第第 77 章 数控机床的伺服系统章 数控机床的伺服系统

伺服系统以位置和速度作为控制对象的自动控制系统

伺服系统接受数控装置发来的进给脉冲指令信号经过信号变换和电压功率放大由执行元件将其转变为角位移和直线位移以驱动数控设备各运动部件实现运动

711 伺服系统的分类1 按照调节理论分类1 ）开环伺服系统 开环伺服系统由步进电机及其驱动电路组成无

位置检测装置

71 概 述

数控系统发出指令脉冲经过驱动线路变换与放大传给步进电机步进电机每接收一个指令脉冲就旋转一个角度再通过齿轮副和丝杠螺母副带动机床工作台移动

指令脉冲的频率决定了步进电机的转速进而决定了工作台的移动速度指令脉冲的数量决定了步进电机转动的角度进而决定了工作台的位移大小

开环伺服系统加工精度低由于无位置检测装置其精度取决于步进电机的步距精度和工作频率以及传动机构的传动精度

结构简单成本较低适用于对精度和速度要求不高的经济型中小型数控系统

（ 2 ）闭环伺服系统 有位置检测装置且装在机床工作台上直接检

测工作台的实际位移 利用 CNC 装置的指令值与位置检测装置的检测值

的差值进行位置控制 精度高其运动精度取决于检测装置的精度与

传动链的误差无关 适用于大型或比较精密的数控设备（ 3 ）半闭环伺服系统 有位置检测装置且装在电机或丝杠的端头检

测角位移间接获得工作台的位移 精度比闭环控制低滚珠丝杠的精度影响位置检

测的精度适用于中小型数控机床

2 2 按使用的驱动元件分类按使用的驱动元件分类（ 1 ）电液伺服系统 执行元件电液脉冲马达或电液伺服马达 驱动元件液动机或液压缸 优点低速高输出力矩刚性好时间常数小反

应快速度平稳 缺点需要供油系统体积大产生噪声和漏油等 问题（ 2 ）电气伺服系统 执行元件伺服电机（步进电机交流或直流伺服 电机） 驱动元件电力电子器件 现代数控机床均采用电气伺服系统

3 3 按被控对象分类按被控对象分类（ 1 ）进给伺服系统 控制机床各坐标轴的切削进给运动提供切削所

需的转矩 包括速度控制环和位置控制环（ 2 ）主轴伺服系统 控制机床主轴的旋转运动提供所需的驱动功率

和切削力 一般的主轴控制只有一个速度控制系统具有 C

轴控制的主轴伺服系统与进给伺服系统相同是一般概念的位置伺服控制系统

刀库的位置控制是简单的位置伺服控制

4 4 按反馈比较控制方式分按反馈比较控制方式分类类

（ 1 ）数字－脉冲比较伺服系统 将数控装置发出的数字（或脉冲）指令信号与检测装

置测量的以数字（或脉冲）形式表示的反馈信号直接进行比较产生位置差值形成闭环和半闭环控制

（ 2 ）相位比较伺服系统 采用相位工作方式指令信号与反馈信号均以相位形

式表示并进行比较（ 3 ）幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机床位移量的大小

并与指令信号进行比较（ 4 ）全数字控制伺服系统 由位置速度和电流组成的三环反馈控制全部数字化

712 712 伺服系统的组成伺服系统的组成 由控制器功率驱动装置检测反馈装置和伺服电机组成（ 1 ）控制器由位置调解单元速度调解单元和电流调解单

元组成 控制器最多构成三闭环控制外环为位置环中环为速度环

内环为电流环（ 2 ）功率驱动装置由驱动信号产生电路和功率放大器等组

成 功能一方面按控制量大小将电网中的电能作用到电机上

调节电机力矩的大小另一方面按电机要求将恒压恒频的电网供电转换为电机所需直流电或交流电

（ 3 ）位置检测装置闭环和半闭环伺服系统有位置检测装置其安装位置不同开环伺服系统无位置检测装置

（ 4 ）伺服电机闭环和半闭环伺服系统采用交流或直流伺服电机开环伺服系统采用步进电机

伺服系统结构伺服系统结构

713 713 数控机床对伺服系统的要求数控机床对伺服系统的要求1 数控机床对进给伺服系统的要求（ 1 ）调速范围大低速转矩大 调速范围机械装置要求电机能提供的最高进给速

度相对于最低进给速度之比 为保证所有加工条件下均能得到最佳切削条件和

加工质量就要求进给速度在较大的范围内变化 低速切削要求电机输出较大的转矩避免出现低速爬行现象

（ 2 ）精度高 精度伺服系统的输出量跟随输入量的精确程度 为保证数控加工精度要求主要保证机床的定位精

度和进给跟踪精度

（ 3 ）快速响应无超调 快速响应反映系统的跟踪精度（ 4 ）稳定性好可靠性高 稳定性系统在给定输入或外界干扰作用下能经

过短暂的调节达到新的或恢复到原来平衡状态 系统具有较好的抗干扰能力能保证进给速度均匀

平稳（ 5 ）足够的传动刚性较强的过载能力电机的惯

量与移动部件的惯量相匹配伺服电机能够频繁启停和可逆运行

2 数控机床对主轴伺服系统的要求（ 1 ）足够的输出功率 主轴转速高输出转矩小主轴转速低输出转

矩大要求主轴驱动装置具有恒功率性质（ 2 ）调速范围宽 数控机床的变速依照指令自动执行要求能够在

较宽的转速范围内进行无级调速较少中间传递环节简化主轴箱

（ 3 ）定位准停功能 为使得数控车床具有螺纹切削等功能要求主轴

能与进给驱动实行同步控制 在加工中为自动换刀要求主轴具有高精度的准停功能

72 72 步进电机伺服系统步进电机伺服系统

步进电机一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件

数控装置输出的进给脉冲数量频率和方向经过驱动控制电路达到步进电机后可以转换为工作台的位移量进给速度和方向

721 步进电机

驱动控制线路 步进电机

工作台

指令脉冲丝杠

开环步进式伺服系统组成框图

1 1 步进电机的类步进电机的类型型

分类方式 具体类型

转矩产生原理 ①反应式（磁阻式）②永磁式③永磁感应式（混合式）

输出力矩大小

①伺服式输出力矩在百分之几至十分之几（ Nbullm ）只能驱动较小的负载要求与液压扭矩放大器配用才能驱动机床工作台等较大的负载 ②功率式输出力矩在 5-50 （ Nbullm ）以上可以直接驱动机床工作台等较大的负载

相数 ①三相②四相③五相④六相

各相绕组分布 ①径向分相式电机各相按圆周依次排列 ②轴向分向式电机各相按轴依次排列

运动方式 ①旋转运动式②直线运动式③平面运动式④滚动运动式

定子数 ①单定子式②双定子式③三定子式④多定子式

2 2 步进电机的结构步进电机的结构（ 1 ）反应式步进电机 步进电机由定子和转子组成

定子分定子铁芯和定子励磁绕组 1 －定子绕组 2 －转子铁芯 3 － A 相磁通 4 －定子铁芯

定子铁芯由电工硅钢片叠压而成定子绕组是绕置在定子铁芯 6 个均匀分布的齿上的线圈在直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起构成一相控制绕组

步进电机可构成 A B C三相控制绕组称为三相步进电机若任一相绕组通电就形成一组定子磁极

定子的每个磁极正对转子的圆弧面上均都均匀分布着 5 个小齿呈梳状排列齿槽等宽齿间夹角为 9deg

转子上没有绕组只有均匀分布的 40 个小齿其大小和间距与定子上的完全相同

三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开 13 齿距

当 A 相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时 B 相磁极上的齿刚好超前（或滞后）转子齿 13 齿距角即 3deg C 相磁极齿超前（或滞后）转子齿 23 齿距角

步距角步进电机每走一步所转过的角度其大小等于错齿的角度

（ 2 ）永磁式步进电机 定子和转子中的某一方永永久磁钢另一方由软磁材料制成

其上由励磁绕组 绕组通电建立的磁场与永久磁钢的恒定磁场相互作用产生

转矩（ 3 ）永磁感应式步进电机 转子由环行磁钢及两段铁芯构成

3 3 反应式步进电机工作原理反应式步进电机工作原理 步进电机基于电磁力的吸引和排斥产生转矩 定子绕组所加电源要求是脉冲电流形式也称为脉冲电

机 步进电机定子绕组的通电状态每改变一次即送给步进

电机一个电流脉冲其转子就转过一个确定的角度即步距角 α脉冲数增加角位移也增加无脉冲时电机停止

改变步进电机定子绕组的通电顺序转子的旋转方向改变

步进电机定子绕组通电状态的改变速度越快其转子旋转速度越快即脉冲频率越高转子转速越高但脉冲频率不能过高否则产生失步或超步

4 4 反应式步进电机主要特征反应式步进电机主要特征

（ 1 ）步距角和静态步距误差 步进电机步距角 α与定子绕组的相数 m转子的齿数 z

通电方式 k有关即有 α＝ 360deg(mzk) 其中 m相 m拍时 k＝ 1 m相 2m拍时 k＝ 2 依此类推例如三相三拍 z＝ 40 时 α＝ 360deg(3times40times1) ＝ 3deg

静态步距误差在空载情况下理论的步距角与实际的步距角之差以分表示一般在 10prime 之内

步距误差主要由步进电机步距制造误差定子和转子间气隙不均匀以及各相电磁转矩不均匀等因素造成

（ 2 ）静态转矩与矩角特性

静态转矩当步进电机某相通电时转子处于不动状态此时在电机轴上加一个负载转矩转子就按一定方向转过一个角度 θ（失调角）此时转子所受的电磁转矩M即为静态转矩

矩角特性静态转矩M与 θ的关系

（ 3 ）启动频率 启动频率空载时步进电机由静止状态突然启动并

进入不丢步的正常运行的最高频率 步进电机带负载下的启动频率要比空载启动频率低并随负载增加而进一步降低

（ 4 ）连续运行的最高工作频率 最高工作频率步进电机启动后保证连续不丢步运行

的最高工作频率 决定了定子绕组通电状态下最高变化的频率即决定了

步进电机的最高转速（ 5 ）加减速特性 加减速特性步进电机由静止刀工作频率和由工作频率

到静止的加减速过程中定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系

（ 6 ）矩频特性与动态转矩 矩频特性描述步进电机连续稳定运行时输出转矩 M 与连续运行频率 f之间的关系

动态转矩矩频特性曲线上每个频率对应的转矩 步进电机正常运行时动态转矩随连续运行频率的上升

而下降

722 722 步进电机的驱动控制器步进电机的驱动控制器 功能将具有一定频率 f一定数量 N和方向的进给脉冲

转换成控制步进电机各相定子绕组通电断电的电平信号变化频率变化次数和通断电顺序

驱动控制器由环形脉冲分配器和功率放大器组成

1 1 环形脉冲分配器环形脉冲分配器 功能将逻辑电平信号（弱电）变换为电机绕

组所需的具有一定功率的电流脉冲信号（强电）即将数控装置的插补脉冲按步进电机所要求的规律分配给步进电机的各相输入端以控制励磁绕组的通断电

分类硬件环形分配器和软件环形分配器 硬件环形分配器步进电机驱动装置本身带有

环形分配器 软件环形分配器驱动装置本身无环形分配器

环形分配需要软件完成

硬件环形分配器硬件环形分配器 输入输出信号一般为 TTL 电平输出信号 A B C 为

高电平时表示相应绕组通电低电平时表示相应绕组失电 CLK 为数控装置发出的脉冲信号每个脉冲信号的上升或下降沿到来时输出改变一次绕组的通电状态

DIR 为数控装置发出的方向信号其电平高低对应电机绕组通电顺序的改变即步进电机的正反转

FULLHALF 控制电机的整步或半步

三相六拍环形脉冲分配器原理图三相六拍环形脉冲分配器原理图

软件环形脉冲分配器软件环形脉冲分配器 软件环形脉冲分配器的设计方法有查表法比较法移位寄存器法等

如图所示 8031 单片机的 P1口的三个引脚经过光电隔离功率放大后分别与电机的 A B C连接

采用三相六拍方式时电机正转的通电顺序为 A － gtAB －gtB － gtBC － gtC － gtCA － gtA － gt

电机反转的通电顺序为 A － gtAC － gtC － gtCB － gtB － gtBA － gtA － gt

2 2 功率放大器功率放大器 功能将环形分配器输出的脉冲信号放大以用足够的功率来驱动步进电机

（ 1 ）单电压功率放大器

（ 2 ）高低电压功率放大器

（ 3 ）斩波恒流功率放大器

（ 4 ）调频调压功率放大器

723 723 提高步进伺服系统精度的措施提高步进伺服系统精度的措施1 传动间隙补偿 提高机床传动元件的齿轮丝杠制造装配精度并采

取消除传动间隙的措施只能减少不能完全消除传动间隙

机械传动链在改变运动或旋转方向时最初若干个指令脉冲只能起到消除间隙的作用造成步进电机的空走而工作台无实际移动从而产生传动误差

补偿方法先测出并存储间隙大小接收反向位移指令时先不向步进电机输出反向位移脉冲而将间隙值转换为脉冲数 N 驱动步进电机转动越过传动间隙然后按照指令脉冲动作

传动间隙补偿示意图传动间隙补偿示意图

2 螺距误差补偿 传动链中滚珠丝杠螺

距的制造误差直接影响机床工作台的位移精度

补偿方法设置若干个补偿点在每个补偿点测量并记录工作台位移误差确定补偿值并作为控制参数输送给数控装置

设备运行时工作台每经过一个补偿点CNC 系统就加入补偿量补偿螺距误差

3 细分线路 细分驱动将一个步距角细分为若干步的驱动方法

73 73 直流伺服电机与速度控制直流伺服电机与速度控制731 直流伺服电机1 直流伺服电机的类型 按电枢的结构和形状分平滑电枢型空心电枢型和有槽电枢型等

按定子磁场产生方式分永磁式和他励式 按转子转动惯量大小分大惯量中惯量和小惯量伺服电机2 直流伺服电机的结构（ 1 ）定子产生定子磁极磁场（ 2 ）转子表面嵌有线圈通直流电时在定子磁场作用下

产生带负载旋转的电磁转矩（ 3 ）电刷与换向片为使产生的电磁转矩保持恒定的方向保证转子能沿着固定方向均匀地连续旋转将电刷与外加直流电源连接换向片与电枢线圈连接

3 直流伺服电机的工作原理（ 1 ）永磁式直流电机工作原理 直流电压加在 A B两电刷之间电流从 A 流入从 B 流出导体 ab和 cd受到逆时针方向作用力转子在逆时针方向地电磁转矩作用下旋转

当电枢转过 90deg 电枢线圈处于磁极的中性面电刷与换向片断开无电磁转矩作用

在惯性作用下电枢继续转动一个角度当电刷与换向片再次接触时导体 ab和 cd交换了位置ab和 cd中的电流也发生改变从而保证电枢受到地电磁转矩方向不变因此电枢可以连续转动

（ 2 ）他励式直流电机工作原理 定子上有磁励绕住和补偿绕组转子绕组通过电刷供电

转子磁场与定子磁场始终正交产生转矩转子旋转

732 732 直流进给速度控制单元直流进给速度控制单元 直流电机地机械特性公式

公式中 n为电机转速 Ua为电枢外加电压 Ce为反电动势常数Φ为电机磁通量 Ra为电枢电阻 Cm为转矩常数M为电磁转矩

直流电机的三种调速方法 改变电枢外加电压 Ua该方法可以得到调速范围较宽的

恒转矩特性机械特性好适用于主轴驱动的低速段和进给驱动

改变磁通量Φ可得到恒功率特性适用于主轴驱动的高速段不适合于进给驱动

改变电枢电路的电阻 Ra该方法得到的机械特性较软不能实现无级调速也不适合于数控机床

MCC

R

C

Un

me

a

e

a2

1 晶闸管直流调速系统 三相全控桥式整流电路作为直流速度控制单元的主电路 两组正负对接的晶闸管一组用于提供正向电压供电机正转 一组提供反向电压供电机反转 通过对 12 个晶闸管触发延迟角的控制达到控制电机电枢电压从而

对电机进行调速

双环调度系统 速度调节器和电流调节器均是由线性集成放大器和阻容元件构成的 PI 调节器

速度环起主导作用电流环的作用是在启动和堵转时限制最大电枢电流

2 晶体管脉宽调制（ PWM ）直流调速系统（ 1 ） PWM 系统的组成及工作原理 脉宽调制使功率放大器中的晶体管工作在开关状态下

开关频率保持恒定用调整开关周期内的晶体管导通时间的办法来改变输出从而使得电机电枢两端获得宽度随时间变化的给定频率的电压脉冲

脉宽连续变化使得电枢电压平均值连续变化进而导致电机转速连续变化

2 脉宽调制器

74 74 交流伺服电机与速度控制交流伺服电机与速度控制741 交流伺服电机1 交流伺服电机的类型 永磁式交流伺服电机和感应式交流伺服电机 共同点工作原理均由定子绕组产生旋转磁场

使得转子跟随定子旋转磁场一起运转 不同点永磁式伺服电机的转速与外加交流电源的频率存在着严格的同步关系即电机的转速等于旋转磁场的同步转速而感应式伺服电机由于需要转速差才能产生电磁转矩因此电机的转速低于磁场同步转速负载越大转速差越大

2 永磁交流伺服电机结构与工作原理 电机结构由定子转子和检测元件组成其中 1 －定子 2 －转子 3 －压板 4 －定子三相绕组 5 －脉冲编码器 6 －接线盒

工作原理定子三相绕组接上电源后产生一个旋转磁场该旋转磁场以同步转速 n0 旋转

定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极相互吸引并带动转子以同步转速 n0 一起旋转

当转子轴上加有负载转矩后造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合相差一个 θ角负载转矩发生变化时 θ角也发生变化

只要不超过一定限度转子始终跟随定子的旋转磁场以同步转速 n

0 旋转

742 742 交流进给速度控制单元交流进给速度控制单元1 交流伺服电机调速原理 同步型交流伺服电机的转速 n=n0=60fp 异步型交流伺服电机的转速 n=(60fp) （ 1-

s ）

电机调速的三种方法（ 1 ）改变磁极对数 P有级调速方法通过对定

子绕组接线的切换而改变磁极对数来实现（ 2 ）改变转差率 s只适合于异步型交流电机的

调速（ 3 ）变频调速通过改变电机电源的频率 f而改

变电机的转速

2 SPWM 变频调速 （ 1 ） SPWM 调制原理 （ 2 ） SPWM 变频器的功率放大电路 （ 3 ） SPWM 变频调速系统 速度给定器给定信号控制频率电压及正反转 平稳启动回路使启动加减速时间可随机械负载设定以达到软启动的目的

函数发生器在输出低频信号时保持电机气隙磁通一定补偿定子电压降的影响

电压频率变压器将电压转换为频率经分频器环形计数器产生方波和经三角波发生器产生的三角波一起送入调制回路

电压调节器产生频率和幅度可调的控制正弦波送入调制回路送入调制回路在调制回路中进行 SPWM 变换产生三相的脉冲宽度调制信号在基极回路中输出信号至功率晶体管基极即对 SPWM 的主回路进行控制实现对永磁交流伺服电机的变频调速

电流检测器过载保护

75 75 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 与传统数控机床进给系统中的ldquo旋转伺服电机＋滚珠丝杠rdquo不同直线电机直接驱动机床工作台取消驱动电机和工作台之间的一切中间传动环节

751 直线电机 分为交流和直流两种交流直线电机又分为感

应异步式和永磁同步式 直线电机相当于把旋转电机沿过轴线的平面剖

开并将定子转子圆周展开为平面和进行一些演变形成

感应异步式直线电机演变过程感应异步式直线电机演变过程

永磁同步式直线电机演变过程永磁同步式直线电机演变过程

2 直线电机的工作原理 基本原理利用电磁作用将电能转换为动能（ 1 ）感应异步式直线电机的结构及工作原理（ 2 ）永磁同步式直线电机工作原理3 直线电机的特点 调节速度方便 加速度大响应快 定位精度和跟踪精度高 行程不受限制

752 752 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 由执行器控制器和位置检测装置组成 执行器直线电机本体 控制器由 CNC 控制器和 DDS 数值控制模块组成 位置检测装置光栅感应同步尺等

直线电机进给控制系统直线电机进给控制系统 双环系统内环为速度环外环为位置环 位置环接收来自光栅尺的位置反馈信号及插补信号

的比较信号来控制速度环的指令速度从而调节执行件的位置始终与指令位置保持一致

速度环根据位置环的指令速度快速而准确控制电机使得其不受负载转矩大小和方向的影响并快速跟踪指令速度的变化

753 753 直线电机对控制质量的影响直线电机对控制质量的影响1 路径生成问题 三个方面加加速度插补和对加工程序段的预处理2 直线电机对负载刚性的影响 三个因素速度控制环比例增益积分时间和在没有前馈控制情况下的位置控制环比例增益

3 影响定位时间的因素 四个因素最大加速度速度加加速度和位置控制

进给前馈实际增益4 影响加工路径精度的因素 三个因素路径生成最大加速度和位置控制进给前馈

实际增益

76 76 伺服系统的位置控制伺服系统的位置控制761 数字－脉冲比较伺服系统 将指令脉冲 F与反馈脉冲 Pf进行比较决定位置偏差 e再

将位置偏差 e放大后输出给速度控制单元和电机执行以减少和消除位置偏差

半闭环系统中检测元件多采用光电编码器闭环系统中检测元件多采用光栅

工作过程当指令脉冲为正而反馈脉冲为负时计数器作加法运算当指令脉冲为负而反馈脉冲为正时计数器作减法运算

计数器的计算结果 当 e＝ F－ Pfgt0 时工作台正向移动 当 e＝ F－ Pflt0 时工作台反向运动 当 e＝ F－ Pf＝ 0 时工作台静止

半闭环数值比较系统结构半闭环数值比较系统结构

762 762 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 常用检测元件是旋转变压器和感应同步器 脉冲调相器（数字相位变化器）将来自数控装置

的进给脉冲信号转换为相位变化信号

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

数控系统发出指令脉冲经过驱动线路变换与放大传给步进电机步进电机每接收一个指令脉冲就旋转一个角度再通过齿轮副和丝杠螺母副带动机床工作台移动

指令脉冲的频率决定了步进电机的转速进而决定了工作台的移动速度指令脉冲的数量决定了步进电机转动的角度进而决定了工作台的位移大小

开环伺服系统加工精度低由于无位置检测装置其精度取决于步进电机的步距精度和工作频率以及传动机构的传动精度

结构简单成本较低适用于对精度和速度要求不高的经济型中小型数控系统

（ 2 ）闭环伺服系统 有位置检测装置且装在机床工作台上直接检

测工作台的实际位移 利用 CNC 装置的指令值与位置检测装置的检测值

的差值进行位置控制 精度高其运动精度取决于检测装置的精度与

传动链的误差无关 适用于大型或比较精密的数控设备（ 3 ）半闭环伺服系统 有位置检测装置且装在电机或丝杠的端头检

测角位移间接获得工作台的位移 精度比闭环控制低滚珠丝杠的精度影响位置检

测的精度适用于中小型数控机床

2 2 按使用的驱动元件分类按使用的驱动元件分类（ 1 ）电液伺服系统 执行元件电液脉冲马达或电液伺服马达 驱动元件液动机或液压缸 优点低速高输出力矩刚性好时间常数小反

应快速度平稳 缺点需要供油系统体积大产生噪声和漏油等 问题（ 2 ）电气伺服系统 执行元件伺服电机（步进电机交流或直流伺服 电机） 驱动元件电力电子器件 现代数控机床均采用电气伺服系统

3 3 按被控对象分类按被控对象分类（ 1 ）进给伺服系统 控制机床各坐标轴的切削进给运动提供切削所

需的转矩 包括速度控制环和位置控制环（ 2 ）主轴伺服系统 控制机床主轴的旋转运动提供所需的驱动功率

和切削力 一般的主轴控制只有一个速度控制系统具有 C

轴控制的主轴伺服系统与进给伺服系统相同是一般概念的位置伺服控制系统

刀库的位置控制是简单的位置伺服控制

4 4 按反馈比较控制方式分按反馈比较控制方式分类类

（ 1 ）数字－脉冲比较伺服系统 将数控装置发出的数字（或脉冲）指令信号与检测装

置测量的以数字（或脉冲）形式表示的反馈信号直接进行比较产生位置差值形成闭环和半闭环控制

（ 2 ）相位比较伺服系统 采用相位工作方式指令信号与反馈信号均以相位形

式表示并进行比较（ 3 ）幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机床位移量的大小

并与指令信号进行比较（ 4 ）全数字控制伺服系统 由位置速度和电流组成的三环反馈控制全部数字化

712 712 伺服系统的组成伺服系统的组成 由控制器功率驱动装置检测反馈装置和伺服电机组成（ 1 ）控制器由位置调解单元速度调解单元和电流调解单

元组成 控制器最多构成三闭环控制外环为位置环中环为速度环

内环为电流环（ 2 ）功率驱动装置由驱动信号产生电路和功率放大器等组

成 功能一方面按控制量大小将电网中的电能作用到电机上

调节电机力矩的大小另一方面按电机要求将恒压恒频的电网供电转换为电机所需直流电或交流电

（ 3 ）位置检测装置闭环和半闭环伺服系统有位置检测装置其安装位置不同开环伺服系统无位置检测装置

（ 4 ）伺服电机闭环和半闭环伺服系统采用交流或直流伺服电机开环伺服系统采用步进电机

伺服系统结构伺服系统结构

713 713 数控机床对伺服系统的要求数控机床对伺服系统的要求1 数控机床对进给伺服系统的要求（ 1 ）调速范围大低速转矩大 调速范围机械装置要求电机能提供的最高进给速

度相对于最低进给速度之比 为保证所有加工条件下均能得到最佳切削条件和

加工质量就要求进给速度在较大的范围内变化 低速切削要求电机输出较大的转矩避免出现低速爬行现象

（ 2 ）精度高 精度伺服系统的输出量跟随输入量的精确程度 为保证数控加工精度要求主要保证机床的定位精

度和进给跟踪精度

（ 3 ）快速响应无超调 快速响应反映系统的跟踪精度（ 4 ）稳定性好可靠性高 稳定性系统在给定输入或外界干扰作用下能经

过短暂的调节达到新的或恢复到原来平衡状态 系统具有较好的抗干扰能力能保证进给速度均匀

平稳（ 5 ）足够的传动刚性较强的过载能力电机的惯

量与移动部件的惯量相匹配伺服电机能够频繁启停和可逆运行

2 数控机床对主轴伺服系统的要求（ 1 ）足够的输出功率 主轴转速高输出转矩小主轴转速低输出转

矩大要求主轴驱动装置具有恒功率性质（ 2 ）调速范围宽 数控机床的变速依照指令自动执行要求能够在

较宽的转速范围内进行无级调速较少中间传递环节简化主轴箱

（ 3 ）定位准停功能 为使得数控车床具有螺纹切削等功能要求主轴

能与进给驱动实行同步控制 在加工中为自动换刀要求主轴具有高精度的准停功能

72 72 步进电机伺服系统步进电机伺服系统

步进电机一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件

数控装置输出的进给脉冲数量频率和方向经过驱动控制电路达到步进电机后可以转换为工作台的位移量进给速度和方向

721 步进电机

驱动控制线路 步进电机

工作台

指令脉冲丝杠

开环步进式伺服系统组成框图

1 1 步进电机的类步进电机的类型型

分类方式 具体类型

转矩产生原理 ①反应式（磁阻式）②永磁式③永磁感应式（混合式）

输出力矩大小

①伺服式输出力矩在百分之几至十分之几（ Nbullm ）只能驱动较小的负载要求与液压扭矩放大器配用才能驱动机床工作台等较大的负载 ②功率式输出力矩在 5-50 （ Nbullm ）以上可以直接驱动机床工作台等较大的负载

相数 ①三相②四相③五相④六相

各相绕组分布 ①径向分相式电机各相按圆周依次排列 ②轴向分向式电机各相按轴依次排列

运动方式 ①旋转运动式②直线运动式③平面运动式④滚动运动式

定子数 ①单定子式②双定子式③三定子式④多定子式

2 2 步进电机的结构步进电机的结构（ 1 ）反应式步进电机 步进电机由定子和转子组成

定子分定子铁芯和定子励磁绕组 1 －定子绕组 2 －转子铁芯 3 － A 相磁通 4 －定子铁芯

定子铁芯由电工硅钢片叠压而成定子绕组是绕置在定子铁芯 6 个均匀分布的齿上的线圈在直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起构成一相控制绕组

步进电机可构成 A B C三相控制绕组称为三相步进电机若任一相绕组通电就形成一组定子磁极

定子的每个磁极正对转子的圆弧面上均都均匀分布着 5 个小齿呈梳状排列齿槽等宽齿间夹角为 9deg

转子上没有绕组只有均匀分布的 40 个小齿其大小和间距与定子上的完全相同

三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开 13 齿距

当 A 相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时 B 相磁极上的齿刚好超前（或滞后）转子齿 13 齿距角即 3deg C 相磁极齿超前（或滞后）转子齿 23 齿距角

步距角步进电机每走一步所转过的角度其大小等于错齿的角度

（ 2 ）永磁式步进电机 定子和转子中的某一方永永久磁钢另一方由软磁材料制成

其上由励磁绕组 绕组通电建立的磁场与永久磁钢的恒定磁场相互作用产生

转矩（ 3 ）永磁感应式步进电机 转子由环行磁钢及两段铁芯构成

3 3 反应式步进电机工作原理反应式步进电机工作原理 步进电机基于电磁力的吸引和排斥产生转矩 定子绕组所加电源要求是脉冲电流形式也称为脉冲电

机 步进电机定子绕组的通电状态每改变一次即送给步进

电机一个电流脉冲其转子就转过一个确定的角度即步距角 α脉冲数增加角位移也增加无脉冲时电机停止

改变步进电机定子绕组的通电顺序转子的旋转方向改变

步进电机定子绕组通电状态的改变速度越快其转子旋转速度越快即脉冲频率越高转子转速越高但脉冲频率不能过高否则产生失步或超步

4 4 反应式步进电机主要特征反应式步进电机主要特征

（ 1 ）步距角和静态步距误差 步进电机步距角 α与定子绕组的相数 m转子的齿数 z

通电方式 k有关即有 α＝ 360deg(mzk) 其中 m相 m拍时 k＝ 1 m相 2m拍时 k＝ 2 依此类推例如三相三拍 z＝ 40 时 α＝ 360deg(3times40times1) ＝ 3deg

静态步距误差在空载情况下理论的步距角与实际的步距角之差以分表示一般在 10prime 之内

步距误差主要由步进电机步距制造误差定子和转子间气隙不均匀以及各相电磁转矩不均匀等因素造成

（ 2 ）静态转矩与矩角特性

静态转矩当步进电机某相通电时转子处于不动状态此时在电机轴上加一个负载转矩转子就按一定方向转过一个角度 θ（失调角）此时转子所受的电磁转矩M即为静态转矩

矩角特性静态转矩M与 θ的关系

（ 3 ）启动频率 启动频率空载时步进电机由静止状态突然启动并

进入不丢步的正常运行的最高频率 步进电机带负载下的启动频率要比空载启动频率低并随负载增加而进一步降低

（ 4 ）连续运行的最高工作频率 最高工作频率步进电机启动后保证连续不丢步运行

的最高工作频率 决定了定子绕组通电状态下最高变化的频率即决定了

步进电机的最高转速（ 5 ）加减速特性 加减速特性步进电机由静止刀工作频率和由工作频率

到静止的加减速过程中定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系

（ 6 ）矩频特性与动态转矩 矩频特性描述步进电机连续稳定运行时输出转矩 M 与连续运行频率 f之间的关系

动态转矩矩频特性曲线上每个频率对应的转矩 步进电机正常运行时动态转矩随连续运行频率的上升

而下降

722 722 步进电机的驱动控制器步进电机的驱动控制器 功能将具有一定频率 f一定数量 N和方向的进给脉冲

转换成控制步进电机各相定子绕组通电断电的电平信号变化频率变化次数和通断电顺序

驱动控制器由环形脉冲分配器和功率放大器组成

1 1 环形脉冲分配器环形脉冲分配器 功能将逻辑电平信号（弱电）变换为电机绕

组所需的具有一定功率的电流脉冲信号（强电）即将数控装置的插补脉冲按步进电机所要求的规律分配给步进电机的各相输入端以控制励磁绕组的通断电

分类硬件环形分配器和软件环形分配器 硬件环形分配器步进电机驱动装置本身带有

环形分配器 软件环形分配器驱动装置本身无环形分配器

环形分配需要软件完成

硬件环形分配器硬件环形分配器 输入输出信号一般为 TTL 电平输出信号 A B C 为

高电平时表示相应绕组通电低电平时表示相应绕组失电 CLK 为数控装置发出的脉冲信号每个脉冲信号的上升或下降沿到来时输出改变一次绕组的通电状态

DIR 为数控装置发出的方向信号其电平高低对应电机绕组通电顺序的改变即步进电机的正反转

FULLHALF 控制电机的整步或半步

三相六拍环形脉冲分配器原理图三相六拍环形脉冲分配器原理图

软件环形脉冲分配器软件环形脉冲分配器 软件环形脉冲分配器的设计方法有查表法比较法移位寄存器法等

如图所示 8031 单片机的 P1口的三个引脚经过光电隔离功率放大后分别与电机的 A B C连接

采用三相六拍方式时电机正转的通电顺序为 A － gtAB －gtB － gtBC － gtC － gtCA － gtA － gt

电机反转的通电顺序为 A － gtAC － gtC － gtCB － gtB － gtBA － gtA － gt

2 2 功率放大器功率放大器 功能将环形分配器输出的脉冲信号放大以用足够的功率来驱动步进电机

（ 1 ）单电压功率放大器

（ 2 ）高低电压功率放大器

（ 3 ）斩波恒流功率放大器

（ 4 ）调频调压功率放大器

723 723 提高步进伺服系统精度的措施提高步进伺服系统精度的措施1 传动间隙补偿 提高机床传动元件的齿轮丝杠制造装配精度并采

取消除传动间隙的措施只能减少不能完全消除传动间隙

机械传动链在改变运动或旋转方向时最初若干个指令脉冲只能起到消除间隙的作用造成步进电机的空走而工作台无实际移动从而产生传动误差

补偿方法先测出并存储间隙大小接收反向位移指令时先不向步进电机输出反向位移脉冲而将间隙值转换为脉冲数 N 驱动步进电机转动越过传动间隙然后按照指令脉冲动作

传动间隙补偿示意图传动间隙补偿示意图

2 螺距误差补偿 传动链中滚珠丝杠螺

距的制造误差直接影响机床工作台的位移精度

补偿方法设置若干个补偿点在每个补偿点测量并记录工作台位移误差确定补偿值并作为控制参数输送给数控装置

设备运行时工作台每经过一个补偿点CNC 系统就加入补偿量补偿螺距误差

3 细分线路 细分驱动将一个步距角细分为若干步的驱动方法

73 73 直流伺服电机与速度控制直流伺服电机与速度控制731 直流伺服电机1 直流伺服电机的类型 按电枢的结构和形状分平滑电枢型空心电枢型和有槽电枢型等

按定子磁场产生方式分永磁式和他励式 按转子转动惯量大小分大惯量中惯量和小惯量伺服电机2 直流伺服电机的结构（ 1 ）定子产生定子磁极磁场（ 2 ）转子表面嵌有线圈通直流电时在定子磁场作用下

产生带负载旋转的电磁转矩（ 3 ）电刷与换向片为使产生的电磁转矩保持恒定的方向保证转子能沿着固定方向均匀地连续旋转将电刷与外加直流电源连接换向片与电枢线圈连接

3 直流伺服电机的工作原理（ 1 ）永磁式直流电机工作原理 直流电压加在 A B两电刷之间电流从 A 流入从 B 流出导体 ab和 cd受到逆时针方向作用力转子在逆时针方向地电磁转矩作用下旋转

当电枢转过 90deg 电枢线圈处于磁极的中性面电刷与换向片断开无电磁转矩作用

在惯性作用下电枢继续转动一个角度当电刷与换向片再次接触时导体 ab和 cd交换了位置ab和 cd中的电流也发生改变从而保证电枢受到地电磁转矩方向不变因此电枢可以连续转动

（ 2 ）他励式直流电机工作原理 定子上有磁励绕住和补偿绕组转子绕组通过电刷供电

转子磁场与定子磁场始终正交产生转矩转子旋转

732 732 直流进给速度控制单元直流进给速度控制单元 直流电机地机械特性公式

公式中 n为电机转速 Ua为电枢外加电压 Ce为反电动势常数Φ为电机磁通量 Ra为电枢电阻 Cm为转矩常数M为电磁转矩

直流电机的三种调速方法 改变电枢外加电压 Ua该方法可以得到调速范围较宽的

恒转矩特性机械特性好适用于主轴驱动的低速段和进给驱动

改变磁通量Φ可得到恒功率特性适用于主轴驱动的高速段不适合于进给驱动

改变电枢电路的电阻 Ra该方法得到的机械特性较软不能实现无级调速也不适合于数控机床

MCC

R

C

Un

me

a

e

a2

1 晶闸管直流调速系统 三相全控桥式整流电路作为直流速度控制单元的主电路 两组正负对接的晶闸管一组用于提供正向电压供电机正转 一组提供反向电压供电机反转 通过对 12 个晶闸管触发延迟角的控制达到控制电机电枢电压从而

对电机进行调速

双环调度系统 速度调节器和电流调节器均是由线性集成放大器和阻容元件构成的 PI 调节器

速度环起主导作用电流环的作用是在启动和堵转时限制最大电枢电流

2 晶体管脉宽调制（ PWM ）直流调速系统（ 1 ） PWM 系统的组成及工作原理 脉宽调制使功率放大器中的晶体管工作在开关状态下

开关频率保持恒定用调整开关周期内的晶体管导通时间的办法来改变输出从而使得电机电枢两端获得宽度随时间变化的给定频率的电压脉冲

脉宽连续变化使得电枢电压平均值连续变化进而导致电机转速连续变化

2 脉宽调制器

74 74 交流伺服电机与速度控制交流伺服电机与速度控制741 交流伺服电机1 交流伺服电机的类型 永磁式交流伺服电机和感应式交流伺服电机 共同点工作原理均由定子绕组产生旋转磁场

使得转子跟随定子旋转磁场一起运转 不同点永磁式伺服电机的转速与外加交流电源的频率存在着严格的同步关系即电机的转速等于旋转磁场的同步转速而感应式伺服电机由于需要转速差才能产生电磁转矩因此电机的转速低于磁场同步转速负载越大转速差越大

2 永磁交流伺服电机结构与工作原理 电机结构由定子转子和检测元件组成其中 1 －定子 2 －转子 3 －压板 4 －定子三相绕组 5 －脉冲编码器 6 －接线盒

工作原理定子三相绕组接上电源后产生一个旋转磁场该旋转磁场以同步转速 n0 旋转

定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极相互吸引并带动转子以同步转速 n0 一起旋转

当转子轴上加有负载转矩后造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合相差一个 θ角负载转矩发生变化时 θ角也发生变化

只要不超过一定限度转子始终跟随定子的旋转磁场以同步转速 n

0 旋转

742 742 交流进给速度控制单元交流进给速度控制单元1 交流伺服电机调速原理 同步型交流伺服电机的转速 n=n0=60fp 异步型交流伺服电机的转速 n=(60fp) （ 1-

s ）

电机调速的三种方法（ 1 ）改变磁极对数 P有级调速方法通过对定

子绕组接线的切换而改变磁极对数来实现（ 2 ）改变转差率 s只适合于异步型交流电机的

调速（ 3 ）变频调速通过改变电机电源的频率 f而改

变电机的转速

2 SPWM 变频调速 （ 1 ） SPWM 调制原理 （ 2 ） SPWM 变频器的功率放大电路 （ 3 ） SPWM 变频调速系统 速度给定器给定信号控制频率电压及正反转 平稳启动回路使启动加减速时间可随机械负载设定以达到软启动的目的

函数发生器在输出低频信号时保持电机气隙磁通一定补偿定子电压降的影响

电压频率变压器将电压转换为频率经分频器环形计数器产生方波和经三角波发生器产生的三角波一起送入调制回路

电压调节器产生频率和幅度可调的控制正弦波送入调制回路送入调制回路在调制回路中进行 SPWM 变换产生三相的脉冲宽度调制信号在基极回路中输出信号至功率晶体管基极即对 SPWM 的主回路进行控制实现对永磁交流伺服电机的变频调速

电流检测器过载保护

75 75 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 与传统数控机床进给系统中的ldquo旋转伺服电机＋滚珠丝杠rdquo不同直线电机直接驱动机床工作台取消驱动电机和工作台之间的一切中间传动环节

751 直线电机 分为交流和直流两种交流直线电机又分为感

应异步式和永磁同步式 直线电机相当于把旋转电机沿过轴线的平面剖

开并将定子转子圆周展开为平面和进行一些演变形成

感应异步式直线电机演变过程感应异步式直线电机演变过程

永磁同步式直线电机演变过程永磁同步式直线电机演变过程

2 直线电机的工作原理 基本原理利用电磁作用将电能转换为动能（ 1 ）感应异步式直线电机的结构及工作原理（ 2 ）永磁同步式直线电机工作原理3 直线电机的特点 调节速度方便 加速度大响应快 定位精度和跟踪精度高 行程不受限制

752 752 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 由执行器控制器和位置检测装置组成 执行器直线电机本体 控制器由 CNC 控制器和 DDS 数值控制模块组成 位置检测装置光栅感应同步尺等

直线电机进给控制系统直线电机进给控制系统 双环系统内环为速度环外环为位置环 位置环接收来自光栅尺的位置反馈信号及插补信号

的比较信号来控制速度环的指令速度从而调节执行件的位置始终与指令位置保持一致

速度环根据位置环的指令速度快速而准确控制电机使得其不受负载转矩大小和方向的影响并快速跟踪指令速度的变化

753 753 直线电机对控制质量的影响直线电机对控制质量的影响1 路径生成问题 三个方面加加速度插补和对加工程序段的预处理2 直线电机对负载刚性的影响 三个因素速度控制环比例增益积分时间和在没有前馈控制情况下的位置控制环比例增益

3 影响定位时间的因素 四个因素最大加速度速度加加速度和位置控制

进给前馈实际增益4 影响加工路径精度的因素 三个因素路径生成最大加速度和位置控制进给前馈

实际增益

76 76 伺服系统的位置控制伺服系统的位置控制761 数字－脉冲比较伺服系统 将指令脉冲 F与反馈脉冲 Pf进行比较决定位置偏差 e再

将位置偏差 e放大后输出给速度控制单元和电机执行以减少和消除位置偏差

半闭环系统中检测元件多采用光电编码器闭环系统中检测元件多采用光栅

工作过程当指令脉冲为正而反馈脉冲为负时计数器作加法运算当指令脉冲为负而反馈脉冲为正时计数器作减法运算

计数器的计算结果 当 e＝ F－ Pfgt0 时工作台正向移动 当 e＝ F－ Pflt0 时工作台反向运动 当 e＝ F－ Pf＝ 0 时工作台静止

半闭环数值比较系统结构半闭环数值比较系统结构

762 762 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 常用检测元件是旋转变压器和感应同步器 脉冲调相器（数字相位变化器）将来自数控装置

的进给脉冲信号转换为相位变化信号

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

（ 2 ）闭环伺服系统 有位置检测装置且装在机床工作台上直接检

测工作台的实际位移 利用 CNC 装置的指令值与位置检测装置的检测值

的差值进行位置控制 精度高其运动精度取决于检测装置的精度与

传动链的误差无关 适用于大型或比较精密的数控设备（ 3 ）半闭环伺服系统 有位置检测装置且装在电机或丝杠的端头检

测角位移间接获得工作台的位移 精度比闭环控制低滚珠丝杠的精度影响位置检

测的精度适用于中小型数控机床

2 2 按使用的驱动元件分类按使用的驱动元件分类（ 1 ）电液伺服系统 执行元件电液脉冲马达或电液伺服马达 驱动元件液动机或液压缸 优点低速高输出力矩刚性好时间常数小反

应快速度平稳 缺点需要供油系统体积大产生噪声和漏油等 问题（ 2 ）电气伺服系统 执行元件伺服电机（步进电机交流或直流伺服 电机） 驱动元件电力电子器件 现代数控机床均采用电气伺服系统

