伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)

6伺服驅(qū)動系統(tǒng)伺服系統(tǒng)是指以機械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)。它接受來自數(shù)控裝置的進(jìn)給指令信號，經(jīng)變換、調(diào)節(jié)和放大后驅(qū)動執(zhí)行件，轉(zhuǎn)化為直線或旋轉(zhuǎn)運動。伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置(計算機)和機床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控機床的重要組成部分。數(shù)控機床伺服系統(tǒng)又稱為位置隨動系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、伺服機構(gòu)或伺服單元。系統(tǒng)包括大量的電力電子器件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、綜合性強。12/11/20221伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!6伺服驅(qū)動系統(tǒng)（1）進(jìn)給驅(qū)動控制機床各坐標(biāo)軸的切削進(jìn)給運動，是一種精密的位置跟蹤與定位系統(tǒng)，它包括速度控制，也是一般概念的伺服驅(qū)動系統(tǒng)。（2）主軸驅(qū)動控制機床主軸的旋轉(zhuǎn)運動和切削過程中的轉(zhuǎn)矩和功率，一般以速度控制為主。對C坐標(biāo)功能的主軸驅(qū)動也需要位置控制。（3）輔助驅(qū)動在各類加工中心或多功能數(shù)控機床中，控制刀庫、料庫等輔助系統(tǒng)，多采用簡易的位置控制。12/11/20222伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁!6.1.1伺服系統(tǒng)的組成組成：伺服電機驅(qū)動信號控制轉(zhuǎn)換電路電子電力驅(qū)動放大模塊位置調(diào)節(jié)單元速度調(diào)節(jié)單元電流調(diào)節(jié)單元檢測裝置一般閉環(huán)系統(tǒng)為三環(huán)結(jié)構(gòu)：位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)。12/11/20223伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁!6.1.1伺服系統(tǒng)的組成

位置調(diào)解速度調(diào)解電流調(diào)解轉(zhuǎn)換驅(qū)動工作臺電流反饋速度反饋位置反饋MG位置、速度和電流環(huán)均由調(diào)節(jié)控制模塊、檢測和反饋部分組成。電力電子驅(qū)動裝置由驅(qū)動信號產(chǎn)生電路和功率放大器組成。嚴(yán)格來說：位置控制包括位置、速度和電流控制；速度控制包括速度和電流控制。12/11/20224伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁!對伺服電機的要求：（1）調(diào)運范圍寬且有良好的穩(wěn)定性，低速時的速度平穩(wěn)性（2）電機應(yīng)具有大的、較長時間的過載能力，以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。（3）反應(yīng)速度快，電機必須具有較小的轉(zhuǎn)動慣量、較大的轉(zhuǎn)矩、盡可能小的機電時間常數(shù)和很大的加速度

(400rad/s2以上)。（4）能承受頻繁的起動、制動和正反轉(zhuǎn)。6.1.2對伺服系統(tǒng)的基本要求12/11/20225伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁!6.1.2對主軸伺服系統(tǒng)的要求

對主軸伺服系統(tǒng)，除上述要求外，還應(yīng)滿足如下要求：

（1）主軸與進(jìn)給驅(qū)動的同步控制該功能使數(shù)控機床具有螺紋和螺旋槽加工的能力。

（2）準(zhǔn)?？刂圃诩庸ぶ行纳?，為了實現(xiàn)自動換刀，要求主軸能進(jìn)行高精確位置的停止。

（3）角度分度控制角度分度控制有兩種類型：一是固定的等分角度控制；二是連續(xù)的任意角度控制。任意角度控制是帶有角位移反饋的位置伺服系統(tǒng)，這種主軸坐標(biāo)具有進(jìn)給坐標(biāo)的功能，稱為“C”軸控制。“C”軸控制可以用一般主軸控制與“C”控制切換的方法實現(xiàn)，也可以用大功率的進(jìn)給伺服系統(tǒng)代替主軸系統(tǒng)。12/11/20226伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!

