河南科技大学机电工程学院
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均由带齿的硅钢片叠成。
步进电机是按电磁吸引的原理进 行工作的。
当定子绕组按顺序轮流通电时，A、B、C三对磁极就依次产生磁场，并每次对 转子的某一对齿产生电磁引力，将其吸引过来，而使转子一步步转动。每当转 子某一对齿的中心线与定子磁极中心线对齐时，磁阻最小，转矩为零。如果控 制线路不停地按一定方向切换定子绕组各相电流，转子便按一定方向不停地转 动。步进电机每次转过的角度称为步距角。
（三）特点(Features)：
优点
❖ 不需反馈控制，电路简单 ❖ 易于微机联接 ❖ 没有积累误差 ❖ 停止时有自锁能力 ❖ 维修方便 ❖ 价廉
缺点
❖ 效率低 ❖ 容易失步（脱调） ❖ 低频时易发生震荡
（四）步进电机的转矩特性
步进电机的脉冲频率与其产生的转矩之间的关系称为步进电机 的转矩特性。
转矩随着脉 冲频率的增 高而减小，
一定的转换和放大后，经伺服电机（直流、交流伺服电机、功率步进
电机等）和机械传动机构，驱动机床的工作台等执行部件实现工作进 给或快速运动。
如果把CNC装置比作数控机床的“大脑”， 是发布“命令”的指挥机构，那么伺服系统就 是数控机床的“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。
3、全闭环系统：直接对执行部件的实际位置进行测量，可消除中间传动
环节的误差，位置控制精度高。采用直线位移传感器，价格昂贵，多用于超 精设备。
位置控制单元
CNC 插补 指令
XC +
△D 位置控制
-
调节器
XA
速度控制单元
Up +
速度控制
－
调节与驱动
Ug
m
速度检测装置
U 电机
机械执行部件 XD
θm
θD
位置检测单元 XD
二、 对伺服系统的基本要求：
1. 位移精度高 位移精度：指指令脉冲要求机床工作台进给的位移量和该指令
脉冲经伺服系统转化为工作台实际位移量之间的符合程度。两者 误差愈小，位移精度愈高。
2. 稳定性好 稳定性：指系统在给定外界干扰作用下，能在短暂的调节过程
后，达到新的或者恢复到原来平衡状态的能力。要求伺服系统具 有较强的抗干扰能力，保证进给速度均匀、平稳。稳定性直接影 响数控加工精度和表面粗糙度。
其性能决定了进给伺服系统的性能。
控制 电机
伺服电机 分类
步进电机（Stepping Motor） 直流伺服电机（DC Motor） 交流伺服电机（AC Motor）
二、 步进电机
是一种将电脉冲信号转化为角位移的执行机构。
（一） 步进电机结构百度文库工作原理
结构：主要由定子、转子和励磁绕组三 部分组成。 定子上有六个磁极，每个磁极上绕有 励磁绕组，每相对的两个磁极组成一 相，分成A、B、C三相。定子和转子
一般用于经济型数控机床
2、半闭环系统：其测量反馈信号是从驱动装置（常用伺服电机）或
从传动中端引出的，间接测量执行部件的移动量。
光电编码 器
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。 半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在现代数控机床中 得到了广泛应用。
要求伺服系统有足够的输出扭矩或驱动功率。机床加工 的特点是，在低速时进行重切削。因此，伺服系统在低速时 要求有大的转矩输出。
三、进给伺服系统的分类
按其控制原理和有 无位置反馈装置
开环系统 半闭环系统 全闭环系统
1、开环系统：没有任何测量反馈装置
功率步进 电机
这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、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。
（二）步进电机的类型
转子 结构
励磁 相数
❖ 永磁式（PM） ❖ 反应式（VR） ❖ 混合式（HB）
➢ 三相 ➢ 四相 ➢ 五相 ➢ 六相等
应用最广泛
永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；
反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声 和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰； 混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两 相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最 为广泛。
直线位移 传感器
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。
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。
第二节 伺服电机及其调速 一、 概述：
伺服电机是进给伺服系统中一个重要的组成环节，
本节课程讲授主要内容：
进给伺服系统的基本概念 伺服电机及其调速 位置检测装置
第一节 概述 一、 伺服系统的组成
伺服系统按其 功能可分为：
主轴伺服系统 进给伺服系统
主轴伺服系统：用于控制机床主轴的转动（速度控制系统）。
进给伺服系统：机床移动部件（如工作台）的位置和速度作
为控制量的自动控制系统。一般意义的伺服系统，控制精度要 求高。
进给伺服系 统的组成
➢ 伺服驱动器（位置、速度控制单元） ➢ 驱动元件(电机) ➢ 检测与反馈单元 ➢ 机械执行部件
CNC 插补 指令
位置控制单元 + -
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
作用：接受CNC发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动器作
3. 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
系统跟踪精度。机床进给伺服系统实际上就是一种高精度的 位置随动系统，为保证轮廓切削形状精度和低的表面粗糙度， 要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快，跟随误差小。 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。在数控机床中，由于所用刀具、加工材料及 零件加工要求的不同，为保证在各种情况下都能得到最佳切 削条件，就要求伺服系统具有足够宽的调速范围。 5. 低速大扭矩
why？
当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势； 频率越高，反向电动势越大，相电流减小，从而导致力矩下降。