3 3 按被控对象分类按被控对象分类（ 1 ）进给伺服系统 控制机床各坐标轴的切削进给运动提供切削所

需的转矩 包括速度控制环和位置控制环（ 2 ）主轴伺服系统 控制机床主轴的旋转运动提供所需的驱动功率

和切削力 一般的主轴控制只有一个速度控制系统具有 C

轴控制的主轴伺服系统与进给伺服系统相同是一般概念的位置伺服控制系统

刀库的位置控制是简单的位置伺服控制

4 4 按反馈比较控制方式分按反馈比较控制方式分类类

（ 1 ）数字－脉冲比较伺服系统 将数控装置发出的数字（或脉冲）指令信号与检测装

置测量的以数字（或脉冲）形式表示的反馈信号直接进行比较产生位置差值形成闭环和半闭环控制

（ 2 ）相位比较伺服系统 采用相位工作方式指令信号与反馈信号均以相位形

式表示并进行比较（ 3 ）幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机床位移量的大小

并与指令信号进行比较（ 4 ）全数字控制伺服系统 由位置速度和电流组成的三环反馈控制全部数字化

712 712 伺服系统的组成伺服系统的组成 由控制器功率驱动装置检测反馈装置和伺服电机组成（ 1 ）控制器由位置调解单元速度调解单元和电流调解单

元组成 控制器最多构成三闭环控制外环为位置环中环为速度环

内环为电流环（ 2 ）功率驱动装置由驱动信号产生电路和功率放大器等组

成 功能一方面按控制量大小将电网中的电能作用到电机上

调节电机力矩的大小另一方面按电机要求将恒压恒频的电网供电转换为电机所需直流电或交流电

（ 3 ）位置检测装置闭环和半闭环伺服系统有位置检测装置其安装位置不同开环伺服系统无位置检测装置

（ 4 ）伺服电机闭环和半闭环伺服系统采用交流或直流伺服电机开环伺服系统采用步进电机

伺服系统结构伺服系统结构

713 713 数控机床对伺服系统的要求数控机床对伺服系统的要求1 数控机床对进给伺服系统的要求（ 1 ）调速范围大低速转矩大 调速范围机械装置要求电机能提供的最高进给速

度相对于最低进给速度之比 为保证所有加工条件下均能得到最佳切削条件和

加工质量就要求进给速度在较大的范围内变化 低速切削要求电机输出较大的转矩避免出现低速爬行现象

（ 2 ）精度高 精度伺服系统的输出量跟随输入量的精确程度 为保证数控加工精度要求主要保证机床的定位精

度和进给跟踪精度

（ 3 ）快速响应无超调 快速响应反映系统的跟踪精度（ 4 ）稳定性好可靠性高 稳定性系统在给定输入或外界干扰作用下能经

过短暂的调节达到新的或恢复到原来平衡状态 系统具有较好的抗干扰能力能保证进给速度均匀

平稳（ 5 ）足够的传动刚性较强的过载能力电机的惯

量与移动部件的惯量相匹配伺服电机能够频繁启停和可逆运行

2 数控机床对主轴伺服系统的要求（ 1 ）足够的输出功率 主轴转速高输出转矩小主轴转速低输出转

矩大要求主轴驱动装置具有恒功率性质（ 2 ）调速范围宽 数控机床的变速依照指令自动执行要求能够在

较宽的转速范围内进行无级调速较少中间传递环节简化主轴箱

（ 3 ）定位准停功能 为使得数控车床具有螺纹切削等功能要求主轴

能与进给驱动实行同步控制 在加工中为自动换刀要求主轴具有高精度的准停功能

72 72 步进电机伺服系统步进电机伺服系统

步进电机一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件

数控装置输出的进给脉冲数量频率和方向经过驱动控制电路达到步进电机后可以转换为工作台的位移量进给速度和方向

721 步进电机

驱动控制线路 步进电机

工作台

指令脉冲丝杠

开环步进式伺服系统组成框图

1 1 步进电机的类步进电机的类型型

分类方式 具体类型

转矩产生原理 ①反应式（磁阻式）②永磁式③永磁感应式（混合式）

输出力矩大小

①伺服式输出力矩在百分之几至十分之几（ Nbullm ）只能驱动较小的负载要求与液压扭矩放大器配用才能驱动机床工作台等较大的负载 ②功率式输出力矩在 5-50 （ Nbullm ）以上可以直接驱动机床工作台等较大的负载

相数 ①三相②四相③五相④六相

各相绕组分布 ①径向分相式电机各相按圆周依次排列 ②轴向分向式电机各相按轴依次排列

运动方式 ①旋转运动式②直线运动式③平面运动式④滚动运动式

定子数 ①单定子式②双定子式③三定子式④多定子式

2 2 步进电机的结构步进电机的结构（ 1 ）反应式步进电机 步进电机由定子和转子组成

定子分定子铁芯和定子励磁绕组 1 －定子绕组 2 －转子铁芯 3 － A 相磁通 4 －定子铁芯

定子铁芯由电工硅钢片叠压而成定子绕组是绕置在定子铁芯 6 个均匀分布的齿上的线圈在直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起构成一相控制绕组

步进电机可构成 A B C三相控制绕组称为三相步进电机若任一相绕组通电就形成一组定子磁极

定子的每个磁极正对转子的圆弧面上均都均匀分布着 5 个小齿呈梳状排列齿槽等宽齿间夹角为 9deg

转子上没有绕组只有均匀分布的 40 个小齿其大小和间距与定子上的完全相同

三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开 13 齿距

当 A 相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时 B 相磁极上的齿刚好超前（或滞后）转子齿 13 齿距角即 3deg C 相磁极齿超前（或滞后）转子齿 23 齿距角

步距角步进电机每走一步所转过的角度其大小等于错齿的角度

（ 2 ）永磁式步进电机 定子和转子中的某一方永永久磁钢另一方由软磁材料制成

其上由励磁绕组 绕组通电建立的磁场与永久磁钢的恒定磁场相互作用产生

转矩（ 3 ）永磁感应式步进电机 转子由环行磁钢及两段铁芯构成

3 3 反应式步进电机工作原理反应式步进电机工作原理 步进电机基于电磁力的吸引和排斥产生转矩 定子绕组所加电源要求是脉冲电流形式也称为脉冲电

机 步进电机定子绕组的通电状态每改变一次即送给步进

电机一个电流脉冲其转子就转过一个确定的角度即步距角 α脉冲数增加角位移也增加无脉冲时电机停止

改变步进电机定子绕组的通电顺序转子的旋转方向改变

步进电机定子绕组通电状态的改变速度越快其转子旋转速度越快即脉冲频率越高转子转速越高但脉冲频率不能过高否则产生失步或超步

4 4 反应式步进电机主要特征反应式步进电机主要特征

（ 1 ）步距角和静态步距误差 步进电机步距角 α与定子绕组的相数 m转子的齿数 z

通电方式 k有关即有 α＝ 360deg(mzk) 其中 m相 m拍时 k＝ 1 m相 2m拍时 k＝ 2 依此类推例如三相三拍 z＝ 40 时 α＝ 360deg(3times40times1) ＝ 3deg

静态步距误差在空载情况下理论的步距角与实际的步距角之差以分表示一般在 10prime 之内

步距误差主要由步进电机步距制造误差定子和转子间气隙不均匀以及各相电磁转矩不均匀等因素造成

（ 2 ）静态转矩与矩角特性

静态转矩当步进电机某相通电时转子处于不动状态此时在电机轴上加一个负载转矩转子就按一定方向转过一个角度 θ（失调角）此时转子所受的电磁转矩M即为静态转矩

矩角特性静态转矩M与 θ的关系

（ 3 ）启动频率 启动频率空载时步进电机由静止状态突然启动并

进入不丢步的正常运行的最高频率 步进电机带负载下的启动频率要比空载启动频率低并随负载增加而进一步降低

（ 4 ）连续运行的最高工作频率 最高工作频率步进电机启动后保证连续不丢步运行

的最高工作频率 决定了定子绕组通电状态下最高变化的频率即决定了

步进电机的最高转速（ 5 ）加减速特性 加减速特性步进电机由静止刀工作频率和由工作频率

到静止的加减速过程中定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系

（ 6 ）矩频特性与动态转矩 矩频特性描述步进电机连续稳定运行时输出转矩 M 与连续运行频率 f之间的关系

动态转矩矩频特性曲线上每个频率对应的转矩 步进电机正常运行时动态转矩随连续运行频率的上升

而下降

722 722 步进电机的驱动控制器步进电机的驱动控制器 功能将具有一定频率 f一定数量 N和方向的进给脉冲

转换成控制步进电机各相定子绕组通电断电的电平信号变化频率变化次数和通断电顺序

驱动控制器由环形脉冲分配器和功率放大器组成

1 1 环形脉冲分配器环形脉冲分配器 功能将逻辑电平信号（弱电）变换为电机绕

组所需的具有一定功率的电流脉冲信号（强电）即将数控装置的插补脉冲按步进电机所要求的规律分配给步进电机的各相输入端以控制励磁绕组的通断电

分类硬件环形分配器和软件环形分配器 硬件环形分配器步进电机驱动装置本身带有

环形分配器 软件环形分配器驱动装置本身无环形分配器

环形分配需要软件完成

硬件环形分配器硬件环形分配器 输入输出信号一般为 TTL 电平输出信号 A B C 为

高电平时表示相应绕组通电低电平时表示相应绕组失电 CLK 为数控装置发出的脉冲信号每个脉冲信号的上升或下降沿到来时输出改变一次绕组的通电状态

DIR 为数控装置发出的方向信号其电平高低对应电机绕组通电顺序的改变即步进电机的正反转

FULLHALF 控制电机的整步或半步

三相六拍环形脉冲分配器原理图三相六拍环形脉冲分配器原理图

软件环形脉冲分配器软件环形脉冲分配器 软件环形脉冲分配器的设计方法有查表法比较法移位寄存器法等

如图所示 8031 单片机的 P1口的三个引脚经过光电隔离功率放大后分别与电机的 A B C连接

采用三相六拍方式时电机正转的通电顺序为 A － gtAB －gtB － gtBC － gtC － gtCA － gtA － gt

电机反转的通电顺序为 A － gtAC － gtC － gtCB － gtB － gtBA － gtA － gt

2 2 功率放大器功率放大器 功能将环形分配器输出的脉冲信号放大以用足够的功率来驱动步进电机

（ 1 ）单电压功率放大器

（ 2 ）高低电压功率放大器

（ 3 ）斩波恒流功率放大器

（ 4 ）调频调压功率放大器

723 723 提高步进伺服系统精度的措施提高步进伺服系统精度的措施1 传动间隙补偿 提高机床传动元件的齿轮丝杠制造装配精度并采

取消除传动间隙的措施只能减少不能完全消除传动间隙

机械传动链在改变运动或旋转方向时最初若干个指令脉冲只能起到消除间隙的作用造成步进电机的空走而工作台无实际移动从而产生传动误差

补偿方法先测出并存储间隙大小接收反向位移指令时先不向步进电机输出反向位移脉冲而将间隙值转换为脉冲数 N 驱动步进电机转动越过传动间隙然后按照指令脉冲动作

传动间隙补偿示意图传动间隙补偿示意图

2 螺距误差补偿 传动链中滚珠丝杠螺

距的制造误差直接影响机床工作台的位移精度

补偿方法设置若干个补偿点在每个补偿点测量并记录工作台位移误差确定补偿值并作为控制参数输送给数控装置

设备运行时工作台每经过一个补偿点CNC 系统就加入补偿量补偿螺距误差

3 细分线路 细分驱动将一个步距角细分为若干步的驱动方法

73 73 直流伺服电机与速度控制直流伺服电机与速度控制731 直流伺服电机1 直流伺服电机的类型 按电枢的结构和形状分平滑电枢型空心电枢型和有槽电枢型等

按定子磁场产生方式分永磁式和他励式 按转子转动惯量大小分大惯量中惯量和小惯量伺服电机2 直流伺服电机的结构（ 1 ）定子产生定子磁极磁场（ 2 ）转子表面嵌有线圈通直流电时在定子磁场作用下

产生带负载旋转的电磁转矩（ 3 ）电刷与换向片为使产生的电磁转矩保持恒定的方向保证转子能沿着固定方向均匀地连续旋转将电刷与外加直流电源连接换向片与电枢线圈连接

3 直流伺服电机的工作原理（ 1 ）永磁式直流电机工作原理 直流电压加在 A B两电刷之间电流从 A 流入从 B 流出导体 ab和 cd受到逆时针方向作用力转子在逆时针方向地电磁转矩作用下旋转

当电枢转过 90deg 电枢线圈处于磁极的中性面电刷与换向片断开无电磁转矩作用

在惯性作用下电枢继续转动一个角度当电刷与换向片再次接触时导体 ab和 cd交换了位置ab和 cd中的电流也发生改变从而保证电枢受到地电磁转矩方向不变因此电枢可以连续转动

（ 2 ）他励式直流电机工作原理 定子上有磁励绕住和补偿绕组转子绕组通过电刷供电

转子磁场与定子磁场始终正交产生转矩转子旋转

732 732 直流进给速度控制单元直流进给速度控制单元 直流电机地机械特性公式

公式中 n为电机转速 Ua为电枢外加电压 Ce为反电动势常数Φ为电机磁通量 Ra为电枢电阻 Cm为转矩常数M为电磁转矩

直流电机的三种调速方法 改变电枢外加电压 Ua该方法可以得到调速范围较宽的

恒转矩特性机械特性好适用于主轴驱动的低速段和进给驱动

改变磁通量Φ可得到恒功率特性适用于主轴驱动的高速段不适合于进给驱动

改变电枢电路的电阻 Ra该方法得到的机械特性较软不能实现无级调速也不适合于数控机床

MCC

R

C

Un

me

a

e

a2

1 晶闸管直流调速系统 三相全控桥式整流电路作为直流速度控制单元的主电路 两组正负对接的晶闸管一组用于提供正向电压供电机正转 一组提供反向电压供电机反转 通过对 12 个晶闸管触发延迟角的控制达到控制电机电枢电压从而

对电机进行调速

双环调度系统 速度调节器和电流调节器均是由线性集成放大器和阻容元件构成的 PI 调节器

速度环起主导作用电流环的作用是在启动和堵转时限制最大电枢电流

2 晶体管脉宽调制（ PWM ）直流调速系统（ 1 ） PWM 系统的组成及工作原理 脉宽调制使功率放大器中的晶体管工作在开关状态下

开关频率保持恒定用调整开关周期内的晶体管导通时间的办法来改变输出从而使得电机电枢两端获得宽度随时间变化的给定频率的电压脉冲

脉宽连续变化使得电枢电压平均值连续变化进而导致电机转速连续变化

2 脉宽调制器

74 74 交流伺服电机与速度控制交流伺服电机与速度控制741 交流伺服电机1 交流伺服电机的类型 永磁式交流伺服电机和感应式交流伺服电机 共同点工作原理均由定子绕组产生旋转磁场

使得转子跟随定子旋转磁场一起运转 不同点永磁式伺服电机的转速与外加交流电源的频率存在着严格的同步关系即电机的转速等于旋转磁场的同步转速而感应式伺服电机由于需要转速差才能产生电磁转矩因此电机的转速低于磁场同步转速负载越大转速差越大

2 永磁交流伺服电机结构与工作原理 电机结构由定子转子和检测元件组成其中 1 －定子 2 －转子 3 －压板 4 －定子三相绕组 5 －脉冲编码器 6 －接线盒

工作原理定子三相绕组接上电源后产生一个旋转磁场该旋转磁场以同步转速 n0 旋转

定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极相互吸引并带动转子以同步转速 n0 一起旋转

当转子轴上加有负载转矩后造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合相差一个 θ角负载转矩发生变化时 θ角也发生变化

只要不超过一定限度转子始终跟随定子的旋转磁场以同步转速 n

0 旋转

742 742 交流进给速度控制单元交流进给速度控制单元1 交流伺服电机调速原理 同步型交流伺服电机的转速 n=n0=60fp 异步型交流伺服电机的转速 n=(60fp) （ 1-

s ）

电机调速的三种方法（ 1 ）改变磁极对数 P有级调速方法通过对定

子绕组接线的切换而改变磁极对数来实现（ 2 ）改变转差率 s只适合于异步型交流电机的

调速（ 3 ）变频调速通过改变电机电源的频率 f而改

变电机的转速

2 SPWM 变频调速 （ 1 ） SPWM 调制原理 （ 2 ） SPWM 变频器的功率放大电路 （ 3 ） SPWM 变频调速系统 速度给定器给定信号控制频率电压及正反转 平稳启动回路使启动加减速时间可随机械负载设定以达到软启动的目的

函数发生器在输出低频信号时保持电机气隙磁通一定补偿定子电压降的影响

电压频率变压器将电压转换为频率经分频器环形计数器产生方波和经三角波发生器产生的三角波一起送入调制回路

电压调节器产生频率和幅度可调的控制正弦波送入调制回路送入调制回路在调制回路中进行 SPWM 变换产生三相的脉冲宽度调制信号在基极回路中输出信号至功率晶体管基极即对 SPWM 的主回路进行控制实现对永磁交流伺服电机的变频调速

电流检测器过载保护

75 75 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 与传统数控机床进给系统中的ldquo旋转伺服电机＋滚珠丝杠rdquo不同直线电机直接驱动机床工作台取消驱动电机和工作台之间的一切中间传动环节

751 直线电机 分为交流和直流两种交流直线电机又分为感

应异步式和永磁同步式 直线电机相当于把旋转电机沿过轴线的平面剖

开并将定子转子圆周展开为平面和进行一些演变形成

感应异步式直线电机演变过程感应异步式直线电机演变过程

永磁同步式直线电机演变过程永磁同步式直线电机演变过程

2 直线电机的工作原理 基本原理利用电磁作用将电能转换为动能（ 1 ）感应异步式直线电机的结构及工作原理（ 2 ）永磁同步式直线电机工作原理3 直线电机的特点 调节速度方便 加速度大响应快 定位精度和跟踪精度高 行程不受限制

752 752 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 由执行器控制器和位置检测装置组成 执行器直线电机本体 控制器由 CNC 控制器和 DDS 数值控制模块组成 位置检测装置光栅感应同步尺等

直线电机进给控制系统直线电机进给控制系统 双环系统内环为速度环外环为位置环 位置环接收来自光栅尺的位置反馈信号及插补信号

的比较信号来控制速度环的指令速度从而调节执行件的位置始终与指令位置保持一致

速度环根据位置环的指令速度快速而准确控制电机使得其不受负载转矩大小和方向的影响并快速跟踪指令速度的变化

753 753 直线电机对控制质量的影响直线电机对控制质量的影响1 路径生成问题 三个方面加加速度插补和对加工程序段的预处理2 直线电机对负载刚性的影响 三个因素速度控制环比例增益积分时间和在没有前馈控制情况下的位置控制环比例增益

3 影响定位时间的因素 四个因素最大加速度速度加加速度和位置控制

进给前馈实际增益4 影响加工路径精度的因素 三个因素路径生成最大加速度和位置控制进给前馈

实际增益

76 76 伺服系统的位置控制伺服系统的位置控制761 数字－脉冲比较伺服系统 将指令脉冲 F与反馈脉冲 Pf进行比较决定位置偏差 e再

将位置偏差 e放大后输出给速度控制单元和电机执行以减少和消除位置偏差

半闭环系统中检测元件多采用光电编码器闭环系统中检测元件多采用光栅

工作过程当指令脉冲为正而反馈脉冲为负时计数器作加法运算当指令脉冲为负而反馈脉冲为正时计数器作减法运算

计数器的计算结果 当 e＝ F－ Pfgt0 时工作台正向移动 当 e＝ F－ Pflt0 时工作台反向运动 当 e＝ F－ Pf＝ 0 时工作台静止

半闭环数值比较系统结构半闭环数值比较系统结构

762 762 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 常用检测元件是旋转变压器和感应同步器 脉冲调相器（数字相位变化器）将来自数控装置

的进给脉冲信号转换为相位变化信号

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

2 2 按使用的驱动元件分类按使用的驱动元件分类（ 1 ）电液伺服系统 执行元件电液脉冲马达或电液伺服马达 驱动元件液动机或液压缸 优点低速高输出力矩刚性好时间常数小反

应快速度平稳 缺点需要供油系统体积大产生噪声和漏油等 问题（ 2 ）电气伺服系统 执行元件伺服电机（步进电机交流或直流伺服 电机） 驱动元件电力电子器件 现代数控机床均采用电气伺服系统

3 3 按被控对象分类按被控对象分类（ 1 ）进给伺服系统 控制机床各坐标轴的切削进给运动提供切削所

需的转矩 包括速度控制环和位置控制环（ 2 ）主轴伺服系统 控制机床主轴的旋转运动提供所需的驱动功率

和切削力 一般的主轴控制只有一个速度控制系统具有 C

轴控制的主轴伺服系统与进给伺服系统相同是一般概念的位置伺服控制系统

刀库的位置控制是简单的位置伺服控制

4 4 按反馈比较控制方式分按反馈比较控制方式分类类

（ 1 ）数字－脉冲比较伺服系统 将数控装置发出的数字（或脉冲）指令信号与检测装

置测量的以数字（或脉冲）形式表示的反馈信号直接进行比较产生位置差值形成闭环和半闭环控制

（ 2 ）相位比较伺服系统 采用相位工作方式指令信号与反馈信号均以相位形

式表示并进行比较（ 3 ）幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机床位移量的大小

并与指令信号进行比较（ 4 ）全数字控制伺服系统 由位置速度和电流组成的三环反馈控制全部数字化

712 712 伺服系统的组成伺服系统的组成 由控制器功率驱动装置检测反馈装置和伺服电机组成（ 1 ）控制器由位置调解单元速度调解单元和电流调解单

元组成 控制器最多构成三闭环控制外环为位置环中环为速度环

内环为电流环（ 2 ）功率驱动装置由驱动信号产生电路和功率放大器等组

成 功能一方面按控制量大小将电网中的电能作用到电机上

调节电机力矩的大小另一方面按电机要求将恒压恒频的电网供电转换为电机所需直流电或交流电

（ 3 ）位置检测装置闭环和半闭环伺服系统有位置检测装置其安装位置不同开环伺服系统无位置检测装置

（ 4 ）伺服电机闭环和半闭环伺服系统采用交流或直流伺服电机开环伺服系统采用步进电机

伺服系统结构伺服系统结构

713 713 数控机床对伺服系统的要求数控机床对伺服系统的要求1 数控机床对进给伺服系统的要求（ 1 ）调速范围大低速转矩大 调速范围机械装置要求电机能提供的最高进给速

度相对于最低进给速度之比 为保证所有加工条件下均能得到最佳切削条件和

加工质量就要求进给速度在较大的范围内变化 低速切削要求电机输出较大的转矩避免出现低速爬行现象

（ 2 ）精度高 精度伺服系统的输出量跟随输入量的精确程度 为保证数控加工精度要求主要保证机床的定位精

度和进给跟踪精度

（ 3 ）快速响应无超调 快速响应反映系统的跟踪精度（ 4 ）稳定性好可靠性高 稳定性系统在给定输入或外界干扰作用下能经

过短暂的调节达到新的或恢复到原来平衡状态 系统具有较好的抗干扰能力能保证进给速度均匀

平稳（ 5 ）足够的传动刚性较强的过载能力电机的惯

量与移动部件的惯量相匹配伺服电机能够频繁启停和可逆运行

2 数控机床对主轴伺服系统的要求（ 1 ）足够的输出功率 主轴转速高输出转矩小主轴转速低输出转

矩大要求主轴驱动装置具有恒功率性质（ 2 ）调速范围宽 数控机床的变速依照指令自动执行要求能够在

较宽的转速范围内进行无级调速较少中间传递环节简化主轴箱

（ 3 ）定位准停功能 为使得数控车床具有螺纹切削等功能要求主轴

能与进给驱动实行同步控制 在加工中为自动换刀要求主轴具有高精度的准停功能

72 72 步进电机伺服系统步进电机伺服系统

步进电机一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件

数控装置输出的进给脉冲数量频率和方向经过驱动控制电路达到步进电机后可以转换为工作台的位移量进给速度和方向

721 步进电机

驱动控制线路 步进电机

工作台

指令脉冲丝杠

开环步进式伺服系统组成框图

1 1 步进电机的类步进电机的类型型

分类方式 具体类型

转矩产生原理 ①反应式（磁阻式）②永磁式③永磁感应式（混合式）

输出力矩大小

①伺服式输出力矩在百分之几至十分之几（ Nbullm ）只能驱动较小的负载要求与液压扭矩放大器配用才能驱动机床工作台等较大的负载 ②功率式输出力矩在 5-50 （ Nbullm ）以上可以直接驱动机床工作台等较大的负载

相数 ①三相②四相③五相④六相

各相绕组分布 ①径向分相式电机各相按圆周依次排列 ②轴向分向式电机各相按轴依次排列

运动方式 ①旋转运动式②直线运动式③平面运动式④滚动运动式

定子数 ①单定子式②双定子式③三定子式④多定子式

2 2 步进电机的结构步进电机的结构（ 1 ）反应式步进电机 步进电机由定子和转子组成

定子分定子铁芯和定子励磁绕组 1 －定子绕组 2 －转子铁芯 3 － A 相磁通 4 －定子铁芯

定子铁芯由电工硅钢片叠压而成定子绕组是绕置在定子铁芯 6 个均匀分布的齿上的线圈在直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起构成一相控制绕组

步进电机可构成 A B C三相控制绕组称为三相步进电机若任一相绕组通电就形成一组定子磁极

定子的每个磁极正对转子的圆弧面上均都均匀分布着 5 个小齿呈梳状排列齿槽等宽齿间夹角为 9deg

转子上没有绕组只有均匀分布的 40 个小齿其大小和间距与定子上的完全相同

三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开 13 齿距

当 A 相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时 B 相磁极上的齿刚好超前（或滞后）转子齿 13 齿距角即 3deg C 相磁极齿超前（或滞后）转子齿 23 齿距角

步距角步进电机每走一步所转过的角度其大小等于错齿的角度

（ 2 ）永磁式步进电机 定子和转子中的某一方永永久磁钢另一方由软磁材料制成

其上由励磁绕组 绕组通电建立的磁场与永久磁钢的恒定磁场相互作用产生

转矩（ 3 ）永磁感应式步进电机 转子由环行磁钢及两段铁芯构成

3 3 反应式步进电机工作原理反应式步进电机工作原理 步进电机基于电磁力的吸引和排斥产生转矩 定子绕组所加电源要求是脉冲电流形式也称为脉冲电

机 步进电机定子绕组的通电状态每改变一次即送给步进

电机一个电流脉冲其转子就转过一个确定的角度即步距角 α脉冲数增加角位移也增加无脉冲时电机停止

改变步进电机定子绕组的通电顺序转子的旋转方向改变

步进电机定子绕组通电状态的改变速度越快其转子旋转速度越快即脉冲频率越高转子转速越高但脉冲频率不能过高否则产生失步或超步

4 4 反应式步进电机主要特征反应式步进电机主要特征

（ 1 ）步距角和静态步距误差 步进电机步距角 α与定子绕组的相数 m转子的齿数 z

通电方式 k有关即有 α＝ 360deg(mzk) 其中 m相 m拍时 k＝ 1 m相 2m拍时 k＝ 2 依此类推例如三相三拍 z＝ 40 时 α＝ 360deg(3times40times1) ＝ 3deg

静态步距误差在空载情况下理论的步距角与实际的步距角之差以分表示一般在 10prime 之内

步距误差主要由步进电机步距制造误差定子和转子间气隙不均匀以及各相电磁转矩不均匀等因素造成

（ 2 ）静态转矩与矩角特性

静态转矩当步进电机某相通电时转子处于不动状态此时在电机轴上加一个负载转矩转子就按一定方向转过一个角度 θ（失调角）此时转子所受的电磁转矩M即为静态转矩

矩角特性静态转矩M与 θ的关系

（ 3 ）启动频率 启动频率空载时步进电机由静止状态突然启动并

进入不丢步的正常运行的最高频率 步进电机带负载下的启动频率要比空载启动频率低并随负载增加而进一步降低

（ 4 ）连续运行的最高工作频率 最高工作频率步进电机启动后保证连续不丢步运行

的最高工作频率 决定了定子绕组通电状态下最高变化的频率即决定了

步进电机的最高转速（ 5 ）加减速特性 加减速特性步进电机由静止刀工作频率和由工作频率

到静止的加减速过程中定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系

（ 6 ）矩频特性与动态转矩 矩频特性描述步进电机连续稳定运行时输出转矩 M 与连续运行频率 f之间的关系

动态转矩矩频特性曲线上每个频率对应的转矩 步进电机正常运行时动态转矩随连续运行频率的上升

而下降

722 722 步进电机的驱动控制器步进电机的驱动控制器 功能将具有一定频率 f一定数量 N和方向的进给脉冲

转换成控制步进电机各相定子绕组通电断电的电平信号变化频率变化次数和通断电顺序

驱动控制器由环形脉冲分配器和功率放大器组成

1 1 环形脉冲分配器环形脉冲分配器 功能将逻辑电平信号（弱电）变换为电机绕

组所需的具有一定功率的电流脉冲信号（强电）即将数控装置的插补脉冲按步进电机所要求的规律分配给步进电机的各相输入端以控制励磁绕组的通断电

分类硬件环形分配器和软件环形分配器 硬件环形分配器步进电机驱动装置本身带有

环形分配器 软件环形分配器驱动装置本身无环形分配器

环形分配需要软件完成

硬件环形分配器硬件环形分配器 输入输出信号一般为 TTL 电平输出信号 A B C 为

高电平时表示相应绕组通电低电平时表示相应绕组失电 CLK 为数控装置发出的脉冲信号每个脉冲信号的上升或下降沿到来时输出改变一次绕组的通电状态

DIR 为数控装置发出的方向信号其电平高低对应电机绕组通电顺序的改变即步进电机的正反转

FULLHALF 控制电机的整步或半步

三相六拍环形脉冲分配器原理图三相六拍环形脉冲分配器原理图

软件环形脉冲分配器软件环形脉冲分配器 软件环形脉冲分配器的设计方法有查表法比较法移位寄存器法等

如图所示 8031 单片机的 P1口的三个引脚经过光电隔离功率放大后分别与电机的 A B C连接

采用三相六拍方式时电机正转的通电顺序为 A － gtAB －gtB － gtBC － gtC － gtCA － gtA － gt

电机反转的通电顺序为 A － gtAC － gtC － gtCB － gtB － gtBA － gtA － gt

2 2 功率放大器功率放大器 功能将环形分配器输出的脉冲信号放大以用足够的功率来驱动步进电机

（ 1 ）单电压功率放大器

（ 2 ）高低电压功率放大器

（ 3 ）斩波恒流功率放大器

（ 4 ）调频调压功率放大器

723 723 提高步进伺服系统精度的措施提高步进伺服系统精度的措施1 传动间隙补偿 提高机床传动元件的齿轮丝杠制造装配精度并采

取消除传动间隙的措施只能减少不能完全消除传动间隙

机械传动链在改变运动或旋转方向时最初若干个指令脉冲只能起到消除间隙的作用造成步进电机的空走而工作台无实际移动从而产生传动误差

补偿方法先测出并存储间隙大小接收反向位移指令时先不向步进电机输出反向位移脉冲而将间隙值转换为脉冲数 N 驱动步进电机转动越过传动间隙然后按照指令脉冲动作

传动间隙补偿示意图传动间隙补偿示意图

2 螺距误差补偿 传动链中滚珠丝杠螺

距的制造误差直接影响机床工作台的位移精度

补偿方法设置若干个补偿点在每个补偿点测量并记录工作台位移误差确定补偿值并作为控制参数输送给数控装置

设备运行时工作台每经过一个补偿点CNC 系统就加入补偿量补偿螺距误差

3 细分线路 细分驱动将一个步距角细分为若干步的驱动方法

73 73 直流伺服电机与速度控制直流伺服电机与速度控制731 直流伺服电机1 直流伺服电机的类型 按电枢的结构和形状分平滑电枢型空心电枢型和有槽电枢型等

按定子磁场产生方式分永磁式和他励式 按转子转动惯量大小分大惯量中惯量和小惯量伺服电机2 直流伺服电机的结构（ 1 ）定子产生定子磁极磁场（ 2 ）转子表面嵌有线圈通直流电时在定子磁场作用下

产生带负载旋转的电磁转矩（ 3 ）电刷与换向片为使产生的电磁转矩保持恒定的方向保证转子能沿着固定方向均匀地连续旋转将电刷与外加直流电源连接换向片与电枢线圈连接

3 直流伺服电机的工作原理（ 1 ）永磁式直流电机工作原理 直流电压加在 A B两电刷之间电流从 A 流入从 B 流出导体 ab和 cd受到逆时针方向作用力转子在逆时针方向地电磁转矩作用下旋转

当电枢转过 90deg 电枢线圈处于磁极的中性面电刷与换向片断开无电磁转矩作用

在惯性作用下电枢继续转动一个角度当电刷与换向片再次接触时导体 ab和 cd交换了位置ab和 cd中的电流也发生改变从而保证电枢受到地电磁转矩方向不变因此电枢可以连续转动

（ 2 ）他励式直流电机工作原理 定子上有磁励绕住和补偿绕组转子绕组通过电刷供电

转子磁场与定子磁场始终正交产生转矩转子旋转

732 732 直流进给速度控制单元直流进给速度控制单元 直流电机地机械特性公式

公式中 n为电机转速 Ua为电枢外加电压 Ce为反电动势常数Φ为电机磁通量 Ra为电枢电阻 Cm为转矩常数M为电磁转矩

直流电机的三种调速方法 改变电枢外加电压 Ua该方法可以得到调速范围较宽的

恒转矩特性机械特性好适用于主轴驱动的低速段和进给驱动

改变磁通量Φ可得到恒功率特性适用于主轴驱动的高速段不适合于进给驱动

改变电枢电路的电阻 Ra该方法得到的机械特性较软不能实现无级调速也不适合于数控机床

MCC

R

C

Un

me

a

e

a2

1 晶闸管直流调速系统 三相全控桥式整流电路作为直流速度控制单元的主电路 两组正负对接的晶闸管一组用于提供正向电压供电机正转 一组提供反向电压供电机反转 通过对 12 个晶闸管触发延迟角的控制达到控制电机电枢电压从而

对电机进行调速

双环调度系统 速度调节器和电流调节器均是由线性集成放大器和阻容元件构成的 PI 调节器

速度环起主导作用电流环的作用是在启动和堵转时限制最大电枢电流

2 晶体管脉宽调制（ PWM ）直流调速系统（ 1 ） PWM 系统的组成及工作原理 脉宽调制使功率放大器中的晶体管工作在开关状态下

开关频率保持恒定用调整开关周期内的晶体管导通时间的办法来改变输出从而使得电机电枢两端获得宽度随时间变化的给定频率的电压脉冲

脉宽连续变化使得电枢电压平均值连续变化进而导致电机转速连续变化

2 脉宽调制器

74 74 交流伺服电机与速度控制交流伺服电机与速度控制741 交流伺服电机1 交流伺服电机的类型 永磁式交流伺服电机和感应式交流伺服电机 共同点工作原理均由定子绕组产生旋转磁场

使得转子跟随定子旋转磁场一起运转 不同点永磁式伺服电机的转速与外加交流电源的频率存在着严格的同步关系即电机的转速等于旋转磁场的同步转速而感应式伺服电机由于需要转速差才能产生电磁转矩因此电机的转速低于磁场同步转速负载越大转速差越大

2 永磁交流伺服电机结构与工作原理 电机结构由定子转子和检测元件组成其中 1 －定子 2 －转子 3 －压板 4 －定子三相绕组 5 －脉冲编码器 6 －接线盒

工作原理定子三相绕组接上电源后产生一个旋转磁场该旋转磁场以同步转速 n0 旋转

定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极相互吸引并带动转子以同步转速 n0 一起旋转

当转子轴上加有负载转矩后造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合相差一个 θ角负载转矩发生变化时 θ角也发生变化

只要不超过一定限度转子始终跟随定子的旋转磁场以同步转速 n

0 旋转

742 742 交流进给速度控制单元交流进给速度控制单元1 交流伺服电机调速原理 同步型交流伺服电机的转速 n=n0=60fp 异步型交流伺服电机的转速 n=(60fp) （ 1-

s ）

电机调速的三种方法（ 1 ）改变磁极对数 P有级调速方法通过对定

子绕组接线的切换而改变磁极对数来实现（ 2 ）改变转差率 s只适合于异步型交流电机的

调速（ 3 ）变频调速通过改变电机电源的频率 f而改

变电机的转速

2 SPWM 变频调速 （ 1 ） SPWM 调制原理 （ 2 ） SPWM 变频器的功率放大电路 （ 3 ） SPWM 变频调速系统 速度给定器给定信号控制频率电压及正反转 平稳启动回路使启动加减速时间可随机械负载设定以达到软启动的目的

函数发生器在输出低频信号时保持电机气隙磁通一定补偿定子电压降的影响

电压频率变压器将电压转换为频率经分频器环形计数器产生方波和经三角波发生器产生的三角波一起送入调制回路

电压调节器产生频率和幅度可调的控制正弦波送入调制回路送入调制回路在调制回路中进行 SPWM 变换产生三相的脉冲宽度调制信号在基极回路中输出信号至功率晶体管基极即对 SPWM 的主回路进行控制实现对永磁交流伺服电机的变频调速

电流检测器过载保护

75 75 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 与传统数控机床进给系统中的ldquo旋转伺服电机＋滚珠丝杠rdquo不同直线电机直接驱动机床工作台取消驱动电机和工作台之间的一切中间传动环节

751 直线电机 分为交流和直流两种交流直线电机又分为感

应异步式和永磁同步式 直线电机相当于把旋转电机沿过轴线的平面剖

开并将定子转子圆周展开为平面和进行一些演变形成

感应异步式直线电机演变过程感应异步式直线电机演变过程

永磁同步式直线电机演变过程永磁同步式直线电机演变过程

2 直线电机的工作原理 基本原理利用电磁作用将电能转换为动能（ 1 ）感应异步式直线电机的结构及工作原理（ 2 ）永磁同步式直线电机工作原理3 直线电机的特点 调节速度方便 加速度大响应快 定位精度和跟踪精度高 行程不受限制

752 752 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 由执行器控制器和位置检测装置组成 执行器直线电机本体 控制器由 CNC 控制器和 DDS 数值控制模块组成 位置检测装置光栅感应同步尺等

直线电机进给控制系统直线电机进给控制系统 双环系统内环为速度环外环为位置环 位置环接收来自光栅尺的位置反馈信号及插补信号

的比较信号来控制速度环的指令速度从而调节执行件的位置始终与指令位置保持一致

速度环根据位置环的指令速度快速而准确控制电机使得其不受负载转矩大小和方向的影响并快速跟踪指令速度的变化

753 753 直线电机对控制质量的影响直线电机对控制质量的影响1 路径生成问题 三个方面加加速度插补和对加工程序段的预处理2 直线电机对负载刚性的影响 三个因素速度控制环比例增益积分时间和在没有前馈控制情况下的位置控制环比例增益

3 影响定位时间的因素 四个因素最大加速度速度加加速度和位置控制

进给前馈实际增益4 影响加工路径精度的因素 三个因素路径生成最大加速度和位置控制进给前馈

实际增益

76 76 伺服系统的位置控制伺服系统的位置控制761 数字－脉冲比较伺服系统 将指令脉冲 F与反馈脉冲 Pf进行比较决定位置偏差 e再

将位置偏差 e放大后输出给速度控制单元和电机执行以减少和消除位置偏差

半闭环系统中检测元件多采用光电编码器闭环系统中检测元件多采用光栅

工作过程当指令脉冲为正而反馈脉冲为负时计数器作加法运算当指令脉冲为负而反馈脉冲为正时计数器作减法运算

计数器的计算结果 当 e＝ F－ Pfgt0 时工作台正向移动 当 e＝ F－ Pflt0 时工作台反向运动 当 e＝ F－ Pf＝ 0 时工作台静止

半闭环数值比较系统结构半闭环数值比较系统结构

762 762 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 常用检测元件是旋转变压器和感应同步器 脉冲调相器（数字相位变化器）将来自数控装置

的进给脉冲信号转换为相位变化信号

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

3 3 按被控对象分类按被控对象分类（ 1 ）进给伺服系统 控制机床各坐标轴的切削进给运动提供切削所

需的转矩 包括速度控制环和位置控制环（ 2 ）主轴伺服系统 控制机床主轴的旋转运动提供所需的驱动功率

和切削力 一般的主轴控制只有一个速度控制系统具有 C

轴控制的主轴伺服系统与进给伺服系统相同是一般概念的位置伺服控制系统

刀库的位置控制是简单的位置伺服控制

4 4 按反馈比较控制方式分按反馈比较控制方式分类类

（ 1 ）数字－脉冲比较伺服系统 将数控装置发出的数字（或脉冲）指令信号与检测装

置测量的以数字（或脉冲）形式表示的反馈信号直接进行比较产生位置差值形成闭环和半闭环控制

（ 2 ）相位比较伺服系统 采用相位工作方式指令信号与反馈信号均以相位形

式表示并进行比较（ 3 ）幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机床位移量的大小

并与指令信号进行比较（ 4 ）全数字控制伺服系统 由位置速度和电流组成的三环反馈控制全部数字化

712 712 伺服系统的组成伺服系统的组成 由控制器功率驱动装置检测反馈装置和伺服电机组成（ 1 ）控制器由位置调解单元速度调解单元和电流调解单

元组成 控制器最多构成三闭环控制外环为位置环中环为速度环

内环为电流环（ 2 ）功率驱动装置由驱动信号产生电路和功率放大器等组

成 功能一方面按控制量大小将电网中的电能作用到电机上

调节电机力矩的大小另一方面按电机要求将恒压恒频的电网供电转换为电机所需直流电或交流电

（ 3 ）位置检测装置闭环和半闭环伺服系统有位置检测装置其安装位置不同开环伺服系统无位置检测装置

（ 4 ）伺服电机闭环和半闭环伺服系统采用交流或直流伺服电机开环伺服系统采用步进电机

伺服系统结构伺服系统结构

713 713 数控机床对伺服系统的要求数控机床对伺服系统的要求1 数控机床对进给伺服系统的要求（ 1 ）调速范围大低速转矩大 调速范围机械装置要求电机能提供的最高进给速

度相对于最低进给速度之比 为保证所有加工条件下均能得到最佳切削条件和

加工质量就要求进给速度在较大的范围内变化 低速切削要求电机输出较大的转矩避免出现低速爬行现象

（ 2 ）精度高 精度伺服系统的输出量跟随输入量的精确程度 为保证数控加工精度要求主要保证机床的定位精

度和进给跟踪精度

（ 3 ）快速响应无超调 快速响应反映系统的跟踪精度（ 4 ）稳定性好可靠性高 稳定性系统在给定输入或外界干扰作用下能经

过短暂的调节达到新的或恢复到原来平衡状态 系统具有较好的抗干扰能力能保证进给速度均匀

平稳（ 5 ）足够的传动刚性较强的过载能力电机的惯

量与移动部件的惯量相匹配伺服电机能够频繁启停和可逆运行

2 数控机床对主轴伺服系统的要求（ 1 ）足够的输出功率 主轴转速高输出转矩小主轴转速低输出转

矩大要求主轴驱动装置具有恒功率性质（ 2 ）调速范围宽 数控机床的变速依照指令自动执行要求能够在

较宽的转速范围内进行无级调速较少中间传递环节简化主轴箱

（ 3 ）定位准停功能 为使得数控车床具有螺纹切削等功能要求主轴

能与进给驱动实行同步控制 在加工中为自动换刀要求主轴具有高精度的准停功能

72 72 步进电机伺服系统步进电机伺服系统

步进电机一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件

数控装置输出的进给脉冲数量频率和方向经过驱动控制电路达到步进电机后可以转换为工作台的位移量进给速度和方向

721 步进电机

驱动控制线路 步进电机

工作台

指令脉冲丝杠

开环步进式伺服系统组成框图

1 1 步进电机的类步进电机的类型型

分类方式 具体类型

转矩产生原理 ①反应式（磁阻式）②永磁式③永磁感应式（混合式）

输出力矩大小

①伺服式输出力矩在百分之几至十分之几（ Nbullm ）只能驱动较小的负载要求与液压扭矩放大器配用才能驱动机床工作台等较大的负载 ②功率式输出力矩在 5-50 （ Nbullm ）以上可以直接驱动机床工作台等较大的负载

相数 ①三相②四相③五相④六相

各相绕组分布 ①径向分相式电机各相按圆周依次排列 ②轴向分向式电机各相按轴依次排列

运动方式 ①旋转运动式②直线运动式③平面运动式④滚动运动式

定子数 ①单定子式②双定子式③三定子式④多定子式

2 2 步进电机的结构步进电机的结构（ 1 ）反应式步进电机 步进电机由定子和转子组成

定子分定子铁芯和定子励磁绕组 1 －定子绕组 2 －转子铁芯 3 － A 相磁通 4 －定子铁芯

定子铁芯由电工硅钢片叠压而成定子绕组是绕置在定子铁芯 6 个均匀分布的齿上的线圈在直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起构成一相控制绕组

步进电机可构成 A B C三相控制绕组称为三相步进电机若任一相绕组通电就形成一组定子磁极

定子的每个磁极正对转子的圆弧面上均都均匀分布着 5 个小齿呈梳状排列齿槽等宽齿间夹角为 9deg

转子上没有绕组只有均匀分布的 40 个小齿其大小和间距与定子上的完全相同

三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开 13 齿距

当 A 相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时 B 相磁极上的齿刚好超前（或滞后）转子齿 13 齿距角即 3deg C 相磁极齿超前（或滞后）转子齿 23 齿距角

步距角步进电机每走一步所转过的角度其大小等于错齿的角度

（ 2 ）永磁式步进电机 定子和转子中的某一方永永久磁钢另一方由软磁材料制成

其上由励磁绕组 绕组通电建立的磁场与永久磁钢的恒定磁场相互作用产生

转矩（ 3 ）永磁感应式步进电机 转子由环行磁钢及两段铁芯构成

3 3 反应式步进电机工作原理反应式步进电机工作原理 步进电机基于电磁力的吸引和排斥产生转矩 定子绕组所加电源要求是脉冲电流形式也称为脉冲电

机 步进电机定子绕组的通电状态每改变一次即送给步进

电机一个电流脉冲其转子就转过一个确定的角度即步距角 α脉冲数增加角位移也增加无脉冲时电机停止

改变步进电机定子绕组的通电顺序转子的旋转方向改变

步进电机定子绕组通电状态的改变速度越快其转子旋转速度越快即脉冲频率越高转子转速越高但脉冲频率不能过高否则产生失步或超步

4 4 反应式步进电机主要特征反应式步进电机主要特征

（ 1 ）步距角和静态步距误差 步进电机步距角 α与定子绕组的相数 m转子的齿数 z

通电方式 k有关即有 α＝ 360deg(mzk) 其中 m相 m拍时 k＝ 1 m相 2m拍时 k＝ 2 依此类推例如三相三拍 z＝ 40 时 α＝ 360deg(3times40times1) ＝ 3deg