②電氣控制系統(tǒng)電氣伺服系統(tǒng)全部采用電子器件和電機部件，操作維護(hù)方便、可靠性高。電器伺服系統(tǒng)中的驅(qū)動元件主要有步進(jìn)電機、直流伺服電機和交流伺服電機。它們沒有液壓系統(tǒng)中的噪聲、污染和維修費用高等問題，但反應(yīng)速度和低速轉(zhuǎn)矩不如液壓系統(tǒng)高，現(xiàn)在電機的驅(qū)動電路、電機本身的結(jié)構(gòu)都得到很大改善，性能大大提高，已經(jīng)在更大范圍內(nèi)取代了液壓伺服系統(tǒng)。（3）按伺服電機類型①直流伺服系統(tǒng)a.小慣量直流電機、細(xì)長電機最大限度地減小電樞的轉(zhuǎn)動慣量，所以能獲得最好的快速性。小慣量伺服電機一般都設(shè)計成高的額定轉(zhuǎn)速和底的慣量，所以應(yīng)用時，要經(jīng)過中間機械傳動，才能夠與絲杠連接。齒輪或齒型帶降速，滿足慣性匹配要求12/11/20227伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!②交流伺服系統(tǒng)

a.交流異步電動機（一般用于主軸伺服電機）

b.永磁同步伺服電機（一般用于進(jìn)給伺服電機）由于直流電機存在一些固有的缺點，使其應(yīng)用環(huán)境受到限制。交流伺服電機沒有這些缺點，且轉(zhuǎn)子慣量較直流電機小，使得動態(tài)響應(yīng)好。另外在同樣體積下，交流電機的輸出功率可比直流電機高10%-70%。還有交流電機的容量可以比直流電機造得大，達(dá)到更高的電壓和轉(zhuǎn)速。因此交流電機得到了迅速發(fā)展，已經(jīng)形成潮流。從20世紀(jì)80年代后期開始，大量使用交流伺服系統(tǒng)，到今天有些國家的廠家，已經(jīng)全部使用交流伺服系統(tǒng)。12/11/20228伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!（5）按反饋比較控制方式

（1）脈沖、數(shù)字比較伺服系統(tǒng)將數(shù)控裝置發(fā)出的數(shù)字（或脈沖）指令與檢測反饋得的以數(shù)字（或脈沖）形式表示的信號進(jìn)行比較，以產(chǎn)生位置誤差，達(dá)到閉環(huán)控制。（2）相位比較伺服系統(tǒng)在相位比較伺服系統(tǒng)中，位置檢測裝置工作在鑒相工作方式，將指令信號和反饋信號都變換成某種載波相位信號，通過兩個載波信號的相位比較，獲得對應(yīng)的位置偏差，給位置調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)系統(tǒng)的位置閉環(huán)控制（3）幅值比較伺服系統(tǒng)（鑒幅式）以位置檢測信號得幅值大小來反映機械位移得數(shù)值；指令位移信號同反饋位移信號進(jìn)行比較(將此信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號才能與指令數(shù)字信號進(jìn)行比較)（4）全數(shù)字伺服系統(tǒng)

12/11/20229伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!6.2.1步進(jìn)電機的工作原理及類型

步進(jìn)電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的機械角位移或直線位移的控制電機。步進(jìn)電機又稱脈沖電動機或電脈沖馬達(dá)。其角位移量與電脈沖數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)速與電脈沖頻率成正比，通過改變脈沖頻率就可以調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。如果停電后某些相的繞組仍然保持通電狀態(tài)，則還具有自鎖能力。步進(jìn)電機每轉(zhuǎn)一周都有固定的步數(shù)，從理論上說其步距誤差不會累積。步進(jìn)電機的最大缺點是容易失步，特別是在大負(fù)載和速度較高的情況下，失步更容易發(fā)生。但是近年來發(fā)展起來的恒流斬波驅(qū)動、PWM驅(qū)動、微步驅(qū)動、超微步驅(qū)動及其他們的綜合運用，使得步進(jìn)電機的驅(qū)動能力有很大提高

