第7章数控伺服系统
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F 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。
F 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。
2020/11/27
第7章数控伺服系统
– 全闭环数控系统
F 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。
路
•步进电机
•工作台
（2）闭环伺服系统
指
令
•位置控制
•速度控制
•伺 服 电 机
•速 度 检 测
位置检
测
（7）半闭环伺服系统
指
令
•位置控制
•速 度 控 制
•伺 服 电 机
•脉 冲 编 码 器
•工作台
2020/11/27
第7章数控伺服系统
– 开环数控系统 没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置 →进给系统），故系统稳定性好。
系统、伺服机构或伺服单元。
该系统包括了大量的电力电子器件，结构复杂，
综合性强。
2020/11/27
第7章数控伺服系统
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。
2020/11/27
第7章数控伺服系统
7.1.2 伺服系统的组成
•位置调解
•速度调解
•电流调解
•转换驱动 •电流反馈
•M
•工作台
•G
•速度反馈
•位置反馈
位置、速度和电流环均由：调节控制模块、检测和反
馈
部分组成。电力电子驱动装置由驱动信号产生电路和功
率
放大器组成。
严格来说：位置控制包括位置、速度和电流控制；速
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。
（2）电气伺服系统 伺服电机（步进电机、直流电机和交流电 机）
优点：操作维护方便，可靠性高。
1）直流伺服系统 进给运动系统采用大惯量宽调速永磁直流 伺服电机和中小惯量直流伺服电机；主运动系统采用他激直 流伺服电机。优点：调速性能好。缺点：有电刷，速度不高 。
2）交流伺服系统 交流感应异步伺服电机（一般用于主轴伺 服系统）和永磁同步伺服电机（一般用于进给伺服系统）。
优点：结构简单、不需维护、适合于在恶劣环境下工作。 动态响 应好、转速高和容量大。
2020/11/27
第7章数控伺服系统
7．按被控对象分类 （1）进给伺服系统 指一般概念的位置伺服系统，包 括速度控制环和位置控制环。 （2）主轴伺服系统 只是一个速度控制系统。 C 轴控制功能。
2020/11/27
第7章数控伺服系统
2. 性能参数 步距角
步进电动机走一步所转过的角度称为步距角 ，可按下面公式计算
n 式中 为步距角； 为转子上的齿数 ； 为步进电动机运行的拍数。
n 同一台步进电动机，因通电方式不同， 运行时步距角也是不同的
2020/11/27
第7章数控伺服系统
•小结:
• 1.步进电机受脉冲电流控制，转子的角位移 正比于输入脉冲的数量转子的角速度正比于输入 脉冲的频率转子的旋转方向取决于定子绕组的通 电顺序
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第7章数控伺服系统
2．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 7) 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
2020/11/27
第7章数控伺服系统
7.1.1对伺服系统的基本要求
1．精度高:
伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。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。
•直流进给伺服系统： 永磁式直流电机类型中的有槽电
枢永磁直流电机（普通型）；
•直流主轴伺服系统：
励磁式直流电机 直流电机。
类型中
的他激
2020/11/27
第7章数控伺服系统
1．直流伺服电机的结构
机壳 极靴
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7.5永磁直流伺服电机的结构
图7.6直流主轴电机结构示意图
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）
2020/11/27
第7章数控伺服系统
•7.2.1 步进电机 •一、步进电机的分类
•按力矩产生的原理分
•1.反应式步进电机 •2.激磁式步进电机
•按输出力矩大小分
•1.伺服式步进电机 •2.功率式步进电机
•按定子数分 •1.单定子式 •7.三定子式步进电机
•位置控制单元
•CNC •+
插补
•指令
•-
•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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第7章数控伺服系统
F 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。
•CNC •+
插补
•指令
•-
•位置控制调 节器
•速度控Hale Waihona Puke Baidu单元
•+
•-
•速度控制 •调节与驱动
•机械执行部件
•实际 位置 反馈
•实际 速度 反馈
•电 机
•检测与反馈单 元
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第7章数控伺服系统
F 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。
7．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。0～24m / 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。
2020/11/27
第7章数控伺服系统
1．永磁交流同步伺服电机的结构和工作原理
交流同步伺服电机的种类： 励磁式、永磁式、磁阻式和磁滞式
（1）永磁交流同步伺服电机的结构
定 转 脉冲编码器
子
子•V
S
定子三相绕组接线盒 图7﹒7 永磁交流同步伺服电机结构
2020/11/27
第7章数控伺服系统
•图7﹒8 永磁交流同步伺服电机结构
2020/11/27
第7章数控伺服系统
n 若通电脉冲的次序为A、C、B、A…，则不难 推出，转子将以顺时针方向一步步地旋转。这样 ，用不同的脉冲通入次序方式就可以实观对步进 电动机的控制。
n 脉冲的数量控制电机的转角；脉冲的频率控制 电机的转速；脉冲的通入次序控制电机的方向。
n 定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍。上 述的通电方式称为三相单三拍。所谓“单”是指 每次只有一相绕组通电；所谓“三拍”是指经过 三次切换控制绕组的通电状态为一个循环。
过载倍数Tmd，负载工作周期比 d。 7) 数据表：N、T、时间常数、转动惯量等等。
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第7章数控伺服系统
7.2.7 交流伺服电机
直流伺服电机的缺点： ◆ 它的电刷和换向器易磨损； ◆ 电机最高转速的限制，应用环境的限制； ◆ 结构复杂，制造困难，成本高。 交流伺服电机的优点： ◆ 动态响应好； ◆ 输出功率大、电压和转速提高 交流伺服电机形式： ◆ 同步型交流伺服电机和 ◆ 异步型交流感应伺服电机。
第7章数控伺服系统
2020/11/27
第7章数控伺服系统
7.1 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
•按各相绕组分布分:
•2.双定子式 •4.多定子式步进电 机
•1.径向分相式: •电机各相按圆周依次排列 •2.轴向分相式: •电机各相按轴向依次排列
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第7章数控伺服系统
n 1、工作原理：
