《數(shù)控加工技術(shù)》課件第2章

第二章數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)第一節(jié)概述第二節(jié)伺服電動(dòng)機(jī)及其工作特性習(xí)題

第一節(jié)概述

與一般機(jī)床不同，數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)是一種自動(dòng)控制系統(tǒng)，通常包含功率放大器、反饋裝置等，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度、位置、方向進(jìn)行精確控制。伺服系統(tǒng)一般由驅(qū)動(dòng)控制單元、驅(qū)動(dòng)元件、機(jī)械傳動(dòng)部分、執(zhí)行元件和檢測(cè)環(huán)節(jié)等組成。其中驅(qū)動(dòng)元件主要是伺服電動(dòng)機(jī)。伺服系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)圖如圖2-1。圖2-1數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

一、伺服系統(tǒng)的基本要求

為使機(jī)床滿足高速、高精度加工的需要，伺服系統(tǒng)應(yīng)具有以下基本性能要求。

1.位移精度

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，伺服系統(tǒng)位移精度是指指令脈沖要求機(jī)床工作臺(tái)進(jìn)給的位移量和該指令脈沖伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為工作臺(tái)實(shí)際位移量之間的符合程度，兩者誤差越小，位移精度越高，一般要求定位精度為0.01mm～0.001mm，高檔機(jī)床的定位精度要求達(dá)到0.1μm以上。

2.穩(wěn)定性

穩(wěn)定性是指系統(tǒng)在給定外界干擾作用下，能在短暫的調(diào)節(jié)過(guò)程后，達(dá)到新的或者恢復(fù)到原來(lái)平衡狀態(tài)的能力，要求伺服系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，保證進(jìn)給速度均勻、平穩(wěn)。穩(wěn)定性直接影響數(shù)控加工精度和表面粗糙度。

3.快速響應(yīng)

響應(yīng)速度是伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)的重要指標(biāo)，它反映了系統(tǒng)的跟蹤精度。為了保證輪廓切削形狀精度和低的加工表面粗糙度值，對(duì)位置伺服系統(tǒng)除了要求有較高的定位精度外，還要求有良好的快速響應(yīng)特性，即要求跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)要快。目前數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)時(shí)間都在20ms以下，在短時(shí)間內(nèi)使指令變化一次，需要伺服系統(tǒng)能迅速響應(yīng)指令變化。

這就對(duì)伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能提出兩方面的要求：一方面在伺服系統(tǒng)處于頻繁地啟動(dòng)、制動(dòng)、加速、減速等動(dòng)態(tài)過(guò)程中，為了提高生產(chǎn)率和保證加工質(zhì)量，則要求加、減速度足夠大，以縮短過(guò)渡過(guò)程時(shí)間；另一方面當(dāng)負(fù)載突變時(shí)，過(guò)渡過(guò)程前沿要陡，恢復(fù)時(shí)間要短，且無(wú)振蕩，這樣才能得到光滑的加工表面。

4.調(diào)速范圍

調(diào)速范圍是指生產(chǎn)機(jī)械要求電機(jī)能提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比。數(shù)控加工機(jī)床的特點(diǎn)是低速時(shí)進(jìn)行重切削，要求伺服系統(tǒng)應(yīng)具有低速時(shí)輸出大轉(zhuǎn)矩的特性，以適應(yīng)低速重切削的加工實(shí)際要求；以簡(jiǎn)化機(jī)械傳動(dòng)鏈，進(jìn)而增加系統(tǒng)剛度，提高轉(zhuǎn)動(dòng)精度。同時(shí)，為適應(yīng)不同的加工條件，以及所加工零件的材料、類型、尺寸、部位以及刀具的種類和冷卻方式等的不同，要求數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給能在很寬的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變化。

5.對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的要求

由于數(shù)控機(jī)床對(duì)伺服系統(tǒng)提出了如上的嚴(yán)格技術(shù)要求，伺服系統(tǒng)也對(duì)電動(dòng)機(jī)提出了嚴(yán)格的要求。數(shù)控機(jī)床上使用的伺服電動(dòng)機(jī)大多是交流伺服電動(dòng)機(jī)。早期數(shù)控機(jī)床也有用專用的直流伺服電動(dòng)機(jī)，如改進(jìn)型直流電機(jī)、小慣量直流電機(jī)、永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)等。在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床上也采用混合型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的要求如下：

(1)具有較硬的機(jī)械特性和良好的調(diào)節(jié)特性。機(jī)械特性是指在一定的電樞電壓條件下，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。調(diào)節(jié)特性是指在一定的轉(zhuǎn)矩條件下轉(zhuǎn)速和電樞電壓的關(guān)系。理想情況下，兩種特性曲線是一直線。

(2)具有寬廣而平滑的調(diào)速范圍。伺服系統(tǒng)要完成多種不同的復(fù)雜動(dòng)作，需要伺服電動(dòng)機(jī)在控制指令的作用下，轉(zhuǎn)速能夠在較大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。性能優(yōu)異的伺服電動(dòng)機(jī)其轉(zhuǎn)速變化可達(dá)到1∶100000。