主要用于數(shù)控機床的開環(huán)伺服系統(tǒng)（開環(huán)伺服控制是指機床運動部件的位移沒有檢測反饋裝置，數(shù)控裝置發(fā)出的信號是單向的。）12/11/202210伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁!12/11/202211伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!12/11/202212伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁!同一臺步進(jìn)電機，因通電方式的不同，運行時的步距角也是不同的，采用單、雙拍通電方式時，步距角要比單拍通電方式減小一半。實際使用中，單三拍通電方式由于在切換時一相繞組斷電，而另一相繞組開始通電容易造成失步。此外，由單一繞組通電吸引轉(zhuǎn)子，也容易使轉(zhuǎn)子在平衡位置附近產(chǎn)生振蕩，運行的穩(wěn)定性差，所以很少采用。通常將它改成“雙三拍通電方式”。上述這種簡單結(jié)構(gòu)的反應(yīng)式步進(jìn)電機的步距角較大，如在數(shù)控機床中應(yīng)用就會影響到加工工件的精度。實際中采用的是小步距角的步進(jìn)電機。12/11/202213伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!圖所示為步進(jìn)電動機的展開圖。其中定子有6個極，轉(zhuǎn)子有40個齒。當(dāng)A極下的定、轉(zhuǎn)子齒對齊時，B極和C極下的齒就分別和轉(zhuǎn)子齒相錯三分之一的轉(zhuǎn)子齒距。反應(yīng)式步進(jìn)電動機的轉(zhuǎn)子齒數(shù)Zr，基本上由步距角的要求所決定。但是為了能實現(xiàn)上述“自動錯位”，轉(zhuǎn)子的齒數(shù)就必須滿足一定條件，而不能為任意數(shù)值。當(dāng)定子的相鄰極屬于不同的相時，在某一極下若定子和轉(zhuǎn)子的齒對齊時，則要求在相鄰極下的定子和轉(zhuǎn)子之間應(yīng)錯開轉(zhuǎn)子齒距的1/m。12/11/202214伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!

各項的矩角特性差異不應(yīng)該太大，否則會影響步距精度及引起低頻振蕩。可以通過調(diào)整相電流的方法，使電動機矩角特性大致相同。兩個齒中心線之間的距離叫齒距，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒距，矩角特性就變化一個周期，相當(dāng)于2π電角度。12/11/202215伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁!

在定子、轉(zhuǎn)子齒槽對準(zhǔn)時，定、轉(zhuǎn)子槽中心線重合，失調(diào)角為θ=0°，電磁轉(zhuǎn)矩T=0。若轉(zhuǎn)子齒的中心線對準(zhǔn)定子槽中心線，失調(diào)角θ=±π，這時相鄰兩定子齒對這轉(zhuǎn)子齒有同樣的拉力，但方向相反，故電磁轉(zhuǎn)矩T=0。在失調(diào)角θ=±π/2（即1/4齒距處），轉(zhuǎn)矩最大，轉(zhuǎn)矩方向是使轉(zhuǎn)子位置趨向失調(diào)角為零。當(dāng)失調(diào)角小于-π或大雨+π時，該轉(zhuǎn)子齒已進(jìn)入了另一個定子齒的拉力范圍，轉(zhuǎn)矩方向趨于使轉(zhuǎn)子齒與下一個齒對齊。當(dāng)θ=±2π，轉(zhuǎn)子齒與另一個定子齒對齊，轉(zhuǎn)矩又為零。如上所述，在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子有一定的穩(wěn)定平衡點。如果步進(jìn)電機空載，則穩(wěn)定在平衡點為θ=0，而θ=±π處為不穩(wěn)定平衡點。穩(wěn)定平衡點只有一個。在靜態(tài)情況下，如受外負(fù)載轉(zhuǎn)矩的作用，使轉(zhuǎn)子偏離它的平衡點，但沒有超過相鄰的不穩(wěn)定平衡點，則當(dāng)外轉(zhuǎn)矩除去后，轉(zhuǎn)子在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下，仍能回到原來的平衡點。12/11/202216伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁!（4）起動轉(zhuǎn)矩