静态步距误差在空载情况下理论的步距角与实际的步距角之差以分表示一般在 10prime 之内

步距误差主要由步进电机步距制造误差定子和转子间气隙不均匀以及各相电磁转矩不均匀等因素造成

（ 2 ）静态转矩与矩角特性

静态转矩当步进电机某相通电时转子处于不动状态此时在电机轴上加一个负载转矩转子就按一定方向转过一个角度 θ（失调角）此时转子所受的电磁转矩M即为静态转矩

矩角特性静态转矩M与 θ的关系

（ 3 ）启动频率 启动频率空载时步进电机由静止状态突然启动并

进入不丢步的正常运行的最高频率 步进电机带负载下的启动频率要比空载启动频率低并随负载增加而进一步降低

（ 4 ）连续运行的最高工作频率 最高工作频率步进电机启动后保证连续不丢步运行

的最高工作频率 决定了定子绕组通电状态下最高变化的频率即决定了

步进电机的最高转速（ 5 ）加减速特性 加减速特性步进电机由静止刀工作频率和由工作频率

到静止的加减速过程中定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系

（ 6 ）矩频特性与动态转矩 矩频特性描述步进电机连续稳定运行时输出转矩 M 与连续运行频率 f之间的关系

动态转矩矩频特性曲线上每个频率对应的转矩 步进电机正常运行时动态转矩随连续运行频率的上升

而下降

722 722 步进电机的驱动控制器步进电机的驱动控制器 功能将具有一定频率 f一定数量 N和方向的进给脉冲

转换成控制步进电机各相定子绕组通电断电的电平信号变化频率变化次数和通断电顺序

驱动控制器由环形脉冲分配器和功率放大器组成

1 1 环形脉冲分配器环形脉冲分配器 功能将逻辑电平信号（弱电）变换为电机绕

组所需的具有一定功率的电流脉冲信号（强电）即将数控装置的插补脉冲按步进电机所要求的规律分配给步进电机的各相输入端以控制励磁绕组的通断电

分类硬件环形分配器和软件环形分配器 硬件环形分配器步进电机驱动装置本身带有

环形分配器 软件环形分配器驱动装置本身无环形分配器

环形分配需要软件完成

硬件环形分配器硬件环形分配器 输入输出信号一般为 TTL 电平输出信号 A B C 为

高电平时表示相应绕组通电低电平时表示相应绕组失电 CLK 为数控装置发出的脉冲信号每个脉冲信号的上升或下降沿到来时输出改变一次绕组的通电状态

DIR 为数控装置发出的方向信号其电平高低对应电机绕组通电顺序的改变即步进电机的正反转

FULLHALF 控制电机的整步或半步

三相六拍环形脉冲分配器原理图三相六拍环形脉冲分配器原理图

软件环形脉冲分配器软件环形脉冲分配器 软件环形脉冲分配器的设计方法有查表法比较法移位寄存器法等

如图所示 8031 单片机的 P1口的三个引脚经过光电隔离功率放大后分别与电机的 A B C连接

采用三相六拍方式时电机正转的通电顺序为 A － gtAB －gtB － gtBC － gtC － gtCA － gtA － gt

电机反转的通电顺序为 A － gtAC － gtC － gtCB － gtB － gtBA － gtA － gt

2 2 功率放大器功率放大器 功能将环形分配器输出的脉冲信号放大以用足够的功率来驱动步进电机

（ 1 ）单电压功率放大器

（ 2 ）高低电压功率放大器

（ 3 ）斩波恒流功率放大器

（ 4 ）调频调压功率放大器

723 723 提高步进伺服系统精度的措施提高步进伺服系统精度的措施1 传动间隙补偿 提高机床传动元件的齿轮丝杠制造装配精度并采

取消除传动间隙的措施只能减少不能完全消除传动间隙

机械传动链在改变运动或旋转方向时最初若干个指令脉冲只能起到消除间隙的作用造成步进电机的空走而工作台无实际移动从而产生传动误差

补偿方法先测出并存储间隙大小接收反向位移指令时先不向步进电机输出反向位移脉冲而将间隙值转换为脉冲数 N 驱动步进电机转动越过传动间隙然后按照指令脉冲动作

传动间隙补偿示意图传动间隙补偿示意图

2 螺距误差补偿 传动链中滚珠丝杠螺

距的制造误差直接影响机床工作台的位移精度

补偿方法设置若干个补偿点在每个补偿点测量并记录工作台位移误差确定补偿值并作为控制参数输送给数控装置

设备运行时工作台每经过一个补偿点CNC 系统就加入补偿量补偿螺距误差

3 细分线路 细分驱动将一个步距角细分为若干步的驱动方法

73 73 直流伺服电机与速度控制直流伺服电机与速度控制731 直流伺服电机1 直流伺服电机的类型 按电枢的结构和形状分平滑电枢型空心电枢型和有槽电枢型等

按定子磁场产生方式分永磁式和他励式 按转子转动惯量大小分大惯量中惯量和小惯量伺服电机2 直流伺服电机的结构（ 1 ）定子产生定子磁极磁场（ 2 ）转子表面嵌有线圈通直流电时在定子磁场作用下

产生带负载旋转的电磁转矩（ 3 ）电刷与换向片为使产生的电磁转矩保持恒定的方向保证转子能沿着固定方向均匀地连续旋转将电刷与外加直流电源连接换向片与电枢线圈连接

3 直流伺服电机的工作原理（ 1 ）永磁式直流电机工作原理 直流电压加在 A B两电刷之间电流从 A 流入从 B 流出导体 ab和 cd受到逆时针方向作用力转子在逆时针方向地电磁转矩作用下旋转

当电枢转过 90deg 电枢线圈处于磁极的中性面电刷与换向片断开无电磁转矩作用

在惯性作用下电枢继续转动一个角度当电刷与换向片再次接触时导体 ab和 cd交换了位置ab和 cd中的电流也发生改变从而保证电枢受到地电磁转矩方向不变因此电枢可以连续转动

（ 2 ）他励式直流电机工作原理 定子上有磁励绕住和补偿绕组转子绕组通过电刷供电

转子磁场与定子磁场始终正交产生转矩转子旋转

732 732 直流进给速度控制单元直流进给速度控制单元 直流电机地机械特性公式

公式中 n为电机转速 Ua为电枢外加电压 Ce为反电动势常数Φ为电机磁通量 Ra为电枢电阻 Cm为转矩常数M为电磁转矩

直流电机的三种调速方法 改变电枢外加电压 Ua该方法可以得到调速范围较宽的

恒转矩特性机械特性好适用于主轴驱动的低速段和进给驱动

改变磁通量Φ可得到恒功率特性适用于主轴驱动的高速段不适合于进给驱动

改变电枢电路的电阻 Ra该方法得到的机械特性较软不能实现无级调速也不适合于数控机床

MCC

R

C

Un

me

a

e

a2

1 晶闸管直流调速系统 三相全控桥式整流电路作为直流速度控制单元的主电路 两组正负对接的晶闸管一组用于提供正向电压供电机正转 一组提供反向电压供电机反转 通过对 12 个晶闸管触发延迟角的控制达到控制电机电枢电压从而

对电机进行调速

双环调度系统 速度调节器和电流调节器均是由线性集成放大器和阻容元件构成的 PI 调节器

速度环起主导作用电流环的作用是在启动和堵转时限制最大电枢电流

2 晶体管脉宽调制（ PWM ）直流调速系统（ 1 ） PWM 系统的组成及工作原理 脉宽调制使功率放大器中的晶体管工作在开关状态下

开关频率保持恒定用调整开关周期内的晶体管导通时间的办法来改变输出从而使得电机电枢两端获得宽度随时间变化的给定频率的电压脉冲

脉宽连续变化使得电枢电压平均值连续变化进而导致电机转速连续变化

2 脉宽调制器

74 74 交流伺服电机与速度控制交流伺服电机与速度控制741 交流伺服电机1 交流伺服电机的类型 永磁式交流伺服电机和感应式交流伺服电机 共同点工作原理均由定子绕组产生旋转磁场

使得转子跟随定子旋转磁场一起运转 不同点永磁式伺服电机的转速与外加交流电源的频率存在着严格的同步关系即电机的转速等于旋转磁场的同步转速而感应式伺服电机由于需要转速差才能产生电磁转矩因此电机的转速低于磁场同步转速负载越大转速差越大

2 永磁交流伺服电机结构与工作原理 电机结构由定子转子和检测元件组成其中 1 －定子 2 －转子 3 －压板 4 －定子三相绕组 5 －脉冲编码器 6 －接线盒

工作原理定子三相绕组接上电源后产生一个旋转磁场该旋转磁场以同步转速 n0 旋转

定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极相互吸引并带动转子以同步转速 n0 一起旋转

当转子轴上加有负载转矩后造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合相差一个 θ角负载转矩发生变化时 θ角也发生变化

只要不超过一定限度转子始终跟随定子的旋转磁场以同步转速 n

0 旋转

742 742 交流进给速度控制单元交流进给速度控制单元1 交流伺服电机调速原理 同步型交流伺服电机的转速 n=n0=60fp 异步型交流伺服电机的转速 n=(60fp) （ 1-

s ）

电机调速的三种方法（ 1 ）改变磁极对数 P有级调速方法通过对定

子绕组接线的切换而改变磁极对数来实现（ 2 ）改变转差率 s只适合于异步型交流电机的

调速（ 3 ）变频调速通过改变电机电源的频率 f而改

变电机的转速

2 SPWM 变频调速 （ 1 ） SPWM 调制原理 （ 2 ） SPWM 变频器的功率放大电路 （ 3 ） SPWM 变频调速系统 速度给定器给定信号控制频率电压及正反转 平稳启动回路使启动加减速时间可随机械负载设定以达到软启动的目的

函数发生器在输出低频信号时保持电机气隙磁通一定补偿定子电压降的影响

电压频率变压器将电压转换为频率经分频器环形计数器产生方波和经三角波发生器产生的三角波一起送入调制回路

电压调节器产生频率和幅度可调的控制正弦波送入调制回路送入调制回路在调制回路中进行 SPWM 变换产生三相的脉冲宽度调制信号在基极回路中输出信号至功率晶体管基极即对 SPWM 的主回路进行控制实现对永磁交流伺服电机的变频调速

电流检测器过载保护

75 75 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 与传统数控机床进给系统中的ldquo旋转伺服电机＋滚珠丝杠rdquo不同直线电机直接驱动机床工作台取消驱动电机和工作台之间的一切中间传动环节

751 直线电机 分为交流和直流两种交流直线电机又分为感

应异步式和永磁同步式 直线电机相当于把旋转电机沿过轴线的平面剖

开并将定子转子圆周展开为平面和进行一些演变形成

感应异步式直线电机演变过程感应异步式直线电机演变过程

永磁同步式直线电机演变过程永磁同步式直线电机演变过程

2 直线电机的工作原理 基本原理利用电磁作用将电能转换为动能（ 1 ）感应异步式直线电机的结构及工作原理（ 2 ）永磁同步式直线电机工作原理3 直线电机的特点 调节速度方便 加速度大响应快 定位精度和跟踪精度高 行程不受限制

752 752 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 由执行器控制器和位置检测装置组成 执行器直线电机本体 控制器由 CNC 控制器和 DDS 数值控制模块组成 位置检测装置光栅感应同步尺等

直线电机进给控制系统直线电机进给控制系统 双环系统内环为速度环外环为位置环 位置环接收来自光栅尺的位置反馈信号及插补信号

的比较信号来控制速度环的指令速度从而调节执行件的位置始终与指令位置保持一致

速度环根据位置环的指令速度快速而准确控制电机使得其不受负载转矩大小和方向的影响并快速跟踪指令速度的变化

753 753 直线电机对控制质量的影响直线电机对控制质量的影响1 路径生成问题 三个方面加加速度插补和对加工程序段的预处理2 直线电机对负载刚性的影响 三个因素速度控制环比例增益积分时间和在没有前馈控制情况下的位置控制环比例增益

3 影响定位时间的因素 四个因素最大加速度速度加加速度和位置控制

进给前馈实际增益4 影响加工路径精度的因素 三个因素路径生成最大加速度和位置控制进给前馈

实际增益

76 76 伺服系统的位置控制伺服系统的位置控制761 数字－脉冲比较伺服系统 将指令脉冲 F与反馈脉冲 Pf进行比较决定位置偏差 e再

将位置偏差 e放大后输出给速度控制单元和电机执行以减少和消除位置偏差

半闭环系统中检测元件多采用光电编码器闭环系统中检测元件多采用光栅

工作过程当指令脉冲为正而反馈脉冲为负时计数器作加法运算当指令脉冲为负而反馈脉冲为正时计数器作减法运算

计数器的计算结果 当 e＝ F－ Pfgt0 时工作台正向移动 当 e＝ F－ Pflt0 时工作台反向运动 当 e＝ F－ Pf＝ 0 时工作台静止

半闭环数值比较系统结构半闭环数值比较系统结构

762 762 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 常用检测元件是旋转变压器和感应同步器 脉冲调相器（数字相位变化器）将来自数控装置

的进给脉冲信号转换为相位变化信号

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

4 4 按反馈比较控制方式分按反馈比较控制方式分类类

（ 1 ）数字－脉冲比较伺服系统 将数控装置发出的数字（或脉冲）指令信号与检测装

置测量的以数字（或脉冲）形式表示的反馈信号直接进行比较产生位置差值形成闭环和半闭环控制

（ 2 ）相位比较伺服系统 采用相位工作方式指令信号与反馈信号均以相位形

式表示并进行比较（ 3 ）幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机床位移量的大小

并与指令信号进行比较（ 4 ）全数字控制伺服系统 由位置速度和电流组成的三环反馈控制全部数字化

712 712 伺服系统的组成伺服系统的组成 由控制器功率驱动装置检测反馈装置和伺服电机组成（ 1 ）控制器由位置调解单元速度调解单元和电流调解单

元组成 控制器最多构成三闭环控制外环为位置环中环为速度环

内环为电流环（ 2 ）功率驱动装置由驱动信号产生电路和功率放大器等组

成 功能一方面按控制量大小将电网中的电能作用到电机上

调节电机力矩的大小另一方面按电机要求将恒压恒频的电网供电转换为电机所需直流电或交流电

（ 3 ）位置检测装置闭环和半闭环伺服系统有位置检测装置其安装位置不同开环伺服系统无位置检测装置

（ 4 ）伺服电机闭环和半闭环伺服系统采用交流或直流伺服电机开环伺服系统采用步进电机

伺服系统结构伺服系统结构

713 713 数控机床对伺服系统的要求数控机床对伺服系统的要求1 数控机床对进给伺服系统的要求（ 1 ）调速范围大低速转矩大 调速范围机械装置要求电机能提供的最高进给速

度相对于最低进给速度之比 为保证所有加工条件下均能得到最佳切削条件和

加工质量就要求进给速度在较大的范围内变化 低速切削要求电机输出较大的转矩避免出现低速爬行现象

（ 2 ）精度高 精度伺服系统的输出量跟随输入量的精确程度 为保证数控加工精度要求主要保证机床的定位精

度和进给跟踪精度

（ 3 ）快速响应无超调 快速响应反映系统的跟踪精度（ 4 ）稳定性好可靠性高 稳定性系统在给定输入或外界干扰作用下能经

过短暂的调节达到新的或恢复到原来平衡状态 系统具有较好的抗干扰能力能保证进给速度均匀

平稳（ 5 ）足够的传动刚性较强的过载能力电机的惯

量与移动部件的惯量相匹配伺服电机能够频繁启停和可逆运行

2 数控机床对主轴伺服系统的要求（ 1 ）足够的输出功率 主轴转速高输出转矩小主轴转速低输出转

矩大要求主轴驱动装置具有恒功率性质（ 2 ）调速范围宽 数控机床的变速依照指令自动执行要求能够在

较宽的转速范围内进行无级调速较少中间传递环节简化主轴箱

（ 3 ）定位准停功能 为使得数控车床具有螺纹切削等功能要求主轴

能与进给驱动实行同步控制 在加工中为自动换刀要求主轴具有高精度的准停功能

72 72 步进电机伺服系统步进电机伺服系统

步进电机一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件

数控装置输出的进给脉冲数量频率和方向经过驱动控制电路达到步进电机后可以转换为工作台的位移量进给速度和方向

721 步进电机

驱动控制线路 步进电机

工作台

指令脉冲丝杠

开环步进式伺服系统组成框图

1 1 步进电机的类步进电机的类型型

分类方式 具体类型

转矩产生原理 ①反应式（磁阻式）②永磁式③永磁感应式（混合式）

输出力矩大小

①伺服式输出力矩在百分之几至十分之几（ Nbullm ）只能驱动较小的负载要求与液压扭矩放大器配用才能驱动机床工作台等较大的负载 ②功率式输出力矩在 5-50 （ Nbullm ）以上可以直接驱动机床工作台等较大的负载

相数 ①三相②四相③五相④六相

各相绕组分布 ①径向分相式电机各相按圆周依次排列 ②轴向分向式电机各相按轴依次排列

运动方式 ①旋转运动式②直线运动式③平面运动式④滚动运动式

定子数 ①单定子式②双定子式③三定子式④多定子式

2 2 步进电机的结构步进电机的结构（ 1 ）反应式步进电机 步进电机由定子和转子组成

定子分定子铁芯和定子励磁绕组 1 －定子绕组 2 －转子铁芯 3 － A 相磁通 4 －定子铁芯

定子铁芯由电工硅钢片叠压而成定子绕组是绕置在定子铁芯 6 个均匀分布的齿上的线圈在直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起构成一相控制绕组

步进电机可构成 A B C三相控制绕组称为三相步进电机若任一相绕组通电就形成一组定子磁极

定子的每个磁极正对转子的圆弧面上均都均匀分布着 5 个小齿呈梳状排列齿槽等宽齿间夹角为 9deg

转子上没有绕组只有均匀分布的 40 个小齿其大小和间距与定子上的完全相同

三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开 13 齿距

当 A 相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时 B 相磁极上的齿刚好超前（或滞后）转子齿 13 齿距角即 3deg C 相磁极齿超前（或滞后）转子齿 23 齿距角

步距角步进电机每走一步所转过的角度其大小等于错齿的角度

（ 2 ）永磁式步进电机 定子和转子中的某一方永永久磁钢另一方由软磁材料制成

其上由励磁绕组 绕组通电建立的磁场与永久磁钢的恒定磁场相互作用产生

转矩（ 3 ）永磁感应式步进电机 转子由环行磁钢及两段铁芯构成

3 3 反应式步进电机工作原理反应式步进电机工作原理 步进电机基于电磁力的吸引和排斥产生转矩 定子绕组所加电源要求是脉冲电流形式也称为脉冲电

机 步进电机定子绕组的通电状态每改变一次即送给步进

电机一个电流脉冲其转子就转过一个确定的角度即步距角 α脉冲数增加角位移也增加无脉冲时电机停止

改变步进电机定子绕组的通电顺序转子的旋转方向改变

步进电机定子绕组通电状态的改变速度越快其转子旋转速度越快即脉冲频率越高转子转速越高但脉冲频率不能过高否则产生失步或超步

4 4 反应式步进电机主要特征反应式步进电机主要特征

（ 1 ）步距角和静态步距误差 步进电机步距角 α与定子绕组的相数 m转子的齿数 z

通电方式 k有关即有 α＝ 360deg(mzk) 其中 m相 m拍时 k＝ 1 m相 2m拍时 k＝ 2 依此类推例如三相三拍 z＝ 40 时 α＝ 360deg(3times40times1) ＝ 3deg

静态步距误差在空载情况下理论的步距角与实际的步距角之差以分表示一般在 10prime 之内

步距误差主要由步进电机步距制造误差定子和转子间气隙不均匀以及各相电磁转矩不均匀等因素造成

（ 2 ）静态转矩与矩角特性

静态转矩当步进电机某相通电时转子处于不动状态此时在电机轴上加一个负载转矩转子就按一定方向转过一个角度 θ（失调角）此时转子所受的电磁转矩M即为静态转矩

矩角特性静态转矩M与 θ的关系

（ 3 ）启动频率 启动频率空载时步进电机由静止状态突然启动并

进入不丢步的正常运行的最高频率 步进电机带负载下的启动频率要比空载启动频率低并随负载增加而进一步降低

（ 4 ）连续运行的最高工作频率 最高工作频率步进电机启动后保证连续不丢步运行

的最高工作频率 决定了定子绕组通电状态下最高变化的频率即决定了

步进电机的最高转速（ 5 ）加减速特性 加减速特性步进电机由静止刀工作频率和由工作频率

到静止的加减速过程中定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系

（ 6 ）矩频特性与动态转矩 矩频特性描述步进电机连续稳定运行时输出转矩 M 与连续运行频率 f之间的关系

动态转矩矩频特性曲线上每个频率对应的转矩 步进电机正常运行时动态转矩随连续运行频率的上升

而下降

722 722 步进电机的驱动控制器步进电机的驱动控制器 功能将具有一定频率 f一定数量 N和方向的进给脉冲

转换成控制步进电机各相定子绕组通电断电的电平信号变化频率变化次数和通断电顺序

驱动控制器由环形脉冲分配器和功率放大器组成

1 1 环形脉冲分配器环形脉冲分配器 功能将逻辑电平信号（弱电）变换为电机绕

组所需的具有一定功率的电流脉冲信号（强电）即将数控装置的插补脉冲按步进电机所要求的规律分配给步进电机的各相输入端以控制励磁绕组的通断电

分类硬件环形分配器和软件环形分配器 硬件环形分配器步进电机驱动装置本身带有

环形分配器 软件环形分配器驱动装置本身无环形分配器

环形分配需要软件完成

硬件环形分配器硬件环形分配器 输入输出信号一般为 TTL 电平输出信号 A B C 为

高电平时表示相应绕组通电低电平时表示相应绕组失电 CLK 为数控装置发出的脉冲信号每个脉冲信号的上升或下降沿到来时输出改变一次绕组的通电状态

DIR 为数控装置发出的方向信号其电平高低对应电机绕组通电顺序的改变即步进电机的正反转

FULLHALF 控制电机的整步或半步

三相六拍环形脉冲分配器原理图三相六拍环形脉冲分配器原理图

软件环形脉冲分配器软件环形脉冲分配器 软件环形脉冲分配器的设计方法有查表法比较法移位寄存器法等

如图所示 8031 单片机的 P1口的三个引脚经过光电隔离功率放大后分别与电机的 A B C连接

采用三相六拍方式时电机正转的通电顺序为 A － gtAB －gtB － gtBC － gtC － gtCA － gtA － gt

电机反转的通电顺序为 A － gtAC － gtC － gtCB － gtB － gtBA － gtA － gt

2 2 功率放大器功率放大器 功能将环形分配器输出的脉冲信号放大以用足够的功率来驱动步进电机

（ 1 ）单电压功率放大器

（ 2 ）高低电压功率放大器

（ 3 ）斩波恒流功率放大器

（ 4 ）调频调压功率放大器

723 723 提高步进伺服系统精度的措施提高步进伺服系统精度的措施1 传动间隙补偿 提高机床传动元件的齿轮丝杠制造装配精度并采

取消除传动间隙的措施只能减少不能完全消除传动间隙

机械传动链在改变运动或旋转方向时最初若干个指令脉冲只能起到消除间隙的作用造成步进电机的空走而工作台无实际移动从而产生传动误差

补偿方法先测出并存储间隙大小接收反向位移指令时先不向步进电机输出反向位移脉冲而将间隙值转换为脉冲数 N 驱动步进电机转动越过传动间隙然后按照指令脉冲动作

传动间隙补偿示意图传动间隙补偿示意图

2 螺距误差补偿 传动链中滚珠丝杠螺

距的制造误差直接影响机床工作台的位移精度

补偿方法设置若干个补偿点在每个补偿点测量并记录工作台位移误差确定补偿值并作为控制参数输送给数控装置

设备运行时工作台每经过一个补偿点CNC 系统就加入补偿量补偿螺距误差

3 细分线路 细分驱动将一个步距角细分为若干步的驱动方法

73 73 直流伺服电机与速度控制直流伺服电机与速度控制731 直流伺服电机1 直流伺服电机的类型 按电枢的结构和形状分平滑电枢型空心电枢型和有槽电枢型等

按定子磁场产生方式分永磁式和他励式 按转子转动惯量大小分大惯量中惯量和小惯量伺服电机2 直流伺服电机的结构（ 1 ）定子产生定子磁极磁场（ 2 ）转子表面嵌有线圈通直流电时在定子磁场作用下

产生带负载旋转的电磁转矩（ 3 ）电刷与换向片为使产生的电磁转矩保持恒定的方向保证转子能沿着固定方向均匀地连续旋转将电刷与外加直流电源连接换向片与电枢线圈连接

3 直流伺服电机的工作原理（ 1 ）永磁式直流电机工作原理 直流电压加在 A B两电刷之间电流从 A 流入从 B 流出导体 ab和 cd受到逆时针方向作用力转子在逆时针方向地电磁转矩作用下旋转

当电枢转过 90deg 电枢线圈处于磁极的中性面电刷与换向片断开无电磁转矩作用

在惯性作用下电枢继续转动一个角度当电刷与换向片再次接触时导体 ab和 cd交换了位置ab和 cd中的电流也发生改变从而保证电枢受到地电磁转矩方向不变因此电枢可以连续转动

（ 2 ）他励式直流电机工作原理 定子上有磁励绕住和补偿绕组转子绕组通过电刷供电

转子磁场与定子磁场始终正交产生转矩转子旋转

732 732 直流进给速度控制单元直流进给速度控制单元 直流电机地机械特性公式

公式中 n为电机转速 Ua为电枢外加电压 Ce为反电动势常数Φ为电机磁通量 Ra为电枢电阻 Cm为转矩常数M为电磁转矩

直流电机的三种调速方法 改变电枢外加电压 Ua该方法可以得到调速范围较宽的

恒转矩特性机械特性好适用于主轴驱动的低速段和进给驱动

改变磁通量Φ可得到恒功率特性适用于主轴驱动的高速段不适合于进给驱动

改变电枢电路的电阻 Ra该方法得到的机械特性较软不能实现无级调速也不适合于数控机床

MCC

R

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1 晶闸管直流调速系统 三相全控桥式整流电路作为直流速度控制单元的主电路 两组正负对接的晶闸管一组用于提供正向电压供电机正转 一组提供反向电压供电机反转 通过对 12 个晶闸管触发延迟角的控制达到控制电机电枢电压从而

对电机进行调速

双环调度系统 速度调节器和电流调节器均是由线性集成放大器和阻容元件构成的 PI 调节器

速度环起主导作用电流环的作用是在启动和堵转时限制最大电枢电流

2 晶体管脉宽调制（ PWM ）直流调速系统（ 1 ） PWM 系统的组成及工作原理 脉宽调制使功率放大器中的晶体管工作在开关状态下

开关频率保持恒定用调整开关周期内的晶体管导通时间的办法来改变输出从而使得电机电枢两端获得宽度随时间变化的给定频率的电压脉冲

脉宽连续变化使得电枢电压平均值连续变化进而导致电机转速连续变化

2 脉宽调制器

74 74 交流伺服电机与速度控制交流伺服电机与速度控制741 交流伺服电机1 交流伺服电机的类型 永磁式交流伺服电机和感应式交流伺服电机 共同点工作原理均由定子绕组产生旋转磁场

使得转子跟随定子旋转磁场一起运转 不同点永磁式伺服电机的转速与外加交流电源的频率存在着严格的同步关系即电机的转速等于旋转磁场的同步转速而感应式伺服电机由于需要转速差才能产生电磁转矩因此电机的转速低于磁场同步转速负载越大转速差越大

2 永磁交流伺服电机结构与工作原理 电机结构由定子转子和检测元件组成其中 1 －定子 2 －转子 3 －压板 4 －定子三相绕组 5 －脉冲编码器 6 －接线盒

工作原理定子三相绕组接上电源后产生一个旋转磁场该旋转磁场以同步转速 n0 旋转

定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极相互吸引并带动转子以同步转速 n0 一起旋转

当转子轴上加有负载转矩后造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合相差一个 θ角负载转矩发生变化时 θ角也发生变化

只要不超过一定限度转子始终跟随定子的旋转磁场以同步转速 n

0 旋转

742 742 交流进给速度控制单元交流进给速度控制单元1 交流伺服电机调速原理 同步型交流伺服电机的转速 n=n0=60fp 异步型交流伺服电机的转速 n=(60fp) （ 1-

s ）

电机调速的三种方法（ 1 ）改变磁极对数 P有级调速方法通过对定

子绕组接线的切换而改变磁极对数来实现（ 2 ）改变转差率 s只适合于异步型交流电机的

调速（ 3 ）变频调速通过改变电机电源的频率 f而改

变电机的转速

2 SPWM 变频调速 （ 1 ） SPWM 调制原理 （ 2 ） SPWM 变频器的功率放大电路 （ 3 ） SPWM 变频调速系统 速度给定器给定信号控制频率电压及正反转 平稳启动回路使启动加减速时间可随机械负载设定以达到软启动的目的

函数发生器在输出低频信号时保持电机气隙磁通一定补偿定子电压降的影响

电压频率变压器将电压转换为频率经分频器环形计数器产生方波和经三角波发生器产生的三角波一起送入调制回路

电压调节器产生频率和幅度可调的控制正弦波送入调制回路送入调制回路在调制回路中进行 SPWM 变换产生三相的脉冲宽度调制信号在基极回路中输出信号至功率晶体管基极即对 SPWM 的主回路进行控制实现对永磁交流伺服电机的变频调速

电流检测器过载保护

75 75 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 与传统数控机床进给系统中的ldquo旋转伺服电机＋滚珠丝杠rdquo不同直线电机直接驱动机床工作台取消驱动电机和工作台之间的一切中间传动环节

751 直线电机 分为交流和直流两种交流直线电机又分为感

应异步式和永磁同步式 直线电机相当于把旋转电机沿过轴线的平面剖

开并将定子转子圆周展开为平面和进行一些演变形成

感应异步式直线电机演变过程感应异步式直线电机演变过程

永磁同步式直线电机演变过程永磁同步式直线电机演变过程

2 直线电机的工作原理 基本原理利用电磁作用将电能转换为动能（ 1 ）感应异步式直线电机的结构及工作原理（ 2 ）永磁同步式直线电机工作原理3 直线电机的特点 调节速度方便 加速度大响应快 定位精度和跟踪精度高 行程不受限制

752 752 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 由执行器控制器和位置检测装置组成 执行器直线电机本体 控制器由 CNC 控制器和 DDS 数值控制模块组成 位置检测装置光栅感应同步尺等

直线电机进给控制系统直线电机进给控制系统 双环系统内环为速度环外环为位置环 位置环接收来自光栅尺的位置反馈信号及插补信号

的比较信号来控制速度环的指令速度从而调节执行件的位置始终与指令位置保持一致

速度环根据位置环的指令速度快速而准确控制电机使得其不受负载转矩大小和方向的影响并快速跟踪指令速度的变化

753 753 直线电机对控制质量的影响直线电机对控制质量的影响1 路径生成问题 三个方面加加速度插补和对加工程序段的预处理2 直线电机对负载刚性的影响 三个因素速度控制环比例增益积分时间和在没有前馈控制情况下的位置控制环比例增益

3 影响定位时间的因素 四个因素最大加速度速度加加速度和位置控制

进给前馈实际增益4 影响加工路径精度的因素 三个因素路径生成最大加速度和位置控制进给前馈

实际增益

76 76 伺服系统的位置控制伺服系统的位置控制761 数字－脉冲比较伺服系统 将指令脉冲 F与反馈脉冲 Pf进行比较决定位置偏差 e再

将位置偏差 e放大后输出给速度控制单元和电机执行以减少和消除位置偏差

半闭环系统中检测元件多采用光电编码器闭环系统中检测元件多采用光栅

工作过程当指令脉冲为正而反馈脉冲为负时计数器作加法运算当指令脉冲为负而反馈脉冲为正时计数器作减法运算

计数器的计算结果 当 e＝ F－ Pfgt0 时工作台正向移动 当 e＝ F－ Pflt0 时工作台反向运动 当 e＝ F－ Pf＝ 0 时工作台静止

半闭环数值比较系统结构半闭环数值比较系统结构

762 762 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 常用检测元件是旋转变压器和感应同步器 脉冲调相器（数字相位变化器）将来自数控装置

的进给脉冲信号转换为相位变化信号

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

712 712 伺服系统的组成伺服系统的组成 由控制器功率驱动装置检测反馈装置和伺服电机组成（ 1 ）控制器由位置调解单元速度调解单元和电流调解单

元组成 控制器最多构成三闭环控制外环为位置环中环为速度环

内环为电流环（ 2 ）功率驱动装置由驱动信号产生电路和功率放大器等组

成 功能一方面按控制量大小将电网中的电能作用到电机上

调节电机力矩的大小另一方面按电机要求将恒压恒频的电网供电转换为电机所需直流电或交流电

（ 3 ）位置检测装置闭环和半闭环伺服系统有位置检测装置其安装位置不同开环伺服系统无位置检测装置

（ 4 ）伺服电机闭环和半闭环伺服系统采用交流或直流伺服电机开环伺服系统采用步进电机

伺服系统结构伺服系统结构

713 713 数控机床对伺服系统的要求数控机床对伺服系统的要求1 数控机床对进给伺服系统的要求（ 1 ）调速范围大低速转矩大 调速范围机械装置要求电机能提供的最高进给速

度相对于最低进给速度之比 为保证所有加工条件下均能得到最佳切削条件和

加工质量就要求进给速度在较大的范围内变化 低速切削要求电机输出较大的转矩避免出现低速爬行现象

（ 2 ）精度高 精度伺服系统的输出量跟随输入量的精确程度 为保证数控加工精度要求主要保证机床的定位精

度和进给跟踪精度

（ 3 ）快速响应无超调 快速响应反映系统的跟踪精度（ 4 ）稳定性好可靠性高 稳定性系统在给定输入或外界干扰作用下能经

过短暂的调节达到新的或恢复到原来平衡状态 系统具有较好的抗干扰能力能保证进给速度均匀

平稳（ 5 ）足够的传动刚性较强的过载能力电机的惯

量与移动部件的惯量相匹配伺服电机能够频繁启停和可逆运行

2 数控机床对主轴伺服系统的要求（ 1 ）足够的输出功率 主轴转速高输出转矩小主轴转速低输出转

矩大要求主轴驱动装置具有恒功率性质（ 2 ）调速范围宽 数控机床的变速依照指令自动执行要求能够在

较宽的转速范围内进行无级调速较少中间传递环节简化主轴箱

（ 3 ）定位准停功能 为使得数控车床具有螺纹切削等功能要求主轴

能与进给驱动实行同步控制 在加工中为自动换刀要求主轴具有高精度的准停功能

72 72 步进电机伺服系统步进电机伺服系统

步进电机一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件

数控装置输出的进给脉冲数量频率和方向经过驱动控制电路达到步进电机后可以转换为工作台的位移量进给速度和方向

721 步进电机

驱动控制线路 步进电机

工作台

指令脉冲丝杠

开环步进式伺服系统组成框图

1 1 步进电机的类步进电机的类型型

分类方式 具体类型

转矩产生原理 ①反应式（磁阻式）②永磁式③永磁感应式（混合式）

输出力矩大小

①伺服式输出力矩在百分之几至十分之几（ Nbullm ）只能驱动较小的负载要求与液压扭矩放大器配用才能驱动机床工作台等较大的负载 ②功率式输出力矩在 5-50 （ Nbullm ）以上可以直接驱动机床工作台等较大的负载

相数 ①三相②四相③五相④六相

各相绕组分布 ①径向分相式电机各相按圆周依次排列 ②轴向分向式电机各相按轴依次排列

运动方式 ①旋转运动式②直线运动式③平面运动式④滚动运动式

定子数 ①单定子式②双定子式③三定子式④多定子式

2 2 步进电机的结构步进电机的结构（ 1 ）反应式步进电机 步进电机由定子和转子组成

定子分定子铁芯和定子励磁绕组 1 －定子绕组 2 －转子铁芯 3 － A 相磁通 4 －定子铁芯

定子铁芯由电工硅钢片叠压而成定子绕组是绕置在定子铁芯 6 个均匀分布的齿上的线圈在直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起构成一相控制绕组

步进电机可构成 A B C三相控制绕组称为三相步进电机若任一相绕组通电就形成一组定子磁极

定子的每个磁极正对转子的圆弧面上均都均匀分布着 5 个小齿呈梳状排列齿槽等宽齿间夹角为 9deg

转子上没有绕组只有均匀分布的 40 个小齿其大小和间距与定子上的完全相同

三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开 13 齿距

当 A 相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时 B 相磁极上的齿刚好超前（或滞后）转子齿 13 齿距角即 3deg C 相磁极齿超前（或滞后）转子齿 23 齿距角

步距角步进电机每走一步所转过的角度其大小等于错齿的角度

（ 2 ）永磁式步进电机 定子和转子中的某一方永永久磁钢另一方由软磁材料制成

其上由励磁绕组 绕组通电建立的磁场与永久磁钢的恒定磁场相互作用产生

转矩（ 3 ）永磁感应式步进电机 转子由环行磁钢及两段铁芯构成

3 3 反应式步进电机工作原理反应式步进电机工作原理 步进电机基于电磁力的吸引和排斥产生转矩 定子绕组所加电源要求是脉冲电流形式也称为脉冲电

机 步进电机定子绕组的通电状态每改变一次即送给步进

电机一个电流脉冲其转子就转过一个确定的角度即步距角 α脉冲数增加角位移也增加无脉冲时电机停止

改变步进电机定子绕组的通电顺序转子的旋转方向改变

步进电机定子绕组通电状态的改变速度越快其转子旋转速度越快即脉冲频率越高转子转速越高但脉冲频率不能过高否则产生失步或超步

4 4 反应式步进电机主要特征反应式步进电机主要特征

（ 1 ）步距角和静态步距误差 步进电机步距角 α与定子绕组的相数 m转子的齿数 z

通电方式 k有关即有 α＝ 360deg(mzk) 其中 m相 m拍时 k＝ 1 m相 2m拍时 k＝ 2 依此类推例如三相三拍 z＝ 40 时 α＝ 360deg(3times40times1) ＝ 3deg

静态步距误差在空载情况下理论的步距角与实际的步距角之差以分表示一般在 10prime 之内

步距误差主要由步进电机步距制造误差定子和转子间气隙不均匀以及各相电磁转矩不均匀等因素造成

（ 2 ）静态转矩与矩角特性

静态转矩当步进电机某相通电时转子处于不动状态此时在电机轴上加一个负载转矩转子就按一定方向转过一个角度 θ（失调角）此时转子所受的电磁转矩M即为静态转矩

矩角特性静态转矩M与 θ的关系

（ 3 ）启动频率 启动频率空载时步进电机由静止状态突然启动并

进入不丢步的正常运行的最高频率 步进电机带负载下的启动频率要比空载启动频率低并随负载增加而进一步降低

（ 4 ）连续运行的最高工作频率 最高工作频率步进电机启动后保证连续不丢步运行

的最高工作频率 决定了定子绕组通电状态下最高变化的频率即决定了

步进电机的最高转速（ 5 ）加减速特性 加减速特性步进电机由静止刀工作频率和由工作频率

到静止的加减速过程中定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系

（ 6 ）矩频特性与动态转矩 矩频特性描述步进电机连续稳定运行时输出转矩 M 与连续运行频率 f之间的关系

动态转矩矩频特性曲线上每个频率对应的转矩 步进电机正常运行时动态转矩随连续运行频率的上升

而下降

722 722 步进电机的驱动控制器步进电机的驱动控制器 功能将具有一定频率 f一定数量 N和方向的进给脉冲

转换成控制步进电机各相定子绕组通电断电的电平信号变化频率变化次数和通断电顺序

驱动控制器由环形脉冲分配器和功率放大器组成

1 1 环形脉冲分配器环形脉冲分配器 功能将逻辑电平信号（弱电）变换为电机绕

组所需的具有一定功率的电流脉冲信号（强电）即将数控装置的插补脉冲按步进电机所要求的规律分配给步进电机的各相输入端以控制励磁绕组的通断电

分类硬件环形分配器和软件环形分配器 硬件环形分配器步进电机驱动装置本身带有

环形分配器 软件环形分配器驱动装置本身无环形分配器

环形分配需要软件完成

硬件环形分配器硬件环形分配器 输入输出信号一般为 TTL 电平输出信号 A B C 为

高电平时表示相应绕组通电低电平时表示相应绕组失电 CLK 为数控装置发出的脉冲信号每个脉冲信号的上升或下降沿到来时输出改变一次绕组的通电状态

DIR 为数控装置发出的方向信号其电平高低对应电机绕组通电顺序的改变即步进电机的正反转

FULLHALF 控制电机的整步或半步

三相六拍环形脉冲分配器原理图三相六拍环形脉冲分配器原理图

软件环形脉冲分配器软件环形脉冲分配器 软件环形脉冲分配器的设计方法有查表法比较法移位寄存器法等

如图所示 8031 单片机的 P1口的三个引脚经过光电隔离功率放大后分别与电机的 A B C连接

采用三相六拍方式时电机正转的通电顺序为 A － gtAB －gtB － gtBC － gtC － gtCA － gtA － gt

电机反转的通电顺序为 A － gtAC － gtC － gtCB － gtB － gtBA － gtA － gt

2 2 功率放大器功率放大器 功能将环形分配器输出的脉冲信号放大以用足够的功率来驱动步进电机

（ 1 ）单电压功率放大器

（ 2 ）高低电压功率放大器

（ 3 ）斩波恒流功率放大器

（ 4 ）调频调压功率放大器

723 723 提高步进伺服系统精度的措施提高步进伺服系统精度的措施1 传动间隙补偿 提高机床传动元件的齿轮丝杠制造装配精度并采

取消除传动间隙的措施只能减少不能完全消除传动间隙

机械传动链在改变运动或旋转方向时最初若干个指令脉冲只能起到消除间隙的作用造成步进电机的空走而工作台无实际移动从而产生传动误差

补偿方法先测出并存储间隙大小接收反向位移指令时先不向步进电机输出反向位移脉冲而将间隙值转换为脉冲数 N 驱动步进电机转动越过传动间隙然后按照指令脉冲动作

传动间隙补偿示意图传动间隙补偿示意图

2 螺距误差补偿 传动链中滚珠丝杠螺

距的制造误差直接影响机床工作台的位移精度

补偿方法设置若干个补偿点在每个补偿点测量并记录工作台位移误差确定补偿值并作为控制参数输送给数控装置

设备运行时工作台每经过一个补偿点CNC 系统就加入补偿量补偿螺距误差

3 细分线路 细分驱动将一个步距角细分为若干步的驱动方法

73 73 直流伺服电机与速度控制直流伺服电机与速度控制731 直流伺服电机1 直流伺服电机的类型 按电枢的结构和形状分平滑电枢型空心电枢型和有槽电枢型等

按定子磁场产生方式分永磁式和他励式 按转子转动惯量大小分大惯量中惯量和小惯量伺服电机2 直流伺服电机的结构（ 1 ）定子产生定子磁极磁场（ 2 ）转子表面嵌有线圈通直流电时在定子磁场作用下

产生带负载旋转的电磁转矩（ 3 ）电刷与换向片为使产生的电磁转矩保持恒定的方向保证转子能沿着固定方向均匀地连续旋转将电刷与外加直流电源连接换向片与电枢线圈连接

3 直流伺服电机的工作原理（ 1 ）永磁式直流电机工作原理 直流电压加在 A B两电刷之间电流从 A 流入从 B 流出导体 ab和 cd受到逆时针方向作用力转子在逆时针方向地电磁转矩作用下旋转

当电枢转过 90deg 电枢线圈处于磁极的中性面电刷与换向片断开无电磁转矩作用

在惯性作用下电枢继续转动一个角度当电刷与换向片再次接触时导体 ab和 cd交换了位置ab和 cd中的电流也发生改变从而保证电枢受到地电磁转矩方向不变因此电枢可以连续转动

（ 2 ）他励式直流电机工作原理 定子上有磁励绕住和补偿绕组转子绕组通过电刷供电

转子磁场与定子磁场始终正交产生转矩转子旋转

732 732 直流进给速度控制单元直流进给速度控制单元 直流电机地机械特性公式

公式中 n为电机转速 Ua为电枢外加电压 Ce为反电动势常数Φ为电机磁通量 Ra为电枢电阻 Cm为转矩常数M为电磁转矩

直流电机的三种调速方法 改变电枢外加电压 Ua该方法可以得到调速范围较宽的

恒转矩特性机械特性好适用于主轴驱动的低速段和进给驱动

改变磁通量Φ可得到恒功率特性适用于主轴驱动的高速段不适合于进给驱动

改变电枢电路的电阻 Ra该方法得到的机械特性较软不能实现无级调速也不适合于数控机床

MCC

R

C

Un

me

a

e

a2

1 晶闸管直流调速系统 三相全控桥式整流电路作为直流速度控制单元的主电路 两组正负对接的晶闸管一组用于提供正向电压供电机正转 一组提供反向电压供电机反转 通过对 12 个晶闸管触发延迟角的控制达到控制电机电枢电压从而

