第6章数控机床的伺服驱动系统.docPPT课件
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机床数控技术：第6章 数控伺服系统
30
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
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。
29
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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《数控机床伺服驱动》课件
01
开环控制
控制器只发出控制指令，不接收反馈信号，通过机械传动装置直接控制被控制量。
02
半闭环控制
控制器接收部分反馈信号，通过机械传动装置间接控制被控制量。
03
CHAPTER
数控机床伺服驱动系统的硬件结构
01
伺服驱动器是数控机床伺服系统的核心部件，负责接收来自数控系统的指令，并将其转换为电机可以理解的信号。
1
2
3
确保硬件电路连接正确，无短路、断路等问题。
硬件调试
通过调试工具对软件进行调试，确保软件功能正常。
软件调试
根据实际应用需求，对系统进行优化，提高系统性能和稳定性。
系统优化
05
CHAPTER
数控机床伺服驱动系统的应用与案例分析
用于加工汽车零部件，提高加工精度和效率。
汽车制造
用于加工飞机零部件，要求高精度和高可靠性。
《数控机床伺服驱动》ppt课件
目录
数控机床伺服驱动系统概述数控机床伺服驱动系统的原理数控机床伺服驱动系统的硬件结构数控机床伺服驱动系统的软件实现数控机床伺服驱动系统的应用与案例分析
01
CHAPTER
数控机床伺服驱动系统概述
总结词
基本概念与构成
详细描述
伺服驱动系统是数控机床的重要组成部分，负责将数控装置发出的指令信号转换为机床执行机构的位移、速度和加速度，以实现对加工过程的精确控制。伺服驱动系统主要由伺服电机、伺服控制器和反馈装置三部分组成。
分类与特性
总结词
根据使用的电机类型和调节方式的不同，伺服驱动系统可分为直流伺服驱动系统和交流伺服驱动系统两大类。直流伺服驱动系统具有调速范围宽、动态响应快、定位精度高等特点，但维护较为复杂。交流伺服驱动系统具有结构简单、可靠性高、节能环保等优点，已成为主流。
第6章开环伺服系统
i-1
ni nm
2
)
+
n
∑Mj(
j-1
Vj 2πnm
2
)
kg m 2
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2)步进电机选择步骤
第六章 伺服驱动系统
② 计算惯量
m
Jleq=∑Ji(
i-1
ni nm
2
)
+
n
∑Mj(
j-1
Vj 2πnm
2
)
kg m 2
nm —— 步进电机速度 r/min
ni —— 第i个转动部件的转速r/min
3o
B相
6o
C相
转子
转子
转子
4.工作原理
360 一般 α= mzk
第六章 伺服驱动系统
m——绕组相数； Z——转子齿数，单拍k=1,双拍k=2。
360
. . 三拍通电激磁，步距角α=
= 3o
3 40 1
. . 六拍通电激磁，步距角α = 3
360 40
= 1.5o
2
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第六章 伺服驱动系统
逐渐上升或下降的加速时间、减速时间不能过小，否则会 出现失步或超步
一般用加速时间常数Ta 和减速时间常数Td来描 述步进电机的升速和降 速特性
步进电机卡开环伺服应用实例
步进电机转子有80个齿，采用三相六拍驱动方式，经
丝杠螺母传动副驱动工作台做直线运动，丝杠的导程
为5mm，工作台移动最大速度为6mm/s。求：
使磁路中的磁阻最小，转子处在平衡位置不动（θ＝0）。如果在电机轴上外 加一个负载转矩Mz，转子会偏离平衡位置向负载转矩方向转过一个角度θ， 角度θ称为失调角。有失调角之后，步进电机就产生一个静态转矩（也称为 电磁转矩），这时静态转矩等于负载转矩。静态转矩与失调角θ的关系叫矩 角特性，如图6-6所示，近似为正弦曲线。该矩角特性上的静态转矩最大值 称为最大静转矩。在静态稳定区内，当外加负载转矩除去时，转子在电磁转 矩作用下，仍能回到稳定平衡点位置（θ＝0）。
ni nm
2
)
+
n
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j-1
Vj 2πnm
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2)步进电机选择步骤
第六章 伺服驱动系统
② 计算惯量
m
Jleq=∑Ji(
i-1
ni nm
2
)
+
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∑Mj(
j-1
Vj 2πnm
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kg m 2
nm —— 步进电机速度 r/min