右圖為三相步進(jìn)電機的矩角特性曲線，則相和B相的矩角特性交點的縱坐標(biāo)值為起動轉(zhuǎn)矩。它表示步進(jìn)電機單相激勵時所能帶動的極限負(fù)載轉(zhuǎn)矩。12/11/202217伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁!（5）連續(xù)運行狀態(tài)時的動特性__工作頻率步進(jìn)電機的工作頻率是指電動機按指令的要求進(jìn)行正常工作的最大脈沖頻率。所謂正常工作就是指步進(jìn)電機不失步地工作，即一個脈沖移動一個步距角。所謂失步的內(nèi)容包括：丟步和越步。步進(jìn)電動機的工作頻率，通常分為啟動頻率、制動頻率及連續(xù)工作頻率。對于同樣負(fù)載轉(zhuǎn)矩來說，正、反向起動頻率和制動頻率都是一樣的，而連續(xù)工作頻率要高得多。一般步進(jìn)電動機的技術(shù)參數(shù)中只給出起動頻率和連續(xù)工作頻率。12/11/202218伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁!

②連續(xù)運行頻率步進(jìn)電機啟動后，其運行速度能跟蹤指令脈沖頻率連續(xù)上升而不丟步的最高頻率，稱為連續(xù)運行頻率。其值遠(yuǎn)大于起動頻率，它也隨著電動機所帶負(fù)載得性質(zhì)和大小而異，與驅(qū)動電源也有很大關(guān)系。（5）連續(xù)運行狀態(tài)時的動特性__矩頻特性描述連續(xù)穩(wěn)定運行輸出轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運行頻率之間的關(guān)系運行矩頻特性是描述步進(jìn)電動機在連續(xù)運行時，輸出轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運行頻率之間的關(guān)系，它是衡量步進(jìn)電動機運轉(zhuǎn)時承載能力的動態(tài)指標(biāo)。下頁圖中每一頻率所對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩稱為動態(tài)轉(zhuǎn)矩。從圖中可以看出，隨著運行頻率的上升，輸出轉(zhuǎn)矩下降，承載能力下降。當(dāng)運行頻率超過最高頻率是，步進(jìn)電動機便無法工作。12/11/202219伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁!對矩頻特性曲線進(jìn)一步說明因步進(jìn)電動機的控制繞組中存在電感，相應(yīng)地有一定的電氣時間常數(shù)，所以控制繞組中電流增長也有一個過程。當(dāng)脈沖頻率很高時控制繞組中的電流不能達(dá)到穩(wěn)定值,故電動機的最大動態(tài)轉(zhuǎn)矩小于最大靜轉(zhuǎn)矩。而且脈沖頻率越高，最大動態(tài)轉(zhuǎn)矩也就越小，在步進(jìn)電動機運行時，對應(yīng)于某一頻率，只有當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩小于它在該頻率的最大動態(tài)轉(zhuǎn)矩，電動機才能夠正常運轉(zhuǎn)。12/11/202220伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁!12/11/202221伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁!12/11/202222伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁!12/11/202223伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁!12/11/202224伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第24頁!12/11/202225伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第25頁!12/11/202226伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第26頁!6.2.5步進(jìn)電機的驅(qū)動電源

12/11/202227伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第27頁!（3）斬波驅(qū)動電路

12/11/202228伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第28頁!