对电机进行调速

双环调度系统 速度调节器和电流调节器均是由线性集成放大器和阻容元件构成的 PI 调节器

速度环起主导作用电流环的作用是在启动和堵转时限制最大电枢电流

2 晶体管脉宽调制（ PWM ）直流调速系统（ 1 ） PWM 系统的组成及工作原理 脉宽调制使功率放大器中的晶体管工作在开关状态下

开关频率保持恒定用调整开关周期内的晶体管导通时间的办法来改变输出从而使得电机电枢两端获得宽度随时间变化的给定频率的电压脉冲

脉宽连续变化使得电枢电压平均值连续变化进而导致电机转速连续变化

2 脉宽调制器

74 74 交流伺服电机与速度控制交流伺服电机与速度控制741 交流伺服电机1 交流伺服电机的类型 永磁式交流伺服电机和感应式交流伺服电机 共同点工作原理均由定子绕组产生旋转磁场

使得转子跟随定子旋转磁场一起运转 不同点永磁式伺服电机的转速与外加交流电源的频率存在着严格的同步关系即电机的转速等于旋转磁场的同步转速而感应式伺服电机由于需要转速差才能产生电磁转矩因此电机的转速低于磁场同步转速负载越大转速差越大

2 永磁交流伺服电机结构与工作原理 电机结构由定子转子和检测元件组成其中 1 －定子 2 －转子 3 －压板 4 －定子三相绕组 5 －脉冲编码器 6 －接线盒

工作原理定子三相绕组接上电源后产生一个旋转磁场该旋转磁场以同步转速 n0 旋转

定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极相互吸引并带动转子以同步转速 n0 一起旋转

当转子轴上加有负载转矩后造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合相差一个 θ角负载转矩发生变化时 θ角也发生变化

只要不超过一定限度转子始终跟随定子的旋转磁场以同步转速 n

0 旋转

742 742 交流进给速度控制单元交流进给速度控制单元1 交流伺服电机调速原理 同步型交流伺服电机的转速 n=n0=60fp 异步型交流伺服电机的转速 n=(60fp) （ 1-

s ）

电机调速的三种方法（ 1 ）改变磁极对数 P有级调速方法通过对定

子绕组接线的切换而改变磁极对数来实现（ 2 ）改变转差率 s只适合于异步型交流电机的

调速（ 3 ）变频调速通过改变电机电源的频率 f而改

变电机的转速

2 SPWM 变频调速 （ 1 ） SPWM 调制原理 （ 2 ） SPWM 变频器的功率放大电路 （ 3 ） SPWM 变频调速系统 速度给定器给定信号控制频率电压及正反转 平稳启动回路使启动加减速时间可随机械负载设定以达到软启动的目的

函数发生器在输出低频信号时保持电机气隙磁通一定补偿定子电压降的影响

电压频率变压器将电压转换为频率经分频器环形计数器产生方波和经三角波发生器产生的三角波一起送入调制回路

电压调节器产生频率和幅度可调的控制正弦波送入调制回路送入调制回路在调制回路中进行 SPWM 变换产生三相的脉冲宽度调制信号在基极回路中输出信号至功率晶体管基极即对 SPWM 的主回路进行控制实现对永磁交流伺服电机的变频调速

电流检测器过载保护

75 75 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 与传统数控机床进给系统中的ldquo旋转伺服电机＋滚珠丝杠rdquo不同直线电机直接驱动机床工作台取消驱动电机和工作台之间的一切中间传动环节

751 直线电机 分为交流和直流两种交流直线电机又分为感

应异步式和永磁同步式 直线电机相当于把旋转电机沿过轴线的平面剖

开并将定子转子圆周展开为平面和进行一些演变形成

感应异步式直线电机演变过程感应异步式直线电机演变过程

永磁同步式直线电机演变过程永磁同步式直线电机演变过程

2 直线电机的工作原理 基本原理利用电磁作用将电能转换为动能（ 1 ）感应异步式直线电机的结构及工作原理（ 2 ）永磁同步式直线电机工作原理3 直线电机的特点 调节速度方便 加速度大响应快 定位精度和跟踪精度高 行程不受限制

752 752 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 由执行器控制器和位置检测装置组成 执行器直线电机本体 控制器由 CNC 控制器和 DDS 数值控制模块组成 位置检测装置光栅感应同步尺等

直线电机进给控制系统直线电机进给控制系统 双环系统内环为速度环外环为位置环 位置环接收来自光栅尺的位置反馈信号及插补信号

的比较信号来控制速度环的指令速度从而调节执行件的位置始终与指令位置保持一致

速度环根据位置环的指令速度快速而准确控制电机使得其不受负载转矩大小和方向的影响并快速跟踪指令速度的变化

753 753 直线电机对控制质量的影响直线电机对控制质量的影响1 路径生成问题 三个方面加加速度插补和对加工程序段的预处理2 直线电机对负载刚性的影响 三个因素速度控制环比例增益积分时间和在没有前馈控制情况下的位置控制环比例增益

3 影响定位时间的因素 四个因素最大加速度速度加加速度和位置控制

进给前馈实际增益4 影响加工路径精度的因素 三个因素路径生成最大加速度和位置控制进给前馈

实际增益

76 76 伺服系统的位置控制伺服系统的位置控制761 数字－脉冲比较伺服系统 将指令脉冲 F与反馈脉冲 Pf进行比较决定位置偏差 e再

将位置偏差 e放大后输出给速度控制单元和电机执行以减少和消除位置偏差

半闭环系统中检测元件多采用光电编码器闭环系统中检测元件多采用光栅

工作过程当指令脉冲为正而反馈脉冲为负时计数器作加法运算当指令脉冲为负而反馈脉冲为正时计数器作减法运算

计数器的计算结果 当 e＝ F－ Pfgt0 时工作台正向移动 当 e＝ F－ Pflt0 时工作台反向运动 当 e＝ F－ Pf＝ 0 时工作台静止

半闭环数值比较系统结构半闭环数值比较系统结构

762 762 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 常用检测元件是旋转变压器和感应同步器 脉冲调相器（数字相位变化器）将来自数控装置

的进给脉冲信号转换为相位变化信号

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

伺服系统结构伺服系统结构

713 713 数控机床对伺服系统的要求数控机床对伺服系统的要求1 数控机床对进给伺服系统的要求（ 1 ）调速范围大低速转矩大 调速范围机械装置要求电机能提供的最高进给速

度相对于最低进给速度之比 为保证所有加工条件下均能得到最佳切削条件和

加工质量就要求进给速度在较大的范围内变化 低速切削要求电机输出较大的转矩避免出现低速爬行现象

（ 2 ）精度高 精度伺服系统的输出量跟随输入量的精确程度 为保证数控加工精度要求主要保证机床的定位精

度和进给跟踪精度

（ 3 ）快速响应无超调 快速响应反映系统的跟踪精度（ 4 ）稳定性好可靠性高 稳定性系统在给定输入或外界干扰作用下能经

过短暂的调节达到新的或恢复到原来平衡状态 系统具有较好的抗干扰能力能保证进给速度均匀

平稳（ 5 ）足够的传动刚性较强的过载能力电机的惯

量与移动部件的惯量相匹配伺服电机能够频繁启停和可逆运行

2 数控机床对主轴伺服系统的要求（ 1 ）足够的输出功率 主轴转速高输出转矩小主轴转速低输出转

矩大要求主轴驱动装置具有恒功率性质（ 2 ）调速范围宽 数控机床的变速依照指令自动执行要求能够在

较宽的转速范围内进行无级调速较少中间传递环节简化主轴箱

（ 3 ）定位准停功能 为使得数控车床具有螺纹切削等功能要求主轴

能与进给驱动实行同步控制 在加工中为自动换刀要求主轴具有高精度的准停功能

72 72 步进电机伺服系统步进电机伺服系统

步进电机一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件

数控装置输出的进给脉冲数量频率和方向经过驱动控制电路达到步进电机后可以转换为工作台的位移量进给速度和方向

721 步进电机

驱动控制线路 步进电机

工作台

指令脉冲丝杠

开环步进式伺服系统组成框图

1 1 步进电机的类步进电机的类型型

分类方式 具体类型

转矩产生原理 ①反应式（磁阻式）②永磁式③永磁感应式（混合式）

输出力矩大小

①伺服式输出力矩在百分之几至十分之几（ Nbullm ）只能驱动较小的负载要求与液压扭矩放大器配用才能驱动机床工作台等较大的负载 ②功率式输出力矩在 5-50 （ Nbullm ）以上可以直接驱动机床工作台等较大的负载

相数 ①三相②四相③五相④六相

各相绕组分布 ①径向分相式电机各相按圆周依次排列 ②轴向分向式电机各相按轴依次排列

运动方式 ①旋转运动式②直线运动式③平面运动式④滚动运动式

定子数 ①单定子式②双定子式③三定子式④多定子式

2 2 步进电机的结构步进电机的结构（ 1 ）反应式步进电机 步进电机由定子和转子组成

定子分定子铁芯和定子励磁绕组 1 －定子绕组 2 －转子铁芯 3 － A 相磁通 4 －定子铁芯

定子铁芯由电工硅钢片叠压而成定子绕组是绕置在定子铁芯 6 个均匀分布的齿上的线圈在直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起构成一相控制绕组

步进电机可构成 A B C三相控制绕组称为三相步进电机若任一相绕组通电就形成一组定子磁极

定子的每个磁极正对转子的圆弧面上均都均匀分布着 5 个小齿呈梳状排列齿槽等宽齿间夹角为 9deg

转子上没有绕组只有均匀分布的 40 个小齿其大小和间距与定子上的完全相同

三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开 13 齿距

当 A 相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时 B 相磁极上的齿刚好超前（或滞后）转子齿 13 齿距角即 3deg C 相磁极齿超前（或滞后）转子齿 23 齿距角

步距角步进电机每走一步所转过的角度其大小等于错齿的角度

（ 2 ）永磁式步进电机 定子和转子中的某一方永永久磁钢另一方由软磁材料制成

其上由励磁绕组 绕组通电建立的磁场与永久磁钢的恒定磁场相互作用产生

转矩（ 3 ）永磁感应式步进电机 转子由环行磁钢及两段铁芯构成

3 3 反应式步进电机工作原理反应式步进电机工作原理 步进电机基于电磁力的吸引和排斥产生转矩 定子绕组所加电源要求是脉冲电流形式也称为脉冲电

机 步进电机定子绕组的通电状态每改变一次即送给步进

电机一个电流脉冲其转子就转过一个确定的角度即步距角 α脉冲数增加角位移也增加无脉冲时电机停止

改变步进电机定子绕组的通电顺序转子的旋转方向改变

步进电机定子绕组通电状态的改变速度越快其转子旋转速度越快即脉冲频率越高转子转速越高但脉冲频率不能过高否则产生失步或超步

4 4 反应式步进电机主要特征反应式步进电机主要特征

（ 1 ）步距角和静态步距误差 步进电机步距角 α与定子绕组的相数 m转子的齿数 z

通电方式 k有关即有 α＝ 360deg(mzk) 其中 m相 m拍时 k＝ 1 m相 2m拍时 k＝ 2 依此类推例如三相三拍 z＝ 40 时 α＝ 360deg(3times40times1) ＝ 3deg

静态步距误差在空载情况下理论的步距角与实际的步距角之差以分表示一般在 10prime 之内

步距误差主要由步进电机步距制造误差定子和转子间气隙不均匀以及各相电磁转矩不均匀等因素造成

（ 2 ）静态转矩与矩角特性

静态转矩当步进电机某相通电时转子处于不动状态此时在电机轴上加一个负载转矩转子就按一定方向转过一个角度 θ（失调角）此时转子所受的电磁转矩M即为静态转矩

矩角特性静态转矩M与 θ的关系

（ 3 ）启动频率 启动频率空载时步进电机由静止状态突然启动并

进入不丢步的正常运行的最高频率 步进电机带负载下的启动频率要比空载启动频率低并随负载增加而进一步降低

（ 4 ）连续运行的最高工作频率 最高工作频率步进电机启动后保证连续不丢步运行

的最高工作频率 决定了定子绕组通电状态下最高变化的频率即决定了

步进电机的最高转速（ 5 ）加减速特性 加减速特性步进电机由静止刀工作频率和由工作频率

到静止的加减速过程中定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系

（ 6 ）矩频特性与动态转矩 矩频特性描述步进电机连续稳定运行时输出转矩 M 与连续运行频率 f之间的关系

动态转矩矩频特性曲线上每个频率对应的转矩 步进电机正常运行时动态转矩随连续运行频率的上升

而下降

722 722 步进电机的驱动控制器步进电机的驱动控制器 功能将具有一定频率 f一定数量 N和方向的进给脉冲

转换成控制步进电机各相定子绕组通电断电的电平信号变化频率变化次数和通断电顺序

驱动控制器由环形脉冲分配器和功率放大器组成

1 1 环形脉冲分配器环形脉冲分配器 功能将逻辑电平信号（弱电）变换为电机绕

组所需的具有一定功率的电流脉冲信号（强电）即将数控装置的插补脉冲按步进电机所要求的规律分配给步进电机的各相输入端以控制励磁绕组的通断电

分类硬件环形分配器和软件环形分配器 硬件环形分配器步进电机驱动装置本身带有

环形分配器 软件环形分配器驱动装置本身无环形分配器

环形分配需要软件完成

硬件环形分配器硬件环形分配器 输入输出信号一般为 TTL 电平输出信号 A B C 为

高电平时表示相应绕组通电低电平时表示相应绕组失电 CLK 为数控装置发出的脉冲信号每个脉冲信号的上升或下降沿到来时输出改变一次绕组的通电状态

DIR 为数控装置发出的方向信号其电平高低对应电机绕组通电顺序的改变即步进电机的正反转

FULLHALF 控制电机的整步或半步

三相六拍环形脉冲分配器原理图三相六拍环形脉冲分配器原理图

软件环形脉冲分配器软件环形脉冲分配器 软件环形脉冲分配器的设计方法有查表法比较法移位寄存器法等

如图所示 8031 单片机的 P1口的三个引脚经过光电隔离功率放大后分别与电机的 A B C连接

采用三相六拍方式时电机正转的通电顺序为 A － gtAB －gtB － gtBC － gtC － gtCA － gtA － gt

电机反转的通电顺序为 A － gtAC － gtC － gtCB － gtB － gtBA － gtA － gt

2 2 功率放大器功率放大器 功能将环形分配器输出的脉冲信号放大以用足够的功率来驱动步进电机

（ 1 ）单电压功率放大器

（ 2 ）高低电压功率放大器

（ 3 ）斩波恒流功率放大器

（ 4 ）调频调压功率放大器

723 723 提高步进伺服系统精度的措施提高步进伺服系统精度的措施1 传动间隙补偿 提高机床传动元件的齿轮丝杠制造装配精度并采

取消除传动间隙的措施只能减少不能完全消除传动间隙

机械传动链在改变运动或旋转方向时最初若干个指令脉冲只能起到消除间隙的作用造成步进电机的空走而工作台无实际移动从而产生传动误差

补偿方法先测出并存储间隙大小接收反向位移指令时先不向步进电机输出反向位移脉冲而将间隙值转换为脉冲数 N 驱动步进电机转动越过传动间隙然后按照指令脉冲动作

传动间隙补偿示意图传动间隙补偿示意图

2 螺距误差补偿 传动链中滚珠丝杠螺

距的制造误差直接影响机床工作台的位移精度

补偿方法设置若干个补偿点在每个补偿点测量并记录工作台位移误差确定补偿值并作为控制参数输送给数控装置

设备运行时工作台每经过一个补偿点CNC 系统就加入补偿量补偿螺距误差

3 细分线路 细分驱动将一个步距角细分为若干步的驱动方法

73 73 直流伺服电机与速度控制直流伺服电机与速度控制731 直流伺服电机1 直流伺服电机的类型 按电枢的结构和形状分平滑电枢型空心电枢型和有槽电枢型等

按定子磁场产生方式分永磁式和他励式 按转子转动惯量大小分大惯量中惯量和小惯量伺服电机2 直流伺服电机的结构（ 1 ）定子产生定子磁极磁场（ 2 ）转子表面嵌有线圈通直流电时在定子磁场作用下

产生带负载旋转的电磁转矩（ 3 ）电刷与换向片为使产生的电磁转矩保持恒定的方向保证转子能沿着固定方向均匀地连续旋转将电刷与外加直流电源连接换向片与电枢线圈连接

3 直流伺服电机的工作原理（ 1 ）永磁式直流电机工作原理 直流电压加在 A B两电刷之间电流从 A 流入从 B 流出导体 ab和 cd受到逆时针方向作用力转子在逆时针方向地电磁转矩作用下旋转

当电枢转过 90deg 电枢线圈处于磁极的中性面电刷与换向片断开无电磁转矩作用

在惯性作用下电枢继续转动一个角度当电刷与换向片再次接触时导体 ab和 cd交换了位置ab和 cd中的电流也发生改变从而保证电枢受到地电磁转矩方向不变因此电枢可以连续转动

（ 2 ）他励式直流电机工作原理 定子上有磁励绕住和补偿绕组转子绕组通过电刷供电

转子磁场与定子磁场始终正交产生转矩转子旋转

732 732 直流进给速度控制单元直流进给速度控制单元 直流电机地机械特性公式

公式中 n为电机转速 Ua为电枢外加电压 Ce为反电动势常数Φ为电机磁通量 Ra为电枢电阻 Cm为转矩常数M为电磁转矩

直流电机的三种调速方法 改变电枢外加电压 Ua该方法可以得到调速范围较宽的

恒转矩特性机械特性好适用于主轴驱动的低速段和进给驱动

改变磁通量Φ可得到恒功率特性适用于主轴驱动的高速段不适合于进给驱动

改变电枢电路的电阻 Ra该方法得到的机械特性较软不能实现无级调速也不适合于数控机床

MCC

R

C

Un

me

a

e

a2

1 晶闸管直流调速系统 三相全控桥式整流电路作为直流速度控制单元的主电路 两组正负对接的晶闸管一组用于提供正向电压供电机正转 一组提供反向电压供电机反转 通过对 12 个晶闸管触发延迟角的控制达到控制电机电枢电压从而

对电机进行调速

双环调度系统 速度调节器和电流调节器均是由线性集成放大器和阻容元件构成的 PI 调节器

速度环起主导作用电流环的作用是在启动和堵转时限制最大电枢电流

2 晶体管脉宽调制（ PWM ）直流调速系统（ 1 ） PWM 系统的组成及工作原理 脉宽调制使功率放大器中的晶体管工作在开关状态下

开关频率保持恒定用调整开关周期内的晶体管导通时间的办法来改变输出从而使得电机电枢两端获得宽度随时间变化的给定频率的电压脉冲

脉宽连续变化使得电枢电压平均值连续变化进而导致电机转速连续变化

2 脉宽调制器

74 74 交流伺服电机与速度控制交流伺服电机与速度控制741 交流伺服电机1 交流伺服电机的类型 永磁式交流伺服电机和感应式交流伺服电机 共同点工作原理均由定子绕组产生旋转磁场

使得转子跟随定子旋转磁场一起运转 不同点永磁式伺服电机的转速与外加交流电源的频率存在着严格的同步关系即电机的转速等于旋转磁场的同步转速而感应式伺服电机由于需要转速差才能产生电磁转矩因此电机的转速低于磁场同步转速负载越大转速差越大

2 永磁交流伺服电机结构与工作原理 电机结构由定子转子和检测元件组成其中 1 －定子 2 －转子 3 －压板 4 －定子三相绕组 5 －脉冲编码器 6 －接线盒

工作原理定子三相绕组接上电源后产生一个旋转磁场该旋转磁场以同步转速 n0 旋转

定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极相互吸引并带动转子以同步转速 n0 一起旋转

当转子轴上加有负载转矩后造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合相差一个 θ角负载转矩发生变化时 θ角也发生变化

只要不超过一定限度转子始终跟随定子的旋转磁场以同步转速 n

0 旋转

742 742 交流进给速度控制单元交流进给速度控制单元1 交流伺服电机调速原理 同步型交流伺服电机的转速 n=n0=60fp 异步型交流伺服电机的转速 n=(60fp) （ 1-

s ）

电机调速的三种方法（ 1 ）改变磁极对数 P有级调速方法通过对定

子绕组接线的切换而改变磁极对数来实现（ 2 ）改变转差率 s只适合于异步型交流电机的

调速（ 3 ）变频调速通过改变电机电源的频率 f而改

变电机的转速

2 SPWM 变频调速 （ 1 ） SPWM 调制原理 （ 2 ） SPWM 变频器的功率放大电路 （ 3 ） SPWM 变频调速系统 速度给定器给定信号控制频率电压及正反转 平稳启动回路使启动加减速时间可随机械负载设定以达到软启动的目的

函数发生器在输出低频信号时保持电机气隙磁通一定补偿定子电压降的影响

电压频率变压器将电压转换为频率经分频器环形计数器产生方波和经三角波发生器产生的三角波一起送入调制回路

电压调节器产生频率和幅度可调的控制正弦波送入调制回路送入调制回路在调制回路中进行 SPWM 变换产生三相的脉冲宽度调制信号在基极回路中输出信号至功率晶体管基极即对 SPWM 的主回路进行控制实现对永磁交流伺服电机的变频调速

电流检测器过载保护

75 75 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 与传统数控机床进给系统中的ldquo旋转伺服电机＋滚珠丝杠rdquo不同直线电机直接驱动机床工作台取消驱动电机和工作台之间的一切中间传动环节

751 直线电机 分为交流和直流两种交流直线电机又分为感

应异步式和永磁同步式 直线电机相当于把旋转电机沿过轴线的平面剖

开并将定子转子圆周展开为平面和进行一些演变形成

感应异步式直线电机演变过程感应异步式直线电机演变过程

永磁同步式直线电机演变过程永磁同步式直线电机演变过程

2 直线电机的工作原理 基本原理利用电磁作用将电能转换为动能（ 1 ）感应异步式直线电机的结构及工作原理（ 2 ）永磁同步式直线电机工作原理3 直线电机的特点 调节速度方便 加速度大响应快 定位精度和跟踪精度高 行程不受限制

752 752 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 由执行器控制器和位置检测装置组成 执行器直线电机本体 控制器由 CNC 控制器和 DDS 数值控制模块组成 位置检测装置光栅感应同步尺等

直线电机进给控制系统直线电机进给控制系统 双环系统内环为速度环外环为位置环 位置环接收来自光栅尺的位置反馈信号及插补信号

的比较信号来控制速度环的指令速度从而调节执行件的位置始终与指令位置保持一致

速度环根据位置环的指令速度快速而准确控制电机使得其不受负载转矩大小和方向的影响并快速跟踪指令速度的变化

753 753 直线电机对控制质量的影响直线电机对控制质量的影响1 路径生成问题 三个方面加加速度插补和对加工程序段的预处理2 直线电机对负载刚性的影响 三个因素速度控制环比例增益积分时间和在没有前馈控制情况下的位置控制环比例增益

3 影响定位时间的因素 四个因素最大加速度速度加加速度和位置控制

进给前馈实际增益4 影响加工路径精度的因素 三个因素路径生成最大加速度和位置控制进给前馈

实际增益

76 76 伺服系统的位置控制伺服系统的位置控制761 数字－脉冲比较伺服系统 将指令脉冲 F与反馈脉冲 Pf进行比较决定位置偏差 e再

将位置偏差 e放大后输出给速度控制单元和电机执行以减少和消除位置偏差

半闭环系统中检测元件多采用光电编码器闭环系统中检测元件多采用光栅

工作过程当指令脉冲为正而反馈脉冲为负时计数器作加法运算当指令脉冲为负而反馈脉冲为正时计数器作减法运算

计数器的计算结果 当 e＝ F－ Pfgt0 时工作台正向移动 当 e＝ F－ Pflt0 时工作台反向运动 当 e＝ F－ Pf＝ 0 时工作台静止

半闭环数值比较系统结构半闭环数值比较系统结构

762 762 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 常用检测元件是旋转变压器和感应同步器 脉冲调相器（数字相位变化器）将来自数控装置

的进给脉冲信号转换为相位变化信号

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

713 713 数控机床对伺服系统的要求数控机床对伺服系统的要求1 数控机床对进给伺服系统的要求（ 1 ）调速范围大低速转矩大 调速范围机械装置要求电机能提供的最高进给速

度相对于最低进给速度之比 为保证所有加工条件下均能得到最佳切削条件和

加工质量就要求进给速度在较大的范围内变化 低速切削要求电机输出较大的转矩避免出现低速爬行现象

（ 2 ）精度高 精度伺服系统的输出量跟随输入量的精确程度 为保证数控加工精度要求主要保证机床的定位精

度和进给跟踪精度

（ 3 ）快速响应无超调 快速响应反映系统的跟踪精度（ 4 ）稳定性好可靠性高 稳定性系统在给定输入或外界干扰作用下能经

过短暂的调节达到新的或恢复到原来平衡状态 系统具有较好的抗干扰能力能保证进给速度均匀

平稳（ 5 ）足够的传动刚性较强的过载能力电机的惯

量与移动部件的惯量相匹配伺服电机能够频繁启停和可逆运行

2 数控机床对主轴伺服系统的要求（ 1 ）足够的输出功率 主轴转速高输出转矩小主轴转速低输出转

矩大要求主轴驱动装置具有恒功率性质（ 2 ）调速范围宽 数控机床的变速依照指令自动执行要求能够在

较宽的转速范围内进行无级调速较少中间传递环节简化主轴箱

（ 3 ）定位准停功能 为使得数控车床具有螺纹切削等功能要求主轴

能与进给驱动实行同步控制 在加工中为自动换刀要求主轴具有高精度的准停功能

72 72 步进电机伺服系统步进电机伺服系统

步进电机一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件

数控装置输出的进给脉冲数量频率和方向经过驱动控制电路达到步进电机后可以转换为工作台的位移量进给速度和方向

721 步进电机

驱动控制线路 步进电机

工作台

指令脉冲丝杠

开环步进式伺服系统组成框图

1 1 步进电机的类步进电机的类型型

分类方式 具体类型

转矩产生原理 ①反应式（磁阻式）②永磁式③永磁感应式（混合式）

输出力矩大小

①伺服式输出力矩在百分之几至十分之几（ Nbullm ）只能驱动较小的负载要求与液压扭矩放大器配用才能驱动机床工作台等较大的负载 ②功率式输出力矩在 5-50 （ Nbullm ）以上可以直接驱动机床工作台等较大的负载

相数 ①三相②四相③五相④六相

各相绕组分布 ①径向分相式电机各相按圆周依次排列 ②轴向分向式电机各相按轴依次排列

运动方式 ①旋转运动式②直线运动式③平面运动式④滚动运动式

定子数 ①单定子式②双定子式③三定子式④多定子式

2 2 步进电机的结构步进电机的结构（ 1 ）反应式步进电机 步进电机由定子和转子组成

定子分定子铁芯和定子励磁绕组 1 －定子绕组 2 －转子铁芯 3 － A 相磁通 4 －定子铁芯

定子铁芯由电工硅钢片叠压而成定子绕组是绕置在定子铁芯 6 个均匀分布的齿上的线圈在直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起构成一相控制绕组

步进电机可构成 A B C三相控制绕组称为三相步进电机若任一相绕组通电就形成一组定子磁极

定子的每个磁极正对转子的圆弧面上均都均匀分布着 5 个小齿呈梳状排列齿槽等宽齿间夹角为 9deg

转子上没有绕组只有均匀分布的 40 个小齿其大小和间距与定子上的完全相同

三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开 13 齿距

当 A 相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时 B 相磁极上的齿刚好超前（或滞后）转子齿 13 齿距角即 3deg C 相磁极齿超前（或滞后）转子齿 23 齿距角

步距角步进电机每走一步所转过的角度其大小等于错齿的角度

（ 2 ）永磁式步进电机 定子和转子中的某一方永永久磁钢另一方由软磁材料制成

其上由励磁绕组 绕组通电建立的磁场与永久磁钢的恒定磁场相互作用产生

转矩（ 3 ）永磁感应式步进电机 转子由环行磁钢及两段铁芯构成

3 3 反应式步进电机工作原理反应式步进电机工作原理 步进电机基于电磁力的吸引和排斥产生转矩 定子绕组所加电源要求是脉冲电流形式也称为脉冲电

机 步进电机定子绕组的通电状态每改变一次即送给步进

电机一个电流脉冲其转子就转过一个确定的角度即步距角 α脉冲数增加角位移也增加无脉冲时电机停止

改变步进电机定子绕组的通电顺序转子的旋转方向改变

步进电机定子绕组通电状态的改变速度越快其转子旋转速度越快即脉冲频率越高转子转速越高但脉冲频率不能过高否则产生失步或超步

4 4 反应式步进电机主要特征反应式步进电机主要特征

（ 1 ）步距角和静态步距误差 步进电机步距角 α与定子绕组的相数 m转子的齿数 z

通电方式 k有关即有 α＝ 360deg(mzk) 其中 m相 m拍时 k＝ 1 m相 2m拍时 k＝ 2 依此类推例如三相三拍 z＝ 40 时 α＝ 360deg(3times40times1) ＝ 3deg

静态步距误差在空载情况下理论的步距角与实际的步距角之差以分表示一般在 10prime 之内

步距误差主要由步进电机步距制造误差定子和转子间气隙不均匀以及各相电磁转矩不均匀等因素造成

（ 2 ）静态转矩与矩角特性

静态转矩当步进电机某相通电时转子处于不动状态此时在电机轴上加一个负载转矩转子就按一定方向转过一个角度 θ（失调角）此时转子所受的电磁转矩M即为静态转矩

矩角特性静态转矩M与 θ的关系

（ 3 ）启动频率 启动频率空载时步进电机由静止状态突然启动并

进入不丢步的正常运行的最高频率 步进电机带负载下的启动频率要比空载启动频率低并随负载增加而进一步降低

（ 4 ）连续运行的最高工作频率 最高工作频率步进电机启动后保证连续不丢步运行

的最高工作频率 决定了定子绕组通电状态下最高变化的频率即决定了

步进电机的最高转速（ 5 ）加减速特性 加减速特性步进电机由静止刀工作频率和由工作频率

到静止的加减速过程中定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系

（ 6 ）矩频特性与动态转矩 矩频特性描述步进电机连续稳定运行时输出转矩 M 与连续运行频率 f之间的关系

动态转矩矩频特性曲线上每个频率对应的转矩 步进电机正常运行时动态转矩随连续运行频率的上升

而下降

722 722 步进电机的驱动控制器步进电机的驱动控制器 功能将具有一定频率 f一定数量 N和方向的进给脉冲

转换成控制步进电机各相定子绕组通电断电的电平信号变化频率变化次数和通断电顺序

驱动控制器由环形脉冲分配器和功率放大器组成

1 1 环形脉冲分配器环形脉冲分配器 功能将逻辑电平信号（弱电）变换为电机绕

组所需的具有一定功率的电流脉冲信号（强电）即将数控装置的插补脉冲按步进电机所要求的规律分配给步进电机的各相输入端以控制励磁绕组的通断电

分类硬件环形分配器和软件环形分配器 硬件环形分配器步进电机驱动装置本身带有

环形分配器 软件环形分配器驱动装置本身无环形分配器

环形分配需要软件完成

硬件环形分配器硬件环形分配器 输入输出信号一般为 TTL 电平输出信号 A B C 为

高电平时表示相应绕组通电低电平时表示相应绕组失电 CLK 为数控装置发出的脉冲信号每个脉冲信号的上升或下降沿到来时输出改变一次绕组的通电状态

DIR 为数控装置发出的方向信号其电平高低对应电机绕组通电顺序的改变即步进电机的正反转

FULLHALF 控制电机的整步或半步

三相六拍环形脉冲分配器原理图三相六拍环形脉冲分配器原理图

软件环形脉冲分配器软件环形脉冲分配器 软件环形脉冲分配器的设计方法有查表法比较法移位寄存器法等

如图所示 8031 单片机的 P1口的三个引脚经过光电隔离功率放大后分别与电机的 A B C连接

采用三相六拍方式时电机正转的通电顺序为 A － gtAB －gtB － gtBC － gtC － gtCA － gtA － gt

电机反转的通电顺序为 A － gtAC － gtC － gtCB － gtB － gtBA － gtA － gt

2 2 功率放大器功率放大器 功能将环形分配器输出的脉冲信号放大以用足够的功率来驱动步进电机

（ 1 ）单电压功率放大器

（ 2 ）高低电压功率放大器

（ 3 ）斩波恒流功率放大器

（ 4 ）调频调压功率放大器

723 723 提高步进伺服系统精度的措施提高步进伺服系统精度的措施1 传动间隙补偿 提高机床传动元件的齿轮丝杠制造装配精度并采

取消除传动间隙的措施只能减少不能完全消除传动间隙

机械传动链在改变运动或旋转方向时最初若干个指令脉冲只能起到消除间隙的作用造成步进电机的空走而工作台无实际移动从而产生传动误差

补偿方法先测出并存储间隙大小接收反向位移指令时先不向步进电机输出反向位移脉冲而将间隙值转换为脉冲数 N 驱动步进电机转动越过传动间隙然后按照指令脉冲动作

传动间隙补偿示意图传动间隙补偿示意图

2 螺距误差补偿 传动链中滚珠丝杠螺

距的制造误差直接影响机床工作台的位移精度

补偿方法设置若干个补偿点在每个补偿点测量并记录工作台位移误差确定补偿值并作为控制参数输送给数控装置

设备运行时工作台每经过一个补偿点CNC 系统就加入补偿量补偿螺距误差

3 细分线路 细分驱动将一个步距角细分为若干步的驱动方法

73 73 直流伺服电机与速度控制直流伺服电机与速度控制731 直流伺服电机1 直流伺服电机的类型 按电枢的结构和形状分平滑电枢型空心电枢型和有槽电枢型等

按定子磁场产生方式分永磁式和他励式 按转子转动惯量大小分大惯量中惯量和小惯量伺服电机2 直流伺服电机的结构（ 1 ）定子产生定子磁极磁场（ 2 ）转子表面嵌有线圈通直流电时在定子磁场作用下

产生带负载旋转的电磁转矩（ 3 ）电刷与换向片为使产生的电磁转矩保持恒定的方向保证转子能沿着固定方向均匀地连续旋转将电刷与外加直流电源连接换向片与电枢线圈连接

3 直流伺服电机的工作原理（ 1 ）永磁式直流电机工作原理 直流电压加在 A B两电刷之间电流从 A 流入从 B 流出导体 ab和 cd受到逆时针方向作用力转子在逆时针方向地电磁转矩作用下旋转

当电枢转过 90deg 电枢线圈处于磁极的中性面电刷与换向片断开无电磁转矩作用

在惯性作用下电枢继续转动一个角度当电刷与换向片再次接触时导体 ab和 cd交换了位置ab和 cd中的电流也发生改变从而保证电枢受到地电磁转矩方向不变因此电枢可以连续转动

（ 2 ）他励式直流电机工作原理 定子上有磁励绕住和补偿绕组转子绕组通过电刷供电

转子磁场与定子磁场始终正交产生转矩转子旋转

732 732 直流进给速度控制单元直流进给速度控制单元 直流电机地机械特性公式

公式中 n为电机转速 Ua为电枢外加电压 Ce为反电动势常数Φ为电机磁通量 Ra为电枢电阻 Cm为转矩常数M为电磁转矩

直流电机的三种调速方法 改变电枢外加电压 Ua该方法可以得到调速范围较宽的

恒转矩特性机械特性好适用于主轴驱动的低速段和进给驱动

改变磁通量Φ可得到恒功率特性适用于主轴驱动的高速段不适合于进给驱动

改变电枢电路的电阻 Ra该方法得到的机械特性较软不能实现无级调速也不适合于数控机床

MCC

R

C

Un

me

a

e

a2

1 晶闸管直流调速系统 三相全控桥式整流电路作为直流速度控制单元的主电路 两组正负对接的晶闸管一组用于提供正向电压供电机正转 一组提供反向电压供电机反转 通过对 12 个晶闸管触发延迟角的控制达到控制电机电枢电压从而

对电机进行调速

双环调度系统 速度调节器和电流调节器均是由线性集成放大器和阻容元件构成的 PI 调节器

速度环起主导作用电流环的作用是在启动和堵转时限制最大电枢电流

2 晶体管脉宽调制（ PWM ）直流调速系统（ 1 ） PWM 系统的组成及工作原理 脉宽调制使功率放大器中的晶体管工作在开关状态下

开关频率保持恒定用调整开关周期内的晶体管导通时间的办法来改变输出从而使得电机电枢两端获得宽度随时间变化的给定频率的电压脉冲

脉宽连续变化使得电枢电压平均值连续变化进而导致电机转速连续变化

2 脉宽调制器

74 74 交流伺服电机与速度控制交流伺服电机与速度控制741 交流伺服电机1 交流伺服电机的类型 永磁式交流伺服电机和感应式交流伺服电机 共同点工作原理均由定子绕组产生旋转磁场

使得转子跟随定子旋转磁场一起运转 不同点永磁式伺服电机的转速与外加交流电源的频率存在着严格的同步关系即电机的转速等于旋转磁场的同步转速而感应式伺服电机由于需要转速差才能产生电磁转矩因此电机的转速低于磁场同步转速负载越大转速差越大

2 永磁交流伺服电机结构与工作原理 电机结构由定子转子和检测元件组成其中 1 －定子 2 －转子 3 －压板 4 －定子三相绕组 5 －脉冲编码器 6 －接线盒

工作原理定子三相绕组接上电源后产生一个旋转磁场该旋转磁场以同步转速 n0 旋转

定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极相互吸引并带动转子以同步转速 n0 一起旋转

当转子轴上加有负载转矩后造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合相差一个 θ角负载转矩发生变化时 θ角也发生变化

只要不超过一定限度转子始终跟随定子的旋转磁场以同步转速 n

0 旋转

742 742 交流进给速度控制单元交流进给速度控制单元1 交流伺服电机调速原理 同步型交流伺服电机的转速 n=n0=60fp 异步型交流伺服电机的转速 n=(60fp) （ 1-

s ）

电机调速的三种方法（ 1 ）改变磁极对数 P有级调速方法通过对定

子绕组接线的切换而改变磁极对数来实现（ 2 ）改变转差率 s只适合于异步型交流电机的

调速（ 3 ）变频调速通过改变电机电源的频率 f而改

变电机的转速

2 SPWM 变频调速 （ 1 ） SPWM 调制原理 （ 2 ） SPWM 变频器的功率放大电路 （ 3 ） SPWM 变频调速系统 速度给定器给定信号控制频率电压及正反转 平稳启动回路使启动加减速时间可随机械负载设定以达到软启动的目的

函数发生器在输出低频信号时保持电机气隙磁通一定补偿定子电压降的影响

电压频率变压器将电压转换为频率经分频器环形计数器产生方波和经三角波发生器产生的三角波一起送入调制回路

电压调节器产生频率和幅度可调的控制正弦波送入调制回路送入调制回路在调制回路中进行 SPWM 变换产生三相的脉冲宽度调制信号在基极回路中输出信号至功率晶体管基极即对 SPWM 的主回路进行控制实现对永磁交流伺服电机的变频调速

电流检测器过载保护

75 75 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 与传统数控机床进给系统中的ldquo旋转伺服电机＋滚珠丝杠rdquo不同直线电机直接驱动机床工作台取消驱动电机和工作台之间的一切中间传动环节

751 直线电机 分为交流和直流两种交流直线电机又分为感

应异步式和永磁同步式 直线电机相当于把旋转电机沿过轴线的平面剖

开并将定子转子圆周展开为平面和进行一些演变形成

感应异步式直线电机演变过程感应异步式直线电机演变过程

永磁同步式直线电机演变过程永磁同步式直线电机演变过程

2 直线电机的工作原理 基本原理利用电磁作用将电能转换为动能（ 1 ）感应异步式直线电机的结构及工作原理（ 2 ）永磁同步式直线电机工作原理3 直线电机的特点 调节速度方便 加速度大响应快 定位精度和跟踪精度高 行程不受限制

752 752 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 由执行器控制器和位置检测装置组成 执行器直线电机本体 控制器由 CNC 控制器和 DDS 数值控制模块组成 位置检测装置光栅感应同步尺等

直线电机进给控制系统直线电机进给控制系统 双环系统内环为速度环外环为位置环 位置环接收来自光栅尺的位置反馈信号及插补信号

的比较信号来控制速度环的指令速度从而调节执行件的位置始终与指令位置保持一致

速度环根据位置环的指令速度快速而准确控制电机使得其不受负载转矩大小和方向的影响并快速跟踪指令速度的变化

753 753 直线电机对控制质量的影响直线电机对控制质量的影响1 路径生成问题 三个方面加加速度插补和对加工程序段的预处理2 直线电机对负载刚性的影响 三个因素速度控制环比例增益积分时间和在没有前馈控制情况下的位置控制环比例增益

3 影响定位时间的因素 四个因素最大加速度速度加加速度和位置控制

进给前馈实际增益4 影响加工路径精度的因素 三个因素路径生成最大加速度和位置控制进给前馈

实际增益

76 76 伺服系统的位置控制伺服系统的位置控制761 数字－脉冲比较伺服系统 将指令脉冲 F与反馈脉冲 Pf进行比较决定位置偏差 e再

将位置偏差 e放大后输出给速度控制单元和电机执行以减少和消除位置偏差

半闭环系统中检测元件多采用光电编码器闭环系统中检测元件多采用光栅

工作过程当指令脉冲为正而反馈脉冲为负时计数器作加法运算当指令脉冲为负而反馈脉冲为正时计数器作减法运算

计数器的计算结果 当 e＝ F－ Pfgt0 时工作台正向移动 当 e＝ F－ Pflt0 时工作台反向运动 当 e＝ F－ Pf＝ 0 时工作台静止

半闭环数值比较系统结构半闭环数值比较系统结构

762 762 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 常用检测元件是旋转变压器和感应同步器 脉冲调相器（数字相位变化器）将来自数控装置

的进给脉冲信号转换为相位变化信号

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

（ 3 ）快速响应无超调 快速响应反映系统的跟踪精度（ 4 ）稳定性好可靠性高 稳定性系统在给定输入或外界干扰作用下能经

过短暂的调节达到新的或恢复到原来平衡状态 系统具有较好的抗干扰能力能保证进给速度均匀

平稳（ 5 ）足够的传动刚性较强的过载能力电机的惯

量与移动部件的惯量相匹配伺服电机能够频繁启停和可逆运行

2 数控机床对主轴伺服系统的要求（ 1 ）足够的输出功率 主轴转速高输出转矩小主轴转速低输出转

矩大要求主轴驱动装置具有恒功率性质（ 2 ）调速范围宽 数控机床的变速依照指令自动执行要求能够在

较宽的转速范围内进行无级调速较少中间传递环节简化主轴箱

（ 3 ）定位准停功能 为使得数控车床具有螺纹切削等功能要求主轴

能与进给驱动实行同步控制 在加工中为自动换刀要求主轴具有高精度的准停功能

72 72 步进电机伺服系统步进电机伺服系统

步进电机一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件

数控装置输出的进给脉冲数量频率和方向经过驱动控制电路达到步进电机后可以转换为工作台的位移量进给速度和方向

721 步进电机

驱动控制线路 步进电机

工作台

指令脉冲丝杠

开环步进式伺服系统组成框图

1 1 步进电机的类步进电机的类型型

分类方式 具体类型

转矩产生原理 ①反应式（磁阻式）②永磁式③永磁感应式（混合式）

输出力矩大小

①伺服式输出力矩在百分之几至十分之几（ Nbullm ）只能驱动较小的负载要求与液压扭矩放大器配用才能驱动机床工作台等较大的负载 ②功率式输出力矩在 5-50 （ Nbullm ）以上可以直接驱动机床工作台等较大的负载

相数 ①三相②四相③五相④六相

各相绕组分布 ①径向分相式电机各相按圆周依次排列 ②轴向分向式电机各相按轴依次排列

运动方式 ①旋转运动式②直线运动式③平面运动式④滚动运动式

定子数 ①单定子式②双定子式③三定子式④多定子式

2 2 步进电机的结构步进电机的结构（ 1 ）反应式步进电机 步进电机由定子和转子组成

定子分定子铁芯和定子励磁绕组 1 －定子绕组 2 －转子铁芯 3 － A 相磁通 4 －定子铁芯

定子铁芯由电工硅钢片叠压而成定子绕组是绕置在定子铁芯 6 个均匀分布的齿上的线圈在直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起构成一相控制绕组

步进电机可构成 A B C三相控制绕组称为三相步进电机若任一相绕组通电就形成一组定子磁极

定子的每个磁极正对转子的圆弧面上均都均匀分布着 5 个小齿呈梳状排列齿槽等宽齿间夹角为 9deg

转子上没有绕组只有均匀分布的 40 个小齿其大小和间距与定子上的完全相同

三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开 13 齿距

当 A 相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时 B 相磁极上的齿刚好超前（或滞后）转子齿 13 齿距角即 3deg C 相磁极齿超前（或滞后）转子齿 23 齿距角