ni —— 第i个转动部件的转速r/min
3o
B相
6o
C相
转子
转子
转子
4.工作原理
360 一般 α= mzk
第六章 伺服驱动系统
m——绕组相数； Z——转子齿数，单拍k=1,双拍k=2。
360
. . 三拍通电激磁，步距角α=
= 3o
3 40 1
. . 六拍通电激磁，步距角α = 3
360 40
= 1.5o
2
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第六章 伺服驱动系统
逐渐上升或下降的加速时间、减速时间不能过小，否则会 出现失步或超步
一般用加速时间常数Ta 和减速时间常数Td来描 述步进电机的升速和降 速特性
步进电机卡开环伺服应用实例
步进电机转子有80个齿，采用三相六拍驱动方式，经
丝杠螺母传动副驱动工作台做直线运动，丝杠的导程
为5mm，工作台移动最大速度为6mm/s。求：
使磁路中的磁阻最小，转子处在平衡位置不动（θ＝0）。如果在电机轴上外 加一个负载转矩Mz，转子会偏离平衡位置向负载转矩方向转过一个角度θ， 角度θ称为失调角。有失调角之后，步进电机就产生一个静态转矩（也称为 电磁转矩），这时静态转矩等于负载转矩。静态转矩与失调角θ的关系叫矩 角特性，如图6-6所示，近似为正弦曲线。该矩角特性上的静态转矩最大值 称为最大静转矩。在静态稳定区内，当外加负载转矩除去时，转子在电磁转 矩作用下，仍能回到稳定平衡点位置（θ＝0）。
《数控机床伺服系统》PPT课件
动而相对移动。
精选ppt
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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)。
精选ppt
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,
数控机床主轴驱动与控制
（5)伺服主轴驱动系统 伺服主轴驱动系统具有响应快、速度高、过载能力强的
特点，还可以实现定向和进给功能，当然价格也是最高的， 通常是同功率变频器主轴驱动系统的2--3倍以上。
伺服主轴驱动系统主要应用于加工中心上，用以满足系 统自动换刀、刚性攻丝、主轴C轴进给功能等对主轴位置 控制性能要求很高的加工。
6.2.3主轴分段无级调速
6.2主轴驱动与控制(Spindle Drive and Control)
图6.3所示为西 门子802C数控系 统的变频调速控 制连接图。主轴 电机的正反转通 过继电器KA2和 KA3控制，转速 大小通过X7口模 拟电压值大小控 制。
6.2主轴驱动与控制(Spindle Drive and Control)
6.1 概述
1.主轴驱动系统的功能
主轴驱动系统通过控制主轴电机的旋转方向和转速， 从而调节主轴上安装的刀具或工件的切削力矩和切削速度， 配合进给运动，加工出理想的零件。因此，主轴驱动的主 要功能是为各类工件的加工提供所需的切削功率。
此外，当数控机床具有螺纹加工、恒线速加工以及准 停要求（比如加工中心换刀）时，对主轴也提出了相应的 位置控制要求，所以此类数控机床还具有主轴与进给联动 功能和准停控制功能。
6.1 概述
（3）DANFOSS（丹佛斯）公司系列变频器 该公司目前应用于数控机床上的变频器系列常用的有：
VLT2800，可并列式安装方式，具有宽范围配接电机功率： 0.37KW-7.5KW 200V/400；VLT5000，可在整个转速范围内进行 精确的滑差补偿，并在3ms内完成。在使用串行通讯时，VLT 5000对每条指令的响应时间为0.1ms，可使用任何标准电机与VLT 5000匹配。
对于中档数控机床而言主要采用这种方案。其主轴传动仅采用两 挡变速甚至仅一挡即可实现100—200 r/min左右时车、铣的重力切 削。一些有定向功能的还可以应用于要求精镗加工的数控镗铣床。 但若应用在加工中心上，还不很理想，必须采用其他辅助机构完成 定向换刀的功能，而且也不能达到刚性攻丝的要求。
特点，还可以实现定向和进给功能，当然价格也是最高的， 通常是同功率变频器主轴驱动系统的2--3倍以上。
伺服主轴驱动系统主要应用于加工中心上，用以满足系 统自动换刀、刚性攻丝、主轴C轴进给功能等对主轴位置 控制性能要求很高的加工。
6.2.3主轴分段无级调速
6.2主轴驱动与控制(Spindle Drive and Control)
图6.3所示为西 门子802C数控系 统的变频调速控 制连接图。主轴 电机的正反转通 过继电器KA2和 KA3控制，转速 大小通过X7口模 拟电压值大小控 制。
6.2主轴驱动与控制(Spindle Drive and Control)
6.1 概述
1.主轴驱动系统的功能
主轴驱动系统通过控制主轴电机的旋转方向和转速， 从而调节主轴上安装的刀具或工件的切削力矩和切削速度， 配合进给运动，加工出理想的零件。因此，主轴驱动的主 要功能是为各类工件的加工提供所需的切削功率。
此外，当数控机床具有螺纹加工、恒线速加工以及准 停要求（比如加工中心换刀）时，对主轴也提出了相应的 位置控制要求，所以此类数控机床还具有主轴与进给联动 功能和准停控制功能。
