最新进给伺服系统
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需的脉冲当量 最高运行频率必须满足机床快速性要求。
4.3 直流伺服电机及其调速系统
直流伺服电机调速
直流电机调速方法
改变电枢电压U
改变Ke
– 即改变磁通量Φ（改 变激磁回路电阻Rj以 改变激磁电流Ij）
在电枢回路中串联调 节电阻Rt，此时，转 速公式变为
n (UIaRa) ke
nUIa(Ra Rt) ke
步距角及误差
步距角
– K：比例系数，相邻两次通 电的相数相同K=1，否则 K=2。
– m：定子相数 – z：转子齿数
步距误差：一周内各步误差 的最大值，由制造精度、齿 槽分布、气隙因素决定。误 差不累积，下一周误差分布 情况与这一周相同。
静态矩角特性
最大启动转矩
步进电机启动时能承受的最大负载转矩 Mq。若大于Mq ，电机不能启动。
大惯量直流伺服电机
缺点：
– 控制不如步进电机简单 – 快速响应性能不如小惯量电机 – 耐温可达150～200℃，转子温度高，热量通
过转轴传到丝杠，若不采取措施，丝杠热变 形将影响传动精度 – 电机电刷易磨损，维修保养也存在一定问题。
直流伺服电机的运行特性
直流伺服电机的调速系统
可控硅调速系统 脉冲调宽调速系统（PWM）
分类：
– 交流感应电机（异步）：结构简单，容量大， 价格低，一般用作主运动的驱动电路
– 控制脉冲通过环分器 控制步进电机励磁绕 组按一定顺序通、断 电
– 硬件、软件
功率放大器
– 功率放大，脉冲电流 1~10A，每一相绕组 都有一套
– 单电压功率放大器 – 双电压功率放大器
功率放大器
单电压供电功放器用于小功率步进电机驱动
步进电机的特征参数
步距角及误差 静态矩角特性 最大启动转矩 最高启动频率 连续运行的最高工作频率 转矩—频率特性
组成：
– 调制信号发生器（三角波或锯齿波） – 比较器 – 脉冲分配器
输出脉冲电压：控制脉宽调制放大器PWM的 基极b1～b4
晶体管脉宽放大器（PWM）
双极式PWM变换器工作原理
PWM调速的特点
开关频率高 纹波系数低 频带较宽 可在高峰值电流下工作
4.4 交流伺服系统
含义：
– 使用AC电机的伺服系统
在最大静转矩相同的条件下，相数增大 时，步进电动机带负载能力也相应增大。
最高启动频率
空载时，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fg的最高值。
启停频率>fg时，步进电机不能正常运行。 fg与步进电机的惯性负载J有关，J↑ fg ↓ CNC机床加速度受限于fg
应根据负载要求参照高 频输出转矩来选用步进 电机的规格
步进电机开环进给的传动计算及电机选用 传动计算
α：步距角 i：齿轮传动链的传动比 δ：脉冲当量 t：滚珠丝杠导程
电机选用原则
满足精度要求 输出转矩>负载转矩（工作矩频特性、起
动矩频特性曲线，由频率f查找M） 步距角与机械系统匹配，以得到机床所
步进电机控制原理：
– 电脉冲信号→角位移 – 脉冲数→位移 – 脉冲频率→转速
wk.baidu.com点：
– 容易失步（大负载和高速情况下）
步进电机的结构与工作原理
单三拍：A→B →C →A 双三拍：AB →BC →CA →AB 三相六拍：A →AB →B →BC → C→ CA →A
步进电机的驱动电路
环形分配器（环分器）
大惯量直流伺服电机
特点：
– 大惯量的结构使在长期过载工作时具有大的 热容量，过载能力强，允许持续过载的时间 长。
– 低速高转矩和大惯量结构可以与机床进给丝 杠直接连接；
– 电机轴上装有精密的测速发电机、旋转变压 器或脉冲编码器，从而可以得到精密的速度 和位置检测信号，以反馈到速度控制单元和 位置控制单元。
进给伺服系统
4.1 概述
4.1.1 基本定义 4.1.2 伺服系统的基本要求 4.1.3 分类
开环进给伺服系统
伺服驱动装置：
– 步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达
位移精度取决：