n 当第一个脉冲通入A相时，磁通企图沿着磁阻最小的路 径闭合，在此磁场力的作用下，转子的1、7齿要和A级对 齐。当下一个脉冲通入B相时，磁通同样要按磁阻最小的 路径闭合，即2、4齿要和B级对齐，则转子就顺逆时针方 向转动一定的角度。
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第7章数控伺服系统
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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第7章数控伺服系统
7.1.7 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
•CNC
•脉冲频率f
•f、
•脉冲环
•A相、B 相
•功
•插 补 指 •脉冲个数n
令
•换算
n
形分配
率放
变换
大
•C相、…
•机械执行部件
•电机
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第7章数控伺服系统
– 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
4．按反馈比较控制方式分类 （1）脉冲、数字比较伺服系统 （2）相位比较伺服系统 （7）幅值比较伺服系统 （4）全数字伺服系统
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第7章数控伺服系统
7.2 伺服元件的驱动元件
伺服电动机为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）
• 2.步进电机有一定的步距误差, 但没有累 计误差
• 7.若维持控制绕组的电流不变, 则步进电机就 可停在某一位置不动
2020/11/27
第7章数控伺服系统
7.2.2 直流伺服电机
•常用的直流电动机有：
永磁式直流电机（有槽、无槽、 杯型 、印刷绕组）
励磁式直流电机
混合式直流电机
无刷直流电机
直流力矩电机
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。
2020/11/27
第7章数控伺服系统
– 半闭环数控系统
F 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
。
•位置控制单元
2020/11/27
第7章数控伺服系统
2、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
（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
2020/11/27
第7章数控伺服系统
3rew
演讲完毕，谢谢听讲!
再见，see you again
2020/11/27
第7章数控伺服系统
F 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。
F 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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第7章数控伺服系统
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。
F 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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第7章数控伺服系统
– 全闭环数控系统
F 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。
路
•步进电机
•工作台
（2）闭环伺服系统
指
令
•位置控制
•速度控制
•伺 服 电 机
•速 度 检 测
位置检
测
（7）半闭环伺服系统
指
令
•位置控制
•速 度 控 制
•伺 服 电 机
•脉 冲 编 码 器
•工作台
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第7章数控伺服系统
– 开环数控系统 没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置 →进给系统），故系统稳定性好。
系统、伺服机构或伺服单元。
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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第7章数控伺服系统
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。
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第7章数控伺服系统
7.1.2 伺服系统的组成
•位置调解
•速度调解
•电流调解
•转换驱动 •电流反馈
•M
•工作台
•G
•速度反馈
•位置反馈
位置、速度和电流环均由：调节控制模块、检测和反
馈
部分组成。电力电子驱动装置由驱动信号产生电路和功
率
放大器组成。
严格来说：位置控制包括位置、速度和电流控制；速
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。
（2）电气伺服系统 伺服电机（步进电机、直流电机和交流电 机）
优点：操作维护方便，可靠性高。
1）直流伺服系统 进给运动系统采用大惯量宽调速永磁直流 伺服电机和中小惯量直流伺服电机；主运动系统采用他激直 流伺服电机。优点：调速性能好。缺点：有电刷，速度不高 。
2）交流伺服系统 交流感应异步伺服电机（一般用于主轴伺 服系统）和永磁同步伺服电机（一般用于进给伺服系统）。
优点：结构简单、不需维护、适合于在恶劣环境下工作。 动态响 应好、转速高和容量大。
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第7章数控伺服系统
7．按被控对象分类 （1）进给伺服系统 指一般概念的位置伺服系统，包 括速度控制环和位置控制环。 （2）主轴伺服系统 只是一个速度控制系统。 C 轴控制功能。
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第7章数控伺服系统
2. 性能参数 步距角
步进电动机走一步所转过的角度称为步距角 ，可按下面公式计算
n 式中 为步距角； 为转子上的齿数 ； 为步进电动机运行的拍数。
n 同一台步进电动机，因通电方式不同， 运行时步距角也是不同的
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•小结:
• 1.步进电机受脉冲电流控制，转子的角位移 正比于输入脉冲的数量转子的角速度正比于输入 脉冲的频率转子的旋转方向取决于定子绕组的通 电顺序
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2．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 7) 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
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7.1.1对伺服系统的基本要求
1．精度高:
伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。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。
•直流进给伺服系统： 永磁式直流电机类型中的有槽电
枢永磁直流电机（普通型）；
•直流主轴伺服系统：
励磁式直流电机 直流电机。
类型中
的他激
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第7章数控伺服系统
1．直流伺服电机的结构
机壳 极靴