(3)具有快速響應(yīng)特性?？焖夙憫?yīng)特性是指伺服電動(dòng)機(jī)從獲得控制指令到按照指令要求完成動(dòng)作的時(shí)間要短。響應(yīng)時(shí)間越短，說(shuō)明伺服系統(tǒng)的靈敏性越高。

(4)具有小的空載始動(dòng)電壓。伺服電動(dòng)機(jī)空載時(shí)，控制電壓從零開始逐漸增加，直到電動(dòng)機(jī)開始連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的電壓，稱為伺服電動(dòng)機(jī)的空載始動(dòng)電壓。在外加電壓低于空載始動(dòng)電壓時(shí)，電動(dòng)機(jī)不能轉(zhuǎn)動(dòng)，這是由于此時(shí)電動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩還不夠克服電動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)時(shí)所需要的空載轉(zhuǎn)矩。可見，空載始動(dòng)電壓越小，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)越快，工作越靈敏。

(5)電動(dòng)機(jī)應(yīng)具有大的較長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)載能力，以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。一般直流伺服電動(dòng)機(jī)要求在數(shù)分鐘內(nèi)過(guò)載4～6倍而不損壞。

(6)電動(dòng)機(jī)應(yīng)能承受頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。

二、伺服系統(tǒng)的分類

1.按調(diào)節(jié)理論分類

1)開環(huán)伺服系統(tǒng)

開環(huán)伺服系統(tǒng)控制過(guò)程為數(shù)控系統(tǒng)每發(fā)出一個(gè)進(jìn)給指令脈沖，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路功率放大后，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，再經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)。這類系統(tǒng)信息流是單向的，即進(jìn)給脈沖發(fā)出去以后，實(shí)際移動(dòng)值不再反饋回來(lái)，所以稱為開環(huán)控制。開環(huán)系統(tǒng)中沒(méi)有位置檢測(cè)元件和速度反饋回路，省去了檢測(cè)裝置，其精度主要由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來(lái)決定，速度也受到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)性能的限制，系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠。

2)閉環(huán)伺服系統(tǒng)

閉環(huán)伺服系統(tǒng)控制過(guò)程為數(shù)控裝置將經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理的信號(hào)輸出給伺服系統(tǒng)，伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠帶動(dòng)工作臺(tái)或刀架運(yùn)動(dòng)，檢測(cè)裝置對(duì)于運(yùn)動(dòng)的位置和速度進(jìn)行檢測(cè)，并將信號(hào)反饋給數(shù)控裝置進(jìn)行比較運(yùn)算，并矯正數(shù)控裝置的輸出信號(hào)，使移動(dòng)軸位移精度更高，這種系統(tǒng)稱為閉環(huán)伺服系統(tǒng)。應(yīng)用閉環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床控制精度高，但制造成本高，維修復(fù)雜。

3)半閉環(huán)伺服系統(tǒng)

半閉環(huán)控制系統(tǒng)是在開環(huán)控制系統(tǒng)的伺服機(jī)構(gòu)中裝有角位移檢測(cè)裝置，通過(guò)檢測(cè)伺服機(jī)構(gòu)的滾珠絲杠轉(zhuǎn)角，間接檢測(cè)移動(dòng)部件的位移。其檢測(cè)的裝置為只檢測(cè)伺服電動(dòng)機(jī)角位移量的傳感器，并不是最終的工作臺(tái)或刀架的位移量，但也將檢測(cè)到的信息反饋給數(shù)控裝置進(jìn)行運(yùn)算比較，并矯正數(shù)控裝置的輸出信號(hào)。這種系統(tǒng)稱為半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。這類數(shù)控機(jī)床控制精度較高，介于開環(huán)和閉環(huán)兩類數(shù)控機(jī)床之間，價(jià)格也是介于二者之間，而且維修較簡(jiǎn)單，能滿足眾多零件加工的要求，尤其是價(jià)格便宜，因此，多數(shù)數(shù)控機(jī)床屬于此類控制方式。

2.按使用的執(zhí)行元件分類

1)電液伺服系統(tǒng)

電液伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件通常為電液脈沖馬達(dá)和電液伺服馬達(dá)，其前一級(jí)為電氣元件，驅(qū)動(dòng)元件為液動(dòng)機(jī)和液壓缸。數(shù)控機(jī)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力矩，以及剛性好、時(shí)間常數(shù)小、反應(yīng)快和速度平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。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(wèn)題，因此從20世紀(jì)70年代起就被電氣伺服系統(tǒng)代替，只是具有特殊要求時(shí)，才采用電液伺服系統(tǒng)。

2)電氣伺服系統(tǒng)

電氣伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件為伺服電動(dòng)機(jī)(步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī))，驅(qū)動(dòng)單元為電力電子器件，操作維護(hù)方便，可靠性高?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床均采用電氣伺服系統(tǒng)。電氣伺服系統(tǒng)分為步進(jìn)伺服系統(tǒng)、直流伺服系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)。

