量宽调速直流伺服电动机:既具有一般直 流电动机的各项优点，又具有小惯量直流电动 机的快速响应性能，易与较大的负载惯量匹配 ，能较好地满足伺服驱动的要求。
14
CNC
Hale Waihona Puke 3.2 伺服系统的驱动元件
直流伺服电动机的结构特点
按磁极的种 类，宽调速 直流电动机 分为电励磁 和永久磁铁
两种
15
CNC
3.2 伺服系统的驱动元件
方法：首先测量出进给丝杆螺距误差曲线(规律)，然后可采 用下列两种方法实现误差补偿：硬件补偿、软件补偿。
▪ 细分线路 ：是把步进电动机的一步再分得细一些 。
31
CNC
3.6 脉冲比较式伺服系统
• 优点：是结构比较简单用较多的是以光栅和光
电编码器作为位置检测装置的闭环控制系统。
• 组成
32
CNC
3.6 脉冲比较式伺服系统
21
CNC
3.2 伺服系统的驱动元件
直线电动机的优点
• 结构简单 • 应用范围广、适应性强 • 反应速度快，灵敏度高，随动性好 • 额定值高、冷却条件好 • 有精密定位和自锁能力 • 工作稳定可靠，寿命长
22
CNC
3.3 步进式伺服系统
开环步进伺服系统(Open-Loop System)
不带位置测量反馈装置的系统； 驱动电机只能用步进电机； 主要用于经济型数控或普通机床的数控化改造
步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲 信号转换成角位移的机电元件。每输入一个脉冲，步进电动 机转轴就转过一定角度。
10
CNC
3.2 伺服系统的驱动元件
步进电动机的种类
▪ 运动方式：旋转运动的、直线运动的和平面 运动 ；
▪ 结构上：反应式、励磁式 ； ▪ 按定子数目：单段定子式、多段定子式；
给脉冲数决定
方向：通电顺序不同
进给速度：由进给脉冲频率决定
24
CNC
3.3 步进式伺服系统
3.3.2 步进电动机的驱动控制线路
• 驱动控制线路的功能：将具有一定频率f、一定数量和 方向的进给脉冲转换成控制步进电动机各相定子绕组通 断电的电平信号。
• 驱动控制线路组成：脉冲混合电路、加减脉冲分配电路 、加减速电路、环形分配器和功率放大器
▪ 按相数：单相、两相、三相及多相。
11
CNC
3.2 伺服系统的驱动元件
三相三拍反应式的工作原理
三相是指步进电机有三相定子绕组，三拍是指每三次转换为 一个循环
三相步进电机，定子有六个磁极，分为三对，每个磁极上装 有控制绕组。一对磁极通电后，对应产生N/S极磁场；转子为带 齿的铁心（反应式）或磁钢（混合式）。
▪按反馈比较控制方式分类 ▪数字脉冲比较伺服系统 ▪鉴相式伺服系统 ▪鉴幅式伺服系统 ▪全数字伺服系统
▪按伺服系统的用途和功能分类 ▪进给驱动系统 ▪主轴驱动系统
▪按执行元件的类别分类
▪直流伺服系统
▪交流伺服系统
8
CNC
3.2 伺服系统的驱动元件
▪ 伺服驱动元件又称为执行电动机 ▪ 数控伺服系统的执行元件，是根据输入的控制信
6
CNC
3.1 概述
3.1.2 数控伺服系统的基本组成
▪ 按有无反馈检测元件分为开环和闭环(含半闭环)两种类型 ▪ 开环伺服系统由驱动控制单元、执行元件和机床组成。 ▪ 闭环(半闭环)伺服系统由执行元件、驱动控制单元、机床以及
反馈检测元件、比较环节组成。 7
CNC
3.1 概述
3.1.3 数控伺服系统的分类
频带宽
电动机脉动小
电源的功率因数高
动态硬度好，系统具有良好的线性
17
CNC
3.2 伺服系统的驱动元件
3.2.3 交流伺服电动机
由于直流伺服电机具有优良的调速性能， 80年代初至 90年代中，在要求调速性能较高的场合，直流伺服电机 调速系统的应用一直占据主导地位。但其却存在一些固 有的缺点，即：
• 电刷和换向器易磨损，维护麻烦
• 定子省去了铸件壳体，结构紧凑，外形小，重量轻
• 它的转子采用具有精密磁极形状的永久磁铁，常做成鼠笼式，为 了使伺服电动机反应迅速，转子做得较细长。
• 空心杯形转子，杯壁很薄
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CNC
3.2 伺服系统的驱动元件
• 交流伺服电动机的工作 原理
与单相异步电动机相似
• 交流伺服电动机调速
交流伺服电动机调速通常由 调频调速的方法实现。 • 实现调频调压方法： 脉冲幅值调制(PAM)方法
• 结构复杂，制造困难，成本高
而交流伺服电机则没有上述缺点。特别是在同样体 积下，交流伺服电机的输出功率比直流电机提高10%～ 70%，且可达到的转速比直流电机高。因此，人们一直 在寻求交流电机调速方案来取代直流电机调速的方案。