6.1 概述
（3）DANFOSS（丹佛斯）公司系列变频器 该公司目前应用于数控机床上的变频器系列常用的有：
VLT2800，可并列式安装方式，具有宽范围配接电机功率： 0.37KW-7.5KW 200V/400；VLT5000，可在整个转速范围内进行 精确的滑差补偿，并在3ms内完成。在使用串行通讯时，VLT 5000对每条指令的响应时间为0.1ms，可使用任何标准电机与VLT 5000匹配。
对于中档数控机床而言主要采用这种方案。其主轴传动仅采用两 挡变速甚至仅一挡即可实现100—200 r/min左右时车、铣的重力切 削。一些有定向功能的还可以应用于要求精镗加工的数控镗铣床。 但若应用在加工中心上，还不很理想，必须采用其他辅助机构完成 定向换刀的功能，而且也不能达到刚性攻丝的要求。
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
数控机床伺服驱动ppt课件
2．功率放大器 从环形脉冲分配器输出的控制脉
冲信号功率很小，必需经功率放大器 放大后，才干驱动步进电动机运转。 功率放大器有电压型和电流型。电压 100Ω 型又有单电压型、双电压型，电流型 有恒流型、斩波恒流型等。
采用脉冲变压器TI组成的高低压
VT1
功率放大器电路。
输入
当输入端为低电平常，晶体管VTl、 1kΩ VT2、VT3、VT4均截止，电动机绕组W 无电流经过。输入脉冲到来时，输入 端变为高电平，晶体管VTl、VT2、 VT4饱和导通。
困难。
二、开环伺服系统
〔一〕步进电动机 1．步进电动机的任务原理 由转子和定子组成。转子和定子均由带齿
的硅钢片叠成。定子上均布有六个磁极及其绕 组，同不断径上的为一相，共有三相，磁极上 有齿。转子上均匀分布着40个齿，齿与齿槽宽 度相等，齿间角9°。定子与转子齿间角相等。 假设A相齿与转子齿中心线对齐，B相齿相对转 子齿逆时针差1/3齿间角，C相齿相对转子齿逆 时针差2/3齿间角。
第五节 伺服驱动与控制
❖ 一、概述 ❖ 二、开环伺服系统 ❖ 三、闭环与半闭环伺服系统
一、概 述
❖ 定义——数控机床伺服系统属位置随动系统，是以挪动部件的直线或 角位移为控制目的的自动控制系统，它以CNC安装插补输出为指令， 对任务台、主轴箱、刀架等执行部件的坐标轴位移进展控制，最终获 得要求的刀具运动轨迹。因此，数控机床的伺服系统也被称为进给伺 服系统。
+12V
VD4 TI
R VT2 200Ω
VT3 VD3
R VD5 W
VT4
+80V VD2 VD1
18Ω
18Ω 0.1μF
在VT2由截止到饱和导通期间，其集电极电流，即脉冲变压TI的一次 电流急剧添加，在变压器二次侧感生一个电压，使VT3饱和导通，80V的 高压经高压管VT3加到绕组W上，使流过绕组W的电流迅速上升。当VT2进 入稳定形状后，TI一次侧电流恒定，无磁通量变化，二次侧的感应电压 为零，VT3截止，12V低压电源经VDl加到绕组W上，并维持绕组W中的电流。 输入脉冲终了后，晶体管VTl、VT2、VT3、VT4又都截止，储存在W中的能 量经过18Ω的电阻和VD2放电，电阻的作用是减小放电回路的时间常数， 改善电流波形的后沿。该电路由于采用高压驱动，电流增长加快，脉冲 电流的前沿变陡，电动机的动态转矩和运转频率都得到了提高。
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6.1 概述
进给伺服系统是数控装置和机床机械传动部件间的联系 环节，是数控机床的重要组成部分。数控机床的最高运动速 度、跟踪及定位精度、加工表面质量、生产率及工作可靠性 等技术指标，往往又主要决定于伺服系统的动态和静态性能。
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6.1 概述
数控机床运动中，主轴运动和伺服进给运动是机床的基 本成形运动。主轴驱动控制一般只要满足主轴调速及正、反 转即可，但当要求机床有螺纹加工、准停和恒线加工等功能 时，就对主轴提出了相应的位置控制要求。此时，主轴驱动 控制系统可称为主轴伺服系统。
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Hale Waihona Puke 6.2 步进电机及其驱动控制系统
磁极C又将吸引转子的1、3齿与之对齐，使转子又按逆 时针旋转30°，依此类推。若定子绕组按A→B→C→A→… 的顺序通电，转子就一步步地按逆时针转动，每步30°。若 定子绕组按A→C→B→A→…的顺序通电，则转子就一步步 地按顺时针转动，每步仍然30°。这种控制方式叫三相三拍 方式，又称三相单三拍方式。
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6.2 步进电机及其驱动控制系统
6.2.2步进电机的工作原理
以反应式步进电机为例说明其工作原理。反应式步进电 机的定子上有磁极，每个磁极上有激磁绕组，转子无绕组， 有周向均布的齿，依靠磁极对齿的吸合工作。如图6-1所示 为三相步进电机，定子上有三对磁极，分成A、B、C三相。 为简化分析，假设转子只有4个齿。