步进电机是按电磁吸引的原理进 行工作的。
当定子绕组按顺序轮流通电时，A、B、C三对磁极就依次产生磁场，并每次对 转子的某一对齿产生电磁引力，将其吸引过来，而使转子一步步转动。每当转 子某一对齿的中心线与定子磁极中心线对齐时，磁阻最小，转矩为零。如果控 制线路不停地按一定方向切换定子绕组各相电流，转子便按一定方向不停地转 动。步进电机每次转过的角度称为步距角。
（三）特点(Features)：
优点
❖ 不需反馈控制，电路简单 ❖ 易于微机联接 ❖ 没有积累误差 ❖ 停止时有自锁能力 ❖ 维修方便 ❖ 价廉
缺点
❖ 效率低 ❖ 容易失步（脱调） ❖ 低频时易发生震荡
（四）步进电机的转矩特性
步进电机的脉冲频率与其产生的转矩之间的关系称为步进电机 的转矩特性。
转矩随着脉 冲频率的增 高而减小，
一定的转换和放大后，经伺服电机（直流、交流伺服电机、功率步进
电机等）和机械传动机构，驱动机床的工作台等执行部件实现工作进 给或快速运动。
如果把CNC装置比作数控机床的“大脑”， 是发布“命令”的指挥机构，那么伺服系统就 是数控机床的“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。
3、全闭环系统：直接对执行部件的实际位置进行测量，可消除中间传动
环节的误差，位置控制精度高。采用直线位移传感器，价格昂贵，多用于超 精设备。
位置控制单元
CNC 插补 指令
XC +
△D 位置控制
-
调节器
XA
速度控制单元
Up +
速度控制
－
调节与驱动
Ug
m
速度检测装置
U 电机
机械执行部件 XD
θm
θD
位置检测单元 XD
二、 对伺服系统的基本要求：
1. 位移精度高 位移精度：指指令脉冲要求机床工作台进给的位移量和该指令
脉冲经伺服系统转化为工作台实际位移量之间的符合程度。两者 误差愈小，位移精度愈高。
2. 稳定性好 稳定性：指系统在给定外界干扰作用下，能在短暂的调节过程
后，达到新的或者恢复到原来平衡状态的能力。要求伺服系统具 有较强的抗干扰能力，保证进给速度均匀、平稳。稳定性直接影 响数控加工精度和表面粗糙度。
其性能决定了进给伺服系统的性能。
控制 电机
伺服电机 分类
步进电机（Stepping Motor） 直流伺服电机（DC Motor） 交流伺服电机（AC Motor）
二、 步进电机
是一种将电脉冲信号转化为角位移的执行机构。
（一） 步进电机结构百度文库工作原理
结构：主要由定子、转子和励磁绕组三 部分组成。 定子上有六个磁极，每个磁极上绕有 励磁绕组，每相对的两个磁极组成一 相，分成A、B、C三相。定子和转子
一般用于经济型数控机床
2、半闭环系统：其测量反馈信号是从驱动装置（常用伺服电机）或
从传动中端引出的，间接测量执行部件的移动量。
光电编码 器
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。 半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在现代数控机床中 得到了广泛应用。
要求伺服系统有足够的输出扭矩或驱动功率。机床加工 的特点是，在低速时进行重切削。因此，伺服系统在低速时 要求有大的转矩输出。
三、进给伺服系统的分类
按其控制原理和有 无位置反馈装置
开环系统 半闭环系统 全闭环系统
1、开环系统：没有任何测量反馈装置
功率步进 电机
这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、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。
（二）步进电机的类型
转子 结构
励磁 相数
❖ 永磁式（PM） ❖ 反应式（VR） ❖ 混合式（HB）
➢ 三相 ➢ 四相 ➢ 五相 ➢ 六相等
应用最广泛
永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；
反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声 和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰； 混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两 相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最 为广泛。
直线位移 传感器
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。
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。
第二节 伺服电机及其调速 一、 概述：
伺服电机是进给伺服系统中一个重要的组成环节，
本节课程讲授主要内容：
进给伺服系统的基本概念 伺服电机及其调速 位置检测装置
第一节 概述 一、 伺服系统的组成
伺服系统按其 功能可分为：
主轴伺服系统 进给伺服系统
主轴伺服系统：用于控制机床主轴的转动（速度控制系统）。
进给伺服系统：机床移动部件（如工作台）的位置和速度作
为控制量的自动控制系统。一般意义的伺服系统，控制精度要 求高。
进给伺服系 统的组成
➢ 伺服驱动器（位置、速度控制单元） ➢ 驱动元件(电机) ➢ 检测与反馈单元 ➢ 机械执行部件
CNC 插补 指令
位置控制单元 + -
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
作用：接受CNC发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动器作
3. 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
系统跟踪精度。机床进给伺服系统实际上就是一种高精度的 位置随动系统，为保证轮廓切削形状精度和低的表面粗糙度， 要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快，跟随误差小。 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。在数控机床中，由于所用刀具、加工材料及 零件加工要求的不同，为保证在各种情况下都能得到最佳切 削条件，就要求伺服系统具有足够宽的调速范围。 5. 低速大扭矩
why？
当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势； 频率越高，反向电动势越大，相电流减小，从而导致力矩下降。