單電壓驅(qū)動電路的優(yōu)點是線路簡單，缺點是電流上升不夠快，高頻時帶負(fù)載能力低。

高低壓驅(qū)動電路的優(yōu)點是在較寬的頻率范圍有較大的平均電流，能產(chǎn)生較大且穩(wěn)定的平均轉(zhuǎn)矩，其缺點是電流波頂有谷點。

斬波驅(qū)動電路雖然復(fù)雜，但它的優(yōu)點比較突出：（1）繞組的脈沖電流邊沿陡，快速響應(yīng)好。（2）功率小，效率高。因為電路無外接電阻Rc，而采樣電阻Re又很小（一般0.2Ω左右），所以整個系統(tǒng)的功耗下降很多，相應(yīng)地提高了效率。（3）輸出轉(zhuǎn)矩恒定。由于采樣電阻Re的反饋作用，使繞組中電流可以恒定在額定電流數(shù)值左右，而且不隨步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)速而變化，從而保證在很大的頻率范圍內(nèi)，步進(jìn)電機都能輸出恒定的轉(zhuǎn)矩。12/11/202229伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第29頁!（5）步進(jìn)電動機細(xì)分的驅(qū)動原理

在前述步進(jìn)電動機工作原理中，講到步距角由步進(jìn)電動機的齒距角及繞組相數(shù)等電動機結(jié)構(gòu)所決定。在實際應(yīng)用中，為了提高進(jìn)給運動的分辨率，要求對步距角進(jìn)一步細(xì)分。在不改變步進(jìn)電機結(jié)構(gòu)的前提下，為了達(dá)到這一目的，將額定電流以階梯波的方式輸入。此時電流分成多個臺階，則轉(zhuǎn)子就以同樣的步數(shù)轉(zhuǎn)過一個步進(jìn)電機的固定步距角。這樣將一個步距角細(xì)分成若干步的驅(qū)動方法稱為細(xì)分驅(qū)動。獲得階梯電流一般有兩種方法：一是先產(chǎn)生時序脈沖，放大后在電動機電樞內(nèi)疊加，電樞繞組是它們的公共負(fù)載；二是先在加法器內(nèi)將時序脈沖疊加成階梯電壓，后進(jìn)行放大，在電樞內(nèi)獲得階梯電流波形。

細(xì)分驅(qū)動的優(yōu)點是使步距角減小、運行平穩(wěn)，提高勻速性，并能減弱或消除振蕩。12/11/202230伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第30頁!

若無細(xì)分，定子繞組的電流是由零躍升到額定值的，相應(yīng)的角位移如圖(a)所示。采用細(xì)分后，定子繞組的電流要經(jīng)過若干小步的變化，才能達(dá)到額定值，相應(yīng)的角位移如圖(b)所示。12/11/202231伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第31頁!

3.螺距誤差補償在步進(jìn)式開環(huán)伺服驅(qū)動系統(tǒng)中，絲杠的螺距積累誤差直接影響著工作臺的位移精度，若想提高開環(huán)伺服驅(qū)動系統(tǒng)的精度，就必須予以補償。補償原理:通過對絲杠的螺距進(jìn)行實測，得到絲杠全程的誤差分布曲線。誤差有正有負(fù)，當(dāng)誤差為正時，表明實際的移動距離大于理論的移動距離，應(yīng)該采用扣除進(jìn)給脈沖指令的方式進(jìn)行誤差的補償，使步進(jìn)電機少走一步；當(dāng)誤差為負(fù)時，表明實際的移動距離小于理論的移動距離，應(yīng)該采取增加進(jìn)給脈沖指令的方式進(jìn)行誤差的補償，使步進(jìn)電機多走一步。12/11/202232伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第32頁!12/11/202233伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第33頁!1．精度高

伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能復(fù)現(xiàn)輸入量的精確程度。包括定位精度和輪廓加工精度。2．穩(wěn)定性好

穩(wěn)定是指系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調(diào)節(jié)過程后，達(dá)到新的或者恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)。直接影響數(shù)控加工的精度和表面粗糙度。3．快速響應(yīng)

快速響應(yīng)是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的重要指標(biāo)，它反映了系統(tǒng)的跟蹤精度。4．調(diào)速范圍寬