18
CNC
3.2 伺服系统的驱动元件
交流伺服电动机的结构特点
• 交流伺服电动机采用全封闭无刷构造，不需定期检查和维修。
脉宽调制(PWM)方法
20
CNC
3.2 伺服系统的驱动元件
3.2.4 直线电动机
• 直线电动机是一种能将电信号直接转换成为直线位移的电动机。 直线电动机没有传动机械的磨损，并且噪音低、结构简单、操作 维护方便。
• 直线电动机主要应用的机型有直流直线电动机、交流直线电动机 以及直线步进电动机等，在实际中应用较多的是交流直线电动机 。
CNC
第3章 数控伺服系统
主要内容
➢主概要内述容
➢
➢ 伺服系统的驱动元件
➢ 步进式伺服系统
➢
➢ 鉴相式伺服系统
➢ 鉴幅式伺服系统
➢
➢ 脉冲比较式伺服系统
➢ CNC数字伺服系统
1
CNC
3.1 概述
数控伺服系统是指以机床运动部件(如工作台、主轴和 刀具等)的位置和速度作为控制量的自动控制系统。 数控伺服系统的作用在于接受来自数控装置的进给脉 冲信号，经过一定的信号变换及电压、功率放大，驱 动机床运动部件实现运动，并保证动作的快速性和准 确性。 数控伺服系统作为数控装置和机床的联系环节，是数 控机床的重要组成部分，数控机床的精度和速度等技 术指标很大程度上取决于伺服系统的性能优劣。
当定子三相依次通电时，三对磁极依次产生气隙磁场，吸引 转子一步步转动。
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CNC
3.2 伺服系统的驱动元件
步进电动机的主要特性
• 步距角 :步进电动机绕组的通电状态每改变一次，转
子转过的角度
• 起动频率 :空载时，步进电动机由静止状态突然起动
，进入不丢步的正常运行的最高频率
• 连续运行频率 :步进电动机起动以后．其运行速度能
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CNC
3.3 步进式伺服系统
3.3.1 步进式伺服系统的工作原理
▪ 步进电动机的驱动控制线路和步进电动机两部 分组成
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CNC
3.3 步进式伺服系统
3.3.3 提高步进式伺服系统精度的措施
影响步进电机开环系统传动精度的因素： 步进电机的步距角精度； 机械传动部件的精度； 丝杆等机械传动部件、支承的传动间隙； 传动件和支承件的变形。 提高步进电机开环系统传动精度的措施： 适当提高系统组成环节的精度； 采取各种精度补偿措施：
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CNC
3.3 步进式伺服系统
▪ 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 是总不可做的绝对精确，总是将其精度控制在一定的范围内的， 也就是它的螺距总是存在着一定的误差的，利用计算机的运算处 理能力，可以补偿滚珠丝杠的螺矩累积误差，以提高进给位移精 度。
号产生角位移或角速度，带动被控对象运动。 ▪ 数控伺服系统中常用的驱动元件有：
–步进电动机 –直流伺服电动机 –交流伺服电动机
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3.2 伺服系统的驱动元件
3.2.1 步进电动机
步进电机流行于70年代，系统结构简单、控制容易、 维修方面，且控制为全数字化。随着计算机技术的发展，除 功率驱动电路之外，其它部分均可由软件实现，从而进一步 简化结构。目前步进电机仅用于小容量、低速、精度要不高 的场合，如经济型数控；打印机、绘图机等计算机的外部设 备。
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CNC
3.3 步进式伺服系统
脉冲混合电路
将插补信号或者手动信号等转换为使工作台正向 进给的“正向进给”信号或使工作台反向进给的 “反向进给”信号。
加减脉冲分配电路
当机床在进给脉冲的控制下正在沿着某一方向进 给时，由于各种误差补偿脉冲的存在，可能会有 个别的方向进给脉冲，通过加减脉冲分配电路从 正在进给方向的进给脉冲指令中抵消相同数量的 方向补偿脉冲。
跟踪指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率
• 加减速特性 :描述步进电动机由静止到工作频率和由
工作频率到静止的加减速过程中，定子绕组通电状态 的变化频率与时间的关系