– 步进电机的角位移精度 – 齿轮丝杠等传动元件的导程或节矩精度 – 系统的摩擦阻尼特性
性能
– 定位精度：±0.02mm，±0.01mm – 速度：脉冲当量为0.01mm时，不超过5m/min
连续运行的最高工作频率
步进电机连续运行时所能接受的最高控 制频率
远大于启动频率 与步距角一起决定执行部件的最大运动
速度。 决定于负载惯量J、定子相数、通电方式、
控制电路的功率放大级
转矩——频率特性
负载转矩越大，工作频 率越低，符合加工实际 需求
在步进电机运行时，对 应于某一频率，只有当 负载转矩小于它在该频 率时的最大动态转矩， 电机才能正常运转
特点：
– 结构简单，用于精度要求不高的机床
闭环和半闭环进给伺服系统
驱动装置：
– 直流或交流伺服电机、电液伺服阀—液压马达。
位移精度取决于：
– 检测装置的分辨率和精度
性能指标：
– 定位精度：±0.005~0.01mm，±0.1μm – 移动速度：与导程为10mm的丝杠直连，
1~30m/min
大惯量直流伺服电机
又称：
– 宽调速直流伺服电机、直流力矩电机
激磁方式：
– 永磁式
特点：
– 输出力矩大：
» 高性能的磁性材料，产生强磁场φ，具有大的矫顽力和足 够的厚度，能承受高的峰值电流以满足快的加减速要求
» 增加转子的槽数和槽的截面积，增大磁极对数，使得转矩惯量比增大，电枢电感减小，电机的机械时间常数和电气 时间常数都减小，改善响应的快速性。
特点：
– 控制执行部件以给定的速度向消除偏差的方向运动。 – 结构较复杂，成本较高；机械传动机构包含在系统
之内成为不稳定因素，设计和调试较困难
4.2 步进电机及其调速
步进电机的结构与工作原理 步进电机的特征参数 步进电机开环进给的传动计算及电机选
用 步进电机的驱动
步进电机的结构与工作原理
直流伺服电机的可控硅调速系统
又称：
– 晶闸管供电转速电流双闭环直流调速系统
Ud
PWM控制示意图
通过改变脉冲宽度的方法来改变电枢回路的 平均电压，达到电机调速的目的
直流伺服电机的脉冲调宽调速系统
脉冲宽度调制电路C
任务：
– 将速度指令电压信号转换成脉冲周期固定而宽度可 由速度指令电压信号的大小调节变化的脉冲电压。
4.3 直流伺服电机及其调速系统
直流伺服电机调速
直流电机调速方法
改变电枢电压U
改变Ke
– 即改变磁通量Φ（改 变激磁回路电阻Rj以 改变激磁电流Ij）
在电枢回路中串联调 节电阻Rt，此时，转 速公式变为
n (UIaRa) ke
nUIa(Ra Rt) ke
步距角及误差
步距角
– K：比例系数，相邻两次通 电的相数相同K=1，否则 K=2。
– m：定子相数 – z：转子齿数
步距误差：一周内各步误差 的最大值，由制造精度、齿 槽分布、气隙因素决定。误 差不累积，下一周误差分布 情况与这一周相同。
静态矩角特性
最大启动转矩
步进电机启动时能承受的最大负载转矩 Mq。若大于Mq ，电机不能启动。
大惯量直流伺服电机
缺点：
– 控制不如步进电机简单 – 快速响应性能不如小惯量电机 – 耐温可达150～200℃，转子温度高，热量通
过转轴传到丝杠，若不采取措施，丝杠热变 形将影响传动精度 – 电机电刷易磨损，维修保养也存在一定问题。
直流伺服电机的运行特性
直流伺服电机的调速系统
可控硅调速系统 脉冲调宽调速系统（PWM）
分类：
– 交流感应电机（异步）：结构简单，容量大， 价格低，一般用作主运动的驱动电路
– 控制脉冲通过环分器 控制步进电机励磁绕 组按一定顺序通、断 电
– 硬件、软件
功率放大器
– 功率放大，脉冲电流 1~10A，每一相绕组 都有一套
– 单电压功率放大器 – 双电压功率放大器
功率放大器
单电压供电功放器用于小功率步进电机驱动
步进电机的特征参数
步距角及误差 静态矩角特性 最大启动转矩 最高启动频率 连续运行的最高工作频率 转矩—频率特性
组成：
– 调制信号发生器（三角波或锯齿波） – 比较器 – 脉冲分配器
输出脉冲电压：控制脉宽调制放大器PWM的 基极b1～b4
晶体管脉宽放大器（PWM）
双极式PWM变换器工作原理
PWM调速的特点
开关频率高 纹波系数低 频带较宽 可在高峰值电流下工作