調(diào)速范圍是指生產(chǎn)機械要求電機能提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比。0～24m/min。5．低速大轉(zhuǎn)矩

進(jìn)給坐標(biāo)的伺服控制屬于恒轉(zhuǎn)矩控制，在整個速度范圍內(nèi)都要保持這個轉(zhuǎn)矩；主軸坐標(biāo)的伺服控制在低速時為恒轉(zhuǎn)矩控制，能提供較大轉(zhuǎn)矩。在高速時為恒功率控制，具有足夠大的輸出功率。6.1.2對伺服系統(tǒng)的基本要求12/11/202234伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第34頁!（7）伺服系統(tǒng)對伺服電機的要求由于數(shù)控對伺服系統(tǒng)提出了如上的嚴(yán)格技術(shù)要求，伺服系統(tǒng)對其自身的執(zhí)行機構(gòu)-電動機-提出了嚴(yán)格的要求。①從最低速到最高速電機都要平穩(wěn)運轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)距波動要小，尤其是在低速如0.1r/min或更低轉(zhuǎn)速時，仍有穩(wěn)定的速度而無爬行現(xiàn)象。②電機應(yīng)具有大的較長時間的過載能力，以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。一般直流伺服電機要求在數(shù)分鐘內(nèi)過載4-6倍而不損壞。③為了滿足快速響應(yīng)的要求，電機應(yīng)該有較小的轉(zhuǎn)動慣量和大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，并且有盡可能小的時間常數(shù)和啟動電壓。電機應(yīng)具有耐受4000rad/s2以上角加速度的能力，才能保證電機在0.2s以內(nèi)從靜止到額定轉(zhuǎn)速。④電機應(yīng)能承受頻繁啟動、制動和反轉(zhuǎn)。12/11/202235伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第35頁!6.1.3伺服系統(tǒng)的分類（1）按調(diào)節(jié)理論分類

①閉環(huán)

②半閉環(huán)③開環(huán)（2）按驅(qū)動部件的動作原理

①電液控制系統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件為液壓元件，其前一級為電氣元件。驅(qū)動元件為液動機和液壓缸，常用的有電液脈沖馬達(dá)和電液伺服馬達(dá)。數(shù)空機床發(fā)展的初期，多數(shù)采用電液伺服系統(tǒng)。電液伺服系統(tǒng)具有在低速下可以得到很高的輸出轉(zhuǎn)矩，以及剛性好、時間常數(shù)小、反映快速度平穩(wěn)等特點。然而，液壓系統(tǒng)需要油箱、油管等供油系統(tǒng)，體積大。此外還有噪聲、漏油等問題，故從20世紀(jì)70年代起逐步被電氣伺服系統(tǒng)代替。只是具有特殊要求，才采用電液伺服系統(tǒng)。12/11/202236伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第36頁!b.永磁直流伺服電機（大慣量寬調(diào)速直流伺服電機）永磁直流伺服電機能在較大過載轉(zhuǎn)矩下長時間工作以及電機的轉(zhuǎn)子慣量較大，能直接與絲杠相連而不需中間傳動裝置。此外，它還有一個特點是可在低速下運轉(zhuǎn)，如能在1r/min甚至在0.1r/min下平穩(wěn)地運轉(zhuǎn)。因此這種直流伺服系統(tǒng)在數(shù)控機床上獲得了廣泛的應(yīng)用。自20世紀(jì)70年代至80年代中期，在數(shù)控機床上應(yīng)用占絕對統(tǒng)治的地位，至今許多數(shù)控機床上仍然使用這種電機的直流伺服系統(tǒng)。缺點：有電刷，限制了速度的提高一般額定轉(zhuǎn)速為1000-1500r/min；結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格昂貴c.步進(jìn)電機電磁吸合原理12/11/202237伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第37頁!(4)按進(jìn)給驅(qū)動和主軸驅(qū)動分類