3.按被控對(duì)象分類

1)進(jìn)給伺服系統(tǒng)

進(jìn)給伺服系統(tǒng)是指一般概念的位置伺服系統(tǒng)，進(jìn)給伺服系統(tǒng)用于數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)或刀架坐標(biāo)的控制系統(tǒng)，控制機(jī)床各坐標(biāo)軸的切削進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，并提供切削過(guò)程所需的轉(zhuǎn)矩。

2)主軸伺服系統(tǒng)

主軸伺服系統(tǒng)只是一個(gè)速度控制系統(tǒng)，控制機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，為機(jī)床主軸提供驅(qū)動(dòng)功率和所需的切削力，且保證任意轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

4.按反饋比較控制方式分類

1)脈沖、數(shù)字比較伺服系統(tǒng)

該系統(tǒng)是閉環(huán)伺服系統(tǒng)中的一種控制方式。它是將數(shù)控裝置發(fā)出的數(shù)字(或脈沖)指令信號(hào)與檢測(cè)裝置測(cè)得的以數(shù)字(或脈沖)形式表示的反饋信號(hào)直接進(jìn)行比較，以產(chǎn)生位置誤差，達(dá)到閉環(huán)控制。

脈沖、數(shù)字比較伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，整機(jī)工作穩(wěn)定，應(yīng)用十分普遍。

2)相位比較伺服系統(tǒng)

在該伺服系統(tǒng)中，位置檢測(cè)裝置采用相位工作方式。指令信號(hào)與反饋信號(hào)都變成了某個(gè)載波的相位，通過(guò)兩者相位的比較，獲得實(shí)際位置與指令位置的偏差，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

相位比較伺服系統(tǒng)適用于感應(yīng)式檢測(cè)元件(如旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器)的工作狀態(tài)，可以得到要求的精度。

3)幅值比較伺服系統(tǒng)

幅值比較伺服系統(tǒng)以位置檢測(cè)信號(hào)的幅值大小來(lái)反映機(jī)械位移的數(shù)值，并以此信號(hào)作為位置反饋信號(hào)，一般還要進(jìn)行幅值信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而獲得位置偏差，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

4)全數(shù)字伺服系統(tǒng)

隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和伺服控制技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)已采用高速、高精度的全數(shù)字伺服系統(tǒng)，即由位置、速度和電流構(gòu)成的三環(huán)反饋控制全部數(shù)字化，使伺服控制技術(shù)從模擬方式、混合方式走向全數(shù)字化方式。該類伺服系統(tǒng)具有使用靈活、柔性好的特點(diǎn)。數(shù)字伺服系統(tǒng)采用了許多新的控制技術(shù)和改進(jìn)伺服性能的措施，使控制精度和品質(zhì)大大提高。

三、伺服元件的選擇

1.功率變換器

交流伺服系統(tǒng)功率變換器的主要功能是根據(jù)控制電路的指令，將電源單元提供的直流電能轉(zhuǎn)變?yōu)樗欧妱?dòng)機(jī)電樞繞組中的三相交流電流，以產(chǎn)生所需要的電磁轉(zhuǎn)矩。功率變換器主要包括控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、功率變換主電路等。

2.傳感器

在伺服系統(tǒng)中，需要對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的繞組電流及轉(zhuǎn)子速度、位置進(jìn)行檢測(cè)，以構(gòu)成電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)，因此需要相應(yīng)的傳感器及其信號(hào)變換電路。

3.控制器

在交流伺服系統(tǒng)中，控制器的設(shè)計(jì)直接影響著伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，從而在很大程度上決定了整個(gè)系統(tǒng)的性能。

交流伺服系統(tǒng)通常有兩類：一類是速度伺服系統(tǒng)；另一類為位置伺服系統(tǒng)。前者的伺服控制器主要包括電流(轉(zhuǎn)矩)控制器和速度控制器，后者還要增加位置控制器。其中電流(轉(zhuǎn)矩)控制器是關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，因?yàn)闊o(wú)論是速度控制還是位置控制，最終都將轉(zhuǎn)換為對(duì)電動(dòng)機(jī)的電流(轉(zhuǎn)矩)控制。電流環(huán)的響應(yīng)速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于速度環(huán)和位置環(huán)。

1)電流控制器

電流環(huán)由電流控制器和逆變器組成，其作用是使電機(jī)繞組電流實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地跟蹤電流指令信號(hào)。為了能夠快速、準(zhǔn)確地控制伺服電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，在交流伺服系統(tǒng)中，需要分別對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)(或感應(yīng)電動(dòng)機(jī))的d、q軸電流進(jìn)行控制。

2)速度控制器

速度環(huán)的作用是保證電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與速度指令值一致，消除負(fù)載轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)等因素對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的影響。速度指令與反饋的電動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速相比較，其差值通過(guò)速度控制器直接產(chǎn)生q軸指令電流，并進(jìn)一步用d軸電流指令共同作用，控制電動(dòng)機(jī)加速、減速或勻速旋轉(zhuǎn)，使電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與指令值保持一致。速度控制器通常采用的是PID控制方式。