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CNC
3.2 伺服系统的驱动元件
3.2.2 直流伺服电动机
• 小惯量直流电动机:转动惯量小，反应灵敏， 动态特性好，适用于高速与负载惯量较小的场 合。
宽调速直流电动机性能
• 输出力矩大 • 过载能力强 • 动态响应性能好 • 低速运转平稳 • 易于调试
因此，宽调速直流伺服电动机是目前机电一 体化闭环伺服系统中应用较多的控制电动机。
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CNC
3.2 伺服系统的驱动元件
直流伺服电动机调速方式
• 晶闸管直流调速（SCR ）
• 脉宽调制直流调速(PWM)
• 大惯量宽调速直流伺服电动机:既具有一般直 流电动机的各项优点，又具有小惯量直流电动 机的快速响应性能，易与较大的负载惯量匹配 ，能较好地满足伺服驱动的要求。
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CNC
Hale Waihona Puke 3.2 伺服系统的驱动元件
直流伺服电动机的结构特点
按磁极的种 类，宽调速 直流电动机 分为电励磁 和永久磁铁
两种
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CNC
3.2 伺服系统的驱动元件
方法：首先测量出进给丝杆螺距误差曲线(规律)，然后可采 用下列两种方法实现误差补偿：硬件补偿、软件补偿。
▪ 细分线路 ：是把步进电动机的一步再分得细一些 。
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CNC
3.6 脉冲比较式伺服系统
• 优点：是结构比较简单用较多的是以光栅和光
电编码器作为位置检测装置的闭环控制系统。
• 组成
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CNC
3.6 脉冲比较式伺服系统
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CNC
3.2 伺服系统的驱动元件
直线电动机的优点
• 结构简单 • 应用范围广、适应性强 • 反应速度快，灵敏度高，随动性好 • 额定值高、冷却条件好 • 有精密定位和自锁能力 • 工作稳定可靠，寿命长
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CNC
3.3 步进式伺服系统
开环步进伺服系统(Open-Loop System)
不带位置测量反馈装置的系统； 驱动电机只能用步进电机； 主要用于经济型数控或普通机床的数控化改造
步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲 信号转换成角位移的机电元件。每输入一个脉冲，步进电动 机转轴就转过一定角度。
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CNC
3.2 伺服系统的驱动元件
步进电动机的种类
▪ 运动方式：旋转运动的、直线运动的和平面 运动 ；
▪ 结构上：反应式、励磁式 ； ▪ 按定子数目：单段定子式、多段定子式；
给脉冲数决定
方向：通电顺序不同
进给速度：由进给脉冲频率决定
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CNC
3.3 步进式伺服系统
3.3.2 步进电动机的驱动控制线路
• 驱动控制线路的功能：将具有一定频率f、一定数量和 方向的进给脉冲转换成控制步进电动机各相定子绕组通 断电的电平信号。
• 驱动控制线路组成：脉冲混合电路、加减脉冲分配电路 、加减速电路、环形分配器和功率放大器
▪ 按相数：单相、两相、三相及多相。
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CNC
3.2 伺服系统的驱动元件
三相三拍反应式的工作原理
三相是指步进电机有三相定子绕组，三拍是指每三次转换为 一个循环
三相步进电机，定子有六个磁极，分为三对，每个磁极上装 有控制绕组。一对磁极通电后，对应产生N/S极磁场；转子为带 齿的铁心（反应式）或磁钢（混合式）。
▪按反馈比较控制方式分类 ▪数字脉冲比较伺服系统 ▪鉴相式伺服系统 ▪鉴幅式伺服系统 ▪全数字伺服系统
▪按伺服系统的用途和功能分类 ▪进给驱动系统 ▪主轴驱动系统
▪按执行元件的类别分类