步距角步进电机每走一步所转过的角度其大小等于错齿的角度

（ 2 ）永磁式步进电机 定子和转子中的某一方永永久磁钢另一方由软磁材料制成

其上由励磁绕组 绕组通电建立的磁场与永久磁钢的恒定磁场相互作用产生

转矩（ 3 ）永磁感应式步进电机 转子由环行磁钢及两段铁芯构成

3 3 反应式步进电机工作原理反应式步进电机工作原理 步进电机基于电磁力的吸引和排斥产生转矩 定子绕组所加电源要求是脉冲电流形式也称为脉冲电

机 步进电机定子绕组的通电状态每改变一次即送给步进

电机一个电流脉冲其转子就转过一个确定的角度即步距角 α脉冲数增加角位移也增加无脉冲时电机停止

改变步进电机定子绕组的通电顺序转子的旋转方向改变

步进电机定子绕组通电状态的改变速度越快其转子旋转速度越快即脉冲频率越高转子转速越高但脉冲频率不能过高否则产生失步或超步

4 4 反应式步进电机主要特征反应式步进电机主要特征

（ 1 ）步距角和静态步距误差 步进电机步距角 α与定子绕组的相数 m转子的齿数 z

通电方式 k有关即有 α＝ 360deg(mzk) 其中 m相 m拍时 k＝ 1 m相 2m拍时 k＝ 2 依此类推例如三相三拍 z＝ 40 时 α＝ 360deg(3times40times1) ＝ 3deg

静态步距误差在空载情况下理论的步距角与实际的步距角之差以分表示一般在 10prime 之内

步距误差主要由步进电机步距制造误差定子和转子间气隙不均匀以及各相电磁转矩不均匀等因素造成

（ 2 ）静态转矩与矩角特性

静态转矩当步进电机某相通电时转子处于不动状态此时在电机轴上加一个负载转矩转子就按一定方向转过一个角度 θ（失调角）此时转子所受的电磁转矩M即为静态转矩

矩角特性静态转矩M与 θ的关系

（ 3 ）启动频率 启动频率空载时步进电机由静止状态突然启动并

进入不丢步的正常运行的最高频率 步进电机带负载下的启动频率要比空载启动频率低并随负载增加而进一步降低

（ 4 ）连续运行的最高工作频率 最高工作频率步进电机启动后保证连续不丢步运行

的最高工作频率 决定了定子绕组通电状态下最高变化的频率即决定了

步进电机的最高转速（ 5 ）加减速特性 加减速特性步进电机由静止刀工作频率和由工作频率

到静止的加减速过程中定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系

（ 6 ）矩频特性与动态转矩 矩频特性描述步进电机连续稳定运行时输出转矩 M 与连续运行频率 f之间的关系

动态转矩矩频特性曲线上每个频率对应的转矩 步进电机正常运行时动态转矩随连续运行频率的上升

而下降

722 722 步进电机的驱动控制器步进电机的驱动控制器 功能将具有一定频率 f一定数量 N和方向的进给脉冲

转换成控制步进电机各相定子绕组通电断电的电平信号变化频率变化次数和通断电顺序

驱动控制器由环形脉冲分配器和功率放大器组成

1 1 环形脉冲分配器环形脉冲分配器 功能将逻辑电平信号（弱电）变换为电机绕

组所需的具有一定功率的电流脉冲信号（强电）即将数控装置的插补脉冲按步进电机所要求的规律分配给步进电机的各相输入端以控制励磁绕组的通断电

分类硬件环形分配器和软件环形分配器 硬件环形分配器步进电机驱动装置本身带有

环形分配器 软件环形分配器驱动装置本身无环形分配器

环形分配需要软件完成

硬件环形分配器硬件环形分配器 输入输出信号一般为 TTL 电平输出信号 A B C 为

高电平时表示相应绕组通电低电平时表示相应绕组失电 CLK 为数控装置发出的脉冲信号每个脉冲信号的上升或下降沿到来时输出改变一次绕组的通电状态

DIR 为数控装置发出的方向信号其电平高低对应电机绕组通电顺序的改变即步进电机的正反转

FULLHALF 控制电机的整步或半步

三相六拍环形脉冲分配器原理图三相六拍环形脉冲分配器原理图

软件环形脉冲分配器软件环形脉冲分配器 软件环形脉冲分配器的设计方法有查表法比较法移位寄存器法等

如图所示 8031 单片机的 P1口的三个引脚经过光电隔离功率放大后分别与电机的 A B C连接

采用三相六拍方式时电机正转的通电顺序为 A － gtAB －gtB － gtBC － gtC － gtCA － gtA － gt

电机反转的通电顺序为 A － gtAC － gtC － gtCB － gtB － gtBA － gtA － gt

2 2 功率放大器功率放大器 功能将环形分配器输出的脉冲信号放大以用足够的功率来驱动步进电机

（ 1 ）单电压功率放大器

（ 2 ）高低电压功率放大器

（ 3 ）斩波恒流功率放大器

（ 4 ）调频调压功率放大器

723 723 提高步进伺服系统精度的措施提高步进伺服系统精度的措施1 传动间隙补偿 提高机床传动元件的齿轮丝杠制造装配精度并采

取消除传动间隙的措施只能减少不能完全消除传动间隙

机械传动链在改变运动或旋转方向时最初若干个指令脉冲只能起到消除间隙的作用造成步进电机的空走而工作台无实际移动从而产生传动误差

补偿方法先测出并存储间隙大小接收反向位移指令时先不向步进电机输出反向位移脉冲而将间隙值转换为脉冲数 N 驱动步进电机转动越过传动间隙然后按照指令脉冲动作

传动间隙补偿示意图传动间隙补偿示意图

2 螺距误差补偿 传动链中滚珠丝杠螺

距的制造误差直接影响机床工作台的位移精度

补偿方法设置若干个补偿点在每个补偿点测量并记录工作台位移误差确定补偿值并作为控制参数输送给数控装置

设备运行时工作台每经过一个补偿点CNC 系统就加入补偿量补偿螺距误差

3 细分线路 细分驱动将一个步距角细分为若干步的驱动方法

73 73 直流伺服电机与速度控制直流伺服电机与速度控制731 直流伺服电机1 直流伺服电机的类型 按电枢的结构和形状分平滑电枢型空心电枢型和有槽电枢型等

按定子磁场产生方式分永磁式和他励式 按转子转动惯量大小分大惯量中惯量和小惯量伺服电机2 直流伺服电机的结构（ 1 ）定子产生定子磁极磁场（ 2 ）转子表面嵌有线圈通直流电时在定子磁场作用下

产生带负载旋转的电磁转矩（ 3 ）电刷与换向片为使产生的电磁转矩保持恒定的方向保证转子能沿着固定方向均匀地连续旋转将电刷与外加直流电源连接换向片与电枢线圈连接

3 直流伺服电机的工作原理（ 1 ）永磁式直流电机工作原理 直流电压加在 A B两电刷之间电流从 A 流入从 B 流出导体 ab和 cd受到逆时针方向作用力转子在逆时针方向地电磁转矩作用下旋转

当电枢转过 90deg 电枢线圈处于磁极的中性面电刷与换向片断开无电磁转矩作用

在惯性作用下电枢继续转动一个角度当电刷与换向片再次接触时导体 ab和 cd交换了位置ab和 cd中的电流也发生改变从而保证电枢受到地电磁转矩方向不变因此电枢可以连续转动

（ 2 ）他励式直流电机工作原理 定子上有磁励绕住和补偿绕组转子绕组通过电刷供电

转子磁场与定子磁场始终正交产生转矩转子旋转

732 732 直流进给速度控制单元直流进给速度控制单元 直流电机地机械特性公式

公式中 n为电机转速 Ua为电枢外加电压 Ce为反电动势常数Φ为电机磁通量 Ra为电枢电阻 Cm为转矩常数M为电磁转矩

直流电机的三种调速方法 改变电枢外加电压 Ua该方法可以得到调速范围较宽的

恒转矩特性机械特性好适用于主轴驱动的低速段和进给驱动

改变磁通量Φ可得到恒功率特性适用于主轴驱动的高速段不适合于进给驱动

改变电枢电路的电阻 Ra该方法得到的机械特性较软不能实现无级调速也不适合于数控机床

MCC

R

C

Un

me

a

e

a2

1 晶闸管直流调速系统 三相全控桥式整流电路作为直流速度控制单元的主电路 两组正负对接的晶闸管一组用于提供正向电压供电机正转 一组提供反向电压供电机反转 通过对 12 个晶闸管触发延迟角的控制达到控制电机电枢电压从而

对电机进行调速

双环调度系统 速度调节器和电流调节器均是由线性集成放大器和阻容元件构成的 PI 调节器

速度环起主导作用电流环的作用是在启动和堵转时限制最大电枢电流

2 晶体管脉宽调制（ PWM ）直流调速系统（ 1 ） PWM 系统的组成及工作原理 脉宽调制使功率放大器中的晶体管工作在开关状态下

开关频率保持恒定用调整开关周期内的晶体管导通时间的办法来改变输出从而使得电机电枢两端获得宽度随时间变化的给定频率的电压脉冲

脉宽连续变化使得电枢电压平均值连续变化进而导致电机转速连续变化

2 脉宽调制器

74 74 交流伺服电机与速度控制交流伺服电机与速度控制741 交流伺服电机1 交流伺服电机的类型 永磁式交流伺服电机和感应式交流伺服电机 共同点工作原理均由定子绕组产生旋转磁场

使得转子跟随定子旋转磁场一起运转 不同点永磁式伺服电机的转速与外加交流电源的频率存在着严格的同步关系即电机的转速等于旋转磁场的同步转速而感应式伺服电机由于需要转速差才能产生电磁转矩因此电机的转速低于磁场同步转速负载越大转速差越大

2 永磁交流伺服电机结构与工作原理 电机结构由定子转子和检测元件组成其中 1 －定子 2 －转子 3 －压板 4 －定子三相绕组 5 －脉冲编码器 6 －接线盒

工作原理定子三相绕组接上电源后产生一个旋转磁场该旋转磁场以同步转速 n0 旋转

定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极相互吸引并带动转子以同步转速 n0 一起旋转

当转子轴上加有负载转矩后造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合相差一个 θ角负载转矩发生变化时 θ角也发生变化

只要不超过一定限度转子始终跟随定子的旋转磁场以同步转速 n

0 旋转

742 742 交流进给速度控制单元交流进给速度控制单元1 交流伺服电机调速原理 同步型交流伺服电机的转速 n=n0=60fp 异步型交流伺服电机的转速 n=(60fp) （ 1-

s ）

电机调速的三种方法（ 1 ）改变磁极对数 P有级调速方法通过对定

子绕组接线的切换而改变磁极对数来实现（ 2 ）改变转差率 s只适合于异步型交流电机的

调速（ 3 ）变频调速通过改变电机电源的频率 f而改

变电机的转速

2 SPWM 变频调速 （ 1 ） SPWM 调制原理 （ 2 ） SPWM 变频器的功率放大电路 （ 3 ） SPWM 变频调速系统 速度给定器给定信号控制频率电压及正反转 平稳启动回路使启动加减速时间可随机械负载设定以达到软启动的目的

函数发生器在输出低频信号时保持电机气隙磁通一定补偿定子电压降的影响

电压频率变压器将电压转换为频率经分频器环形计数器产生方波和经三角波发生器产生的三角波一起送入调制回路

电压调节器产生频率和幅度可调的控制正弦波送入调制回路送入调制回路在调制回路中进行 SPWM 变换产生三相的脉冲宽度调制信号在基极回路中输出信号至功率晶体管基极即对 SPWM 的主回路进行控制实现对永磁交流伺服电机的变频调速

电流检测器过载保护

75 75 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 与传统数控机床进给系统中的ldquo旋转伺服电机＋滚珠丝杠rdquo不同直线电机直接驱动机床工作台取消驱动电机和工作台之间的一切中间传动环节

751 直线电机 分为交流和直流两种交流直线电机又分为感

应异步式和永磁同步式 直线电机相当于把旋转电机沿过轴线的平面剖

开并将定子转子圆周展开为平面和进行一些演变形成

感应异步式直线电机演变过程感应异步式直线电机演变过程

永磁同步式直线电机演变过程永磁同步式直线电机演变过程

2 直线电机的工作原理 基本原理利用电磁作用将电能转换为动能（ 1 ）感应异步式直线电机的结构及工作原理（ 2 ）永磁同步式直线电机工作原理3 直线电机的特点 调节速度方便 加速度大响应快 定位精度和跟踪精度高 行程不受限制

752 752 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 由执行器控制器和位置检测装置组成 执行器直线电机本体 控制器由 CNC 控制器和 DDS 数值控制模块组成 位置检测装置光栅感应同步尺等

直线电机进给控制系统直线电机进给控制系统 双环系统内环为速度环外环为位置环 位置环接收来自光栅尺的位置反馈信号及插补信号

的比较信号来控制速度环的指令速度从而调节执行件的位置始终与指令位置保持一致

速度环根据位置环的指令速度快速而准确控制电机使得其不受负载转矩大小和方向的影响并快速跟踪指令速度的变化

753 753 直线电机对控制质量的影响直线电机对控制质量的影响1 路径生成问题 三个方面加加速度插补和对加工程序段的预处理2 直线电机对负载刚性的影响 三个因素速度控制环比例增益积分时间和在没有前馈控制情况下的位置控制环比例增益

3 影响定位时间的因素 四个因素最大加速度速度加加速度和位置控制

进给前馈实际增益4 影响加工路径精度的因素 三个因素路径生成最大加速度和位置控制进给前馈

实际增益

76 76 伺服系统的位置控制伺服系统的位置控制761 数字－脉冲比较伺服系统 将指令脉冲 F与反馈脉冲 Pf进行比较决定位置偏差 e再

将位置偏差 e放大后输出给速度控制单元和电机执行以减少和消除位置偏差

半闭环系统中检测元件多采用光电编码器闭环系统中检测元件多采用光栅

工作过程当指令脉冲为正而反馈脉冲为负时计数器作加法运算当指令脉冲为负而反馈脉冲为正时计数器作减法运算

计数器的计算结果 当 e＝ F－ Pfgt0 时工作台正向移动 当 e＝ F－ Pflt0 时工作台反向运动 当 e＝ F－ Pf＝ 0 时工作台静止

半闭环数值比较系统结构半闭环数值比较系统结构

762 762 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 常用检测元件是旋转变压器和感应同步器 脉冲调相器（数字相位变化器）将来自数控装置

的进给脉冲信号转换为相位变化信号

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

2 数控机床对主轴伺服系统的要求（ 1 ）足够的输出功率 主轴转速高输出转矩小主轴转速低输出转

矩大要求主轴驱动装置具有恒功率性质（ 2 ）调速范围宽 数控机床的变速依照指令自动执行要求能够在

较宽的转速范围内进行无级调速较少中间传递环节简化主轴箱

（ 3 ）定位准停功能 为使得数控车床具有螺纹切削等功能要求主轴

能与进给驱动实行同步控制 在加工中为自动换刀要求主轴具有高精度的准停功能

72 72 步进电机伺服系统步进电机伺服系统

步进电机一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件

数控装置输出的进给脉冲数量频率和方向经过驱动控制电路达到步进电机后可以转换为工作台的位移量进给速度和方向

721 步进电机

驱动控制线路 步进电机

工作台

指令脉冲丝杠

开环步进式伺服系统组成框图

1 1 步进电机的类步进电机的类型型

分类方式 具体类型

转矩产生原理 ①反应式（磁阻式）②永磁式③永磁感应式（混合式）

输出力矩大小

①伺服式输出力矩在百分之几至十分之几（ Nbullm ）只能驱动较小的负载要求与液压扭矩放大器配用才能驱动机床工作台等较大的负载 ②功率式输出力矩在 5-50 （ Nbullm ）以上可以直接驱动机床工作台等较大的负载

相数 ①三相②四相③五相④六相

各相绕组分布 ①径向分相式电机各相按圆周依次排列 ②轴向分向式电机各相按轴依次排列

运动方式 ①旋转运动式②直线运动式③平面运动式④滚动运动式

定子数 ①单定子式②双定子式③三定子式④多定子式

2 2 步进电机的结构步进电机的结构（ 1 ）反应式步进电机 步进电机由定子和转子组成

定子分定子铁芯和定子励磁绕组 1 －定子绕组 2 －转子铁芯 3 － A 相磁通 4 －定子铁芯

定子铁芯由电工硅钢片叠压而成定子绕组是绕置在定子铁芯 6 个均匀分布的齿上的线圈在直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起构成一相控制绕组

步进电机可构成 A B C三相控制绕组称为三相步进电机若任一相绕组通电就形成一组定子磁极

定子的每个磁极正对转子的圆弧面上均都均匀分布着 5 个小齿呈梳状排列齿槽等宽齿间夹角为 9deg

转子上没有绕组只有均匀分布的 40 个小齿其大小和间距与定子上的完全相同

三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开 13 齿距

当 A 相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时 B 相磁极上的齿刚好超前（或滞后）转子齿 13 齿距角即 3deg C 相磁极齿超前（或滞后）转子齿 23 齿距角

步距角步进电机每走一步所转过的角度其大小等于错齿的角度

（ 2 ）永磁式步进电机 定子和转子中的某一方永永久磁钢另一方由软磁材料制成

其上由励磁绕组 绕组通电建立的磁场与永久磁钢的恒定磁场相互作用产生

转矩（ 3 ）永磁感应式步进电机 转子由环行磁钢及两段铁芯构成

3 3 反应式步进电机工作原理反应式步进电机工作原理 步进电机基于电磁力的吸引和排斥产生转矩 定子绕组所加电源要求是脉冲电流形式也称为脉冲电

机 步进电机定子绕组的通电状态每改变一次即送给步进

电机一个电流脉冲其转子就转过一个确定的角度即步距角 α脉冲数增加角位移也增加无脉冲时电机停止

改变步进电机定子绕组的通电顺序转子的旋转方向改变

步进电机定子绕组通电状态的改变速度越快其转子旋转速度越快即脉冲频率越高转子转速越高但脉冲频率不能过高否则产生失步或超步

4 4 反应式步进电机主要特征反应式步进电机主要特征

（ 1 ）步距角和静态步距误差 步进电机步距角 α与定子绕组的相数 m转子的齿数 z

通电方式 k有关即有 α＝ 360deg(mzk) 其中 m相 m拍时 k＝ 1 m相 2m拍时 k＝ 2 依此类推例如三相三拍 z＝ 40 时 α＝ 360deg(3times40times1) ＝ 3deg

静态步距误差在空载情况下理论的步距角与实际的步距角之差以分表示一般在 10prime 之内

步距误差主要由步进电机步距制造误差定子和转子间气隙不均匀以及各相电磁转矩不均匀等因素造成

（ 2 ）静态转矩与矩角特性

静态转矩当步进电机某相通电时转子处于不动状态此时在电机轴上加一个负载转矩转子就按一定方向转过一个角度 θ（失调角）此时转子所受的电磁转矩M即为静态转矩

矩角特性静态转矩M与 θ的关系

（ 3 ）启动频率 启动频率空载时步进电机由静止状态突然启动并

进入不丢步的正常运行的最高频率 步进电机带负载下的启动频率要比空载启动频率低并随负载增加而进一步降低

（ 4 ）连续运行的最高工作频率 最高工作频率步进电机启动后保证连续不丢步运行

的最高工作频率 决定了定子绕组通电状态下最高变化的频率即决定了

步进电机的最高转速（ 5 ）加减速特性 加减速特性步进电机由静止刀工作频率和由工作频率

到静止的加减速过程中定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系

（ 6 ）矩频特性与动态转矩 矩频特性描述步进电机连续稳定运行时输出转矩 M 与连续运行频率 f之间的关系

动态转矩矩频特性曲线上每个频率对应的转矩 步进电机正常运行时动态转矩随连续运行频率的上升

而下降

722 722 步进电机的驱动控制器步进电机的驱动控制器 功能将具有一定频率 f一定数量 N和方向的进给脉冲

转换成控制步进电机各相定子绕组通电断电的电平信号变化频率变化次数和通断电顺序

驱动控制器由环形脉冲分配器和功率放大器组成

1 1 环形脉冲分配器环形脉冲分配器 功能将逻辑电平信号（弱电）变换为电机绕

组所需的具有一定功率的电流脉冲信号（强电）即将数控装置的插补脉冲按步进电机所要求的规律分配给步进电机的各相输入端以控制励磁绕组的通断电

分类硬件环形分配器和软件环形分配器 硬件环形分配器步进电机驱动装置本身带有

环形分配器 软件环形分配器驱动装置本身无环形分配器

环形分配需要软件完成

硬件环形分配器硬件环形分配器 输入输出信号一般为 TTL 电平输出信号 A B C 为

高电平时表示相应绕组通电低电平时表示相应绕组失电 CLK 为数控装置发出的脉冲信号每个脉冲信号的上升或下降沿到来时输出改变一次绕组的通电状态

DIR 为数控装置发出的方向信号其电平高低对应电机绕组通电顺序的改变即步进电机的正反转

FULLHALF 控制电机的整步或半步

三相六拍环形脉冲分配器原理图三相六拍环形脉冲分配器原理图

软件环形脉冲分配器软件环形脉冲分配器 软件环形脉冲分配器的设计方法有查表法比较法移位寄存器法等

如图所示 8031 单片机的 P1口的三个引脚经过光电隔离功率放大后分别与电机的 A B C连接

采用三相六拍方式时电机正转的通电顺序为 A － gtAB －gtB － gtBC － gtC － gtCA － gtA － gt

电机反转的通电顺序为 A － gtAC － gtC － gtCB － gtB － gtBA － gtA － gt

2 2 功率放大器功率放大器 功能将环形分配器输出的脉冲信号放大以用足够的功率来驱动步进电机

（ 1 ）单电压功率放大器

（ 2 ）高低电压功率放大器

（ 3 ）斩波恒流功率放大器

（ 4 ）调频调压功率放大器

723 723 提高步进伺服系统精度的措施提高步进伺服系统精度的措施1 传动间隙补偿 提高机床传动元件的齿轮丝杠制造装配精度并采

取消除传动间隙的措施只能减少不能完全消除传动间隙

机械传动链在改变运动或旋转方向时最初若干个指令脉冲只能起到消除间隙的作用造成步进电机的空走而工作台无实际移动从而产生传动误差

补偿方法先测出并存储间隙大小接收反向位移指令时先不向步进电机输出反向位移脉冲而将间隙值转换为脉冲数 N 驱动步进电机转动越过传动间隙然后按照指令脉冲动作

传动间隙补偿示意图传动间隙补偿示意图

2 螺距误差补偿 传动链中滚珠丝杠螺

距的制造误差直接影响机床工作台的位移精度

补偿方法设置若干个补偿点在每个补偿点测量并记录工作台位移误差确定补偿值并作为控制参数输送给数控装置

设备运行时工作台每经过一个补偿点CNC 系统就加入补偿量补偿螺距误差

3 细分线路 细分驱动将一个步距角细分为若干步的驱动方法

73 73 直流伺服电机与速度控制直流伺服电机与速度控制731 直流伺服电机1 直流伺服电机的类型 按电枢的结构和形状分平滑电枢型空心电枢型和有槽电枢型等

按定子磁场产生方式分永磁式和他励式 按转子转动惯量大小分大惯量中惯量和小惯量伺服电机2 直流伺服电机的结构（ 1 ）定子产生定子磁极磁场（ 2 ）转子表面嵌有线圈通直流电时在定子磁场作用下

产生带负载旋转的电磁转矩（ 3 ）电刷与换向片为使产生的电磁转矩保持恒定的方向保证转子能沿着固定方向均匀地连续旋转将电刷与外加直流电源连接换向片与电枢线圈连接

3 直流伺服电机的工作原理（ 1 ）永磁式直流电机工作原理 直流电压加在 A B两电刷之间电流从 A 流入从 B 流出导体 ab和 cd受到逆时针方向作用力转子在逆时针方向地电磁转矩作用下旋转

当电枢转过 90deg 电枢线圈处于磁极的中性面电刷与换向片断开无电磁转矩作用

在惯性作用下电枢继续转动一个角度当电刷与换向片再次接触时导体 ab和 cd交换了位置ab和 cd中的电流也发生改变从而保证电枢受到地电磁转矩方向不变因此电枢可以连续转动

（ 2 ）他励式直流电机工作原理 定子上有磁励绕住和补偿绕组转子绕组通过电刷供电

转子磁场与定子磁场始终正交产生转矩转子旋转

732 732 直流进给速度控制单元直流进给速度控制单元 直流电机地机械特性公式

公式中 n为电机转速 Ua为电枢外加电压 Ce为反电动势常数Φ为电机磁通量 Ra为电枢电阻 Cm为转矩常数M为电磁转矩

直流电机的三种调速方法 改变电枢外加电压 Ua该方法可以得到调速范围较宽的

恒转矩特性机械特性好适用于主轴驱动的低速段和进给驱动

改变磁通量Φ可得到恒功率特性适用于主轴驱动的高速段不适合于进给驱动

改变电枢电路的电阻 Ra该方法得到的机械特性较软不能实现无级调速也不适合于数控机床

MCC

R

C

Un

me

a

e

a2

1 晶闸管直流调速系统 三相全控桥式整流电路作为直流速度控制单元的主电路 两组正负对接的晶闸管一组用于提供正向电压供电机正转 一组提供反向电压供电机反转 通过对 12 个晶闸管触发延迟角的控制达到控制电机电枢电压从而

对电机进行调速

双环调度系统 速度调节器和电流调节器均是由线性集成放大器和阻容元件构成的 PI 调节器

速度环起主导作用电流环的作用是在启动和堵转时限制最大电枢电流

2 晶体管脉宽调制（ PWM ）直流调速系统（ 1 ） PWM 系统的组成及工作原理 脉宽调制使功率放大器中的晶体管工作在开关状态下

开关频率保持恒定用调整开关周期内的晶体管导通时间的办法来改变输出从而使得电机电枢两端获得宽度随时间变化的给定频率的电压脉冲

脉宽连续变化使得电枢电压平均值连续变化进而导致电机转速连续变化

2 脉宽调制器

74 74 交流伺服电机与速度控制交流伺服电机与速度控制741 交流伺服电机1 交流伺服电机的类型 永磁式交流伺服电机和感应式交流伺服电机 共同点工作原理均由定子绕组产生旋转磁场

使得转子跟随定子旋转磁场一起运转 不同点永磁式伺服电机的转速与外加交流电源的频率存在着严格的同步关系即电机的转速等于旋转磁场的同步转速而感应式伺服电机由于需要转速差才能产生电磁转矩因此电机的转速低于磁场同步转速负载越大转速差越大

2 永磁交流伺服电机结构与工作原理 电机结构由定子转子和检测元件组成其中 1 －定子 2 －转子 3 －压板 4 －定子三相绕组 5 －脉冲编码器 6 －接线盒

工作原理定子三相绕组接上电源后产生一个旋转磁场该旋转磁场以同步转速 n0 旋转

定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极相互吸引并带动转子以同步转速 n0 一起旋转

当转子轴上加有负载转矩后造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合相差一个 θ角负载转矩发生变化时 θ角也发生变化

只要不超过一定限度转子始终跟随定子的旋转磁场以同步转速 n

0 旋转

742 742 交流进给速度控制单元交流进给速度控制单元1 交流伺服电机调速原理 同步型交流伺服电机的转速 n=n0=60fp 异步型交流伺服电机的转速 n=(60fp) （ 1-

s ）

电机调速的三种方法（ 1 ）改变磁极对数 P有级调速方法通过对定

子绕组接线的切换而改变磁极对数来实现（ 2 ）改变转差率 s只适合于异步型交流电机的

调速（ 3 ）变频调速通过改变电机电源的频率 f而改

变电机的转速

2 SPWM 变频调速 （ 1 ） SPWM 调制原理 （ 2 ） SPWM 变频器的功率放大电路 （ 3 ） SPWM 变频调速系统 速度给定器给定信号控制频率电压及正反转 平稳启动回路使启动加减速时间可随机械负载设定以达到软启动的目的

函数发生器在输出低频信号时保持电机气隙磁通一定补偿定子电压降的影响

电压频率变压器将电压转换为频率经分频器环形计数器产生方波和经三角波发生器产生的三角波一起送入调制回路

电压调节器产生频率和幅度可调的控制正弦波送入调制回路送入调制回路在调制回路中进行 SPWM 变换产生三相的脉冲宽度调制信号在基极回路中输出信号至功率晶体管基极即对 SPWM 的主回路进行控制实现对永磁交流伺服电机的变频调速

电流检测器过载保护

75 75 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 与传统数控机床进给系统中的ldquo旋转伺服电机＋滚珠丝杠rdquo不同直线电机直接驱动机床工作台取消驱动电机和工作台之间的一切中间传动环节

751 直线电机 分为交流和直流两种交流直线电机又分为感

应异步式和永磁同步式 直线电机相当于把旋转电机沿过轴线的平面剖

开并将定子转子圆周展开为平面和进行一些演变形成

感应异步式直线电机演变过程感应异步式直线电机演变过程

永磁同步式直线电机演变过程永磁同步式直线电机演变过程

2 直线电机的工作原理 基本原理利用电磁作用将电能转换为动能（ 1 ）感应异步式直线电机的结构及工作原理（ 2 ）永磁同步式直线电机工作原理3 直线电机的特点 调节速度方便 加速度大响应快 定位精度和跟踪精度高 行程不受限制

752 752 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 由执行器控制器和位置检测装置组成 执行器直线电机本体 控制器由 CNC 控制器和 DDS 数值控制模块组成 位置检测装置光栅感应同步尺等

直线电机进给控制系统直线电机进给控制系统 双环系统内环为速度环外环为位置环 位置环接收来自光栅尺的位置反馈信号及插补信号

的比较信号来控制速度环的指令速度从而调节执行件的位置始终与指令位置保持一致

速度环根据位置环的指令速度快速而准确控制电机使得其不受负载转矩大小和方向的影响并快速跟踪指令速度的变化

753 753 直线电机对控制质量的影响直线电机对控制质量的影响1 路径生成问题 三个方面加加速度插补和对加工程序段的预处理2 直线电机对负载刚性的影响 三个因素速度控制环比例增益积分时间和在没有前馈控制情况下的位置控制环比例增益

3 影响定位时间的因素 四个因素最大加速度速度加加速度和位置控制

进给前馈实际增益4 影响加工路径精度的因素 三个因素路径生成最大加速度和位置控制进给前馈

实际增益

76 76 伺服系统的位置控制伺服系统的位置控制761 数字－脉冲比较伺服系统 将指令脉冲 F与反馈脉冲 Pf进行比较决定位置偏差 e再

将位置偏差 e放大后输出给速度控制单元和电机执行以减少和消除位置偏差

半闭环系统中检测元件多采用光电编码器闭环系统中检测元件多采用光栅

工作过程当指令脉冲为正而反馈脉冲为负时计数器作加法运算当指令脉冲为负而反馈脉冲为正时计数器作减法运算

计数器的计算结果 当 e＝ F－ Pfgt0 时工作台正向移动 当 e＝ F－ Pflt0 时工作台反向运动 当 e＝ F－ Pf＝ 0 时工作台静止

半闭环数值比较系统结构半闭环数值比较系统结构

762 762 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 常用检测元件是旋转变压器和感应同步器 脉冲调相器（数字相位变化器）将来自数控装置

的进给脉冲信号转换为相位变化信号

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

72 72 步进电机伺服系统步进电机伺服系统

步进电机一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件

数控装置输出的进给脉冲数量频率和方向经过驱动控制电路达到步进电机后可以转换为工作台的位移量进给速度和方向

721 步进电机

驱动控制线路 步进电机

工作台

指令脉冲丝杠

开环步进式伺服系统组成框图

1 1 步进电机的类步进电机的类型型

分类方式 具体类型

转矩产生原理 ①反应式（磁阻式）②永磁式③永磁感应式（混合式）

输出力矩大小

①伺服式输出力矩在百分之几至十分之几（ Nbullm ）只能驱动较小的负载要求与液压扭矩放大器配用才能驱动机床工作台等较大的负载 ②功率式输出力矩在 5-50 （ Nbullm ）以上可以直接驱动机床工作台等较大的负载

相数 ①三相②四相③五相④六相

各相绕组分布 ①径向分相式电机各相按圆周依次排列 ②轴向分向式电机各相按轴依次排列

运动方式 ①旋转运动式②直线运动式③平面运动式④滚动运动式

定子数 ①单定子式②双定子式③三定子式④多定子式

2 2 步进电机的结构步进电机的结构（ 1 ）反应式步进电机 步进电机由定子和转子组成

定子分定子铁芯和定子励磁绕组 1 －定子绕组 2 －转子铁芯 3 － A 相磁通 4 －定子铁芯

定子铁芯由电工硅钢片叠压而成定子绕组是绕置在定子铁芯 6 个均匀分布的齿上的线圈在直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起构成一相控制绕组

步进电机可构成 A B C三相控制绕组称为三相步进电机若任一相绕组通电就形成一组定子磁极

定子的每个磁极正对转子的圆弧面上均都均匀分布着 5 个小齿呈梳状排列齿槽等宽齿间夹角为 9deg

转子上没有绕组只有均匀分布的 40 个小齿其大小和间距与定子上的完全相同

三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开 13 齿距

当 A 相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时 B 相磁极上的齿刚好超前（或滞后）转子齿 13 齿距角即 3deg C 相磁极齿超前（或滞后）转子齿 23 齿距角

步距角步进电机每走一步所转过的角度其大小等于错齿的角度

（ 2 ）永磁式步进电机 定子和转子中的某一方永永久磁钢另一方由软磁材料制成

其上由励磁绕组 绕组通电建立的磁场与永久磁钢的恒定磁场相互作用产生

转矩（ 3 ）永磁感应式步进电机 转子由环行磁钢及两段铁芯构成

3 3 反应式步进电机工作原理反应式步进电机工作原理 步进电机基于电磁力的吸引和排斥产生转矩 定子绕组所加电源要求是脉冲电流形式也称为脉冲电

机 步进电机定子绕组的通电状态每改变一次即送给步进

电机一个电流脉冲其转子就转过一个确定的角度即步距角 α脉冲数增加角位移也增加无脉冲时电机停止

改变步进电机定子绕组的通电顺序转子的旋转方向改变

步进电机定子绕组通电状态的改变速度越快其转子旋转速度越快即脉冲频率越高转子转速越高但脉冲频率不能过高否则产生失步或超步

4 4 反应式步进电机主要特征反应式步进电机主要特征

（ 1 ）步距角和静态步距误差 步进电机步距角 α与定子绕组的相数 m转子的齿数 z

通电方式 k有关即有 α＝ 360deg(mzk) 其中 m相 m拍时 k＝ 1 m相 2m拍时 k＝ 2 依此类推例如三相三拍 z＝ 40 时 α＝ 360deg(3times40times1) ＝ 3deg

静态步距误差在空载情况下理论的步距角与实际的步距角之差以分表示一般在 10prime 之内

步距误差主要由步进电机步距制造误差定子和转子间气隙不均匀以及各相电磁转矩不均匀等因素造成

（ 2 ）静态转矩与矩角特性

静态转矩当步进电机某相通电时转子处于不动状态此时在电机轴上加一个负载转矩转子就按一定方向转过一个角度 θ（失调角）此时转子所受的电磁转矩M即为静态转矩

矩角特性静态转矩M与 θ的关系

（ 3 ）启动频率 启动频率空载时步进电机由静止状态突然启动并

进入不丢步的正常运行的最高频率 步进电机带负载下的启动频率要比空载启动频率低并随负载增加而进一步降低

（ 4 ）连续运行的最高工作频率 最高工作频率步进电机启动后保证连续不丢步运行

的最高工作频率 决定了定子绕组通电状态下最高变化的频率即决定了

步进电机的最高转速（ 5 ）加减速特性 加减速特性步进电机由静止刀工作频率和由工作频率

到静止的加减速过程中定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系

（ 6 ）矩频特性与动态转矩 矩频特性描述步进电机连续稳定运行时输出转矩 M 与连续运行频率 f之间的关系

动态转矩矩频特性曲线上每个频率对应的转矩 步进电机正常运行时动态转矩随连续运行频率的上升

而下降

722 722 步进电机的驱动控制器步进电机的驱动控制器 功能将具有一定频率 f一定数量 N和方向的进给脉冲

转换成控制步进电机各相定子绕组通电断电的电平信号变化频率变化次数和通断电顺序

驱动控制器由环形脉冲分配器和功率放大器组成

1 1 环形脉冲分配器环形脉冲分配器 功能将逻辑电平信号（弱电）变换为电机绕

组所需的具有一定功率的电流脉冲信号（强电）即将数控装置的插补脉冲按步进电机所要求的规律分配给步进电机的各相输入端以控制励磁绕组的通断电

分类硬件环形分配器和软件环形分配器 硬件环形分配器步进电机驱动装置本身带有

环形分配器 软件环形分配器驱动装置本身无环形分配器

环形分配需要软件完成

硬件环形分配器硬件环形分配器 输入输出信号一般为 TTL 电平输出信号 A B C 为

高电平时表示相应绕组通电低电平时表示相应绕组失电 CLK 为数控装置发出的脉冲信号每个脉冲信号的上升或下降沿到来时输出改变一次绕组的通电状态

DIR 为数控装置发出的方向信号其电平高低对应电机绕组通电顺序的改变即步进电机的正反转

FULLHALF 控制电机的整步或半步

三相六拍环形脉冲分配器原理图三相六拍环形脉冲分配器原理图

软件环形脉冲分配器软件环形脉冲分配器 软件环形脉冲分配器的设计方法有查表法比较法移位寄存器法等

如图所示 8031 单片机的 P1口的三个引脚经过光电隔离功率放大后分别与电机的 A B C连接

采用三相六拍方式时电机正转的通电顺序为 A － gtAB －gtB － gtBC － gtC － gtCA － gtA － gt

电机反转的通电顺序为 A － gtAC － gtC － gtCB － gtB － gtBA － gtA － gt

2 2 功率放大器功率放大器 功能将环形分配器输出的脉冲信号放大以用足够的功率来驱动步进电机

（ 1 ）单电压功率放大器

（ 2 ）高低电压功率放大器

（ 3 ）斩波恒流功率放大器

（ 4 ）调频调压功率放大器

723 723 提高步进伺服系统精度的措施提高步进伺服系统精度的措施1 传动间隙补偿 提高机床传动元件的齿轮丝杠制造装配精度并采

取消除传动间隙的措施只能减少不能完全消除传动间隙

机械传动链在改变运动或旋转方向时最初若干个指令脉冲只能起到消除间隙的作用造成步进电机的空走而工作台无实际移动从而产生传动误差

补偿方法先测出并存储间隙大小接收反向位移指令时先不向步进电机输出反向位移脉冲而将间隙值转换为脉冲数 N 驱动步进电机转动越过传动间隙然后按照指令脉冲动作

传动间隙补偿示意图传动间隙补偿示意图

2 螺距误差补偿 传动链中滚珠丝杠螺

距的制造误差直接影响机床工作台的位移精度

补偿方法设置若干个补偿点在每个补偿点测量并记录工作台位移误差确定补偿值并作为控制参数输送给数控装置

设备运行时工作台每经过一个补偿点CNC 系统就加入补偿量补偿螺距误差

3 细分线路 细分驱动将一个步距角细分为若干步的驱动方法

73 73 直流伺服电机与速度控制直流伺服电机与速度控制731 直流伺服电机1 直流伺服电机的类型 按电枢的结构和形状分平滑电枢型空心电枢型和有槽电枢型等

按定子磁场产生方式分永磁式和他励式 按转子转动惯量大小分大惯量中惯量和小惯量伺服电机2 直流伺服电机的结构（ 1 ）定子产生定子磁极磁场（ 2 ）转子表面嵌有线圈通直流电时在定子磁场作用下

产生带负载旋转的电磁转矩（ 3 ）电刷与换向片为使产生的电磁转矩保持恒定的方向保证转子能沿着固定方向均匀地连续旋转将电刷与外加直流电源连接换向片与电枢线圈连接

3 直流伺服电机的工作原理（ 1 ）永磁式直流电机工作原理 直流电压加在 A B两电刷之间电流从 A 流入从 B 流出导体 ab和 cd受到逆时针方向作用力转子在逆时针方向地电磁转矩作用下旋转

当电枢转过 90deg 电枢线圈处于磁极的中性面电刷与换向片断开无电磁转矩作用

在惯性作用下电枢继续转动一个角度当电刷与换向片再次接触时导体 ab和 cd交换了位置ab和 cd中的电流也发生改变从而保证电枢受到地电磁转矩方向不变因此电枢可以连续转动

（ 2 ）他励式直流电机工作原理 定子上有磁励绕住和补偿绕组转子绕组通过电刷供电

转子磁场与定子磁场始终正交产生转矩转子旋转

732 732 直流进给速度控制单元直流进给速度控制单元 直流电机地机械特性公式

公式中 n为电机转速 Ua为电枢外加电压 Ce为反电动势常数Φ为电机磁通量 Ra为电枢电阻 Cm为转矩常数M为电磁转矩

直流电机的三种调速方法 改变电枢外加电压 Ua该方法可以得到调速范围较宽的

恒转矩特性机械特性好适用于主轴驱动的低速段和进给驱动

改变磁通量Φ可得到恒功率特性适用于主轴驱动的高速段不适合于进给驱动

改变电枢电路的电阻 Ra该方法得到的机械特性较软不能实现无级调速也不适合于数控机床

MCC

R

C

Un

me

a

e

a2

1 晶闸管直流调速系统 三相全控桥式整流电路作为直流速度控制单元的主电路 两组正负对接的晶闸管一组用于提供正向电压供电机正转 一组提供反向电压供电机反转 通过对 12 个晶闸管触发延迟角的控制达到控制电机电枢电压从而

对电机进行调速

双环调度系统 速度调节器和电流调节器均是由线性集成放大器和阻容元件构成的 PI 调节器

速度环起主导作用电流环的作用是在启动和堵转时限制最大电枢电流

2 晶体管脉宽调制（ PWM ）直流调速系统（ 1 ） PWM 系统的组成及工作原理 脉宽调制使功率放大器中的晶体管工作在开关状态下

开关频率保持恒定用调整开关周期内的晶体管导通时间的办法来改变输出从而使得电机电枢两端获得宽度随时间变化的给定频率的电压脉冲

脉宽连续变化使得电枢电压平均值连续变化进而导致电机转速连续变化

2 脉宽调制器

74 74 交流伺服电机与速度控制交流伺服电机与速度控制741 交流伺服电机1 交流伺服电机的类型 永磁式交流伺服电机和感应式交流伺服电机 共同点工作原理均由定子绕组产生旋转磁场

使得转子跟随定子旋转磁场一起运转 不同点永磁式伺服电机的转速与外加交流电源的频率存在着严格的同步关系即电机的转速等于旋转磁场的同步转速而感应式伺服电机由于需要转速差才能产生电磁转矩因此电机的转速低于磁场同步转速负载越大转速差越大

2 永磁交流伺服电机结构与工作原理 电机结构由定子转子和检测元件组成其中 1 －定子 2 －转子 3 －压板 4 －定子三相绕组 5 －脉冲编码器 6 －接线盒

工作原理定子三相绕组接上电源后产生一个旋转磁场该旋转磁场以同步转速 n0 旋转

定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极相互吸引并带动转子以同步转速 n0 一起旋转

当转子轴上加有负载转矩后造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合相差一个 θ角负载转矩发生变化时 θ角也发生变化

只要不超过一定限度转子始终跟随定子的旋转磁场以同步转速 n

0 旋转

742 742 交流进给速度控制单元交流进给速度控制单元1 交流伺服电机调速原理 同步型交流伺服电机的转速 n=n0=60fp 异步型交流伺服电机的转速 n=(60fp) （ 1-

s ）

电机调速的三种方法（ 1 ）改变磁极对数 P有级调速方法通过对定

子绕组接线的切换而改变磁极对数来实现（ 2 ）改变转差率 s只适合于异步型交流电机的

调速（ 3 ）变频调速通过改变电机电源的频率 f而改

变电机的转速

2 SPWM 变频调速 （ 1 ） SPWM 调制原理 （ 2 ） SPWM 变频器的功率放大电路 （ 3 ） SPWM 变频调速系统 速度给定器给定信号控制频率电压及正反转 平稳启动回路使启动加减速时间可随机械负载设定以达到软启动的目的

函数发生器在输出低频信号时保持电机气隙磁通一定补偿定子电压降的影响

电压频率变压器将电压转换为频率经分频器环形计数器产生方波和经三角波发生器产生的三角波一起送入调制回路

电压调节器产生频率和幅度可调的控制正弦波送入调制回路送入调制回路在调制回路中进行 SPWM 变换产生三相的脉冲宽度调制信号在基极回路中输出信号至功率晶体管基极即对 SPWM 的主回路进行控制实现对永磁交流伺服电机的变频调速

电流检测器过载保护

75 75 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 与传统数控机床进给系统中的ldquo旋转伺服电机＋滚珠丝杠rdquo不同直线电机直接驱动机床工作台取消驱动电机和工作台之间的一切中间传动环节

751 直线电机 分为交流和直流两种交流直线电机又分为感

应异步式和永磁同步式 直线电机相当于把旋转电机沿过轴线的平面剖

开并将定子转子圆周展开为平面和进行一些演变形成

感应异步式直线电机演变过程感应异步式直线电机演变过程

永磁同步式直线电机演变过程永磁同步式直线电机演变过程

2 直线电机的工作原理 基本原理利用电磁作用将电能转换为动能（ 1 ）感应异步式直线电机的结构及工作原理（ 2 ）永磁同步式直线电机工作原理3 直线电机的特点 调节速度方便 加速度大响应快 定位精度和跟踪精度高 行程不受限制