3)位置控制器

位置環(huán)的作用是產(chǎn)生電動(dòng)機(jī)的速度指令并使電動(dòng)機(jī)準(zhǔn)確定位和跟蹤。通過(guò)比較設(shè)定的目標(biāo)位置與電動(dòng)機(jī)的實(shí)際位置，利用其偏差由位置控制器來(lái)產(chǎn)生電動(dòng)機(jī)的速度指令。當(dāng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，在大偏差區(qū)域產(chǎn)生最大速度指令，使電動(dòng)機(jī)加速運(yùn)行后以最大速度恒速運(yùn)行；在小偏差區(qū)域產(chǎn)生逐次遞減的速度指令，使電動(dòng)機(jī)減速運(yùn)行直至最終定位。

第二節(jié)伺服電動(dòng)機(jī)及其工作特性

一、伺服電動(dòng)機(jī)的分類電動(dòng)機(jī)分為電磁型電動(dòng)機(jī)和非電磁型電動(dòng)機(jī)兩大類，如表2-1所示。

1.電磁型電動(dòng)機(jī)

電磁型電動(dòng)機(jī)是可以連續(xù)旋轉(zhuǎn)的電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器，主要包括直流伺服電動(dòng)機(jī)、交流伺服電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)三大類。

1)直流伺服電動(dòng)機(jī)

直流伺服電動(dòng)機(jī)從20世紀(jì)70年代到80年代中期，在數(shù)控機(jī)床上占據(jù)主導(dǎo)地位。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)采用大慣量、寬調(diào)速永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)和中小慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)；主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)采用他激直流伺服電動(dòng)機(jī)。大慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)具有良好的調(diào)速性能，輸出轉(zhuǎn)矩大，過(guò)載能力強(qiáng)。由于電動(dòng)機(jī)自身慣量較大，容易與機(jī)床傳動(dòng)部件進(jìn)行慣量匹配，所構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)易于調(diào)整。

2)交流伺服電動(dòng)機(jī)

在電動(dòng)機(jī)控制領(lǐng)域，基于交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)的突破，交流伺服系統(tǒng)迅速進(jìn)入電氣傳動(dòng)調(diào)速控制的各個(gè)領(lǐng)域。交流伺服系統(tǒng)使用交流感應(yīng)異步伺服電動(dòng)機(jī)(一般用于主軸伺服系統(tǒng))和永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)(一般用于進(jìn)給伺服系統(tǒng))。20世紀(jì)80年代以后，由于交流伺服電動(dòng)機(jī)的材料、結(jié)構(gòu)、控制理論和方法均有突破性的進(jìn)展，電力電子器件的發(fā)展為控制與方法的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了條件，使得交流驅(qū)動(dòng)裝置發(fā)展很快，目前已取代了直流伺服電動(dòng)機(jī)。

3)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)，在一定范圍內(nèi)各個(gè)運(yùn)動(dòng)方式都能任意改變且不會(huì)失步，具有自整步的能力，沒(méi)有一周累計(jì)誤差，所以定位精度高，價(jià)格便宜。但是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)特性不如交、直流伺服電動(dòng)機(jī)，尤其是運(yùn)行的可靠性得不到保證，效率低，驅(qū)動(dòng)慣量負(fù)載能力差，作高速運(yùn)動(dòng)時(shí)容易失步。它一般在開環(huán)系統(tǒng)、普通數(shù)控機(jī)床、鐘表工業(yè)及自動(dòng)記錄儀，以及對(duì)精度要求低的場(chǎng)合都有很廣泛的應(yīng)用。

2.非電磁型電動(dòng)機(jī)

非電磁型電動(dòng)機(jī)是利用非電磁能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的電動(dòng)機(jī)。

1)超聲波電動(dòng)機(jī)

超聲波電動(dòng)機(jī)是利用壓電材料的逆壓電特性，激發(fā)電機(jī)定子的機(jī)械振動(dòng)，通過(guò)定轉(zhuǎn)子之間的摩擦力，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能輸出，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子的定向運(yùn)動(dòng)。與傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)相比，超聲波電動(dòng)機(jī)具有體積小、低速大轉(zhuǎn)矩、反應(yīng)速度快、不受磁場(chǎng)影響、保持力矩大等優(yōu)點(diǎn)。

2)壓電控制電動(dòng)機(jī)

壓電控制電動(dòng)機(jī)是利用壓電體的壓電逆效應(yīng)進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的電動(dòng)機(jī)。它是利用壓電體在電壓作用下發(fā)生振動(dòng)，驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)件旋轉(zhuǎn)或作直線運(yùn)動(dòng)。由于一般壓電體的能量轉(zhuǎn)換效率較低，且振動(dòng)或伸縮的幅值很小，因而只能制成特殊要求的專用電動(dòng)機(jī)，獲得微小變位的蠕動(dòng)。