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7.5永磁直流伺服电机的结构
图7.6直流主轴电机结构示意图
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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第7章数控伺服系统
•7.2.1 步进电机 •一、步进电机的分类
•按力矩产生的原理分
•1.反应式步进电机 •2.激磁式步进电机
•按输出力矩大小分
•1.伺服式步进电机 •2.功率式步进电机
•按定子数分 •1.单定子式 •7.三定子式步进电机
•位置控制单元
•CNC •+
插补
•指令
•-
•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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第7章数控伺服系统
F 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。
•CNC •+
插补
•指令
•-
•位置控制调 节器
•速度控Hale Waihona Puke Baidu单元
•+
•-
•速度控制 •调节与驱动
•机械执行部件
•实际 位置 反馈
•实际 速度 反馈
•电 机
•检测与反馈单 元
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第7章数控伺服系统
F 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。
7．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。0～24m / 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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1．永磁交流同步伺服电机的结构和工作原理
交流同步伺服电机的种类： 励磁式、永磁式、磁阻式和磁滞式
（1）永磁交流同步伺服电机的结构
定 转 脉冲编码器
子
子•V
S
定子三相绕组接线盒 图7﹒7 永磁交流同步伺服电机结构
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第7章数控伺服系统
•图7﹒8 永磁交流同步伺服电机结构
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第7章数控伺服系统
n 若通电脉冲的次序为A、C、B、A…，则不难 推出，转子将以顺时针方向一步步地旋转。这样 ，用不同的脉冲通入次序方式就可以实观对步进 电动机的控制。
n 脉冲的数量控制电机的转角；脉冲的频率控制 电机的转速；脉冲的通入次序控制电机的方向。
n 定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍。上 述的通电方式称为三相单三拍。所谓“单”是指 每次只有一相绕组通电；所谓“三拍”是指经过 三次切换控制绕组的通电状态为一个循环。
过载倍数Tmd，负载工作周期比 d。 7) 数据表：N、T、时间常数、转动惯量等等。
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7.2.7 交流伺服电机
直流伺服电机的缺点： ◆ 它的电刷和换向器易磨损； ◆ 电机最高转速的限制，应用环境的限制； ◆ 结构复杂，制造困难，成本高。 交流伺服电机的优点： ◆ 动态响应好； ◆ 输出功率大、电压和转速提高 交流伺服电机形式： ◆ 同步型交流伺服电机和 ◆ 异步型交流感应伺服电机。
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第7章数控伺服系统
7.1 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
•按各相绕组分布分:
•2.双定子式 •4.多定子式步进电 机
•1.径向分相式: •电机各相按圆周依次排列 •2.轴向分相式: •电机各相按轴向依次排列
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第7章数控伺服系统
n 1、工作原理：
n 当第一个脉冲通入A相时，磁通企图沿着磁阻最小的路 径闭合，在此磁场力的作用下，转子的1、7齿要和A级对 齐。当下一个脉冲通入B相时，磁通同样要按磁阻最小的 路径闭合，即2、4齿要和B级对齐，则转子就顺逆时针方 向转动一定的角度。
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第7章数控伺服系统
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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第7章数控伺服系统
7.1.7 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
•CNC
•脉冲频率f
•f、
•脉冲环
•A相、B 相
•功
•插 补 指 •脉冲个数n
令
•换算
n
形分配
率放
变换
大
•C相、…
•机械执行部件
•电机
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– 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
4．按反馈比较控制方式分类 （1）脉冲、数字比较伺服系统 （2）相位比较伺服系统 （7）幅值比较伺服系统 （4）全数字伺服系统
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7.2 伺服元件的驱动元件
伺服电动机为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）
• 2.步进电机有一定的步距误差, 但没有累 计误差
• 7.若维持控制绕组的电流不变, 则步进电机就 可停在某一位置不动
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7.2.2 直流伺服电机
•常用的直流电动机有：
永磁式直流电机（有槽、无槽、 杯型 、印刷绕组）
励磁式直流电机
混合式直流电机
无刷直流电机
直流力矩电机
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。
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第7章数控伺服系统
– 半闭环数控系统
F 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
。
•位置控制单元
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第7章数控伺服系统
2、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
（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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演讲完毕，谢谢听讲!
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2020/11/27
第7章数控伺服系统
F 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。
F 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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第7章数控伺服系统
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。