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6.2 步进电机及其驱动控制系统
3、根据输出力矩的大小分类 根据输出力矩的大小可将步进电机分为两类：伺服步进
电机和功率步进电机。伺服步进电机又称为快速步进电机， 输出力矩在几十到数百N·m，只能带动小负载。功率步进电 机输出力矩在5～50N·m以上，能直接驱动工作台。
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6.1 概述
1、数控机床对进给伺服系统的要求有： (1)高精度 (2)稳定性好 (3)快速响应 (4)电机调速范围宽 (5)低速大转矩 (6)可靠性高
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6.1 概述
2、对主轴伺服系统，除上述要求外，还应满足如下要求： (1)主轴与进给驱动的同步控制
为使数控机床具有螺纹和螺旋槽加工的能力，要求主轴驱 动与进给驱动实现同步控制。 (2)准停控制
6.2 步进电机及其驱动控制系统
步进电机是开环伺服系统(亦叫步进式伺服系统)的驱动 元件。控制系统的结构简单、控制容易、维修方便，控制为 全数字化(即数字化的输入指令脉冲对应着数字化的位置输 出)，随着计算机技术的发展，除功率驱动电路之外，其他硬 件电路均可由软件实现，从而简化了系统结构，降低了成本， 提高了系统的可靠性。
6.2 步进电机及其驱动控制系统
如图6-1所示，设一三相多段反应式步进电机的三相分别 为A、B、C，则A段里的定子齿和转子齿是对齐的，B段和C 段里的定子齿和转子齿则不对齐，一般错开齿距的I/m(m 为定子相数)，齿距为360°/转子齿数。若从A相通电变化 到 B相通电，则使B段里的定子齿和转子齿对齐，转子转动 一步。使B相断电，C相通电，则电机以同一方向再走一步。 再使A相单独通电，则再走一步，A段里的定子齿和转子齿再 一次完全对齐。不断按顺序改变通电状态，电机就可连续旋 转。若通电方式为A→B→C→A→…，则通电状态的三次变 化使转子转动一个齿距；若通电方式为 A→AB→B→BC→C→CA→A…，则通电状态的六次变化使 转子转动一个齿距。
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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。
在加工中心上，为了实现自动换刀，要求主轴能进行高精 确位置的停止。
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6.1 概述
(3)角度分度控制 角度分度控制有两种类型：一是固定的等分角度控制；
二是连续的任意角度控制。任意角度控制是带有角位移反馈 的位置伺服系统，这种主轴坐标具有进给坐标的功能，称为 “C”轴控制。
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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，
第六章 数控机床的伺服驱动系统
6.1 概述 6.2 步进电机及其驱动控制系统 6.3 直流伺服电机及其速度控制系统 6.4 交流伺服电机及其速度控制系统 6.5 位置控制
1
6.1 概述
数控机床伺服系统是以机床移动部件的位置和速度为控 制量的自动控制系统，又称随动系统、拖动系统或伺服机构。 在数控机床上，伺服驱动系统接收来自 CNC装置(插补装置 或插补软件)的进给指令脉冲，经过一定的信号变换及电压、 功率放大，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，有的带动刀架，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，加工出所要求 的复杂形状工件。
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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6.1 概述
进给伺服系统是数控装置和机床机械传动部件间的联系 环节，是数控机床的重要组成部分。数控机床的最高运动速 度、跟踪及定位精度、加工表面质量、生产率及工作可靠性 等技术指标，往往又主要决定于伺服系统的动态和静态性能。
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6.1 概述
数控机床运动中，主轴运动和伺服进给运动是机床的基 本成形运动。主轴驱动控制一般只要满足主轴调速及正、反 转即可，但当要求机床有螺纹加工、准停和恒线加工等功能 时，就对主轴提出了相应的位置控制要求。此时，主轴驱动 控制系统可称为主轴伺服系统。
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Hale Waihona Puke 6.2 步进电机及其驱动控制系统