3)磁滯控制電動(dòng)機(jī)

磁滯控制電動(dòng)機(jī)是利用磁滯轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)和運(yùn)行的小功率同步電動(dòng)機(jī)。其轉(zhuǎn)子用剩磁和矯頑力比較大的永磁材料制成。在磁場(chǎng)中，鐵磁性轉(zhuǎn)子的單元磁體沿磁場(chǎng)的磁力線方向排列。它們都在中心的磁力線上。它們的極性N、S由定子磁極決定。由于磁分子的軸線與定子磁場(chǎng)軸線一致，所以不產(chǎn)生切向力和轉(zhuǎn)矩。若定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，則由于永磁材料磁分子之間具有很大的內(nèi)摩擦力，轉(zhuǎn)子單元磁體不能立刻轉(zhuǎn)動(dòng)同樣的角度，故產(chǎn)生磁滯現(xiàn)象，兩者的軸線之間有某一夾角θ，磁力線被扭斜，于是產(chǎn)生切向力和轉(zhuǎn)矩。

這種因磁滯現(xiàn)象而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩稱磁滯轉(zhuǎn)矩。磁滯電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，有較大的啟動(dòng)力矩，噪聲小，可以帶動(dòng)具有較大慣性的負(fù)載平滑地進(jìn)入同步運(yùn)行。其缺點(diǎn)是效率不高，電動(dòng)機(jī)的體積重量都較其他類型同步電動(dòng)機(jī)大，價(jià)格較貴。

4)靜電控制電動(dòng)機(jī)

靜電控制電動(dòng)機(jī)是利用靜電為能量源的一種能量轉(zhuǎn)換裝置，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、空載轉(zhuǎn)速高的優(yōu)點(diǎn)，但也有功率小、啟動(dòng)難等缺點(diǎn)。

二、交流伺服電動(dòng)機(jī)

1.交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

交流伺服電動(dòng)機(jī)分為交流感應(yīng)式伺服電動(dòng)機(jī)和永磁同步式伺服電動(dòng)機(jī)兩類。交流感應(yīng)式伺服電動(dòng)機(jī)相當(dāng)于異步型交流伺服電動(dòng)機(jī)，常用于主軸伺服系統(tǒng)。永磁式交流伺服電動(dòng)機(jī)相當(dāng)于同步型交流伺服電動(dòng)機(jī)，常用于進(jìn)給伺服系統(tǒng)。

交流伺服電動(dòng)機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成。目前應(yīng)用較多的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有兩種形式：一種是采用高電阻率的導(dǎo)電材料做成的高電阻率導(dǎo)條的鼠籠轉(zhuǎn)子，為了減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，轉(zhuǎn)子做得細(xì)長(zhǎng)，但為了使伺服電動(dòng)機(jī)具有較寬的調(diào)速范圍、線性的機(jī)械特性和快速響應(yīng)的性能，以及無(wú)“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，它與普通電動(dòng)機(jī)相比，應(yīng)具有轉(zhuǎn)子電阻大和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小這兩個(gè)特點(diǎn)；另一種是采用鋁合金制成的空心杯形轉(zhuǎn)子，結(jié)構(gòu)如圖2-2所示，它由非磁性材料制成杯形，可看成是導(dǎo)條數(shù)很多的籠式轉(zhuǎn)子，其杯壁很薄，僅0.2mm～0.3mm，因而其電阻值較大。圖2-2杯形轉(zhuǎn)子交流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2.交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理

交流伺服電動(dòng)機(jī)在沒(méi)有控制電壓時(shí)，定子內(nèi)只有勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的脈動(dòng)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子靜止不動(dòng)。當(dāng)有控制電壓時(shí)，定子內(nèi)便產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向旋轉(zhuǎn)，在負(fù)載恒定的情況下，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨控制電壓的大小而變化，當(dāng)控制電壓的相位相反時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)將反轉(zhuǎn)。

勵(lì)磁繞組串聯(lián)電容C是為了產(chǎn)生兩相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。適當(dāng)選擇電容的大小，可使通入兩個(gè)繞組的電流相位差接近90°，從而產(chǎn)生所需的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。控制電壓與電源電壓頻率相同，相位相同或反相，如圖2-3所示。圖2-3交流伺服電動(dòng)機(jī)的接線圖和相量圖

勵(lì)磁繞組固定接在電源上，當(dāng)控制電壓為零時(shí)，電機(jī)無(wú)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)。當(dāng)有控制電壓加在控制繞組上，且勵(lì)磁電流?1和控制繞組電流?2不同相時(shí)，便產(chǎn)生兩相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。

交流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)：不僅要求它在靜止?fàn)顟B(tài)下能服從控制信號(hào)的命令而轉(zhuǎn)動(dòng)，而且要求在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)如果控制電壓變?yōu)榱悖妱?dòng)機(jī)就會(huì)立即停轉(zhuǎn)。