4.4 交流伺服系统
含义：
– 使用AC电机的伺服系统
在最大静转矩相同的条件下，相数增大 时，步进电动机带负载能力也相应增大。
最高启动频率
空载时，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fg的最高值。
启停频率>fg时，步进电机不能正常运行。 fg与步进电机的惯性负载J有关，J↑ fg ↓ CNC机床加速度受限于fg
应根据负载要求参照高 频输出转矩来选用步进 电机的规格
步进电机开环进给的传动计算及电机选用 传动计算
α：步距角 i：齿轮传动链的传动比 δ：脉冲当量 t：滚珠丝杠导程
电机选用原则
满足精度要求 输出转矩>负载转矩（工作矩频特性、起
动矩频特性曲线，由频率f查找M） 步距角与机械系统匹配，以得到机床所
步进电机控制原理：
– 电脉冲信号→角位移 – 脉冲数→位移 – 脉冲频率→转速
wk.baidu.com点：
– 容易失步（大负载和高速情况下）
步进电机的结构与工作原理
单三拍：A→B →C →A 双三拍：AB →BC →CA →AB 三相六拍：A →AB →B →BC → C→ CA →A
步进电机的驱动电路
环形分配器（环分器）
大惯量直流伺服电机
特点：
– 大惯量的结构使在长期过载工作时具有大的 热容量，过载能力强，允许持续过载的时间 长。
– 低速高转矩和大惯量结构可以与机床进给丝 杠直接连接；
– 电机轴上装有精密的测速发电机、旋转变压 器或脉冲编码器，从而可以得到精密的速度 和位置检测信号，以反馈到速度控制单元和 位置控制单元。
进给伺服系统
4.1 概述
4.1.1 基本定义 4.1.2 伺服系统的基本要求 4.1.3 分类
开环进给伺服系统
伺服驱动装置：
– 步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达
位移精度取决：
– 步进电机的角位移精度 – 齿轮丝杠等传动元件的导程或节矩精度 – 系统的摩擦阻尼特性
性能
– 定位精度：±0.02mm，±0.01mm – 速度：脉冲当量为0.01mm时，不超过5m/min
连续运行的最高工作频率
步进电机连续运行时所能接受的最高控 制频率
远大于启动频率 与步距角一起决定执行部件的最大运动
速度。 决定于负载惯量J、定子相数、通电方式、
控制电路的功率放大级
转矩——频率特性
负载转矩越大，工作频 率越低，符合加工实际 需求
在步进电机运行时，对 应于某一频率，只有当 负载转矩小于它在该频 率时的最大动态转矩， 电机才能正常运转
特点：
– 结构简单，用于精度要求不高的机床
闭环和半闭环进给伺服系统
驱动装置：
– 直流或交流伺服电机、电液伺服阀—液压马达。
位移精度取决于：
– 检测装置的分辨率和精度
性能指标：
– 定位精度：±0.005~0.01mm，±0.1μm – 移动速度：与导程为10mm的丝杠直连，
1~30m/min
大惯量直流伺服电机
又称：
– 宽调速直流伺服电机、直流力矩电机
激磁方式：
– 永磁式
特点：
– 输出力矩大：
» 高性能的磁性材料，产生强磁场φ，具有大的矫顽力和足 够的厚度，能承受高的峰值电流以满足快的加减速要求
» 增加转子的槽数和槽的截面积，增大磁极对数，使得转矩惯量比增大，电枢电感减小，电机的机械时间常数和电气 时间常数都减小，改善响应的快速性。
特点：
– 控制执行部件以给定的速度向消除偏差的方向运动。 – 结构较复杂，成本较高；机械传动机构包含在系统
之内成为不稳定因素，设计和调试较困难
4.2 步进电机及其调速
步进电机的结构与工作原理 步进电机的特征参数 步进电机开环进给的传动计算及电机选
用 步进电机的驱动
步进电机的结构与工作原理
直流伺服电机的可控硅调速系统
又称：
– 晶闸管供电转速电流双闭环直流调速系统
Ud
PWM控制示意图
通过改变脉冲宽度的方法来改变电枢回路的 平均电压，达到电机调速的目的
直流伺服电机的脉冲调宽调速系统
脉冲宽度调制电路C
任务：
– 将速度指令电压信号转换成脉冲周期固定而宽度可 由速度指令电压信号的大小调节变化的脉冲电压。