磁极C又将吸引转子的1、3齿与之对齐，使转子又按逆 时针旋转30°，依此类推。若定子绕组按A→B→C→A→… 的顺序通电，转子就一步步地按逆时针转动，每步30°。若 定子绕组按A→C→B→A→…的顺序通电，则转子就一步步 地按顺时针转动，每步仍然30°。这种控制方式叫三相三拍 方式，又称三相单三拍方式。
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6.2 步进电机及其驱动控制系统
6.2.2步进电机的工作原理
以反应式步进电机为例说明其工作原理。反应式步进电 机的定子上有磁极，每个磁极上有激磁绕组，转子无绕组， 有周向均布的齿，依靠磁极对齿的吸合工作。如图6-1所示 为三相步进电机，定子上有三对磁极，分成A、B、C三相。 为简化分析，假设转子只有4个齿。
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6.2 步进电机及其驱动控制系统
3、根据输出力矩的大小分类 根据输出力矩的大小可将步进电机分为两类：伺服步进
电机和功率步进电机。伺服步进电机又称为快速步进电机， 输出力矩在几十到数百N·m，只能带动小负载。功率步进电 机输出力矩在5～50N·m以上，能直接驱动工作台。
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6.1 概述
1、数控机床对进给伺服系统的要求有： (1)高精度 (2)稳定性好 (3)快速响应 (4)电机调速范围宽 (5)低速大转矩 (6)可靠性高
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6.1 概述
2、对主轴伺服系统，除上述要求外，还应满足如下要求： (1)主轴与进给驱动的同步控制
为使数控机床具有螺纹和螺旋槽加工的能力，要求主轴驱 动与进给驱动实现同步控制。 (2)准停控制
6.2 步进电机及其驱动控制系统
步进电机是开环伺服系统(亦叫步进式伺服系统)的驱动 元件。控制系统的结构简单、控制容易、维修方便，控制为 全数字化(即数字化的输入指令脉冲对应着数字化的位置输 出)，随着计算机技术的发展，除功率驱动电路之外，其他硬 件电路均可由软件实现，从而简化了系统结构，降低了成本， 提高了系统的可靠性。
6.2 步进电机及其驱动控制系统
如图6-1所示，设一三相多段反应式步进电机的三相分别 为A、B、C，则A段里的定子齿和转子齿是对齐的，B段和C 段里的定子齿和转子齿则不对齐，一般错开齿距的I/m(m 为定子相数)，齿距为360°/转子齿数。若从A相通电变化 到 B相通电，则使B段里的定子齿和转子齿对齐，转子转动 一步。使B相断电，C相通电，则电机以同一方向再走一步。 再使A相单独通电，则再走一步，A段里的定子齿和转子齿再 一次完全对齐。不断按顺序改变通电状态，电机就可连续旋 转。若通电方式为A→B→C→A→…，则通电状态的三次变 化使转子转动一个齿距；若通电方式为 A→AB→B→BC→C→CA→A…，则通电状态的六次变化使 转子转动一个齿距。
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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。
在加工中心上，为了实现自动换刀，要求主轴能进行高精 确位置的停止。
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6.1 概述
(3)角度分度控制 角度分度控制有两种类型：一是固定的等分角度控制；
二是连续的任意角度控制。任意角度控制是带有角位移反馈 的位置伺服系统，这种主轴坐标具有进给坐标的功能，称为 “C”轴控制。
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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，
第六章 数控机床的伺服驱动系统
6.1 概述 6.2 步进电机及其驱动控制系统 6.3 直流伺服电机及其速度控制系统 6.4 交流伺服电机及其速度控制系统 6.5 位置控制
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6.1 概述
数控机床伺服系统是以机床移动部件的位置和速度为控 制量的自动控制系统，又称随动系统、拖动系统或伺服机构。 在数控机床上，伺服驱动系统接收来自 CNC装置(插补装置 或插补软件)的进给指令脉冲，经过一定的信号变换及电压、 功率放大，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，有的带动刀架，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，加工出所要求 的复杂形状工件。
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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