三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其工作特性

1.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰频目刂葡到y(tǒng)，電動(dòng)機(jī)繞組每接受一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)相應(yīng)的角度(即步距角)，低頻率運(yùn)行時(shí)，明顯可見電機(jī)軸是一步一步轉(zhuǎn)動(dòng)的，故稱為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。其角位移與電脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。因此，通過(guò)改變脈沖頻率可調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

2.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分類和工作原理

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)主要有三種：永磁式、反應(yīng)式、混合式。

永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上有勵(lì)磁線圈，依靠電磁轉(zhuǎn)矩工作，其電磁阻尼大，步矩角大，啟動(dòng)頻率低，功率小。

反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上沒(méi)有勵(lì)磁線圈，依靠變化的磁阻生成磁阻轉(zhuǎn)矩工作，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，步矩角小，性價(jià)比高，應(yīng)用廣泛，但動(dòng)態(tài)性差。

混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在永磁和變磁阻原理共同作用下，輸出轉(zhuǎn)矩大，步矩角小，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。

反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用最廣泛，它有三相、四相、多相之分。這里主要討論三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)模塊見圖2-4。圖2-4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)模塊

單定子反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)利用電磁鐵原理，由定子和轉(zhuǎn)子組成，定子分定子鐵芯和定子勵(lì)磁繞組。定子鐵芯由硅鋼片疊壓而成，定子激勵(lì)繞組是繞置在定子鐵芯上的線圈，在直徑方向上相對(duì)的兩個(gè)齒上的線圈串聯(lián)在一起成為一相控制繞組，從而構(gòu)成A、B、C三相控制繞組，任一相繞組通電形成一組定子磁極。轉(zhuǎn)子無(wú)繞組，有周向均布的齒，依靠磁極對(duì)齒的吸合來(lái)工作，如圖2-5所示。圖2-5三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

3.三相單三拍工作方式

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)根據(jù)作用原理和結(jié)構(gòu)，可分為永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和永磁感應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其中應(yīng)用最多的是反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。圖2-6為三相單三拍工作方式圖，三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)中，定子為三對(duì)磁極，磁極對(duì)數(shù)稱為“相”，相對(duì)的極屬一相，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可做成三相、四相、五相或六相等。磁極個(gè)數(shù)是定子相數(shù)m的2倍，每個(gè)磁極上套有該相的控制繞組，在磁極的極上制有小齒，轉(zhuǎn)子由軟磁材料制成齒狀。圖2-6三相單三拍工作方式圖

假設(shè)轉(zhuǎn)子上有四個(gè)齒，當(dāng)A相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子1、3齒被磁極A產(chǎn)生的電磁引力吸引過(guò)去，使1、3齒與A相磁極對(duì)齊；接著B相通電，A相斷電，磁極B又把距它最近的一對(duì)齒2、4吸引過(guò)來(lái)，使轉(zhuǎn)子按逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)30°；然后C相通電，B相斷電，轉(zhuǎn)子又逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)30°。依此類推，定子按A→B→C→A順序通電，轉(zhuǎn)子就一步步地按逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，每步轉(zhuǎn)30°。

若改變通電順序，按A→C→B→A使定子繞組通電，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就按順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，同樣每步轉(zhuǎn)30°。這種控制方式叫三相單三拍方式，“單”是指每次只有一相繞組通電，“三拍”是指每三次換接為一個(gè)循環(huán)。

定子的每個(gè)磁極正對(duì)轉(zhuǎn)子的圓弧面上都均勻分布著5個(gè)小齒，呈梳狀排列，齒槽等寬，齒間夾角為9°。

轉(zhuǎn)子上沒(méi)有繞組，只有均勻分布的40個(gè)小齒，其大小和間距與定子上的完全相同。三相定子磁極上的小齒在空間位置上依次錯(cuò)開1/3齒距。三相定子相位圖如圖2-7所示。圖2-7三相定子相位圖

根據(jù)工作要求，定、轉(zhuǎn)子齒距要相同，并滿足以下兩點(diǎn)：

(1)在同相的磁極下，定、轉(zhuǎn)子齒應(yīng)同時(shí)對(duì)齊或同時(shí)錯(cuò)開，以保證產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩。

(2)在不同相的磁極下，定、轉(zhuǎn)子齒的相對(duì)位置應(yīng)依次錯(cuò)開1/m齒距。當(dāng)連續(xù)改變通電狀態(tài)時(shí)，可以獲得連續(xù)不斷的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。

4.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性及性能指標(biāo)

1)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)

步距角：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每步的轉(zhuǎn)角稱為步距角，體現(xiàn)為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分辨精度，也叫分辨力。步距角是決定步進(jìn)伺服系統(tǒng)脈沖當(dāng)量的重要參數(shù)，它取決于電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制方式。反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角一般為0.5°～3°。步距角越小，數(shù)控機(jī)床的控制精度越高。常用的步距角有3°/1.5°、1.5°/0.75°、1.2°/0.6°、0.72°/0.36°等。