752 752 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 由执行器控制器和位置检测装置组成 执行器直线电机本体 控制器由 CNC 控制器和 DDS 数值控制模块组成 位置检测装置光栅感应同步尺等

直线电机进给控制系统直线电机进给控制系统 双环系统内环为速度环外环为位置环 位置环接收来自光栅尺的位置反馈信号及插补信号

的比较信号来控制速度环的指令速度从而调节执行件的位置始终与指令位置保持一致

速度环根据位置环的指令速度快速而准确控制电机使得其不受负载转矩大小和方向的影响并快速跟踪指令速度的变化

753 753 直线电机对控制质量的影响直线电机对控制质量的影响1 路径生成问题 三个方面加加速度插补和对加工程序段的预处理2 直线电机对负载刚性的影响 三个因素速度控制环比例增益积分时间和在没有前馈控制情况下的位置控制环比例增益

3 影响定位时间的因素 四个因素最大加速度速度加加速度和位置控制

进给前馈实际增益4 影响加工路径精度的因素 三个因素路径生成最大加速度和位置控制进给前馈

实际增益

76 76 伺服系统的位置控制伺服系统的位置控制761 数字－脉冲比较伺服系统 将指令脉冲 F与反馈脉冲 Pf进行比较决定位置偏差 e再

将位置偏差 e放大后输出给速度控制单元和电机执行以减少和消除位置偏差

半闭环系统中检测元件多采用光电编码器闭环系统中检测元件多采用光栅

工作过程当指令脉冲为正而反馈脉冲为负时计数器作加法运算当指令脉冲为负而反馈脉冲为正时计数器作减法运算

计数器的计算结果 当 e＝ F－ Pfgt0 时工作台正向移动 当 e＝ F－ Pflt0 时工作台反向运动 当 e＝ F－ Pf＝ 0 时工作台静止

半闭环数值比较系统结构半闭环数值比较系统结构

762 762 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 常用检测元件是旋转变压器和感应同步器 脉冲调相器（数字相位变化器）将来自数控装置

的进给脉冲信号转换为相位变化信号

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

1 1 步进电机的类步进电机的类型型

分类方式 具体类型

转矩产生原理 ①反应式（磁阻式）②永磁式③永磁感应式（混合式）

输出力矩大小

①伺服式输出力矩在百分之几至十分之几（ Nbullm ）只能驱动较小的负载要求与液压扭矩放大器配用才能驱动机床工作台等较大的负载 ②功率式输出力矩在 5-50 （ Nbullm ）以上可以直接驱动机床工作台等较大的负载

相数 ①三相②四相③五相④六相

各相绕组分布 ①径向分相式电机各相按圆周依次排列 ②轴向分向式电机各相按轴依次排列

运动方式 ①旋转运动式②直线运动式③平面运动式④滚动运动式

定子数 ①单定子式②双定子式③三定子式④多定子式

2 2 步进电机的结构步进电机的结构（ 1 ）反应式步进电机 步进电机由定子和转子组成

定子分定子铁芯和定子励磁绕组 1 －定子绕组 2 －转子铁芯 3 － A 相磁通 4 －定子铁芯

定子铁芯由电工硅钢片叠压而成定子绕组是绕置在定子铁芯 6 个均匀分布的齿上的线圈在直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起构成一相控制绕组

步进电机可构成 A B C三相控制绕组称为三相步进电机若任一相绕组通电就形成一组定子磁极

定子的每个磁极正对转子的圆弧面上均都均匀分布着 5 个小齿呈梳状排列齿槽等宽齿间夹角为 9deg

转子上没有绕组只有均匀分布的 40 个小齿其大小和间距与定子上的完全相同

三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开 13 齿距

当 A 相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时 B 相磁极上的齿刚好超前（或滞后）转子齿 13 齿距角即 3deg C 相磁极齿超前（或滞后）转子齿 23 齿距角

步距角步进电机每走一步所转过的角度其大小等于错齿的角度

（ 2 ）永磁式步进电机 定子和转子中的某一方永永久磁钢另一方由软磁材料制成

其上由励磁绕组 绕组通电建立的磁场与永久磁钢的恒定磁场相互作用产生

转矩（ 3 ）永磁感应式步进电机 转子由环行磁钢及两段铁芯构成

3 3 反应式步进电机工作原理反应式步进电机工作原理 步进电机基于电磁力的吸引和排斥产生转矩 定子绕组所加电源要求是脉冲电流形式也称为脉冲电

机 步进电机定子绕组的通电状态每改变一次即送给步进

电机一个电流脉冲其转子就转过一个确定的角度即步距角 α脉冲数增加角位移也增加无脉冲时电机停止

改变步进电机定子绕组的通电顺序转子的旋转方向改变

步进电机定子绕组通电状态的改变速度越快其转子旋转速度越快即脉冲频率越高转子转速越高但脉冲频率不能过高否则产生失步或超步

4 4 反应式步进电机主要特征反应式步进电机主要特征

（ 1 ）步距角和静态步距误差 步进电机步距角 α与定子绕组的相数 m转子的齿数 z

通电方式 k有关即有 α＝ 360deg(mzk) 其中 m相 m拍时 k＝ 1 m相 2m拍时 k＝ 2 依此类推例如三相三拍 z＝ 40 时 α＝ 360deg(3times40times1) ＝ 3deg

静态步距误差在空载情况下理论的步距角与实际的步距角之差以分表示一般在 10prime 之内

步距误差主要由步进电机步距制造误差定子和转子间气隙不均匀以及各相电磁转矩不均匀等因素造成

（ 2 ）静态转矩与矩角特性

静态转矩当步进电机某相通电时转子处于不动状态此时在电机轴上加一个负载转矩转子就按一定方向转过一个角度 θ（失调角）此时转子所受的电磁转矩M即为静态转矩

矩角特性静态转矩M与 θ的关系

（ 3 ）启动频率 启动频率空载时步进电机由静止状态突然启动并

进入不丢步的正常运行的最高频率 步进电机带负载下的启动频率要比空载启动频率低并随负载增加而进一步降低

（ 4 ）连续运行的最高工作频率 最高工作频率步进电机启动后保证连续不丢步运行

的最高工作频率 决定了定子绕组通电状态下最高变化的频率即决定了

步进电机的最高转速（ 5 ）加减速特性 加减速特性步进电机由静止刀工作频率和由工作频率

到静止的加减速过程中定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系

（ 6 ）矩频特性与动态转矩 矩频特性描述步进电机连续稳定运行时输出转矩 M 与连续运行频率 f之间的关系

动态转矩矩频特性曲线上每个频率对应的转矩 步进电机正常运行时动态转矩随连续运行频率的上升

而下降

722 722 步进电机的驱动控制器步进电机的驱动控制器 功能将具有一定频率 f一定数量 N和方向的进给脉冲

转换成控制步进电机各相定子绕组通电断电的电平信号变化频率变化次数和通断电顺序

驱动控制器由环形脉冲分配器和功率放大器组成

1 1 环形脉冲分配器环形脉冲分配器 功能将逻辑电平信号（弱电）变换为电机绕

组所需的具有一定功率的电流脉冲信号（强电）即将数控装置的插补脉冲按步进电机所要求的规律分配给步进电机的各相输入端以控制励磁绕组的通断电

分类硬件环形分配器和软件环形分配器 硬件环形分配器步进电机驱动装置本身带有

环形分配器 软件环形分配器驱动装置本身无环形分配器

环形分配需要软件完成

硬件环形分配器硬件环形分配器 输入输出信号一般为 TTL 电平输出信号 A B C 为

高电平时表示相应绕组通电低电平时表示相应绕组失电 CLK 为数控装置发出的脉冲信号每个脉冲信号的上升或下降沿到来时输出改变一次绕组的通电状态

DIR 为数控装置发出的方向信号其电平高低对应电机绕组通电顺序的改变即步进电机的正反转

FULLHALF 控制电机的整步或半步

三相六拍环形脉冲分配器原理图三相六拍环形脉冲分配器原理图

软件环形脉冲分配器软件环形脉冲分配器 软件环形脉冲分配器的设计方法有查表法比较法移位寄存器法等

如图所示 8031 单片机的 P1口的三个引脚经过光电隔离功率放大后分别与电机的 A B C连接

采用三相六拍方式时电机正转的通电顺序为 A － gtAB －gtB － gtBC － gtC － gtCA － gtA － gt

电机反转的通电顺序为 A － gtAC － gtC － gtCB － gtB － gtBA － gtA － gt

2 2 功率放大器功率放大器 功能将环形分配器输出的脉冲信号放大以用足够的功率来驱动步进电机

（ 1 ）单电压功率放大器

（ 2 ）高低电压功率放大器

（ 3 ）斩波恒流功率放大器

（ 4 ）调频调压功率放大器

723 723 提高步进伺服系统精度的措施提高步进伺服系统精度的措施1 传动间隙补偿 提高机床传动元件的齿轮丝杠制造装配精度并采

取消除传动间隙的措施只能减少不能完全消除传动间隙

机械传动链在改变运动或旋转方向时最初若干个指令脉冲只能起到消除间隙的作用造成步进电机的空走而工作台无实际移动从而产生传动误差

补偿方法先测出并存储间隙大小接收反向位移指令时先不向步进电机输出反向位移脉冲而将间隙值转换为脉冲数 N 驱动步进电机转动越过传动间隙然后按照指令脉冲动作

传动间隙补偿示意图传动间隙补偿示意图

2 螺距误差补偿 传动链中滚珠丝杠螺

距的制造误差直接影响机床工作台的位移精度

补偿方法设置若干个补偿点在每个补偿点测量并记录工作台位移误差确定补偿值并作为控制参数输送给数控装置

设备运行时工作台每经过一个补偿点CNC 系统就加入补偿量补偿螺距误差

3 细分线路 细分驱动将一个步距角细分为若干步的驱动方法

73 73 直流伺服电机与速度控制直流伺服电机与速度控制731 直流伺服电机1 直流伺服电机的类型 按电枢的结构和形状分平滑电枢型空心电枢型和有槽电枢型等

按定子磁场产生方式分永磁式和他励式 按转子转动惯量大小分大惯量中惯量和小惯量伺服电机2 直流伺服电机的结构（ 1 ）定子产生定子磁极磁场（ 2 ）转子表面嵌有线圈通直流电时在定子磁场作用下

产生带负载旋转的电磁转矩（ 3 ）电刷与换向片为使产生的电磁转矩保持恒定的方向保证转子能沿着固定方向均匀地连续旋转将电刷与外加直流电源连接换向片与电枢线圈连接

3 直流伺服电机的工作原理（ 1 ）永磁式直流电机工作原理 直流电压加在 A B两电刷之间电流从 A 流入从 B 流出导体 ab和 cd受到逆时针方向作用力转子在逆时针方向地电磁转矩作用下旋转

当电枢转过 90deg 电枢线圈处于磁极的中性面电刷与换向片断开无电磁转矩作用

在惯性作用下电枢继续转动一个角度当电刷与换向片再次接触时导体 ab和 cd交换了位置ab和 cd中的电流也发生改变从而保证电枢受到地电磁转矩方向不变因此电枢可以连续转动

（ 2 ）他励式直流电机工作原理 定子上有磁励绕住和补偿绕组转子绕组通过电刷供电

转子磁场与定子磁场始终正交产生转矩转子旋转

732 732 直流进给速度控制单元直流进给速度控制单元 直流电机地机械特性公式

公式中 n为电机转速 Ua为电枢外加电压 Ce为反电动势常数Φ为电机磁通量 Ra为电枢电阻 Cm为转矩常数M为电磁转矩

直流电机的三种调速方法 改变电枢外加电压 Ua该方法可以得到调速范围较宽的

恒转矩特性机械特性好适用于主轴驱动的低速段和进给驱动

改变磁通量Φ可得到恒功率特性适用于主轴驱动的高速段不适合于进给驱动

改变电枢电路的电阻 Ra该方法得到的机械特性较软不能实现无级调速也不适合于数控机床

MCC

R

C

Un

me

a

e

a2

1 晶闸管直流调速系统 三相全控桥式整流电路作为直流速度控制单元的主电路 两组正负对接的晶闸管一组用于提供正向电压供电机正转 一组提供反向电压供电机反转 通过对 12 个晶闸管触发延迟角的控制达到控制电机电枢电压从而

对电机进行调速

双环调度系统 速度调节器和电流调节器均是由线性集成放大器和阻容元件构成的 PI 调节器

速度环起主导作用电流环的作用是在启动和堵转时限制最大电枢电流

2 晶体管脉宽调制（ PWM ）直流调速系统（ 1 ） PWM 系统的组成及工作原理 脉宽调制使功率放大器中的晶体管工作在开关状态下

开关频率保持恒定用调整开关周期内的晶体管导通时间的办法来改变输出从而使得电机电枢两端获得宽度随时间变化的给定频率的电压脉冲

脉宽连续变化使得电枢电压平均值连续变化进而导致电机转速连续变化

2 脉宽调制器

74 74 交流伺服电机与速度控制交流伺服电机与速度控制741 交流伺服电机1 交流伺服电机的类型 永磁式交流伺服电机和感应式交流伺服电机 共同点工作原理均由定子绕组产生旋转磁场

使得转子跟随定子旋转磁场一起运转 不同点永磁式伺服电机的转速与外加交流电源的频率存在着严格的同步关系即电机的转速等于旋转磁场的同步转速而感应式伺服电机由于需要转速差才能产生电磁转矩因此电机的转速低于磁场同步转速负载越大转速差越大

2 永磁交流伺服电机结构与工作原理 电机结构由定子转子和检测元件组成其中 1 －定子 2 －转子 3 －压板 4 －定子三相绕组 5 －脉冲编码器 6 －接线盒

工作原理定子三相绕组接上电源后产生一个旋转磁场该旋转磁场以同步转速 n0 旋转

定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极相互吸引并带动转子以同步转速 n0 一起旋转

当转子轴上加有负载转矩后造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合相差一个 θ角负载转矩发生变化时 θ角也发生变化

只要不超过一定限度转子始终跟随定子的旋转磁场以同步转速 n

0 旋转

742 742 交流进给速度控制单元交流进给速度控制单元1 交流伺服电机调速原理 同步型交流伺服电机的转速 n=n0=60fp 异步型交流伺服电机的转速 n=(60fp) （ 1-

s ）

电机调速的三种方法（ 1 ）改变磁极对数 P有级调速方法通过对定

子绕组接线的切换而改变磁极对数来实现（ 2 ）改变转差率 s只适合于异步型交流电机的

调速（ 3 ）变频调速通过改变电机电源的频率 f而改

变电机的转速

2 SPWM 变频调速 （ 1 ） SPWM 调制原理 （ 2 ） SPWM 变频器的功率放大电路 （ 3 ） SPWM 变频调速系统 速度给定器给定信号控制频率电压及正反转 平稳启动回路使启动加减速时间可随机械负载设定以达到软启动的目的

函数发生器在输出低频信号时保持电机气隙磁通一定补偿定子电压降的影响

电压频率变压器将电压转换为频率经分频器环形计数器产生方波和经三角波发生器产生的三角波一起送入调制回路

电压调节器产生频率和幅度可调的控制正弦波送入调制回路送入调制回路在调制回路中进行 SPWM 变换产生三相的脉冲宽度调制信号在基极回路中输出信号至功率晶体管基极即对 SPWM 的主回路进行控制实现对永磁交流伺服电机的变频调速

电流检测器过载保护

75 75 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 与传统数控机床进给系统中的ldquo旋转伺服电机＋滚珠丝杠rdquo不同直线电机直接驱动机床工作台取消驱动电机和工作台之间的一切中间传动环节

751 直线电机 分为交流和直流两种交流直线电机又分为感

应异步式和永磁同步式 直线电机相当于把旋转电机沿过轴线的平面剖

开并将定子转子圆周展开为平面和进行一些演变形成

感应异步式直线电机演变过程感应异步式直线电机演变过程

永磁同步式直线电机演变过程永磁同步式直线电机演变过程

2 直线电机的工作原理 基本原理利用电磁作用将电能转换为动能（ 1 ）感应异步式直线电机的结构及工作原理（ 2 ）永磁同步式直线电机工作原理3 直线电机的特点 调节速度方便 加速度大响应快 定位精度和跟踪精度高 行程不受限制

752 752 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 由执行器控制器和位置检测装置组成 执行器直线电机本体 控制器由 CNC 控制器和 DDS 数值控制模块组成 位置检测装置光栅感应同步尺等

直线电机进给控制系统直线电机进给控制系统 双环系统内环为速度环外环为位置环 位置环接收来自光栅尺的位置反馈信号及插补信号

的比较信号来控制速度环的指令速度从而调节执行件的位置始终与指令位置保持一致

速度环根据位置环的指令速度快速而准确控制电机使得其不受负载转矩大小和方向的影响并快速跟踪指令速度的变化

753 753 直线电机对控制质量的影响直线电机对控制质量的影响1 路径生成问题 三个方面加加速度插补和对加工程序段的预处理2 直线电机对负载刚性的影响 三个因素速度控制环比例增益积分时间和在没有前馈控制情况下的位置控制环比例增益

3 影响定位时间的因素 四个因素最大加速度速度加加速度和位置控制

进给前馈实际增益4 影响加工路径精度的因素 三个因素路径生成最大加速度和位置控制进给前馈

实际增益

76 76 伺服系统的位置控制伺服系统的位置控制761 数字－脉冲比较伺服系统 将指令脉冲 F与反馈脉冲 Pf进行比较决定位置偏差 e再

将位置偏差 e放大后输出给速度控制单元和电机执行以减少和消除位置偏差

半闭环系统中检测元件多采用光电编码器闭环系统中检测元件多采用光栅

工作过程当指令脉冲为正而反馈脉冲为负时计数器作加法运算当指令脉冲为负而反馈脉冲为正时计数器作减法运算

计数器的计算结果 当 e＝ F－ Pfgt0 时工作台正向移动 当 e＝ F－ Pflt0 时工作台反向运动 当 e＝ F－ Pf＝ 0 时工作台静止

半闭环数值比较系统结构半闭环数值比较系统结构

762 762 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 常用检测元件是旋转变压器和感应同步器 脉冲调相器（数字相位变化器）将来自数控装置

的进给脉冲信号转换为相位变化信号

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

2 2 步进电机的结构步进电机的结构（ 1 ）反应式步进电机 步进电机由定子和转子组成

定子分定子铁芯和定子励磁绕组 1 －定子绕组 2 －转子铁芯 3 － A 相磁通 4 －定子铁芯

定子铁芯由电工硅钢片叠压而成定子绕组是绕置在定子铁芯 6 个均匀分布的齿上的线圈在直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起构成一相控制绕组

步进电机可构成 A B C三相控制绕组称为三相步进电机若任一相绕组通电就形成一组定子磁极

定子的每个磁极正对转子的圆弧面上均都均匀分布着 5 个小齿呈梳状排列齿槽等宽齿间夹角为 9deg

转子上没有绕组只有均匀分布的 40 个小齿其大小和间距与定子上的完全相同

三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开 13 齿距

当 A 相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时 B 相磁极上的齿刚好超前（或滞后）转子齿 13 齿距角即 3deg C 相磁极齿超前（或滞后）转子齿 23 齿距角

步距角步进电机每走一步所转过的角度其大小等于错齿的角度

（ 2 ）永磁式步进电机 定子和转子中的某一方永永久磁钢另一方由软磁材料制成

其上由励磁绕组 绕组通电建立的磁场与永久磁钢的恒定磁场相互作用产生

转矩（ 3 ）永磁感应式步进电机 转子由环行磁钢及两段铁芯构成

3 3 反应式步进电机工作原理反应式步进电机工作原理 步进电机基于电磁力的吸引和排斥产生转矩 定子绕组所加电源要求是脉冲电流形式也称为脉冲电

机 步进电机定子绕组的通电状态每改变一次即送给步进

电机一个电流脉冲其转子就转过一个确定的角度即步距角 α脉冲数增加角位移也增加无脉冲时电机停止

改变步进电机定子绕组的通电顺序转子的旋转方向改变

步进电机定子绕组通电状态的改变速度越快其转子旋转速度越快即脉冲频率越高转子转速越高但脉冲频率不能过高否则产生失步或超步

4 4 反应式步进电机主要特征反应式步进电机主要特征

（ 1 ）步距角和静态步距误差 步进电机步距角 α与定子绕组的相数 m转子的齿数 z

通电方式 k有关即有 α＝ 360deg(mzk) 其中 m相 m拍时 k＝ 1 m相 2m拍时 k＝ 2 依此类推例如三相三拍 z＝ 40 时 α＝ 360deg(3times40times1) ＝ 3deg

静态步距误差在空载情况下理论的步距角与实际的步距角之差以分表示一般在 10prime 之内

步距误差主要由步进电机步距制造误差定子和转子间气隙不均匀以及各相电磁转矩不均匀等因素造成

（ 2 ）静态转矩与矩角特性

静态转矩当步进电机某相通电时转子处于不动状态此时在电机轴上加一个负载转矩转子就按一定方向转过一个角度 θ（失调角）此时转子所受的电磁转矩M即为静态转矩

矩角特性静态转矩M与 θ的关系

（ 3 ）启动频率 启动频率空载时步进电机由静止状态突然启动并

进入不丢步的正常运行的最高频率 步进电机带负载下的启动频率要比空载启动频率低并随负载增加而进一步降低

（ 4 ）连续运行的最高工作频率 最高工作频率步进电机启动后保证连续不丢步运行

的最高工作频率 决定了定子绕组通电状态下最高变化的频率即决定了

步进电机的最高转速（ 5 ）加减速特性 加减速特性步进电机由静止刀工作频率和由工作频率

到静止的加减速过程中定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系

（ 6 ）矩频特性与动态转矩 矩频特性描述步进电机连续稳定运行时输出转矩 M 与连续运行频率 f之间的关系

动态转矩矩频特性曲线上每个频率对应的转矩 步进电机正常运行时动态转矩随连续运行频率的上升

而下降

722 722 步进电机的驱动控制器步进电机的驱动控制器 功能将具有一定频率 f一定数量 N和方向的进给脉冲

转换成控制步进电机各相定子绕组通电断电的电平信号变化频率变化次数和通断电顺序

驱动控制器由环形脉冲分配器和功率放大器组成

1 1 环形脉冲分配器环形脉冲分配器 功能将逻辑电平信号（弱电）变换为电机绕

组所需的具有一定功率的电流脉冲信号（强电）即将数控装置的插补脉冲按步进电机所要求的规律分配给步进电机的各相输入端以控制励磁绕组的通断电

分类硬件环形分配器和软件环形分配器 硬件环形分配器步进电机驱动装置本身带有

环形分配器 软件环形分配器驱动装置本身无环形分配器

环形分配需要软件完成

硬件环形分配器硬件环形分配器 输入输出信号一般为 TTL 电平输出信号 A B C 为

高电平时表示相应绕组通电低电平时表示相应绕组失电 CLK 为数控装置发出的脉冲信号每个脉冲信号的上升或下降沿到来时输出改变一次绕组的通电状态

DIR 为数控装置发出的方向信号其电平高低对应电机绕组通电顺序的改变即步进电机的正反转

FULLHALF 控制电机的整步或半步

三相六拍环形脉冲分配器原理图三相六拍环形脉冲分配器原理图

软件环形脉冲分配器软件环形脉冲分配器 软件环形脉冲分配器的设计方法有查表法比较法移位寄存器法等

如图所示 8031 单片机的 P1口的三个引脚经过光电隔离功率放大后分别与电机的 A B C连接

采用三相六拍方式时电机正转的通电顺序为 A － gtAB －gtB － gtBC － gtC － gtCA － gtA － gt

电机反转的通电顺序为 A － gtAC － gtC － gtCB － gtB － gtBA － gtA － gt

2 2 功率放大器功率放大器 功能将环形分配器输出的脉冲信号放大以用足够的功率来驱动步进电机

（ 1 ）单电压功率放大器

（ 2 ）高低电压功率放大器

（ 3 ）斩波恒流功率放大器

（ 4 ）调频调压功率放大器

723 723 提高步进伺服系统精度的措施提高步进伺服系统精度的措施1 传动间隙补偿 提高机床传动元件的齿轮丝杠制造装配精度并采

取消除传动间隙的措施只能减少不能完全消除传动间隙

机械传动链在改变运动或旋转方向时最初若干个指令脉冲只能起到消除间隙的作用造成步进电机的空走而工作台无实际移动从而产生传动误差

补偿方法先测出并存储间隙大小接收反向位移指令时先不向步进电机输出反向位移脉冲而将间隙值转换为脉冲数 N 驱动步进电机转动越过传动间隙然后按照指令脉冲动作

传动间隙补偿示意图传动间隙补偿示意图

2 螺距误差补偿 传动链中滚珠丝杠螺

距的制造误差直接影响机床工作台的位移精度

补偿方法设置若干个补偿点在每个补偿点测量并记录工作台位移误差确定补偿值并作为控制参数输送给数控装置

设备运行时工作台每经过一个补偿点CNC 系统就加入补偿量补偿螺距误差

3 细分线路 细分驱动将一个步距角细分为若干步的驱动方法

73 73 直流伺服电机与速度控制直流伺服电机与速度控制731 直流伺服电机1 直流伺服电机的类型 按电枢的结构和形状分平滑电枢型空心电枢型和有槽电枢型等

按定子磁场产生方式分永磁式和他励式 按转子转动惯量大小分大惯量中惯量和小惯量伺服电机2 直流伺服电机的结构（ 1 ）定子产生定子磁极磁场（ 2 ）转子表面嵌有线圈通直流电时在定子磁场作用下

产生带负载旋转的电磁转矩（ 3 ）电刷与换向片为使产生的电磁转矩保持恒定的方向保证转子能沿着固定方向均匀地连续旋转将电刷与外加直流电源连接换向片与电枢线圈连接

3 直流伺服电机的工作原理（ 1 ）永磁式直流电机工作原理 直流电压加在 A B两电刷之间电流从 A 流入从 B 流出导体 ab和 cd受到逆时针方向作用力转子在逆时针方向地电磁转矩作用下旋转

当电枢转过 90deg 电枢线圈处于磁极的中性面电刷与换向片断开无电磁转矩作用

在惯性作用下电枢继续转动一个角度当电刷与换向片再次接触时导体 ab和 cd交换了位置ab和 cd中的电流也发生改变从而保证电枢受到地电磁转矩方向不变因此电枢可以连续转动

（ 2 ）他励式直流电机工作原理 定子上有磁励绕住和补偿绕组转子绕组通过电刷供电

转子磁场与定子磁场始终正交产生转矩转子旋转

732 732 直流进给速度控制单元直流进给速度控制单元 直流电机地机械特性公式

公式中 n为电机转速 Ua为电枢外加电压 Ce为反电动势常数Φ为电机磁通量 Ra为电枢电阻 Cm为转矩常数M为电磁转矩

直流电机的三种调速方法 改变电枢外加电压 Ua该方法可以得到调速范围较宽的

恒转矩特性机械特性好适用于主轴驱动的低速段和进给驱动

改变磁通量Φ可得到恒功率特性适用于主轴驱动的高速段不适合于进给驱动

改变电枢电路的电阻 Ra该方法得到的机械特性较软不能实现无级调速也不适合于数控机床

MCC

R

C

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1 晶闸管直流调速系统 三相全控桥式整流电路作为直流速度控制单元的主电路 两组正负对接的晶闸管一组用于提供正向电压供电机正转 一组提供反向电压供电机反转 通过对 12 个晶闸管触发延迟角的控制达到控制电机电枢电压从而

对电机进行调速

双环调度系统 速度调节器和电流调节器均是由线性集成放大器和阻容元件构成的 PI 调节器

速度环起主导作用电流环的作用是在启动和堵转时限制最大电枢电流

2 晶体管脉宽调制（ PWM ）直流调速系统（ 1 ） PWM 系统的组成及工作原理 脉宽调制使功率放大器中的晶体管工作在开关状态下

开关频率保持恒定用调整开关周期内的晶体管导通时间的办法来改变输出从而使得电机电枢两端获得宽度随时间变化的给定频率的电压脉冲

脉宽连续变化使得电枢电压平均值连续变化进而导致电机转速连续变化

2 脉宽调制器

74 74 交流伺服电机与速度控制交流伺服电机与速度控制741 交流伺服电机1 交流伺服电机的类型 永磁式交流伺服电机和感应式交流伺服电机 共同点工作原理均由定子绕组产生旋转磁场

使得转子跟随定子旋转磁场一起运转 不同点永磁式伺服电机的转速与外加交流电源的频率存在着严格的同步关系即电机的转速等于旋转磁场的同步转速而感应式伺服电机由于需要转速差才能产生电磁转矩因此电机的转速低于磁场同步转速负载越大转速差越大

2 永磁交流伺服电机结构与工作原理 电机结构由定子转子和检测元件组成其中 1 －定子 2 －转子 3 －压板 4 －定子三相绕组 5 －脉冲编码器 6 －接线盒

工作原理定子三相绕组接上电源后产生一个旋转磁场该旋转磁场以同步转速 n0 旋转

定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极相互吸引并带动转子以同步转速 n0 一起旋转

当转子轴上加有负载转矩后造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合相差一个 θ角负载转矩发生变化时 θ角也发生变化

只要不超过一定限度转子始终跟随定子的旋转磁场以同步转速 n

0 旋转

742 742 交流进给速度控制单元交流进给速度控制单元1 交流伺服电机调速原理 同步型交流伺服电机的转速 n=n0=60fp 异步型交流伺服电机的转速 n=(60fp) （ 1-

s ）

电机调速的三种方法（ 1 ）改变磁极对数 P有级调速方法通过对定

子绕组接线的切换而改变磁极对数来实现（ 2 ）改变转差率 s只适合于异步型交流电机的

调速（ 3 ）变频调速通过改变电机电源的频率 f而改

变电机的转速

2 SPWM 变频调速 （ 1 ） SPWM 调制原理 （ 2 ） SPWM 变频器的功率放大电路 （ 3 ） SPWM 变频调速系统 速度给定器给定信号控制频率电压及正反转 平稳启动回路使启动加减速时间可随机械负载设定以达到软启动的目的

函数发生器在输出低频信号时保持电机气隙磁通一定补偿定子电压降的影响

电压频率变压器将电压转换为频率经分频器环形计数器产生方波和经三角波发生器产生的三角波一起送入调制回路

电压调节器产生频率和幅度可调的控制正弦波送入调制回路送入调制回路在调制回路中进行 SPWM 变换产生三相的脉冲宽度调制信号在基极回路中输出信号至功率晶体管基极即对 SPWM 的主回路进行控制实现对永磁交流伺服电机的变频调速

电流检测器过载保护

75 75 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 与传统数控机床进给系统中的ldquo旋转伺服电机＋滚珠丝杠rdquo不同直线电机直接驱动机床工作台取消驱动电机和工作台之间的一切中间传动环节

751 直线电机 分为交流和直流两种交流直线电机又分为感

应异步式和永磁同步式 直线电机相当于把旋转电机沿过轴线的平面剖

开并将定子转子圆周展开为平面和进行一些演变形成

感应异步式直线电机演变过程感应异步式直线电机演变过程

永磁同步式直线电机演变过程永磁同步式直线电机演变过程

2 直线电机的工作原理 基本原理利用电磁作用将电能转换为动能（ 1 ）感应异步式直线电机的结构及工作原理（ 2 ）永磁同步式直线电机工作原理3 直线电机的特点 调节速度方便 加速度大响应快 定位精度和跟踪精度高 行程不受限制

752 752 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 由执行器控制器和位置检测装置组成 执行器直线电机本体 控制器由 CNC 控制器和 DDS 数值控制模块组成 位置检测装置光栅感应同步尺等

直线电机进给控制系统直线电机进给控制系统 双环系统内环为速度环外环为位置环 位置环接收来自光栅尺的位置反馈信号及插补信号

的比较信号来控制速度环的指令速度从而调节执行件的位置始终与指令位置保持一致

速度环根据位置环的指令速度快速而准确控制电机使得其不受负载转矩大小和方向的影响并快速跟踪指令速度的变化

753 753 直线电机对控制质量的影响直线电机对控制质量的影响1 路径生成问题 三个方面加加速度插补和对加工程序段的预处理2 直线电机对负载刚性的影响 三个因素速度控制环比例增益积分时间和在没有前馈控制情况下的位置控制环比例增益

3 影响定位时间的因素 四个因素最大加速度速度加加速度和位置控制

进给前馈实际增益4 影响加工路径精度的因素 三个因素路径生成最大加速度和位置控制进给前馈

实际增益

76 76 伺服系统的位置控制伺服系统的位置控制761 数字－脉冲比较伺服系统 将指令脉冲 F与反馈脉冲 Pf进行比较决定位置偏差 e再

将位置偏差 e放大后输出给速度控制单元和电机执行以减少和消除位置偏差

半闭环系统中检测元件多采用光电编码器闭环系统中检测元件多采用光栅

工作过程当指令脉冲为正而反馈脉冲为负时计数器作加法运算当指令脉冲为负而反馈脉冲为正时计数器作减法运算

计数器的计算结果 当 e＝ F－ Pfgt0 时工作台正向移动 当 e＝ F－ Pflt0 时工作台反向运动 当 e＝ F－ Pf＝ 0 时工作台静止

半闭环数值比较系统结构半闭环数值比较系统结构

762 762 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 常用检测元件是旋转变压器和感应同步器 脉冲调相器（数字相位变化器）将来自数控装置

的进给脉冲信号转换为相位变化信号

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

定子的每个磁极正对转子的圆弧面上均都均匀分布着 5 个小齿呈梳状排列齿槽等宽齿间夹角为 9deg

转子上没有绕组只有均匀分布的 40 个小齿其大小和间距与定子上的完全相同

三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开 13 齿距

当 A 相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时 B 相磁极上的齿刚好超前（或滞后）转子齿 13 齿距角即 3deg C 相磁极齿超前（或滞后）转子齿 23 齿距角

步距角步进电机每走一步所转过的角度其大小等于错齿的角度

（ 2 ）永磁式步进电机 定子和转子中的某一方永永久磁钢另一方由软磁材料制成

其上由励磁绕组 绕组通电建立的磁场与永久磁钢的恒定磁场相互作用产生

转矩（ 3 ）永磁感应式步进电机 转子由环行磁钢及两段铁芯构成

3 3 反应式步进电机工作原理反应式步进电机工作原理 步进电机基于电磁力的吸引和排斥产生转矩 定子绕组所加电源要求是脉冲电流形式也称为脉冲电

机 步进电机定子绕组的通电状态每改变一次即送给步进

电机一个电流脉冲其转子就转过一个确定的角度即步距角 α脉冲数增加角位移也增加无脉冲时电机停止

改变步进电机定子绕组的通电顺序转子的旋转方向改变

步进电机定子绕组通电状态的改变速度越快其转子旋转速度越快即脉冲频率越高转子转速越高但脉冲频率不能过高否则产生失步或超步

4 4 反应式步进电机主要特征反应式步进电机主要特征

（ 1 ）步距角和静态步距误差 步进电机步距角 α与定子绕组的相数 m转子的齿数 z

通电方式 k有关即有 α＝ 360deg(mzk) 其中 m相 m拍时 k＝ 1 m相 2m拍时 k＝ 2 依此类推例如三相三拍 z＝ 40 时 α＝ 360deg(3times40times1) ＝ 3deg

静态步距误差在空载情况下理论的步距角与实际的步距角之差以分表示一般在 10prime 之内

步距误差主要由步进电机步距制造误差定子和转子间气隙不均匀以及各相电磁转矩不均匀等因素造成

（ 2 ）静态转矩与矩角特性

静态转矩当步进电机某相通电时转子处于不动状态此时在电机轴上加一个负载转矩转子就按一定方向转过一个角度 θ（失调角）此时转子所受的电磁转矩M即为静态转矩

矩角特性静态转矩M与 θ的关系

（ 3 ）启动频率 启动频率空载时步进电机由静止状态突然启动并

进入不丢步的正常运行的最高频率 步进电机带负载下的启动频率要比空载启动频率低并随负载增加而进一步降低

（ 4 ）连续运行的最高工作频率 最高工作频率步进电机启动后保证连续不丢步运行

的最高工作频率 决定了定子绕组通电状态下最高变化的频率即决定了

步进电机的最高转速（ 5 ）加减速特性 加减速特性步进电机由静止刀工作频率和由工作频率

到静止的加减速过程中定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系

（ 6 ）矩频特性与动态转矩 矩频特性描述步进电机连续稳定运行时输出转矩 M 与连续运行频率 f之间的关系

动态转矩矩频特性曲线上每个频率对应的转矩 步进电机正常运行时动态转矩随连续运行频率的上升

而下降

722 722 步进电机的驱动控制器步进电机的驱动控制器 功能将具有一定频率 f一定数量 N和方向的进给脉冲

转换成控制步进电机各相定子绕组通电断电的电平信号变化频率变化次数和通断电顺序

驱动控制器由环形脉冲分配器和功率放大器组成

1 1 环形脉冲分配器环形脉冲分配器 功能将逻辑电平信号（弱电）变换为电机绕

组所需的具有一定功率的电流脉冲信号（强电）即将数控装置的插补脉冲按步进电机所要求的规律分配给步进电机的各相输入端以控制励磁绕组的通断电

分类硬件环形分配器和软件环形分配器 硬件环形分配器步进电机驱动装置本身带有

环形分配器 软件环形分配器驱动装置本身无环形分配器

环形分配需要软件完成

硬件环形分配器硬件环形分配器 输入输出信号一般为 TTL 电平输出信号 A B C 为

高电平时表示相应绕组通电低电平时表示相应绕组失电 CLK 为数控装置发出的脉冲信号每个脉冲信号的上升或下降沿到来时输出改变一次绕组的通电状态

DIR 为数控装置发出的方向信号其电平高低对应电机绕组通电顺序的改变即步进电机的正反转

FULLHALF 控制电机的整步或半步

三相六拍环形脉冲分配器原理图三相六拍环形脉冲分配器原理图

软件环形脉冲分配器软件环形脉冲分配器 软件环形脉冲分配器的设计方法有查表法比较法移位寄存器法等

如图所示 8031 单片机的 P1口的三个引脚经过光电隔离功率放大后分别与电机的 A B C连接

采用三相六拍方式时电机正转的通电顺序为 A － gtAB －gtB － gtBC － gtC － gtCA － gtA － gt

电机反转的通电顺序为 A － gtAC － gtC － gtCB － gtB － gtBA － gtA － gt

2 2 功率放大器功率放大器 功能将环形分配器输出的脉冲信号放大以用足够的功率来驱动步进电机

（ 1 ）单电压功率放大器

（ 2 ）高低电压功率放大器

（ 3 ）斩波恒流功率放大器

（ 4 ）调频调压功率放大器

723 723 提高步进伺服系统精度的措施提高步进伺服系统精度的措施1 传动间隙补偿 提高机床传动元件的齿轮丝杠制造装配精度并采

取消除传动间隙的措施只能减少不能完全消除传动间隙

机械传动链在改变运动或旋转方向时最初若干个指令脉冲只能起到消除间隙的作用造成步进电机的空走而工作台无实际移动从而产生传动误差

补偿方法先测出并存储间隙大小接收反向位移指令时先不向步进电机输出反向位移脉冲而将间隙值转换为脉冲数 N 驱动步进电机转动越过传动间隙然后按照指令脉冲动作

传动间隙补偿示意图传动间隙补偿示意图

2 螺距误差补偿 传动链中滚珠丝杠螺

距的制造误差直接影响机床工作台的位移精度

补偿方法设置若干个补偿点在每个补偿点测量并记录工作台位移误差确定补偿值并作为控制参数输送给数控装置

设备运行时工作台每经过一个补偿点CNC 系统就加入补偿量补偿螺距误差

3 细分线路 细分驱动将一个步距角细分为若干步的驱动方法

73 73 直流伺服电机与速度控制直流伺服电机与速度控制731 直流伺服电机1 直流伺服电机的类型 按电枢的结构和形状分平滑电枢型空心电枢型和有槽电枢型等

按定子磁场产生方式分永磁式和他励式 按转子转动惯量大小分大惯量中惯量和小惯量伺服电机2 直流伺服电机的结构（ 1 ）定子产生定子磁极磁场（ 2 ）转子表面嵌有线圈通直流电时在定子磁场作用下

产生带负载旋转的电磁转矩（ 3 ）电刷与换向片为使产生的电磁转矩保持恒定的方向保证转子能沿着固定方向均匀地连续旋转将电刷与外加直流电源连接换向片与电枢线圈连接

3 直流伺服电机的工作原理（ 1 ）永磁式直流电机工作原理 直流电压加在 A B两电刷之间电流从 A 流入从 B 流出导体 ab和 cd受到逆时针方向作用力转子在逆时针方向地电磁转矩作用下旋转

当电枢转过 90deg 电枢线圈处于磁极的中性面电刷与换向片断开无电磁转矩作用

在惯性作用下电枢继续转动一个角度当电刷与换向片再次接触时导体 ab和 cd交换了位置ab和 cd中的电流也发生改变从而保证电枢受到地电磁转矩方向不变因此电枢可以连续转动

（ 2 ）他励式直流电机工作原理 定子上有磁励绕住和补偿绕组转子绕组通过电刷供电

转子磁场与定子磁场始终正交产生转矩转子旋转

732 732 直流进给速度控制单元直流进给速度控制单元 直流电机地机械特性公式

公式中 n为电机转速 Ua为电枢外加电压 Ce为反电动势常数Φ为电机磁通量 Ra为电枢电阻 Cm为转矩常数M为电磁转矩

直流电机的三种调速方法 改变电枢外加电压 Ua该方法可以得到调速范围较宽的

恒转矩特性机械特性好适用于主轴驱动的低速段和进给驱动

改变磁通量Φ可得到恒功率特性适用于主轴驱动的高速段不适合于进给驱动

改变电枢电路的电阻 Ra该方法得到的机械特性较软不能实现无级调速也不适合于数控机床

MCC

R

C

Un

me

a

e

a2

1 晶闸管直流调速系统 三相全控桥式整流电路作为直流速度控制单元的主电路 两组正负对接的晶闸管一组用于提供正向电压供电机正转 一组提供反向电压供电机反转 通过对 12 个晶闸管触发延迟角的控制达到控制电机电枢电压从而

对电机进行调速

双环调度系统 速度调节器和电流调节器均是由线性集成放大器和阻容元件构成的 PI 调节器

速度环起主导作用电流环的作用是在启动和堵转时限制最大电枢电流

2 晶体管脉宽调制（ PWM ）直流调速系统（ 1 ） PWM 系统的组成及工作原理 脉宽调制使功率放大器中的晶体管工作在开关状态下

开关频率保持恒定用调整开关周期内的晶体管导通时间的办法来改变输出从而使得电机电枢两端获得宽度随时间变化的给定频率的电压脉冲

脉宽连续变化使得电枢电压平均值连续变化进而导致电机转速连续变化

2 脉宽调制器

74 74 交流伺服电机与速度控制交流伺服电机与速度控制741 交流伺服电机1 交流伺服电机的类型 永磁式交流伺服电机和感应式交流伺服电机 共同点工作原理均由定子绕组产生旋转磁场

使得转子跟随定子旋转磁场一起运转 不同点永磁式伺服电机的转速与外加交流电源的频率存在着严格的同步关系即电机的转速等于旋转磁场的同步转速而感应式伺服电机由于需要转速差才能产生电磁转矩因此电机的转速低于磁场同步转速负载越大转速差越大

2 永磁交流伺服电机结构与工作原理 电机结构由定子转子和检测元件组成其中 1 －定子 2 －转子 3 －压板 4 －定子三相绕组 5 －脉冲编码器 6 －接线盒

工作原理定子三相绕组接上电源后产生一个旋转磁场该旋转磁场以同步转速 n0 旋转

定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极相互吸引并带动转子以同步转速 n0 一起旋转

当转子轴上加有负载转矩后造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合相差一个 θ角负载转矩发生变化时 θ角也发生变化

只要不超过一定限度转子始终跟随定子的旋转磁场以同步转速 n

0 旋转

742 742 交流进给速度控制单元交流进给速度控制单元1 交流伺服电机调速原理 同步型交流伺服电机的转速 n=n0=60fp 异步型交流伺服电机的转速 n=(60fp) （ 1-

s ）

电机调速的三种方法（ 1 ）改变磁极对数 P有级调速方法通过对定

子绕组接线的切换而改变磁极对数来实现（ 2 ）改变转差率 s只适合于异步型交流电机的

调速（ 3 ）变频调速通过改变电机电源的频率 f而改

变电机的转速

2 SPWM 变频调速 （ 1 ） SPWM 调制原理 （ 2 ） SPWM 变频器的功率放大电路 （ 3 ） SPWM 变频调速系统 速度给定器给定信号控制频率电压及正反转 平稳启动回路使启动加减速时间可随机械负载设定以达到软启动的目的

函数发生器在输出低频信号时保持电机气隙磁通一定补偿定子电压降的影响

电压频率变压器将电压转换为频率经分频器环形计数器产生方波和经三角波发生器产生的三角波一起送入调制回路

电压调节器产生频率和幅度可调的控制正弦波送入调制回路送入调制回路在调制回路中进行 SPWM 变换产生三相的脉冲宽度调制信号在基极回路中输出信号至功率晶体管基极即对 SPWM 的主回路进行控制实现对永磁交流伺服电机的变频调速