①進(jìn)給伺服系統(tǒng)進(jìn)給伺服系統(tǒng)是一般意義上的伺服系統(tǒng)，它包括：速度控制環(huán)和位置控制環(huán)。進(jìn)給伺服系統(tǒng)完成各坐標(biāo)軸的進(jìn)給運動，具有定位和輪廓跟蹤功能，是數(shù)控機床中要求最高的伺服控制。

②主軸伺服系統(tǒng)嚴(yán)格地說、一般主軸控制只是一個速度控制系統(tǒng)。主要完成主軸的旋轉(zhuǎn)運動，提供切削過程中的轉(zhuǎn)矩和功率，且保證任意轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，完成轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的無級變速。具有C軸控制的主軸與進(jìn)給伺服系統(tǒng)一樣，為一般概念的位置伺服控制系統(tǒng)。此外，刀庫位置控制是為了在刀庫的不同位置選擇刀具，與進(jìn)給坐標(biāo)軸的位置控制相比，性能要底得多，故稱為簡易位置伺服系統(tǒng)。12/11/202238伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第38頁!6.2步進(jìn)電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng)

開環(huán)位置伺服系統(tǒng)也叫步進(jìn)式伺服系統(tǒng)，其驅(qū)動元件為步進(jìn)電機。功率步進(jìn)盛行于20世紀(jì)70年代，且控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)最簡單，控制最容易，維修最方便，控制為全數(shù)字化（即數(shù)字化的輸入指令脈沖對應(yīng)數(shù)字化的位置輸出），這完全符合數(shù)字化控制技術(shù)的要求，控制系統(tǒng)與步進(jìn)電機的驅(qū)動控制電路結(jié)為一體。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，除功率驅(qū)動電路之外，其它硬件電路均可由軟件實現(xiàn)，從而簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低成本，提高了系統(tǒng)的可靠性。而步進(jìn)電機的功耗太多，速度也不高。目前的步進(jìn)電機在脈沖當(dāng)量為1微米時，最高移動僅僅為2m/min，且功率越大，移動速度越低，故主要用于速度與精度要求不高的經(jīng)濟型數(shù)控機床及舊設(shè)備改造中。12/11/202239伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第39頁!（1）步進(jìn)電機的分類

按運動方式分：有旋轉(zhuǎn)式、直線運動式、平面運動式和滾動運動式。按工作原理分：有反應(yīng)式（磁阻式）、電磁式、永磁式、永磁感應(yīng)式（混合式）。按使用場合分：有功率步進(jìn)電機和控制步進(jìn)電機。按電機結(jié)構(gòu)分：有單段式（徑向式）、多段式（軸向式）、印刷繞組式。按工作相數(shù)分：有三相、四相、五相、六相和八相等。按使用頻率分：有高頻步進(jìn)電機和低頻步進(jìn)電機。數(shù)控機床中使用較多的是反應(yīng)式步進(jìn)電機和永磁感應(yīng)式步進(jìn)電機12/11/202240伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第40頁!（2）步進(jìn)電機的結(jié)構(gòu)與工作原理

步進(jìn)電機又稱脈沖電機，每接受一個脈沖信號轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個角度，稱為步距角。脈沖數(shù)目：位移大??；脈沖頻率：速度大小；通電順序：方向控制。步進(jìn)電機的結(jié)構(gòu)：（單段式三相反應(yīng)式步進(jìn)電機結(jié)構(gòu)）：工作原理：電磁吸合轉(zhuǎn)子：開槽形成齒定子：有磁極以三相單三拍為例說明工作原理：拍：A相勵磁繞組通電，B、C勵磁繞組斷電。A相定子繞組的磁力線為保持磁阻最小，給轉(zhuǎn)子施加力矩，使相鄰轉(zhuǎn)子齒與之對齊。第二拍：B相勵磁繞組通電，C、A勵磁繞組斷電。第三拍：C相勵磁繞組通電，A、B勵磁繞組斷電。如通電順序：A、B、C逆時針旋轉(zhuǎn)；如通電順序相反，則順時針旋轉(zhuǎn)通電順序也可以A-AB-B-BC-C-CA12/11/202241伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第41頁!12/11/202242伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第42頁!6.2.2步進(jìn)電機的主要特性