距角特性：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Mj與失調(diào)角θ的變化規(guī)律。輸出轉(zhuǎn)矩是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的各種轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩，若施加超過(guò)輸出轉(zhuǎn)矩的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。因此電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩必須小于輸出轉(zhuǎn)矩。失調(diào)角θ為單相定子通電時(shí)，該相定子齒與轉(zhuǎn)子齒的中心線不重合。

空載時(shí)，若步進(jìn)電動(dòng)機(jī)某相繞組通電，根據(jù)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理，電磁力矩會(huì)使得轉(zhuǎn)子齒槽與該相定子槽對(duì)齊。這時(shí)，轉(zhuǎn)子上沒(méi)有力矩輸出，如果在電動(dòng)機(jī)軸上加一逆時(shí)針?lè)较虻呢?fù)載轉(zhuǎn)矩M，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子只有逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度θ才能重新穩(wěn)定下來(lái)，這時(shí)轉(zhuǎn)子上受到的電磁轉(zhuǎn)矩Mj和負(fù)載轉(zhuǎn)矩M相等，通常稱Mj為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩及θ角，不斷改變M值，對(duì)應(yīng)有Mj值及值，從而得到Mj值及θ的函數(shù)曲線，如圖2-8所示。圖2-8轉(zhuǎn)矩-失調(diào)角特征曲線

最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩：相鄰兩通電狀態(tài)時(shí)，矩角特性交點(diǎn)的靜轉(zhuǎn)矩反映了電動(dòng)機(jī)的承載能力。圖2-8中最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Mq是曲線A和B的交點(diǎn)，當(dāng)負(fù)載力矩小于Mq時(shí)，電動(dòng)機(jī)才能正常啟動(dòng)運(yùn)行；否則將造成失步，電動(dòng)機(jī)也不能正常啟動(dòng)。

靜態(tài)步距誤差：在空載情況下，理論的步距角與實(shí)際的步距角之差一般在10′之內(nèi)。步距誤差主要由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距制造誤差，定子和轉(zhuǎn)子間氣隙不均勻以及各相電磁轉(zhuǎn)矩不均勻等因素造成。

2)啟動(dòng)頻率

空載時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)突然啟動(dòng)，并進(jìn)入不失步的正常運(yùn)行的最高頻率，稱為啟動(dòng)頻率或突跳頻率，加給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的指令脈沖頻率如大于啟動(dòng)頻率，就不能正常工作。因此，空載啟動(dòng)時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子繞組通電狀態(tài)變化的頻率不能高于該突跳頻率。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在帶負(fù)載(尤其是慣性負(fù)載)下的啟動(dòng)頻率比空載要低。隨著負(fù)載加大(在允許范圍內(nèi))，啟動(dòng)頻率會(huì)進(jìn)一步降低。

3)連續(xù)運(yùn)行頻率

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，其運(yùn)行速度能根據(jù)指令脈沖頻率連續(xù)上升而不丟步的最高工作頻率，稱為連續(xù)運(yùn)行頻率。它是決定定子繞組通電狀態(tài)最高變化頻率的參數(shù)，即決定了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速。其值遠(yuǎn)大于啟動(dòng)頻率，它也隨著電機(jī)所帶負(fù)載的性質(zhì)和大小而異，與驅(qū)動(dòng)電源也有很大關(guān)系。

4)矩頻特性與動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩

矩頻特性是描述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運(yùn)行頻率之間的關(guān)系，該特性上每一個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩稱為動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，若輸入脈沖頻率逐漸增加，則電動(dòng)機(jī)所能帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩將逐漸下降。在使用時(shí)，一定要考慮動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩隨連續(xù)運(yùn)行頻率的上升而下降的特點(diǎn)。

5.提高步進(jìn)伺服系統(tǒng)精度的措施

1)傳動(dòng)間隙補(bǔ)償

傳動(dòng)元件的齒輪、絲杠制造裝配誤差，使機(jī)械傳動(dòng)鏈在改變運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)方向時(shí)，最初若干個(gè)指令脈沖只能起到消除間隙的作用，造成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的空走，而工作臺(tái)無(wú)實(shí)際移動(dòng)，從而產(chǎn)生傳動(dòng)誤差。

補(bǔ)償方法：先測(cè)出并存儲(chǔ)間隙大小，接收反向位移指令時(shí)，先不向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出反向位移脈沖，而將間隙值轉(zhuǎn)換為脈沖數(shù)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，越過(guò)傳動(dòng)間隙，然后按照指令脈沖動(dòng)作。

2)螺距誤差補(bǔ)償

滾珠絲杠螺距的制造誤差直接影響機(jī)床工作臺(tái)的位移精度。

補(bǔ)償方法：設(shè)置若干個(gè)補(bǔ)償點(diǎn)，在每個(gè)補(bǔ)償點(diǎn)測(cè)量并記錄工作臺(tái)位移誤差，確定補(bǔ)償值并作為控制參數(shù)輸送給數(shù)控裝置。設(shè)備運(yùn)行時(shí)，工作臺(tái)每經(jīng)過(guò)一個(gè)補(bǔ)償點(diǎn)，CNC系統(tǒng)就加入補(bǔ)償量，補(bǔ)償螺距誤差。