电流检测器过载保护

75 75 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 与传统数控机床进给系统中的ldquo旋转伺服电机＋滚珠丝杠rdquo不同直线电机直接驱动机床工作台取消驱动电机和工作台之间的一切中间传动环节

751 直线电机 分为交流和直流两种交流直线电机又分为感

应异步式和永磁同步式 直线电机相当于把旋转电机沿过轴线的平面剖

开并将定子转子圆周展开为平面和进行一些演变形成

感应异步式直线电机演变过程感应异步式直线电机演变过程

永磁同步式直线电机演变过程永磁同步式直线电机演变过程

2 直线电机的工作原理 基本原理利用电磁作用将电能转换为动能（ 1 ）感应异步式直线电机的结构及工作原理（ 2 ）永磁同步式直线电机工作原理3 直线电机的特点 调节速度方便 加速度大响应快 定位精度和跟踪精度高 行程不受限制

752 752 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 由执行器控制器和位置检测装置组成 执行器直线电机本体 控制器由 CNC 控制器和 DDS 数值控制模块组成 位置检测装置光栅感应同步尺等

直线电机进给控制系统直线电机进给控制系统 双环系统内环为速度环外环为位置环 位置环接收来自光栅尺的位置反馈信号及插补信号

的比较信号来控制速度环的指令速度从而调节执行件的位置始终与指令位置保持一致

速度环根据位置环的指令速度快速而准确控制电机使得其不受负载转矩大小和方向的影响并快速跟踪指令速度的变化

753 753 直线电机对控制质量的影响直线电机对控制质量的影响1 路径生成问题 三个方面加加速度插补和对加工程序段的预处理2 直线电机对负载刚性的影响 三个因素速度控制环比例增益积分时间和在没有前馈控制情况下的位置控制环比例增益

3 影响定位时间的因素 四个因素最大加速度速度加加速度和位置控制

进给前馈实际增益4 影响加工路径精度的因素 三个因素路径生成最大加速度和位置控制进给前馈

实际增益

76 76 伺服系统的位置控制伺服系统的位置控制761 数字－脉冲比较伺服系统 将指令脉冲 F与反馈脉冲 Pf进行比较决定位置偏差 e再

将位置偏差 e放大后输出给速度控制单元和电机执行以减少和消除位置偏差

半闭环系统中检测元件多采用光电编码器闭环系统中检测元件多采用光栅

工作过程当指令脉冲为正而反馈脉冲为负时计数器作加法运算当指令脉冲为负而反馈脉冲为正时计数器作减法运算

计数器的计算结果 当 e＝ F－ Pfgt0 时工作台正向移动 当 e＝ F－ Pflt0 时工作台反向运动 当 e＝ F－ Pf＝ 0 时工作台静止

半闭环数值比较系统结构半闭环数值比较系统结构

762 762 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 常用检测元件是旋转变压器和感应同步器 脉冲调相器（数字相位变化器）将来自数控装置

的进给脉冲信号转换为相位变化信号

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

当 A 相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时 B 相磁极上的齿刚好超前（或滞后）转子齿 13 齿距角即 3deg C 相磁极齿超前（或滞后）转子齿 23 齿距角

步距角步进电机每走一步所转过的角度其大小等于错齿的角度

（ 2 ）永磁式步进电机 定子和转子中的某一方永永久磁钢另一方由软磁材料制成

其上由励磁绕组 绕组通电建立的磁场与永久磁钢的恒定磁场相互作用产生

转矩（ 3 ）永磁感应式步进电机 转子由环行磁钢及两段铁芯构成

3 3 反应式步进电机工作原理反应式步进电机工作原理 步进电机基于电磁力的吸引和排斥产生转矩 定子绕组所加电源要求是脉冲电流形式也称为脉冲电

机 步进电机定子绕组的通电状态每改变一次即送给步进

电机一个电流脉冲其转子就转过一个确定的角度即步距角 α脉冲数增加角位移也增加无脉冲时电机停止

改变步进电机定子绕组的通电顺序转子的旋转方向改变

步进电机定子绕组通电状态的改变速度越快其转子旋转速度越快即脉冲频率越高转子转速越高但脉冲频率不能过高否则产生失步或超步

4 4 反应式步进电机主要特征反应式步进电机主要特征

（ 1 ）步距角和静态步距误差 步进电机步距角 α与定子绕组的相数 m转子的齿数 z

通电方式 k有关即有 α＝ 360deg(mzk) 其中 m相 m拍时 k＝ 1 m相 2m拍时 k＝ 2 依此类推例如三相三拍 z＝ 40 时 α＝ 360deg(3times40times1) ＝ 3deg

静态步距误差在空载情况下理论的步距角与实际的步距角之差以分表示一般在 10prime 之内

步距误差主要由步进电机步距制造误差定子和转子间气隙不均匀以及各相电磁转矩不均匀等因素造成

（ 2 ）静态转矩与矩角特性

静态转矩当步进电机某相通电时转子处于不动状态此时在电机轴上加一个负载转矩转子就按一定方向转过一个角度 θ（失调角）此时转子所受的电磁转矩M即为静态转矩

矩角特性静态转矩M与 θ的关系

（ 3 ）启动频率 启动频率空载时步进电机由静止状态突然启动并

进入不丢步的正常运行的最高频率 步进电机带负载下的启动频率要比空载启动频率低并随负载增加而进一步降低

（ 4 ）连续运行的最高工作频率 最高工作频率步进电机启动后保证连续不丢步运行

的最高工作频率 决定了定子绕组通电状态下最高变化的频率即决定了

步进电机的最高转速（ 5 ）加减速特性 加减速特性步进电机由静止刀工作频率和由工作频率

到静止的加减速过程中定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系

（ 6 ）矩频特性与动态转矩 矩频特性描述步进电机连续稳定运行时输出转矩 M 与连续运行频率 f之间的关系

动态转矩矩频特性曲线上每个频率对应的转矩 步进电机正常运行时动态转矩随连续运行频率的上升

而下降

722 722 步进电机的驱动控制器步进电机的驱动控制器 功能将具有一定频率 f一定数量 N和方向的进给脉冲

转换成控制步进电机各相定子绕组通电断电的电平信号变化频率变化次数和通断电顺序

驱动控制器由环形脉冲分配器和功率放大器组成

1 1 环形脉冲分配器环形脉冲分配器 功能将逻辑电平信号（弱电）变换为电机绕

组所需的具有一定功率的电流脉冲信号（强电）即将数控装置的插补脉冲按步进电机所要求的规律分配给步进电机的各相输入端以控制励磁绕组的通断电

分类硬件环形分配器和软件环形分配器 硬件环形分配器步进电机驱动装置本身带有

环形分配器 软件环形分配器驱动装置本身无环形分配器

环形分配需要软件完成

硬件环形分配器硬件环形分配器 输入输出信号一般为 TTL 电平输出信号 A B C 为

高电平时表示相应绕组通电低电平时表示相应绕组失电 CLK 为数控装置发出的脉冲信号每个脉冲信号的上升或下降沿到来时输出改变一次绕组的通电状态

DIR 为数控装置发出的方向信号其电平高低对应电机绕组通电顺序的改变即步进电机的正反转

FULLHALF 控制电机的整步或半步

三相六拍环形脉冲分配器原理图三相六拍环形脉冲分配器原理图

软件环形脉冲分配器软件环形脉冲分配器 软件环形脉冲分配器的设计方法有查表法比较法移位寄存器法等

如图所示 8031 单片机的 P1口的三个引脚经过光电隔离功率放大后分别与电机的 A B C连接

采用三相六拍方式时电机正转的通电顺序为 A － gtAB －gtB － gtBC － gtC － gtCA － gtA － gt

电机反转的通电顺序为 A － gtAC － gtC － gtCB － gtB － gtBA － gtA － gt

2 2 功率放大器功率放大器 功能将环形分配器输出的脉冲信号放大以用足够的功率来驱动步进电机

（ 1 ）单电压功率放大器

（ 2 ）高低电压功率放大器

（ 3 ）斩波恒流功率放大器

（ 4 ）调频调压功率放大器

723 723 提高步进伺服系统精度的措施提高步进伺服系统精度的措施1 传动间隙补偿 提高机床传动元件的齿轮丝杠制造装配精度并采

取消除传动间隙的措施只能减少不能完全消除传动间隙

机械传动链在改变运动或旋转方向时最初若干个指令脉冲只能起到消除间隙的作用造成步进电机的空走而工作台无实际移动从而产生传动误差

补偿方法先测出并存储间隙大小接收反向位移指令时先不向步进电机输出反向位移脉冲而将间隙值转换为脉冲数 N 驱动步进电机转动越过传动间隙然后按照指令脉冲动作

传动间隙补偿示意图传动间隙补偿示意图

2 螺距误差补偿 传动链中滚珠丝杠螺

距的制造误差直接影响机床工作台的位移精度

补偿方法设置若干个补偿点在每个补偿点测量并记录工作台位移误差确定补偿值并作为控制参数输送给数控装置

设备运行时工作台每经过一个补偿点CNC 系统就加入补偿量补偿螺距误差

3 细分线路 细分驱动将一个步距角细分为若干步的驱动方法

73 73 直流伺服电机与速度控制直流伺服电机与速度控制731 直流伺服电机1 直流伺服电机的类型 按电枢的结构和形状分平滑电枢型空心电枢型和有槽电枢型等

按定子磁场产生方式分永磁式和他励式 按转子转动惯量大小分大惯量中惯量和小惯量伺服电机2 直流伺服电机的结构（ 1 ）定子产生定子磁极磁场（ 2 ）转子表面嵌有线圈通直流电时在定子磁场作用下

产生带负载旋转的电磁转矩（ 3 ）电刷与换向片为使产生的电磁转矩保持恒定的方向保证转子能沿着固定方向均匀地连续旋转将电刷与外加直流电源连接换向片与电枢线圈连接

3 直流伺服电机的工作原理（ 1 ）永磁式直流电机工作原理 直流电压加在 A B两电刷之间电流从 A 流入从 B 流出导体 ab和 cd受到逆时针方向作用力转子在逆时针方向地电磁转矩作用下旋转

当电枢转过 90deg 电枢线圈处于磁极的中性面电刷与换向片断开无电磁转矩作用

在惯性作用下电枢继续转动一个角度当电刷与换向片再次接触时导体 ab和 cd交换了位置ab和 cd中的电流也发生改变从而保证电枢受到地电磁转矩方向不变因此电枢可以连续转动

（ 2 ）他励式直流电机工作原理 定子上有磁励绕住和补偿绕组转子绕组通过电刷供电

转子磁场与定子磁场始终正交产生转矩转子旋转

732 732 直流进给速度控制单元直流进给速度控制单元 直流电机地机械特性公式

公式中 n为电机转速 Ua为电枢外加电压 Ce为反电动势常数Φ为电机磁通量 Ra为电枢电阻 Cm为转矩常数M为电磁转矩

直流电机的三种调速方法 改变电枢外加电压 Ua该方法可以得到调速范围较宽的

恒转矩特性机械特性好适用于主轴驱动的低速段和进给驱动

改变磁通量Φ可得到恒功率特性适用于主轴驱动的高速段不适合于进给驱动

改变电枢电路的电阻 Ra该方法得到的机械特性较软不能实现无级调速也不适合于数控机床

MCC

R

C

Un

me

a

e

a2

1 晶闸管直流调速系统 三相全控桥式整流电路作为直流速度控制单元的主电路 两组正负对接的晶闸管一组用于提供正向电压供电机正转 一组提供反向电压供电机反转 通过对 12 个晶闸管触发延迟角的控制达到控制电机电枢电压从而

对电机进行调速

双环调度系统 速度调节器和电流调节器均是由线性集成放大器和阻容元件构成的 PI 调节器

速度环起主导作用电流环的作用是在启动和堵转时限制最大电枢电流

2 晶体管脉宽调制（ PWM ）直流调速系统（ 1 ） PWM 系统的组成及工作原理 脉宽调制使功率放大器中的晶体管工作在开关状态下

开关频率保持恒定用调整开关周期内的晶体管导通时间的办法来改变输出从而使得电机电枢两端获得宽度随时间变化的给定频率的电压脉冲

脉宽连续变化使得电枢电压平均值连续变化进而导致电机转速连续变化

2 脉宽调制器

74 74 交流伺服电机与速度控制交流伺服电机与速度控制741 交流伺服电机1 交流伺服电机的类型 永磁式交流伺服电机和感应式交流伺服电机 共同点工作原理均由定子绕组产生旋转磁场

使得转子跟随定子旋转磁场一起运转 不同点永磁式伺服电机的转速与外加交流电源的频率存在着严格的同步关系即电机的转速等于旋转磁场的同步转速而感应式伺服电机由于需要转速差才能产生电磁转矩因此电机的转速低于磁场同步转速负载越大转速差越大

2 永磁交流伺服电机结构与工作原理 电机结构由定子转子和检测元件组成其中 1 －定子 2 －转子 3 －压板 4 －定子三相绕组 5 －脉冲编码器 6 －接线盒

工作原理定子三相绕组接上电源后产生一个旋转磁场该旋转磁场以同步转速 n0 旋转

定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极相互吸引并带动转子以同步转速 n0 一起旋转

当转子轴上加有负载转矩后造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合相差一个 θ角负载转矩发生变化时 θ角也发生变化

只要不超过一定限度转子始终跟随定子的旋转磁场以同步转速 n

0 旋转

742 742 交流进给速度控制单元交流进给速度控制单元1 交流伺服电机调速原理 同步型交流伺服电机的转速 n=n0=60fp 异步型交流伺服电机的转速 n=(60fp) （ 1-

s ）

电机调速的三种方法（ 1 ）改变磁极对数 P有级调速方法通过对定

子绕组接线的切换而改变磁极对数来实现（ 2 ）改变转差率 s只适合于异步型交流电机的

调速（ 3 ）变频调速通过改变电机电源的频率 f而改

变电机的转速

2 SPWM 变频调速 （ 1 ） SPWM 调制原理 （ 2 ） SPWM 变频器的功率放大电路 （ 3 ） SPWM 变频调速系统 速度给定器给定信号控制频率电压及正反转 平稳启动回路使启动加减速时间可随机械负载设定以达到软启动的目的

函数发生器在输出低频信号时保持电机气隙磁通一定补偿定子电压降的影响

电压频率变压器将电压转换为频率经分频器环形计数器产生方波和经三角波发生器产生的三角波一起送入调制回路

电压调节器产生频率和幅度可调的控制正弦波送入调制回路送入调制回路在调制回路中进行 SPWM 变换产生三相的脉冲宽度调制信号在基极回路中输出信号至功率晶体管基极即对 SPWM 的主回路进行控制实现对永磁交流伺服电机的变频调速

电流检测器过载保护

75 75 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 与传统数控机床进给系统中的ldquo旋转伺服电机＋滚珠丝杠rdquo不同直线电机直接驱动机床工作台取消驱动电机和工作台之间的一切中间传动环节

751 直线电机 分为交流和直流两种交流直线电机又分为感

应异步式和永磁同步式 直线电机相当于把旋转电机沿过轴线的平面剖

开并将定子转子圆周展开为平面和进行一些演变形成

感应异步式直线电机演变过程感应异步式直线电机演变过程

永磁同步式直线电机演变过程永磁同步式直线电机演变过程

2 直线电机的工作原理 基本原理利用电磁作用将电能转换为动能（ 1 ）感应异步式直线电机的结构及工作原理（ 2 ）永磁同步式直线电机工作原理3 直线电机的特点 调节速度方便 加速度大响应快 定位精度和跟踪精度高 行程不受限制

752 752 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 由执行器控制器和位置检测装置组成 执行器直线电机本体 控制器由 CNC 控制器和 DDS 数值控制模块组成 位置检测装置光栅感应同步尺等

直线电机进给控制系统直线电机进给控制系统 双环系统内环为速度环外环为位置环 位置环接收来自光栅尺的位置反馈信号及插补信号

的比较信号来控制速度环的指令速度从而调节执行件的位置始终与指令位置保持一致

速度环根据位置环的指令速度快速而准确控制电机使得其不受负载转矩大小和方向的影响并快速跟踪指令速度的变化

753 753 直线电机对控制质量的影响直线电机对控制质量的影响1 路径生成问题 三个方面加加速度插补和对加工程序段的预处理2 直线电机对负载刚性的影响 三个因素速度控制环比例增益积分时间和在没有前馈控制情况下的位置控制环比例增益

3 影响定位时间的因素 四个因素最大加速度速度加加速度和位置控制

进给前馈实际增益4 影响加工路径精度的因素 三个因素路径生成最大加速度和位置控制进给前馈

实际增益

76 76 伺服系统的位置控制伺服系统的位置控制761 数字－脉冲比较伺服系统 将指令脉冲 F与反馈脉冲 Pf进行比较决定位置偏差 e再

将位置偏差 e放大后输出给速度控制单元和电机执行以减少和消除位置偏差

半闭环系统中检测元件多采用光电编码器闭环系统中检测元件多采用光栅

工作过程当指令脉冲为正而反馈脉冲为负时计数器作加法运算当指令脉冲为负而反馈脉冲为正时计数器作减法运算

计数器的计算结果 当 e＝ F－ Pfgt0 时工作台正向移动 当 e＝ F－ Pflt0 时工作台反向运动 当 e＝ F－ Pf＝ 0 时工作台静止

半闭环数值比较系统结构半闭环数值比较系统结构

762 762 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 常用检测元件是旋转变压器和感应同步器 脉冲调相器（数字相位变化器）将来自数控装置

的进给脉冲信号转换为相位变化信号

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

3 3 反应式步进电机工作原理反应式步进电机工作原理 步进电机基于电磁力的吸引和排斥产生转矩 定子绕组所加电源要求是脉冲电流形式也称为脉冲电

机 步进电机定子绕组的通电状态每改变一次即送给步进

电机一个电流脉冲其转子就转过一个确定的角度即步距角 α脉冲数增加角位移也增加无脉冲时电机停止

改变步进电机定子绕组的通电顺序转子的旋转方向改变

步进电机定子绕组通电状态的改变速度越快其转子旋转速度越快即脉冲频率越高转子转速越高但脉冲频率不能过高否则产生失步或超步

4 4 反应式步进电机主要特征反应式步进电机主要特征

（ 1 ）步距角和静态步距误差 步进电机步距角 α与定子绕组的相数 m转子的齿数 z

通电方式 k有关即有 α＝ 360deg(mzk) 其中 m相 m拍时 k＝ 1 m相 2m拍时 k＝ 2 依此类推例如三相三拍 z＝ 40 时 α＝ 360deg(3times40times1) ＝ 3deg

静态步距误差在空载情况下理论的步距角与实际的步距角之差以分表示一般在 10prime 之内

步距误差主要由步进电机步距制造误差定子和转子间气隙不均匀以及各相电磁转矩不均匀等因素造成

（ 2 ）静态转矩与矩角特性

静态转矩当步进电机某相通电时转子处于不动状态此时在电机轴上加一个负载转矩转子就按一定方向转过一个角度 θ（失调角）此时转子所受的电磁转矩M即为静态转矩

矩角特性静态转矩M与 θ的关系

（ 3 ）启动频率 启动频率空载时步进电机由静止状态突然启动并

进入不丢步的正常运行的最高频率 步进电机带负载下的启动频率要比空载启动频率低并随负载增加而进一步降低

（ 4 ）连续运行的最高工作频率 最高工作频率步进电机启动后保证连续不丢步运行

的最高工作频率 决定了定子绕组通电状态下最高变化的频率即决定了

步进电机的最高转速（ 5 ）加减速特性 加减速特性步进电机由静止刀工作频率和由工作频率

到静止的加减速过程中定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系

（ 6 ）矩频特性与动态转矩 矩频特性描述步进电机连续稳定运行时输出转矩 M 与连续运行频率 f之间的关系

动态转矩矩频特性曲线上每个频率对应的转矩 步进电机正常运行时动态转矩随连续运行频率的上升

而下降

722 722 步进电机的驱动控制器步进电机的驱动控制器 功能将具有一定频率 f一定数量 N和方向的进给脉冲

转换成控制步进电机各相定子绕组通电断电的电平信号变化频率变化次数和通断电顺序

驱动控制器由环形脉冲分配器和功率放大器组成

1 1 环形脉冲分配器环形脉冲分配器 功能将逻辑电平信号（弱电）变换为电机绕

组所需的具有一定功率的电流脉冲信号（强电）即将数控装置的插补脉冲按步进电机所要求的规律分配给步进电机的各相输入端以控制励磁绕组的通断电

分类硬件环形分配器和软件环形分配器 硬件环形分配器步进电机驱动装置本身带有

环形分配器 软件环形分配器驱动装置本身无环形分配器

环形分配需要软件完成

硬件环形分配器硬件环形分配器 输入输出信号一般为 TTL 电平输出信号 A B C 为

高电平时表示相应绕组通电低电平时表示相应绕组失电 CLK 为数控装置发出的脉冲信号每个脉冲信号的上升或下降沿到来时输出改变一次绕组的通电状态

DIR 为数控装置发出的方向信号其电平高低对应电机绕组通电顺序的改变即步进电机的正反转

FULLHALF 控制电机的整步或半步

三相六拍环形脉冲分配器原理图三相六拍环形脉冲分配器原理图

软件环形脉冲分配器软件环形脉冲分配器 软件环形脉冲分配器的设计方法有查表法比较法移位寄存器法等

如图所示 8031 单片机的 P1口的三个引脚经过光电隔离功率放大后分别与电机的 A B C连接

采用三相六拍方式时电机正转的通电顺序为 A － gtAB －gtB － gtBC － gtC － gtCA － gtA － gt

电机反转的通电顺序为 A － gtAC － gtC － gtCB － gtB － gtBA － gtA － gt

2 2 功率放大器功率放大器 功能将环形分配器输出的脉冲信号放大以用足够的功率来驱动步进电机

（ 1 ）单电压功率放大器

（ 2 ）高低电压功率放大器

（ 3 ）斩波恒流功率放大器

（ 4 ）调频调压功率放大器

723 723 提高步进伺服系统精度的措施提高步进伺服系统精度的措施1 传动间隙补偿 提高机床传动元件的齿轮丝杠制造装配精度并采

取消除传动间隙的措施只能减少不能完全消除传动间隙

机械传动链在改变运动或旋转方向时最初若干个指令脉冲只能起到消除间隙的作用造成步进电机的空走而工作台无实际移动从而产生传动误差

补偿方法先测出并存储间隙大小接收反向位移指令时先不向步进电机输出反向位移脉冲而将间隙值转换为脉冲数 N 驱动步进电机转动越过传动间隙然后按照指令脉冲动作

传动间隙补偿示意图传动间隙补偿示意图

2 螺距误差补偿 传动链中滚珠丝杠螺

距的制造误差直接影响机床工作台的位移精度

补偿方法设置若干个补偿点在每个补偿点测量并记录工作台位移误差确定补偿值并作为控制参数输送给数控装置

设备运行时工作台每经过一个补偿点CNC 系统就加入补偿量补偿螺距误差

3 细分线路 细分驱动将一个步距角细分为若干步的驱动方法

73 73 直流伺服电机与速度控制直流伺服电机与速度控制731 直流伺服电机1 直流伺服电机的类型 按电枢的结构和形状分平滑电枢型空心电枢型和有槽电枢型等

按定子磁场产生方式分永磁式和他励式 按转子转动惯量大小分大惯量中惯量和小惯量伺服电机2 直流伺服电机的结构（ 1 ）定子产生定子磁极磁场（ 2 ）转子表面嵌有线圈通直流电时在定子磁场作用下

产生带负载旋转的电磁转矩（ 3 ）电刷与换向片为使产生的电磁转矩保持恒定的方向保证转子能沿着固定方向均匀地连续旋转将电刷与外加直流电源连接换向片与电枢线圈连接

3 直流伺服电机的工作原理（ 1 ）永磁式直流电机工作原理 直流电压加在 A B两电刷之间电流从 A 流入从 B 流出导体 ab和 cd受到逆时针方向作用力转子在逆时针方向地电磁转矩作用下旋转

当电枢转过 90deg 电枢线圈处于磁极的中性面电刷与换向片断开无电磁转矩作用

在惯性作用下电枢继续转动一个角度当电刷与换向片再次接触时导体 ab和 cd交换了位置ab和 cd中的电流也发生改变从而保证电枢受到地电磁转矩方向不变因此电枢可以连续转动

（ 2 ）他励式直流电机工作原理 定子上有磁励绕住和补偿绕组转子绕组通过电刷供电

转子磁场与定子磁场始终正交产生转矩转子旋转

732 732 直流进给速度控制单元直流进给速度控制单元 直流电机地机械特性公式

公式中 n为电机转速 Ua为电枢外加电压 Ce为反电动势常数Φ为电机磁通量 Ra为电枢电阻 Cm为转矩常数M为电磁转矩

直流电机的三种调速方法 改变电枢外加电压 Ua该方法可以得到调速范围较宽的

恒转矩特性机械特性好适用于主轴驱动的低速段和进给驱动

改变磁通量Φ可得到恒功率特性适用于主轴驱动的高速段不适合于进给驱动

改变电枢电路的电阻 Ra该方法得到的机械特性较软不能实现无级调速也不适合于数控机床

MCC

R

C

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1 晶闸管直流调速系统 三相全控桥式整流电路作为直流速度控制单元的主电路 两组正负对接的晶闸管一组用于提供正向电压供电机正转 一组提供反向电压供电机反转 通过对 12 个晶闸管触发延迟角的控制达到控制电机电枢电压从而

对电机进行调速

双环调度系统 速度调节器和电流调节器均是由线性集成放大器和阻容元件构成的 PI 调节器

速度环起主导作用电流环的作用是在启动和堵转时限制最大电枢电流

2 晶体管脉宽调制（ PWM ）直流调速系统（ 1 ） PWM 系统的组成及工作原理 脉宽调制使功率放大器中的晶体管工作在开关状态下

开关频率保持恒定用调整开关周期内的晶体管导通时间的办法来改变输出从而使得电机电枢两端获得宽度随时间变化的给定频率的电压脉冲

脉宽连续变化使得电枢电压平均值连续变化进而导致电机转速连续变化

2 脉宽调制器

74 74 交流伺服电机与速度控制交流伺服电机与速度控制741 交流伺服电机1 交流伺服电机的类型 永磁式交流伺服电机和感应式交流伺服电机 共同点工作原理均由定子绕组产生旋转磁场

使得转子跟随定子旋转磁场一起运转 不同点永磁式伺服电机的转速与外加交流电源的频率存在着严格的同步关系即电机的转速等于旋转磁场的同步转速而感应式伺服电机由于需要转速差才能产生电磁转矩因此电机的转速低于磁场同步转速负载越大转速差越大

2 永磁交流伺服电机结构与工作原理 电机结构由定子转子和检测元件组成其中 1 －定子 2 －转子 3 －压板 4 －定子三相绕组 5 －脉冲编码器 6 －接线盒

工作原理定子三相绕组接上电源后产生一个旋转磁场该旋转磁场以同步转速 n0 旋转

定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极相互吸引并带动转子以同步转速 n0 一起旋转

当转子轴上加有负载转矩后造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合相差一个 θ角负载转矩发生变化时 θ角也发生变化

只要不超过一定限度转子始终跟随定子的旋转磁场以同步转速 n

0 旋转

742 742 交流进给速度控制单元交流进给速度控制单元1 交流伺服电机调速原理 同步型交流伺服电机的转速 n=n0=60fp 异步型交流伺服电机的转速 n=(60fp) （ 1-

s ）

电机调速的三种方法（ 1 ）改变磁极对数 P有级调速方法通过对定

子绕组接线的切换而改变磁极对数来实现（ 2 ）改变转差率 s只适合于异步型交流电机的

调速（ 3 ）变频调速通过改变电机电源的频率 f而改

变电机的转速

2 SPWM 变频调速 （ 1 ） SPWM 调制原理 （ 2 ） SPWM 变频器的功率放大电路 （ 3 ） SPWM 变频调速系统 速度给定器给定信号控制频率电压及正反转 平稳启动回路使启动加减速时间可随机械负载设定以达到软启动的目的

函数发生器在输出低频信号时保持电机气隙磁通一定补偿定子电压降的影响

电压频率变压器将电压转换为频率经分频器环形计数器产生方波和经三角波发生器产生的三角波一起送入调制回路

电压调节器产生频率和幅度可调的控制正弦波送入调制回路送入调制回路在调制回路中进行 SPWM 变换产生三相的脉冲宽度调制信号在基极回路中输出信号至功率晶体管基极即对 SPWM 的主回路进行控制实现对永磁交流伺服电机的变频调速

电流检测器过载保护

75 75 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 与传统数控机床进给系统中的ldquo旋转伺服电机＋滚珠丝杠rdquo不同直线电机直接驱动机床工作台取消驱动电机和工作台之间的一切中间传动环节

751 直线电机 分为交流和直流两种交流直线电机又分为感

应异步式和永磁同步式 直线电机相当于把旋转电机沿过轴线的平面剖

开并将定子转子圆周展开为平面和进行一些演变形成

感应异步式直线电机演变过程感应异步式直线电机演变过程

永磁同步式直线电机演变过程永磁同步式直线电机演变过程

2 直线电机的工作原理 基本原理利用电磁作用将电能转换为动能（ 1 ）感应异步式直线电机的结构及工作原理（ 2 ）永磁同步式直线电机工作原理3 直线电机的特点 调节速度方便 加速度大响应快 定位精度和跟踪精度高 行程不受限制

752 752 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 由执行器控制器和位置检测装置组成 执行器直线电机本体 控制器由 CNC 控制器和 DDS 数值控制模块组成 位置检测装置光栅感应同步尺等

直线电机进给控制系统直线电机进给控制系统 双环系统内环为速度环外环为位置环 位置环接收来自光栅尺的位置反馈信号及插补信号

的比较信号来控制速度环的指令速度从而调节执行件的位置始终与指令位置保持一致

速度环根据位置环的指令速度快速而准确控制电机使得其不受负载转矩大小和方向的影响并快速跟踪指令速度的变化

753 753 直线电机对控制质量的影响直线电机对控制质量的影响1 路径生成问题 三个方面加加速度插补和对加工程序段的预处理2 直线电机对负载刚性的影响 三个因素速度控制环比例增益积分时间和在没有前馈控制情况下的位置控制环比例增益

3 影响定位时间的因素 四个因素最大加速度速度加加速度和位置控制

进给前馈实际增益4 影响加工路径精度的因素 三个因素路径生成最大加速度和位置控制进给前馈

实际增益

76 76 伺服系统的位置控制伺服系统的位置控制761 数字－脉冲比较伺服系统 将指令脉冲 F与反馈脉冲 Pf进行比较决定位置偏差 e再

将位置偏差 e放大后输出给速度控制单元和电机执行以减少和消除位置偏差

半闭环系统中检测元件多采用光电编码器闭环系统中检测元件多采用光栅

工作过程当指令脉冲为正而反馈脉冲为负时计数器作加法运算当指令脉冲为负而反馈脉冲为正时计数器作减法运算

计数器的计算结果 当 e＝ F－ Pfgt0 时工作台正向移动 当 e＝ F－ Pflt0 时工作台反向运动 当 e＝ F－ Pf＝ 0 时工作台静止

半闭环数值比较系统结构半闭环数值比较系统结构

762 762 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 常用检测元件是旋转变压器和感应同步器 脉冲调相器（数字相位变化器）将来自数控装置

的进给脉冲信号转换为相位变化信号

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

4 4 反应式步进电机主要特征反应式步进电机主要特征

（ 1 ）步距角和静态步距误差 步进电机步距角 α与定子绕组的相数 m转子的齿数 z

通电方式 k有关即有 α＝ 360deg(mzk) 其中 m相 m拍时 k＝ 1 m相 2m拍时 k＝ 2 依此类推例如三相三拍 z＝ 40 时 α＝ 360deg(3times40times1) ＝ 3deg

静态步距误差在空载情况下理论的步距角与实际的步距角之差以分表示一般在 10prime 之内

步距误差主要由步进电机步距制造误差定子和转子间气隙不均匀以及各相电磁转矩不均匀等因素造成

（ 2 ）静态转矩与矩角特性

静态转矩当步进电机某相通电时转子处于不动状态此时在电机轴上加一个负载转矩转子就按一定方向转过一个角度 θ（失调角）此时转子所受的电磁转矩M即为静态转矩

矩角特性静态转矩M与 θ的关系

（ 3 ）启动频率 启动频率空载时步进电机由静止状态突然启动并

进入不丢步的正常运行的最高频率 步进电机带负载下的启动频率要比空载启动频率低并随负载增加而进一步降低

（ 4 ）连续运行的最高工作频率 最高工作频率步进电机启动后保证连续不丢步运行

的最高工作频率 决定了定子绕组通电状态下最高变化的频率即决定了

步进电机的最高转速（ 5 ）加减速特性 加减速特性步进电机由静止刀工作频率和由工作频率

到静止的加减速过程中定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系

（ 6 ）矩频特性与动态转矩 矩频特性描述步进电机连续稳定运行时输出转矩 M 与连续运行频率 f之间的关系

动态转矩矩频特性曲线上每个频率对应的转矩 步进电机正常运行时动态转矩随连续运行频率的上升

而下降

722 722 步进电机的驱动控制器步进电机的驱动控制器 功能将具有一定频率 f一定数量 N和方向的进给脉冲

转换成控制步进电机各相定子绕组通电断电的电平信号变化频率变化次数和通断电顺序

驱动控制器由环形脉冲分配器和功率放大器组成

1 1 环形脉冲分配器环形脉冲分配器 功能将逻辑电平信号（弱电）变换为电机绕

组所需的具有一定功率的电流脉冲信号（强电）即将数控装置的插补脉冲按步进电机所要求的规律分配给步进电机的各相输入端以控制励磁绕组的通断电

分类硬件环形分配器和软件环形分配器 硬件环形分配器步进电机驱动装置本身带有

环形分配器 软件环形分配器驱动装置本身无环形分配器

环形分配需要软件完成

硬件环形分配器硬件环形分配器 输入输出信号一般为 TTL 电平输出信号 A B C 为

高电平时表示相应绕组通电低电平时表示相应绕组失电 CLK 为数控装置发出的脉冲信号每个脉冲信号的上升或下降沿到来时输出改变一次绕组的通电状态

DIR 为数控装置发出的方向信号其电平高低对应电机绕组通电顺序的改变即步进电机的正反转

FULLHALF 控制电机的整步或半步

三相六拍环形脉冲分配器原理图三相六拍环形脉冲分配器原理图

软件环形脉冲分配器软件环形脉冲分配器 软件环形脉冲分配器的设计方法有查表法比较法移位寄存器法等

如图所示 8031 单片机的 P1口的三个引脚经过光电隔离功率放大后分别与电机的 A B C连接

采用三相六拍方式时电机正转的通电顺序为 A － gtAB －gtB － gtBC － gtC － gtCA － gtA － gt

电机反转的通电顺序为 A － gtAC － gtC － gtCB － gtB － gtBA － gtA － gt

2 2 功率放大器功率放大器 功能将环形分配器输出的脉冲信号放大以用足够的功率来驱动步进电机

（ 1 ）单电压功率放大器

（ 2 ）高低电压功率放大器

（ 3 ）斩波恒流功率放大器

（ 4 ）调频调压功率放大器

723 723 提高步进伺服系统精度的措施提高步进伺服系统精度的措施1 传动间隙补偿 提高机床传动元件的齿轮丝杠制造装配精度并采

取消除传动间隙的措施只能减少不能完全消除传动间隙

机械传动链在改变运动或旋转方向时最初若干个指令脉冲只能起到消除间隙的作用造成步进电机的空走而工作台无实际移动从而产生传动误差

补偿方法先测出并存储间隙大小接收反向位移指令时先不向步进电机输出反向位移脉冲而将间隙值转换为脉冲数 N 驱动步进电机转动越过传动间隙然后按照指令脉冲动作

传动间隙补偿示意图传动间隙补偿示意图

2 螺距误差补偿 传动链中滚珠丝杠螺

距的制造误差直接影响机床工作台的位移精度

补偿方法设置若干个补偿点在每个补偿点测量并记录工作台位移误差确定补偿值并作为控制参数输送给数控装置

设备运行时工作台每经过一个补偿点CNC 系统就加入补偿量补偿螺距误差

3 细分线路 细分驱动将一个步距角细分为若干步的驱动方法

73 73 直流伺服电机与速度控制直流伺服电机与速度控制731 直流伺服电机1 直流伺服电机的类型 按电枢的结构和形状分平滑电枢型空心电枢型和有槽电枢型等

按定子磁场产生方式分永磁式和他励式 按转子转动惯量大小分大惯量中惯量和小惯量伺服电机2 直流伺服电机的结构（ 1 ）定子产生定子磁极磁场（ 2 ）转子表面嵌有线圈通直流电时在定子磁场作用下

产生带负载旋转的电磁转矩（ 3 ）电刷与换向片为使产生的电磁转矩保持恒定的方向保证转子能沿着固定方向均匀地连续旋转将电刷与外加直流电源连接换向片与电枢线圈连接

3 直流伺服电机的工作原理（ 1 ）永磁式直流电机工作原理 直流电压加在 A B两电刷之间电流从 A 流入从 B 流出导体 ab和 cd受到逆时针方向作用力转子在逆时针方向地电磁转矩作用下旋转

当电枢转过 90deg 电枢线圈处于磁极的中性面电刷与换向片断开无电磁转矩作用

在惯性作用下电枢继续转动一个角度当电刷与换向片再次接触时导体 ab和 cd交换了位置ab和 cd中的电流也发生改变从而保证电枢受到地电磁转矩方向不变因此电枢可以连续转动

（ 2 ）他励式直流电机工作原理 定子上有磁励绕住和补偿绕组转子绕组通过电刷供电

转子磁场与定子磁场始终正交产生转矩转子旋转

732 732 直流进给速度控制单元直流进给速度控制单元 直流电机地机械特性公式

公式中 n为电机转速 Ua为电枢外加电压 Ce为反电动势常数Φ为电机磁通量 Ra为电枢电阻 Cm为转矩常数M为电磁转矩

直流电机的三种调速方法 改变电枢外加电压 Ua该方法可以得到调速范围较宽的

恒转矩特性机械特性好适用于主轴驱动的低速段和进给驱动

改变磁通量Φ可得到恒功率特性适用于主轴驱动的高速段不适合于进给驱动

改变电枢电路的电阻 Ra该方法得到的机械特性较软不能实现无级调速也不适合于数控机床

MCC

R

C

Un

me

a

e

a2

1 晶闸管直流调速系统 三相全控桥式整流电路作为直流速度控制单元的主电路 两组正负对接的晶闸管一组用于提供正向电压供电机正转 一组提供反向电压供电机反转 通过对 12 个晶闸管触发延迟角的控制达到控制电机电枢电压从而

对电机进行调速

双环调度系统 速度调节器和电流调节器均是由线性集成放大器和阻容元件构成的 PI 调节器

速度环起主导作用电流环的作用是在启动和堵转时限制最大电枢电流

2 晶体管脉宽调制（ PWM ）直流调速系统（ 1 ） PWM 系统的组成及工作原理 脉宽调制使功率放大器中的晶体管工作在开关状态下

开关频率保持恒定用调整开关周期内的晶体管导通时间的办法来改变输出从而使得电机电枢两端获得宽度随时间变化的给定频率的电压脉冲

脉宽连续变化使得电枢电压平均值连续变化进而导致电机转速连续变化

2 脉宽调制器

74 74 交流伺服电机与速度控制交流伺服电机与速度控制741 交流伺服电机1 交流伺服电机的类型 永磁式交流伺服电机和感应式交流伺服电机 共同点工作原理均由定子绕组产生旋转磁场

使得转子跟随定子旋转磁场一起运转 不同点永磁式伺服电机的转速与外加交流电源的频率存在着严格的同步关系即电机的转速等于旋转磁场的同步转速而感应式伺服电机由于需要转速差才能产生电磁转矩因此电机的转速低于磁场同步转速负载越大转速差越大

2 永磁交流伺服电机结构与工作原理 电机结构由定子转子和检测元件组成其中 1 －定子 2 －转子 3 －压板 4 －定子三相绕组 5 －脉冲编码器 6 －接线盒

工作原理定子三相绕组接上电源后产生一个旋转磁场该旋转磁场以同步转速 n0 旋转

定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极相互吸引并带动转子以同步转速 n0 一起旋转

当转子轴上加有负载转矩后造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合相差一个 θ角负载转矩发生变化时 θ角也发生变化

只要不超过一定限度转子始终跟随定子的旋转磁场以同步转速 n

0 旋转

742 742 交流进给速度控制单元交流进给速度控制单元1 交流伺服电机调速原理 同步型交流伺服电机的转速 n=n0=60fp 异步型交流伺服电机的转速 n=(60fp) （ 1-

s ）

电机调速的三种方法（ 1 ）改变磁极对数 P有级调速方法通过对定

子绕组接线的切换而改变磁极对数来实现（ 2 ）改变转差率 s只适合于异步型交流电机的

调速（ 3 ）变频调速通过改变电机电源的频率 f而改

变电机的转速

2 SPWM 变频调速 （ 1 ） SPWM 调制原理 （ 2 ） SPWM 变频器的功率放大电路 （ 3 ） SPWM 变频调速系统 速度给定器给定信号控制频率电压及正反转 平稳启动回路使启动加减速时间可随机械负载设定以达到软启动的目的

函数发生器在输出低频信号时保持电机气隙磁通一定补偿定子电压降的影响

电压频率变压器将电压转换为频率经分频器环形计数器产生方波和经三角波发生器产生的三角波一起送入调制回路

电压调节器产生频率和幅度可调的控制正弦波送入调制回路送入调制回路在调制回路中进行 SPWM 变换产生三相的脉冲宽度调制信号在基极回路中输出信号至功率晶体管基极即对 SPWM 的主回路进行控制实现对永磁交流伺服电机的变频调速

电流检测器过载保护

75 75 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 与传统数控机床进给系统中的ldquo旋转伺服电机＋滚珠丝杠rdquo不同直线电机直接驱动机床工作台取消驱动电机和工作台之间的一切中间传动环节

751 直线电机 分为交流和直流两种交流直线电机又分为感

应异步式和永磁同步式 直线电机相当于把旋转电机沿过轴线的平面剖

开并将定子转子圆周展开为平面和进行一些演变形成

感应异步式直线电机演变过程感应异步式直线电机演变过程

永磁同步式直线电机演变过程永磁同步式直线电机演变过程

2 直线电机的工作原理 基本原理利用电磁作用将电能转换为动能（ 1 ）感应异步式直线电机的结构及工作原理（ 2 ）永磁同步式直线电机工作原理3 直线电机的特点 调节速度方便 加速度大响应快 定位精度和跟踪精度高 行程不受限制

752 752 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 由执行器控制器和位置检测装置组成 执行器直线电机本体 控制器由 CNC 控制器和 DDS 数值控制模块组成 位置检测装置光栅感应同步尺等

直线电机进给控制系统直线电机进给控制系统 双环系统内环为速度环外环为位置环 位置环接收来自光栅尺的位置反馈信号及插补信号

的比较信号来控制速度环的指令速度从而调节执行件的位置始终与指令位置保持一致

速度环根据位置环的指令速度快速而准确控制电机使得其不受负载转矩大小和方向的影响并快速跟踪指令速度的变化

753 753 直线电机对控制质量的影响直线电机对控制质量的影响1 路径生成问题 三个方面加加速度插补和对加工程序段的预处理2 直线电机对负载刚性的影响 三个因素速度控制环比例增益积分时间和在没有前馈控制情况下的位置控制环比例增益

3 影响定位时间的因素 四个因素最大加速度速度加加速度和位置控制

进给前馈实际增益4 影响加工路径精度的因素 三个因素路径生成最大加速度和位置控制进给前馈

实际增益

76 76 伺服系统的位置控制伺服系统的位置控制761 数字－脉冲比较伺服系统 将指令脉冲 F与反馈脉冲 Pf进行比较决定位置偏差 e再

将位置偏差 e放大后输出给速度控制单元和电机执行以减少和消除位置偏差

半闭环系统中检测元件多采用光电编码器闭环系统中检测元件多采用光栅

工作过程当指令脉冲为正而反馈脉冲为负时计数器作加法运算当指令脉冲为负而反馈脉冲为正时计数器作减法运算

计数器的计算结果 当 e＝ F－ Pfgt0 时工作台正向移动 当 e＝ F－ Pflt0 时工作台反向运动 当 e＝ F－ Pf＝ 0 时工作台静止

半闭环数值比较系统结构半闭环数值比较系统结构

762 762 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 常用检测元件是旋转变压器和感应同步器 脉冲调相器（数字相位变化器）将来自数控装置