（1）步距角和靜態(tài)步距角（誤差）步距角計算公式：式中：m—定子磁極項數(shù)z—轉(zhuǎn)子齒數(shù)k—通電方式相鄰兩次通電項數(shù)相同取k=1；否則k=2。當(dāng)步進(jìn)電機空載且以單脈沖輸入時，其實際步距角與理論步距角之差稱為靜態(tài)步距角誤差，它隨步進(jìn)電機制造精度而變化。一般在10′-30′的范圍內(nèi)。12/11/202243伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第43頁!（2）靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與矩角特性

當(dāng)步進(jìn)電機不改變通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子處于不動狀態(tài)，如果在電機軸上外加一個負(fù)載轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子按一定的方向轉(zhuǎn)過一個角度θ，此時轉(zhuǎn)子所受的電磁轉(zhuǎn)矩，稱為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，角度θ稱為失調(diào)角。描述靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與θ的關(guān)系叫作步進(jìn)電機的靜態(tài)矩角特性。12/11/202244伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第44頁!12/11/202245伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第45頁!（3）最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩

步進(jìn)電機矩角特性曲線上電磁轉(zhuǎn)矩的最大值稱為最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩。它與通電狀態(tài)及繞組內(nèi)電流值有關(guān)。在一定的通電狀態(tài)下，最大靜轉(zhuǎn)矩與繞組內(nèi)電流的關(guān)系，稱為最大靜轉(zhuǎn)矩特性。

當(dāng)控制電流很小時，最大靜轉(zhuǎn)矩與電流的平方成正比地增大，當(dāng)電流稍大時，受磁路飽和的影響，最大轉(zhuǎn)矩Tmax上升變緩，電流很大時曲線趨向飽和。12/11/202246伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第46頁!12/11/202247伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第47頁!

①起動頻率空載時，步進(jìn)電機由靜止?fàn)顟B(tài)突然啟動，并進(jìn)入不丟步的正常運行的最高頻率，稱為空載起動頻率。加給步進(jìn)電機的指令脈沖頻率如果大于起動頻率，就不能正常工作。步進(jìn)電機加負(fù)載（尤其是慣性負(fù)載）時啟動頻率比空載要低。而且隨著負(fù)載加大（在允許的范圍內(nèi)），起動頻率會進(jìn)一步降低。起動頻率的大小由許多因素決定，繞組時間常數(shù)越小，負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量越小、步距角越小，則起動頻率越高。12/11/202248伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第48頁!12/11/202249伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第49頁!12/11/202250伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第50頁!12/11/202251伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第51頁!12/11/202252伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第52頁!12/11/202253伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第53頁!6.2.4步進(jìn)電機的控制方法

由步進(jìn)電機的工作原理知道，要使步進(jìn)電機正常一步一步地運行，控制脈沖必須按一定的順序分別供給電動機各項脈沖分配。實現(xiàn)脈沖分配可以采用如下兩種形式：一種是硬件脈沖分配（或稱脈沖分配器），另一種是軟件脈沖分配器，是由計算機的軟件完成的。①硬件環(huán)行分配器目前已經(jīng)有很多可靠性高、尺寸小、使用方便的集成電路脈沖分配器。TTL脈沖分配器：YB013、YB014、YB015、YB016，均為18個管角的直插式封裝。CMOS型：如CH250為16個管角的直插式封裝12/11/202254伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第54頁!12/11/202255伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第55頁!12/11/202256伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第56頁!高低壓驅(qū)動電路12/11/202257伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第57頁!三種驅(qū)動電路電流波形

三種驅(qū)動電路電流波形比較12/11/202258伺服驅(qū)動系統(tǒng)東北大學(xué)共63頁，您現(xiàn)在