▪直流伺服系统
▪交流伺服系统
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CNC
3.2 伺服系统的驱动元件
▪ 伺服驱动元件又称为执行电动机 ▪ 数控伺服系统的执行元件，是根据输入的控制信
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CNC
3.1 概述
3.1.2 数控伺服系统的基本组成
▪ 按有无反馈检测元件分为开环和闭环(含半闭环)两种类型 ▪ 开环伺服系统由驱动控制单元、执行元件和机床组成。 ▪ 闭环(半闭环)伺服系统由执行元件、驱动控制单元、机床以及
反馈检测元件、比较环节组成。 7
CNC
3.1 概述
3.1.3 数控伺服系统的分类
频带宽
电动机脉动小
电源的功率因数高
动态硬度好，系统具有良好的线性
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CNC
3.2 伺服系统的驱动元件
3.2.3 交流伺服电动机
由于直流伺服电机具有优良的调速性能， 80年代初至 90年代中，在要求调速性能较高的场合，直流伺服电机 调速系统的应用一直占据主导地位。但其却存在一些固 有的缺点，即：
• 电刷和换向器易磨损，维护麻烦
• 定子省去了铸件壳体，结构紧凑，外形小，重量轻
• 它的转子采用具有精密磁极形状的永久磁铁，常做成鼠笼式，为 了使伺服电动机反应迅速，转子做得较细长。
• 空心杯形转子，杯壁很薄
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CNC
3.2 伺服系统的驱动元件
• 交流伺服电动机的工作 原理
与单相异步电动机相似
• 交流伺服电动机调速
交流伺服电动机调速通常由 调频调速的方法实现。 • 实现调频调压方法： 脉冲幅值调制(PAM)方法
• 结构复杂，制造困难，成本高
而交流伺服电机则没有上述缺点。特别是在同样体 积下，交流伺服电机的输出功率比直流电机提高10%～ 70%，且可达到的转速比直流电机高。因此，人们一直 在寻求交流电机调速方案来取代直流电机调速的方案。
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CNC
3.2 伺服系统的驱动元件
交流伺服电动机的结构特点
• 交流伺服电动机采用全封闭无刷构造，不需定期检查和维修。
脉宽调制(PWM)方法
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CNC
3.2 伺服系统的驱动元件
3.2.4 直线电动机
• 直线电动机是一种能将电信号直接转换成为直线位移的电动机。 直线电动机没有传动机械的磨损，并且噪音低、结构简单、操作 维护方便。
• 直线电动机主要应用的机型有直流直线电动机、交流直线电动机 以及直线步进电动机等，在实际中应用较多的是交流直线电动机 。
CNC
第3章 数控伺服系统
主要内容
➢主概要内述容
➢
➢ 伺服系统的驱动元件
➢ 步进式伺服系统
➢
➢ 鉴相式伺服系统
➢ 鉴幅式伺服系统
➢
➢ 脉冲比较式伺服系统
➢ CNC数字伺服系统
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3.1 概述
数控伺服系统是指以机床运动部件(如工作台、主轴和 刀具等)的位置和速度作为控制量的自动控制系统。 数控伺服系统的作用在于接受来自数控装置的进给脉 冲信号，经过一定的信号变换及电压、功率放大，驱 动机床运动部件实现运动，并保证动作的快速性和准 确性。 数控伺服系统作为数控装置和机床的联系环节，是数 控机床的重要组成部分，数控机床的精度和速度等技 术指标很大程度上取决于伺服系统的性能优劣。
当定子三相依次通电时，三对磁极依次产生气隙磁场，吸引 转子一步步转动。
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3.2 伺服系统的驱动元件
步进电动机的主要特性
• 步距角 :步进电动机绕组的通电状态每改变一次，转
子转过的角度
• 起动频率 :空载时，步进电动机由静止状态突然起动
，进入不丢步的正常运行的最高频率
• 连续运行频率 :步进电动机起动以后．其运行速度能
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CNC
3.3 步进式伺服系统
3.3.1 步进式伺服系统的工作原理
▪ 步进电动机的驱动控制线路和步进电动机两部 分组成