3)步進(jìn)細(xì)分電路校正誤差

將一個(gè)步距角細(xì)分為若干步的驅(qū)動(dòng)方法，實(shí)質(zhì)上是減小了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角即角脈沖當(dāng)量，使轉(zhuǎn)子達(dá)到新穩(wěn)定點(diǎn)時(shí)的動(dòng)能減小，振動(dòng)減小，精度提高，特別是提高了低速時(shí)的平滑性。

四、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)性能比較

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種離散運(yùn)動(dòng)的裝置，它和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著本質(zhì)的聯(lián)系。在目前國(guó)內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用十分廣泛。隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，交流伺服電動(dòng)機(jī)也越來(lái)越多地應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。為了適應(yīng)數(shù)字控制的發(fā)展趨勢(shì)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中大多采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或全數(shù)字式交流伺服電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。雖然兩者在控制方式上相似(脈沖串和方向信號(hào))，但在使用性能和應(yīng)用場(chǎng)合上存在著較大的差異?，F(xiàn)就二者的使用性能作一比較。

1.控制精度不同

兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角一般為1.8°、3.6°，三相電機(jī)一般基本步距角為1.2°。五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角一般為0.72°、0.36°。也有一些高性能的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角更小。慢走絲機(jī)床的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其步距角為0.09°；三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)其步距角可通過(guò)撥碼開關(guān)設(shè)置為1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了兩相和五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角。

交流伺服電動(dòng)機(jī)的控制精度由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。以全數(shù)字式交流伺服電動(dòng)機(jī)為例，對(duì)于帶標(biāo)準(zhǔn)2500線編碼器的電機(jī)而言，由于驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部采用了四倍頻技術(shù)，其脈沖當(dāng)量為360°/10000=0.036°。對(duì)于帶17位編碼器的電機(jī)而言，驅(qū)動(dòng)器每接收217=131?072個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，即其脈沖當(dāng)量為360°/131072=0.002746582°，是步距角為1.8°的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖當(dāng)量的1/655。

2.低頻特性不同

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象。振動(dòng)頻率與負(fù)載情況和驅(qū)動(dòng)器性能有關(guān)，一般認(rèn)為振動(dòng)頻率為電機(jī)空載起跳頻率的一半。這種由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理所決定的低頻振動(dòng)現(xiàn)象對(duì)于機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)非常不利。當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作在低速時(shí)，一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來(lái)克服低頻振動(dòng)現(xiàn)象，比如在電機(jī)上加阻尼器，或驅(qū)動(dòng)器上采用細(xì)分技術(shù)等。交流伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機(jī)械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機(jī)能(FFT)，可檢測(cè)出機(jī)械的共振點(diǎn)，便于系統(tǒng)調(diào)整。

3.矩頻特性不同

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300r/m～600r/m。交流伺服電動(dòng)機(jī)為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速(一般為2000r/m或3000r/m)以內(nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。

4.過(guò)載能力不同

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一般不具有過(guò)載能力。交流伺服電動(dòng)機(jī)具有較強(qiáng)的過(guò)載能力，包括速度過(guò)載和轉(zhuǎn)矩過(guò)載能力。其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的三倍，可用于克服慣性負(fù)載在啟動(dòng)瞬間的慣性力矩。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)因?yàn)闆](méi)有這種過(guò)載能力，在選型時(shí)為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機(jī)，而機(jī)器在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩，便出現(xiàn)了力矩浪費(fèi)的現(xiàn)象。

5.運(yùn)行性能不同

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制為開環(huán)控制，啟動(dòng)頻率過(guò)高或負(fù)載過(guò)大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時(shí)轉(zhuǎn)速過(guò)高易出現(xiàn)過(guò)沖的現(xiàn)象，所以為保證其控制精度，應(yīng)處理好升、降速問(wèn)題。交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)器可直接對(duì)電機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會(huì)出現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的丟步或過(guò)沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。

6.速度響應(yīng)性能不同

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速(一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn))需要200ms～400ms。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，交流伺服電動(dòng)機(jī)從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速3000r/m僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場(chǎng)合。綜上所述，交流伺服電動(dòng)機(jī)在許多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，但在一些要求不高的場(chǎng)合也經(jīng)常用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來(lái)做執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。所以，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，選用適當(dāng)?shù)目刂齐姍C(jī)。

五、直流伺服電動(dòng)機(jī)

直流伺服電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速與輸入電壓成正比，并能實(shí)現(xiàn)正反向速度控制，具有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍寬、機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度好、控制方便等優(yōu)點(diǎn)。

直流伺服電動(dòng)機(jī)分為有刷和無(wú)刷電動(dòng)機(jī)。有刷電動(dòng)機(jī)成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