的进给脉冲信号转换为相位变化信号

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

（ 2 ）静态转矩与矩角特性

静态转矩当步进电机某相通电时转子处于不动状态此时在电机轴上加一个负载转矩转子就按一定方向转过一个角度 θ（失调角）此时转子所受的电磁转矩M即为静态转矩

矩角特性静态转矩M与 θ的关系

（ 3 ）启动频率 启动频率空载时步进电机由静止状态突然启动并

进入不丢步的正常运行的最高频率 步进电机带负载下的启动频率要比空载启动频率低并随负载增加而进一步降低

（ 4 ）连续运行的最高工作频率 最高工作频率步进电机启动后保证连续不丢步运行

的最高工作频率 决定了定子绕组通电状态下最高变化的频率即决定了

步进电机的最高转速（ 5 ）加减速特性 加减速特性步进电机由静止刀工作频率和由工作频率

到静止的加减速过程中定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系

（ 6 ）矩频特性与动态转矩 矩频特性描述步进电机连续稳定运行时输出转矩 M 与连续运行频率 f之间的关系

动态转矩矩频特性曲线上每个频率对应的转矩 步进电机正常运行时动态转矩随连续运行频率的上升

而下降

722 722 步进电机的驱动控制器步进电机的驱动控制器 功能将具有一定频率 f一定数量 N和方向的进给脉冲

转换成控制步进电机各相定子绕组通电断电的电平信号变化频率变化次数和通断电顺序

驱动控制器由环形脉冲分配器和功率放大器组成

1 1 环形脉冲分配器环形脉冲分配器 功能将逻辑电平信号（弱电）变换为电机绕

组所需的具有一定功率的电流脉冲信号（强电）即将数控装置的插补脉冲按步进电机所要求的规律分配给步进电机的各相输入端以控制励磁绕组的通断电

分类硬件环形分配器和软件环形分配器 硬件环形分配器步进电机驱动装置本身带有

环形分配器 软件环形分配器驱动装置本身无环形分配器

环形分配需要软件完成

硬件环形分配器硬件环形分配器 输入输出信号一般为 TTL 电平输出信号 A B C 为

高电平时表示相应绕组通电低电平时表示相应绕组失电 CLK 为数控装置发出的脉冲信号每个脉冲信号的上升或下降沿到来时输出改变一次绕组的通电状态

DIR 为数控装置发出的方向信号其电平高低对应电机绕组通电顺序的改变即步进电机的正反转

FULLHALF 控制电机的整步或半步

三相六拍环形脉冲分配器原理图三相六拍环形脉冲分配器原理图

软件环形脉冲分配器软件环形脉冲分配器 软件环形脉冲分配器的设计方法有查表法比较法移位寄存器法等

如图所示 8031 单片机的 P1口的三个引脚经过光电隔离功率放大后分别与电机的 A B C连接

采用三相六拍方式时电机正转的通电顺序为 A － gtAB －gtB － gtBC － gtC － gtCA － gtA － gt

电机反转的通电顺序为 A － gtAC － gtC － gtCB － gtB － gtBA － gtA － gt

2 2 功率放大器功率放大器 功能将环形分配器输出的脉冲信号放大以用足够的功率来驱动步进电机

（ 1 ）单电压功率放大器

（ 2 ）高低电压功率放大器

（ 3 ）斩波恒流功率放大器

（ 4 ）调频调压功率放大器

723 723 提高步进伺服系统精度的措施提高步进伺服系统精度的措施1 传动间隙补偿 提高机床传动元件的齿轮丝杠制造装配精度并采

取消除传动间隙的措施只能减少不能完全消除传动间隙

机械传动链在改变运动或旋转方向时最初若干个指令脉冲只能起到消除间隙的作用造成步进电机的空走而工作台无实际移动从而产生传动误差

补偿方法先测出并存储间隙大小接收反向位移指令时先不向步进电机输出反向位移脉冲而将间隙值转换为脉冲数 N 驱动步进电机转动越过传动间隙然后按照指令脉冲动作

传动间隙补偿示意图传动间隙补偿示意图

2 螺距误差补偿 传动链中滚珠丝杠螺

距的制造误差直接影响机床工作台的位移精度

补偿方法设置若干个补偿点在每个补偿点测量并记录工作台位移误差确定补偿值并作为控制参数输送给数控装置

设备运行时工作台每经过一个补偿点CNC 系统就加入补偿量补偿螺距误差

3 细分线路 细分驱动将一个步距角细分为若干步的驱动方法

73 73 直流伺服电机与速度控制直流伺服电机与速度控制731 直流伺服电机1 直流伺服电机的类型 按电枢的结构和形状分平滑电枢型空心电枢型和有槽电枢型等

按定子磁场产生方式分永磁式和他励式 按转子转动惯量大小分大惯量中惯量和小惯量伺服电机2 直流伺服电机的结构（ 1 ）定子产生定子磁极磁场（ 2 ）转子表面嵌有线圈通直流电时在定子磁场作用下

产生带负载旋转的电磁转矩（ 3 ）电刷与换向片为使产生的电磁转矩保持恒定的方向保证转子能沿着固定方向均匀地连续旋转将电刷与外加直流电源连接换向片与电枢线圈连接

3 直流伺服电机的工作原理（ 1 ）永磁式直流电机工作原理 直流电压加在 A B两电刷之间电流从 A 流入从 B 流出导体 ab和 cd受到逆时针方向作用力转子在逆时针方向地电磁转矩作用下旋转

当电枢转过 90deg 电枢线圈处于磁极的中性面电刷与换向片断开无电磁转矩作用

在惯性作用下电枢继续转动一个角度当电刷与换向片再次接触时导体 ab和 cd交换了位置ab和 cd中的电流也发生改变从而保证电枢受到地电磁转矩方向不变因此电枢可以连续转动

（ 2 ）他励式直流电机工作原理 定子上有磁励绕住和补偿绕组转子绕组通过电刷供电

转子磁场与定子磁场始终正交产生转矩转子旋转

732 732 直流进给速度控制单元直流进给速度控制单元 直流电机地机械特性公式

公式中 n为电机转速 Ua为电枢外加电压 Ce为反电动势常数Φ为电机磁通量 Ra为电枢电阻 Cm为转矩常数M为电磁转矩

直流电机的三种调速方法 改变电枢外加电压 Ua该方法可以得到调速范围较宽的

恒转矩特性机械特性好适用于主轴驱动的低速段和进给驱动

改变磁通量Φ可得到恒功率特性适用于主轴驱动的高速段不适合于进给驱动

改变电枢电路的电阻 Ra该方法得到的机械特性较软不能实现无级调速也不适合于数控机床

MCC

R

C

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e

a2

1 晶闸管直流调速系统 三相全控桥式整流电路作为直流速度控制单元的主电路 两组正负对接的晶闸管一组用于提供正向电压供电机正转 一组提供反向电压供电机反转 通过对 12 个晶闸管触发延迟角的控制达到控制电机电枢电压从而

对电机进行调速

双环调度系统 速度调节器和电流调节器均是由线性集成放大器和阻容元件构成的 PI 调节器

速度环起主导作用电流环的作用是在启动和堵转时限制最大电枢电流

2 晶体管脉宽调制（ PWM ）直流调速系统（ 1 ） PWM 系统的组成及工作原理 脉宽调制使功率放大器中的晶体管工作在开关状态下

开关频率保持恒定用调整开关周期内的晶体管导通时间的办法来改变输出从而使得电机电枢两端获得宽度随时间变化的给定频率的电压脉冲

脉宽连续变化使得电枢电压平均值连续变化进而导致电机转速连续变化

2 脉宽调制器

74 74 交流伺服电机与速度控制交流伺服电机与速度控制741 交流伺服电机1 交流伺服电机的类型 永磁式交流伺服电机和感应式交流伺服电机 共同点工作原理均由定子绕组产生旋转磁场

使得转子跟随定子旋转磁场一起运转 不同点永磁式伺服电机的转速与外加交流电源的频率存在着严格的同步关系即电机的转速等于旋转磁场的同步转速而感应式伺服电机由于需要转速差才能产生电磁转矩因此电机的转速低于磁场同步转速负载越大转速差越大

2 永磁交流伺服电机结构与工作原理 电机结构由定子转子和检测元件组成其中 1 －定子 2 －转子 3 －压板 4 －定子三相绕组 5 －脉冲编码器 6 －接线盒

工作原理定子三相绕组接上电源后产生一个旋转磁场该旋转磁场以同步转速 n0 旋转

定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极相互吸引并带动转子以同步转速 n0 一起旋转

当转子轴上加有负载转矩后造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合相差一个 θ角负载转矩发生变化时 θ角也发生变化

只要不超过一定限度转子始终跟随定子的旋转磁场以同步转速 n

0 旋转

742 742 交流进给速度控制单元交流进给速度控制单元1 交流伺服电机调速原理 同步型交流伺服电机的转速 n=n0=60fp 异步型交流伺服电机的转速 n=(60fp) （ 1-

s ）

电机调速的三种方法（ 1 ）改变磁极对数 P有级调速方法通过对定

子绕组接线的切换而改变磁极对数来实现（ 2 ）改变转差率 s只适合于异步型交流电机的

调速（ 3 ）变频调速通过改变电机电源的频率 f而改

变电机的转速

2 SPWM 变频调速 （ 1 ） SPWM 调制原理 （ 2 ） SPWM 变频器的功率放大电路 （ 3 ） SPWM 变频调速系统 速度给定器给定信号控制频率电压及正反转 平稳启动回路使启动加减速时间可随机械负载设定以达到软启动的目的

函数发生器在输出低频信号时保持电机气隙磁通一定补偿定子电压降的影响

电压频率变压器将电压转换为频率经分频器环形计数器产生方波和经三角波发生器产生的三角波一起送入调制回路

电压调节器产生频率和幅度可调的控制正弦波送入调制回路送入调制回路在调制回路中进行 SPWM 变换产生三相的脉冲宽度调制信号在基极回路中输出信号至功率晶体管基极即对 SPWM 的主回路进行控制实现对永磁交流伺服电机的变频调速

电流检测器过载保护

75 75 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 与传统数控机床进给系统中的ldquo旋转伺服电机＋滚珠丝杠rdquo不同直线电机直接驱动机床工作台取消驱动电机和工作台之间的一切中间传动环节

751 直线电机 分为交流和直流两种交流直线电机又分为感

应异步式和永磁同步式 直线电机相当于把旋转电机沿过轴线的平面剖

开并将定子转子圆周展开为平面和进行一些演变形成

感应异步式直线电机演变过程感应异步式直线电机演变过程

永磁同步式直线电机演变过程永磁同步式直线电机演变过程

2 直线电机的工作原理 基本原理利用电磁作用将电能转换为动能（ 1 ）感应异步式直线电机的结构及工作原理（ 2 ）永磁同步式直线电机工作原理3 直线电机的特点 调节速度方便 加速度大响应快 定位精度和跟踪精度高 行程不受限制

752 752 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 由执行器控制器和位置检测装置组成 执行器直线电机本体 控制器由 CNC 控制器和 DDS 数值控制模块组成 位置检测装置光栅感应同步尺等

直线电机进给控制系统直线电机进给控制系统 双环系统内环为速度环外环为位置环 位置环接收来自光栅尺的位置反馈信号及插补信号

的比较信号来控制速度环的指令速度从而调节执行件的位置始终与指令位置保持一致

速度环根据位置环的指令速度快速而准确控制电机使得其不受负载转矩大小和方向的影响并快速跟踪指令速度的变化

753 753 直线电机对控制质量的影响直线电机对控制质量的影响1 路径生成问题 三个方面加加速度插补和对加工程序段的预处理2 直线电机对负载刚性的影响 三个因素速度控制环比例增益积分时间和在没有前馈控制情况下的位置控制环比例增益

3 影响定位时间的因素 四个因素最大加速度速度加加速度和位置控制

进给前馈实际增益4 影响加工路径精度的因素 三个因素路径生成最大加速度和位置控制进给前馈

实际增益

76 76 伺服系统的位置控制伺服系统的位置控制761 数字－脉冲比较伺服系统 将指令脉冲 F与反馈脉冲 Pf进行比较决定位置偏差 e再

将位置偏差 e放大后输出给速度控制单元和电机执行以减少和消除位置偏差

半闭环系统中检测元件多采用光电编码器闭环系统中检测元件多采用光栅

工作过程当指令脉冲为正而反馈脉冲为负时计数器作加法运算当指令脉冲为负而反馈脉冲为正时计数器作减法运算

计数器的计算结果 当 e＝ F－ Pfgt0 时工作台正向移动 当 e＝ F－ Pflt0 时工作台反向运动 当 e＝ F－ Pf＝ 0 时工作台静止

半闭环数值比较系统结构半闭环数值比较系统结构

762 762 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 常用检测元件是旋转变压器和感应同步器 脉冲调相器（数字相位变化器）将来自数控装置

的进给脉冲信号转换为相位变化信号

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

（ 3 ）启动频率 启动频率空载时步进电机由静止状态突然启动并

进入不丢步的正常运行的最高频率 步进电机带负载下的启动频率要比空载启动频率低并随负载增加而进一步降低

（ 4 ）连续运行的最高工作频率 最高工作频率步进电机启动后保证连续不丢步运行

的最高工作频率 决定了定子绕组通电状态下最高变化的频率即决定了

步进电机的最高转速（ 5 ）加减速特性 加减速特性步进电机由静止刀工作频率和由工作频率

到静止的加减速过程中定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系

（ 6 ）矩频特性与动态转矩 矩频特性描述步进电机连续稳定运行时输出转矩 M 与连续运行频率 f之间的关系

动态转矩矩频特性曲线上每个频率对应的转矩 步进电机正常运行时动态转矩随连续运行频率的上升

而下降

722 722 步进电机的驱动控制器步进电机的驱动控制器 功能将具有一定频率 f一定数量 N和方向的进给脉冲

转换成控制步进电机各相定子绕组通电断电的电平信号变化频率变化次数和通断电顺序

驱动控制器由环形脉冲分配器和功率放大器组成

1 1 环形脉冲分配器环形脉冲分配器 功能将逻辑电平信号（弱电）变换为电机绕

组所需的具有一定功率的电流脉冲信号（强电）即将数控装置的插补脉冲按步进电机所要求的规律分配给步进电机的各相输入端以控制励磁绕组的通断电

分类硬件环形分配器和软件环形分配器 硬件环形分配器步进电机驱动装置本身带有

环形分配器 软件环形分配器驱动装置本身无环形分配器

环形分配需要软件完成

硬件环形分配器硬件环形分配器 输入输出信号一般为 TTL 电平输出信号 A B C 为

高电平时表示相应绕组通电低电平时表示相应绕组失电 CLK 为数控装置发出的脉冲信号每个脉冲信号的上升或下降沿到来时输出改变一次绕组的通电状态

DIR 为数控装置发出的方向信号其电平高低对应电机绕组通电顺序的改变即步进电机的正反转

FULLHALF 控制电机的整步或半步

三相六拍环形脉冲分配器原理图三相六拍环形脉冲分配器原理图

软件环形脉冲分配器软件环形脉冲分配器 软件环形脉冲分配器的设计方法有查表法比较法移位寄存器法等

如图所示 8031 单片机的 P1口的三个引脚经过光电隔离功率放大后分别与电机的 A B C连接

采用三相六拍方式时电机正转的通电顺序为 A － gtAB －gtB － gtBC － gtC － gtCA － gtA － gt

电机反转的通电顺序为 A － gtAC － gtC － gtCB － gtB － gtBA － gtA － gt

2 2 功率放大器功率放大器 功能将环形分配器输出的脉冲信号放大以用足够的功率来驱动步进电机

（ 1 ）单电压功率放大器

（ 2 ）高低电压功率放大器

（ 3 ）斩波恒流功率放大器

（ 4 ）调频调压功率放大器

723 723 提高步进伺服系统精度的措施提高步进伺服系统精度的措施1 传动间隙补偿 提高机床传动元件的齿轮丝杠制造装配精度并采

取消除传动间隙的措施只能减少不能完全消除传动间隙

机械传动链在改变运动或旋转方向时最初若干个指令脉冲只能起到消除间隙的作用造成步进电机的空走而工作台无实际移动从而产生传动误差

补偿方法先测出并存储间隙大小接收反向位移指令时先不向步进电机输出反向位移脉冲而将间隙值转换为脉冲数 N 驱动步进电机转动越过传动间隙然后按照指令脉冲动作

传动间隙补偿示意图传动间隙补偿示意图

2 螺距误差补偿 传动链中滚珠丝杠螺

距的制造误差直接影响机床工作台的位移精度

补偿方法设置若干个补偿点在每个补偿点测量并记录工作台位移误差确定补偿值并作为控制参数输送给数控装置

设备运行时工作台每经过一个补偿点CNC 系统就加入补偿量补偿螺距误差

3 细分线路 细分驱动将一个步距角细分为若干步的驱动方法

73 73 直流伺服电机与速度控制直流伺服电机与速度控制731 直流伺服电机1 直流伺服电机的类型 按电枢的结构和形状分平滑电枢型空心电枢型和有槽电枢型等

按定子磁场产生方式分永磁式和他励式 按转子转动惯量大小分大惯量中惯量和小惯量伺服电机2 直流伺服电机的结构（ 1 ）定子产生定子磁极磁场（ 2 ）转子表面嵌有线圈通直流电时在定子磁场作用下

产生带负载旋转的电磁转矩（ 3 ）电刷与换向片为使产生的电磁转矩保持恒定的方向保证转子能沿着固定方向均匀地连续旋转将电刷与外加直流电源连接换向片与电枢线圈连接

3 直流伺服电机的工作原理（ 1 ）永磁式直流电机工作原理 直流电压加在 A B两电刷之间电流从 A 流入从 B 流出导体 ab和 cd受到逆时针方向作用力转子在逆时针方向地电磁转矩作用下旋转

当电枢转过 90deg 电枢线圈处于磁极的中性面电刷与换向片断开无电磁转矩作用

在惯性作用下电枢继续转动一个角度当电刷与换向片再次接触时导体 ab和 cd交换了位置ab和 cd中的电流也发生改变从而保证电枢受到地电磁转矩方向不变因此电枢可以连续转动

（ 2 ）他励式直流电机工作原理 定子上有磁励绕住和补偿绕组转子绕组通过电刷供电

转子磁场与定子磁场始终正交产生转矩转子旋转

732 732 直流进给速度控制单元直流进给速度控制单元 直流电机地机械特性公式

公式中 n为电机转速 Ua为电枢外加电压 Ce为反电动势常数Φ为电机磁通量 Ra为电枢电阻 Cm为转矩常数M为电磁转矩

直流电机的三种调速方法 改变电枢外加电压 Ua该方法可以得到调速范围较宽的

恒转矩特性机械特性好适用于主轴驱动的低速段和进给驱动

改变磁通量Φ可得到恒功率特性适用于主轴驱动的高速段不适合于进给驱动

改变电枢电路的电阻 Ra该方法得到的机械特性较软不能实现无级调速也不适合于数控机床

MCC

R

C

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me

a

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1 晶闸管直流调速系统 三相全控桥式整流电路作为直流速度控制单元的主电路 两组正负对接的晶闸管一组用于提供正向电压供电机正转 一组提供反向电压供电机反转 通过对 12 个晶闸管触发延迟角的控制达到控制电机电枢电压从而

对电机进行调速

双环调度系统 速度调节器和电流调节器均是由线性集成放大器和阻容元件构成的 PI 调节器

速度环起主导作用电流环的作用是在启动和堵转时限制最大电枢电流

2 晶体管脉宽调制（ PWM ）直流调速系统（ 1 ） PWM 系统的组成及工作原理 脉宽调制使功率放大器中的晶体管工作在开关状态下

开关频率保持恒定用调整开关周期内的晶体管导通时间的办法来改变输出从而使得电机电枢两端获得宽度随时间变化的给定频率的电压脉冲

脉宽连续变化使得电枢电压平均值连续变化进而导致电机转速连续变化

2 脉宽调制器

74 74 交流伺服电机与速度控制交流伺服电机与速度控制741 交流伺服电机1 交流伺服电机的类型 永磁式交流伺服电机和感应式交流伺服电机 共同点工作原理均由定子绕组产生旋转磁场

使得转子跟随定子旋转磁场一起运转 不同点永磁式伺服电机的转速与外加交流电源的频率存在着严格的同步关系即电机的转速等于旋转磁场的同步转速而感应式伺服电机由于需要转速差才能产生电磁转矩因此电机的转速低于磁场同步转速负载越大转速差越大

2 永磁交流伺服电机结构与工作原理 电机结构由定子转子和检测元件组成其中 1 －定子 2 －转子 3 －压板 4 －定子三相绕组 5 －脉冲编码器 6 －接线盒

工作原理定子三相绕组接上电源后产生一个旋转磁场该旋转磁场以同步转速 n0 旋转

定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极相互吸引并带动转子以同步转速 n0 一起旋转

当转子轴上加有负载转矩后造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合相差一个 θ角负载转矩发生变化时 θ角也发生变化

只要不超过一定限度转子始终跟随定子的旋转磁场以同步转速 n

0 旋转

742 742 交流进给速度控制单元交流进给速度控制单元1 交流伺服电机调速原理 同步型交流伺服电机的转速 n=n0=60fp 异步型交流伺服电机的转速 n=(60fp) （ 1-

s ）

电机调速的三种方法（ 1 ）改变磁极对数 P有级调速方法通过对定

子绕组接线的切换而改变磁极对数来实现（ 2 ）改变转差率 s只适合于异步型交流电机的

调速（ 3 ）变频调速通过改变电机电源的频率 f而改

变电机的转速

2 SPWM 变频调速 （ 1 ） SPWM 调制原理 （ 2 ） SPWM 变频器的功率放大电路 （ 3 ） SPWM 变频调速系统 速度给定器给定信号控制频率电压及正反转 平稳启动回路使启动加减速时间可随机械负载设定以达到软启动的目的

函数发生器在输出低频信号时保持电机气隙磁通一定补偿定子电压降的影响

电压频率变压器将电压转换为频率经分频器环形计数器产生方波和经三角波发生器产生的三角波一起送入调制回路

电压调节器产生频率和幅度可调的控制正弦波送入调制回路送入调制回路在调制回路中进行 SPWM 变换产生三相的脉冲宽度调制信号在基极回路中输出信号至功率晶体管基极即对 SPWM 的主回路进行控制实现对永磁交流伺服电机的变频调速

电流检测器过载保护

75 75 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 与传统数控机床进给系统中的ldquo旋转伺服电机＋滚珠丝杠rdquo不同直线电机直接驱动机床工作台取消驱动电机和工作台之间的一切中间传动环节

751 直线电机 分为交流和直流两种交流直线电机又分为感

应异步式和永磁同步式 直线电机相当于把旋转电机沿过轴线的平面剖

开并将定子转子圆周展开为平面和进行一些演变形成

感应异步式直线电机演变过程感应异步式直线电机演变过程

永磁同步式直线电机演变过程永磁同步式直线电机演变过程

2 直线电机的工作原理 基本原理利用电磁作用将电能转换为动能（ 1 ）感应异步式直线电机的结构及工作原理（ 2 ）永磁同步式直线电机工作原理3 直线电机的特点 调节速度方便 加速度大响应快 定位精度和跟踪精度高 行程不受限制

752 752 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 由执行器控制器和位置检测装置组成 执行器直线电机本体 控制器由 CNC 控制器和 DDS 数值控制模块组成 位置检测装置光栅感应同步尺等

直线电机进给控制系统直线电机进给控制系统 双环系统内环为速度环外环为位置环 位置环接收来自光栅尺的位置反馈信号及插补信号

的比较信号来控制速度环的指令速度从而调节执行件的位置始终与指令位置保持一致

速度环根据位置环的指令速度快速而准确控制电机使得其不受负载转矩大小和方向的影响并快速跟踪指令速度的变化

753 753 直线电机对控制质量的影响直线电机对控制质量的影响1 路径生成问题 三个方面加加速度插补和对加工程序段的预处理2 直线电机对负载刚性的影响 三个因素速度控制环比例增益积分时间和在没有前馈控制情况下的位置控制环比例增益

3 影响定位时间的因素 四个因素最大加速度速度加加速度和位置控制

进给前馈实际增益4 影响加工路径精度的因素 三个因素路径生成最大加速度和位置控制进给前馈

实际增益

76 76 伺服系统的位置控制伺服系统的位置控制761 数字－脉冲比较伺服系统 将指令脉冲 F与反馈脉冲 Pf进行比较决定位置偏差 e再

将位置偏差 e放大后输出给速度控制单元和电机执行以减少和消除位置偏差

半闭环系统中检测元件多采用光电编码器闭环系统中检测元件多采用光栅

工作过程当指令脉冲为正而反馈脉冲为负时计数器作加法运算当指令脉冲为负而反馈脉冲为正时计数器作减法运算

计数器的计算结果 当 e＝ F－ Pfgt0 时工作台正向移动 当 e＝ F－ Pflt0 时工作台反向运动 当 e＝ F－ Pf＝ 0 时工作台静止

半闭环数值比较系统结构半闭环数值比较系统结构

762 762 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 常用检测元件是旋转变压器和感应同步器 脉冲调相器（数字相位变化器）将来自数控装置

的进给脉冲信号转换为相位变化信号

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

（ 6 ）矩频特性与动态转矩 矩频特性描述步进电机连续稳定运行时输出转矩 M 与连续运行频率 f之间的关系

动态转矩矩频特性曲线上每个频率对应的转矩 步进电机正常运行时动态转矩随连续运行频率的上升

而下降

722 722 步进电机的驱动控制器步进电机的驱动控制器 功能将具有一定频率 f一定数量 N和方向的进给脉冲

转换成控制步进电机各相定子绕组通电断电的电平信号变化频率变化次数和通断电顺序

驱动控制器由环形脉冲分配器和功率放大器组成

1 1 环形脉冲分配器环形脉冲分配器 功能将逻辑电平信号（弱电）变换为电机绕

组所需的具有一定功率的电流脉冲信号（强电）即将数控装置的插补脉冲按步进电机所要求的规律分配给步进电机的各相输入端以控制励磁绕组的通断电

分类硬件环形分配器和软件环形分配器 硬件环形分配器步进电机驱动装置本身带有

环形分配器 软件环形分配器驱动装置本身无环形分配器

环形分配需要软件完成

硬件环形分配器硬件环形分配器 输入输出信号一般为 TTL 电平输出信号 A B C 为

高电平时表示相应绕组通电低电平时表示相应绕组失电 CLK 为数控装置发出的脉冲信号每个脉冲信号的上升或下降沿到来时输出改变一次绕组的通电状态

DIR 为数控装置发出的方向信号其电平高低对应电机绕组通电顺序的改变即步进电机的正反转

FULLHALF 控制电机的整步或半步

三相六拍环形脉冲分配器原理图三相六拍环形脉冲分配器原理图

软件环形脉冲分配器软件环形脉冲分配器 软件环形脉冲分配器的设计方法有查表法比较法移位寄存器法等

如图所示 8031 单片机的 P1口的三个引脚经过光电隔离功率放大后分别与电机的 A B C连接

采用三相六拍方式时电机正转的通电顺序为 A － gtAB －gtB － gtBC － gtC － gtCA － gtA － gt

电机反转的通电顺序为 A － gtAC － gtC － gtCB － gtB － gtBA － gtA － gt

2 2 功率放大器功率放大器 功能将环形分配器输出的脉冲信号放大以用足够的功率来驱动步进电机

（ 1 ）单电压功率放大器

（ 2 ）高低电压功率放大器

（ 3 ）斩波恒流功率放大器

（ 4 ）调频调压功率放大器

723 723 提高步进伺服系统精度的措施提高步进伺服系统精度的措施1 传动间隙补偿 提高机床传动元件的齿轮丝杠制造装配精度并采

取消除传动间隙的措施只能减少不能完全消除传动间隙

机械传动链在改变运动或旋转方向时最初若干个指令脉冲只能起到消除间隙的作用造成步进电机的空走而工作台无实际移动从而产生传动误差

补偿方法先测出并存储间隙大小接收反向位移指令时先不向步进电机输出反向位移脉冲而将间隙值转换为脉冲数 N 驱动步进电机转动越过传动间隙然后按照指令脉冲动作

传动间隙补偿示意图传动间隙补偿示意图

2 螺距误差补偿 传动链中滚珠丝杠螺

距的制造误差直接影响机床工作台的位移精度

补偿方法设置若干个补偿点在每个补偿点测量并记录工作台位移误差确定补偿值并作为控制参数输送给数控装置

设备运行时工作台每经过一个补偿点CNC 系统就加入补偿量补偿螺距误差

3 细分线路 细分驱动将一个步距角细分为若干步的驱动方法

73 73 直流伺服电机与速度控制直流伺服电机与速度控制731 直流伺服电机1 直流伺服电机的类型 按电枢的结构和形状分平滑电枢型空心电枢型和有槽电枢型等

按定子磁场产生方式分永磁式和他励式 按转子转动惯量大小分大惯量中惯量和小惯量伺服电机2 直流伺服电机的结构（ 1 ）定子产生定子磁极磁场（ 2 ）转子表面嵌有线圈通直流电时在定子磁场作用下

产生带负载旋转的电磁转矩（ 3 ）电刷与换向片为使产生的电磁转矩保持恒定的方向保证转子能沿着固定方向均匀地连续旋转将电刷与外加直流电源连接换向片与电枢线圈连接

3 直流伺服电机的工作原理（ 1 ）永磁式直流电机工作原理 直流电压加在 A B两电刷之间电流从 A 流入从 B 流出导体 ab和 cd受到逆时针方向作用力转子在逆时针方向地电磁转矩作用下旋转

当电枢转过 90deg 电枢线圈处于磁极的中性面电刷与换向片断开无电磁转矩作用

在惯性作用下电枢继续转动一个角度当电刷与换向片再次接触时导体 ab和 cd交换了位置ab和 cd中的电流也发生改变从而保证电枢受到地电磁转矩方向不变因此电枢可以连续转动

（ 2 ）他励式直流电机工作原理 定子上有磁励绕住和补偿绕组转子绕组通过电刷供电

转子磁场与定子磁场始终正交产生转矩转子旋转

732 732 直流进给速度控制单元直流进给速度控制单元 直流电机地机械特性公式

公式中 n为电机转速 Ua为电枢外加电压 Ce为反电动势常数Φ为电机磁通量 Ra为电枢电阻 Cm为转矩常数M为电磁转矩

直流电机的三种调速方法 改变电枢外加电压 Ua该方法可以得到调速范围较宽的

恒转矩特性机械特性好适用于主轴驱动的低速段和进给驱动

改变磁通量Φ可得到恒功率特性适用于主轴驱动的高速段不适合于进给驱动

改变电枢电路的电阻 Ra该方法得到的机械特性较软不能实现无级调速也不适合于数控机床

MCC

R

C

Un

me

a

e

a2

1 晶闸管直流调速系统 三相全控桥式整流电路作为直流速度控制单元的主电路 两组正负对接的晶闸管一组用于提供正向电压供电机正转 一组提供反向电压供电机反转 通过对 12 个晶闸管触发延迟角的控制达到控制电机电枢电压从而

对电机进行调速

双环调度系统 速度调节器和电流调节器均是由线性集成放大器和阻容元件构成的 PI 调节器

速度环起主导作用电流环的作用是在启动和堵转时限制最大电枢电流

2 晶体管脉宽调制（ PWM ）直流调速系统（ 1 ） PWM 系统的组成及工作原理 脉宽调制使功率放大器中的晶体管工作在开关状态下

开关频率保持恒定用调整开关周期内的晶体管导通时间的办法来改变输出从而使得电机电枢两端获得宽度随时间变化的给定频率的电压脉冲

脉宽连续变化使得电枢电压平均值连续变化进而导致电机转速连续变化

2 脉宽调制器

74 74 交流伺服电机与速度控制交流伺服电机与速度控制741 交流伺服电机1 交流伺服电机的类型 永磁式交流伺服电机和感应式交流伺服电机 共同点工作原理均由定子绕组产生旋转磁场

使得转子跟随定子旋转磁场一起运转 不同点永磁式伺服电机的转速与外加交流电源的频率存在着严格的同步关系即电机的转速等于旋转磁场的同步转速而感应式伺服电机由于需要转速差才能产生电磁转矩因此电机的转速低于磁场同步转速负载越大转速差越大

2 永磁交流伺服电机结构与工作原理 电机结构由定子转子和检测元件组成其中 1 －定子 2 －转子 3 －压板 4 －定子三相绕组 5 －脉冲编码器 6 －接线盒

工作原理定子三相绕组接上电源后产生一个旋转磁场该旋转磁场以同步转速 n0 旋转

定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极相互吸引并带动转子以同步转速 n0 一起旋转

当转子轴上加有负载转矩后造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合相差一个 θ角负载转矩发生变化时 θ角也发生变化

只要不超过一定限度转子始终跟随定子的旋转磁场以同步转速 n

0 旋转

742 742 交流进给速度控制单元交流进给速度控制单元1 交流伺服电机调速原理 同步型交流伺服电机的转速 n=n0=60fp 异步型交流伺服电机的转速 n=(60fp) （ 1-

s ）

电机调速的三种方法（ 1 ）改变磁极对数 P有级调速方法通过对定

子绕组接线的切换而改变磁极对数来实现（ 2 ）改变转差率 s只适合于异步型交流电机的

调速（ 3 ）变频调速通过改变电机电源的频率 f而改

变电机的转速

2 SPWM 变频调速 （ 1 ） SPWM 调制原理 （ 2 ） SPWM 变频器的功率放大电路 （ 3 ） SPWM 变频调速系统 速度给定器给定信号控制频率电压及正反转 平稳启动回路使启动加减速时间可随机械负载设定以达到软启动的目的

函数发生器在输出低频信号时保持电机气隙磁通一定补偿定子电压降的影响

电压频率变压器将电压转换为频率经分频器环形计数器产生方波和经三角波发生器产生的三角波一起送入调制回路

电压调节器产生频率和幅度可调的控制正弦波送入调制回路送入调制回路在调制回路中进行 SPWM 变换产生三相的脉冲宽度调制信号在基极回路中输出信号至功率晶体管基极即对 SPWM 的主回路进行控制实现对永磁交流伺服电机的变频调速

电流检测器过载保护

75 75 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 与传统数控机床进给系统中的ldquo旋转伺服电机＋滚珠丝杠rdquo不同直线电机直接驱动机床工作台取消驱动电机和工作台之间的一切中间传动环节

751 直线电机 分为交流和直流两种交流直线电机又分为感

应异步式和永磁同步式 直线电机相当于把旋转电机沿过轴线的平面剖

开并将定子转子圆周展开为平面和进行一些演变形成

感应异步式直线电机演变过程感应异步式直线电机演变过程

永磁同步式直线电机演变过程永磁同步式直线电机演变过程

2 直线电机的工作原理 基本原理利用电磁作用将电能转换为动能（ 1 ）感应异步式直线电机的结构及工作原理（ 2 ）永磁同步式直线电机工作原理3 直线电机的特点 调节速度方便 加速度大响应快 定位精度和跟踪精度高 行程不受限制

752 752 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 由执行器控制器和位置检测装置组成 执行器直线电机本体 控制器由 CNC 控制器和 DDS 数值控制模块组成 位置检测装置光栅感应同步尺等

直线电机进给控制系统直线电机进给控制系统 双环系统内环为速度环外环为位置环 位置环接收来自光栅尺的位置反馈信号及插补信号

的比较信号来控制速度环的指令速度从而调节执行件的位置始终与指令位置保持一致

速度环根据位置环的指令速度快速而准确控制电机使得其不受负载转矩大小和方向的影响并快速跟踪指令速度的变化

753 753 直线电机对控制质量的影响直线电机对控制质量的影响1 路径生成问题 三个方面加加速度插补和对加工程序段的预处理2 直线电机对负载刚性的影响 三个因素速度控制环比例增益积分时间和在没有前馈控制情况下的位置控制环比例增益

3 影响定位时间的因素 四个因素最大加速度速度加加速度和位置控制

进给前馈实际增益4 影响加工路径精度的因素 三个因素路径生成最大加速度和位置控制进给前馈

实际增益

76 76 伺服系统的位置控制伺服系统的位置控制761 数字－脉冲比较伺服系统 将指令脉冲 F与反馈脉冲 Pf进行比较决定位置偏差 e再

将位置偏差 e放大后输出给速度控制单元和电机执行以减少和消除位置偏差

半闭环系统中检测元件多采用光电编码器闭环系统中检测元件多采用光栅

工作过程当指令脉冲为正而反馈脉冲为负时计数器作加法运算当指令脉冲为负而反馈脉冲为正时计数器作减法运算

计数器的计算结果 当 e＝ F－ Pfgt0 时工作台正向移动 当 e＝ F－ Pflt0 时工作台反向运动 当 e＝ F－ Pf＝ 0 时工作台静止

半闭环数值比较系统结构半闭环数值比较系统结构

762 762 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 常用检测元件是旋转变压器和感应同步器 脉冲调相器（数字相位变化器）将来自数控装置

的进给脉冲信号转换为相位变化信号

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

722 722 步进电机的驱动控制器步进电机的驱动控制器 功能将具有一定频率 f一定数量 N和方向的进给脉冲

转换成控制步进电机各相定子绕组通电断电的电平信号变化频率变化次数和通断电顺序

驱动控制器由环形脉冲分配器和功率放大器组成

1 1 环形脉冲分配器环形脉冲分配器 功能将逻辑电平信号（弱电）变换为电机绕

组所需的具有一定功率的电流脉冲信号（强电）即将数控装置的插补脉冲按步进电机所要求的规律分配给步进电机的各相输入端以控制励磁绕组的通断电

分类硬件环形分配器和软件环形分配器 硬件环形分配器步进电机驱动装置本身带有

环形分配器 软件环形分配器驱动装置本身无环形分配器

环形分配需要软件完成

硬件环形分配器硬件环形分配器 输入输出信号一般为 TTL 电平输出信号 A B C 为

高电平时表示相应绕组通电低电平时表示相应绕组失电 CLK 为数控装置发出的脉冲信号每个脉冲信号的上升或下降沿到来时输出改变一次绕组的通电状态

DIR 为数控装置发出的方向信号其电平高低对应电机绕组通电顺序的改变即步进电机的正反转

FULLHALF 控制电机的整步或半步

三相六拍环形脉冲分配器原理图三相六拍环形脉冲分配器原理图

软件环形脉冲分配器软件环形脉冲分配器 软件环形脉冲分配器的设计方法有查表法比较法移位寄存器法等

如图所示 8031 单片机的 P1口的三个引脚经过光电隔离功率放大后分别与电机的 A B C连接

采用三相六拍方式时电机正转的通电顺序为 A － gtAB －gtB － gtBC － gtC － gtCA － gtA － gt

电机反转的通电顺序为 A － gtAC － gtC － gtCB － gtB － gtBA － gtA － gt

2 2 功率放大器功率放大器 功能将环形分配器输出的脉冲信号放大以用足够的功率来驱动步进电机

（ 1 ）单电压功率放大器

（ 2 ）高低电压功率放大器

（ 3 ）斩波恒流功率放大器

（ 4 ）调频调压功率放大器

723 723 提高步进伺服系统精度的措施提高步进伺服系统精度的措施1 传动间隙补偿 提高机床传动元件的齿轮丝杠制造装配精度并采

取消除传动间隙的措施只能减少不能完全消除传动间隙

机械传动链在改变运动或旋转方向时最初若干个指令脉冲只能起到消除间隙的作用造成步进电机的空走而工作台无实际移动从而产生传动误差

补偿方法先测出并存储间隙大小接收反向位移指令时先不向步进电机输出反向位移脉冲而将间隙值转换为脉冲数 N 驱动步进电机转动越过传动间隙然后按照指令脉冲动作

传动间隙补偿示意图传动间隙补偿示意图

2 螺距误差补偿 传动链中滚珠丝杠螺

距的制造误差直接影响机床工作台的位移精度

补偿方法设置若干个补偿点在每个补偿点测量并记录工作台位移误差确定补偿值并作为控制参数输送给数控装置

设备运行时工作台每经过一个补偿点CNC 系统就加入补偿量补偿螺距误差

3 细分线路 细分驱动将一个步距角细分为若干步的驱动方法

73 73 直流伺服电机与速度控制直流伺服电机与速度控制731 直流伺服电机1 直流伺服电机的类型 按电枢的结构和形状分平滑电枢型空心电枢型和有槽电枢型等

按定子磁场产生方式分永磁式和他励式 按转子转动惯量大小分大惯量中惯量和小惯量伺服电机2 直流伺服电机的结构（ 1 ）定子产生定子磁极磁场（ 2 ）转子表面嵌有线圈通直流电时在定子磁场作用下

产生带负载旋转的电磁转矩（ 3 ）电刷与换向片为使产生的电磁转矩保持恒定的方向保证转子能沿着固定方向均匀地连续旋转将电刷与外加直流电源连接换向片与电枢线圈连接

3 直流伺服电机的工作原理（ 1 ）永磁式直流电机工作原理 直流电压加在 A B两电刷之间电流从 A 流入从 B 流出导体 ab和 cd受到逆时针方向作用力转子在逆时针方向地电磁转矩作用下旋转

当电枢转过 90deg 电枢线圈处于磁极的中性面电刷与换向片断开无电磁转矩作用

在惯性作用下电枢继续转动一个角度当电刷与换向片再次接触时导体 ab和 cd交换了位置ab和 cd中的电流也发生改变从而保证电枢受到地电磁转矩方向不变因此电枢可以连续转动

（ 2 ）他励式直流电机工作原理 定子上有磁励绕住和补偿绕组转子绕组通过电刷供电

转子磁场与定子磁场始终正交产生转矩转子旋转

732 732 直流进给速度控制单元直流进给速度控制单元 直流电机地机械特性公式

公式中 n为电机转速 Ua为电枢外加电压 Ce为反电动势常数Φ为电机磁通量 Ra为电枢电阻 Cm为转矩常数M为电磁转矩

直流电机的三种调速方法 改变电枢外加电压 Ua该方法可以得到调速范围较宽的

恒转矩特性机械特性好适用于主轴驱动的低速段和进给驱动

改变磁通量Φ可得到恒功率特性适用于主轴驱动的高速段不适合于进给驱动

改变电枢电路的电阻 Ra该方法得到的机械特性较软不能实现无级调速也不适合于数控机床

MCC

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1 晶闸管直流调速系统 三相全控桥式整流电路作为直流速度控制单元的主电路 两组正负对接的晶闸管一组用于提供正向电压供电机正转 一组提供反向电压供电机反转 通过对 12 个晶闸管触发延迟角的控制达到控制电机电枢电压从而

对电机进行调速

双环调度系统 速度调节器和电流调节器均是由线性集成放大器和阻容元件构成的 PI 调节器

速度环起主导作用电流环的作用是在启动和堵转时限制最大电枢电流

2 晶体管脉宽调制（ PWM ）直流调速系统（ 1 ） PWM 系统的组成及工作原理 脉宽调制使功率放大器中的晶体管工作在开关状态下

开关频率保持恒定用调整开关周期内的晶体管导通时间的办法来改变输出从而使得电机电枢两端获得宽度随时间变化的给定频率的电压脉冲

脉宽连续变化使得电枢电压平均值连续变化进而导致电机转速连续变化

2 脉宽调制器

74 74 交流伺服电机与速度控制交流伺服电机与速度控制741 交流伺服电机1 交流伺服电机的类型 永磁式交流伺服电机和感应式交流伺服电机 共同点工作原理均由定子绕组产生旋转磁场

使得转子跟随定子旋转磁场一起运转 不同点永磁式伺服电机的转速与外加交流电源的频率存在着严格的同步关系即电机的转速等于旋转磁场的同步转速而感应式伺服电机由于需要转速差才能产生电磁转矩因此电机的转速低于磁场同步转速负载越大转速差越大

2 永磁交流伺服电机结构与工作原理 电机结构由定子转子和检测元件组成其中 1 －定子 2 －转子 3 －压板 4 －定子三相绕组 5 －脉冲编码器 6 －接线盒

工作原理定子三相绕组接上电源后产生一个旋转磁场该旋转磁场以同步转速 n0 旋转

定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极相互吸引并带动转子以同步转速 n0 一起旋转

当转子轴上加有负载转矩后造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合相差一个 θ角负载转矩发生变化时 θ角也发生变化

只要不超过一定限度转子始终跟随定子的旋转磁场以同步转速 n

0 旋转

742 742 交流进给速度控制单元交流进给速度控制单元1 交流伺服电机调速原理 同步型交流伺服电机的转速 n=n0=60fp 异步型交流伺服电机的转速 n=(60fp) （ 1-

s ）

电机调速的三种方法（ 1 ）改变磁极对数 P有级调速方法通过对定

子绕组接线的切换而改变磁极对数来实现（ 2 ）改变转差率 s只适合于异步型交流电机的

调速（ 3 ）变频调速通过改变电机电源的频率 f而改

变电机的转速

2 SPWM 变频调速 （ 1 ） SPWM 调制原理 （ 2 ） SPWM 变频器的功率放大电路 （ 3 ） SPWM 变频调速系统 速度给定器给定信号控制频率电压及正反转 平稳启动回路使启动加减速时间可随机械负载设定以达到软启动的目的

函数发生器在输出低频信号时保持电机气隙磁通一定补偿定子电压降的影响

电压频率变压器将电压转换为频率经分频器环形计数器产生方波和经三角波发生器产生的三角波一起送入调制回路

电压调节器产生频率和幅度可调的控制正弦波送入调制回路送入调制回路在调制回路中进行 SPWM 变换产生三相的脉冲宽度调制信号在基极回路中输出信号至功率晶体管基极即对 SPWM 的主回路进行控制实现对永磁交流伺服电机的变频调速

电流检测器过载保护

75 75 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 与传统数控机床进给系统中的ldquo旋转伺服电机＋滚珠丝杠rdquo不同直线电机直接驱动机床工作台取消驱动电机和工作台之间的一切中间传动环节

751 直线电机 分为交流和直流两种交流直线电机又分为感

应异步式和永磁同步式 直线电机相当于把旋转电机沿过轴线的平面剖

开并将定子转子圆周展开为平面和进行一些演变形成

感应异步式直线电机演变过程感应异步式直线电机演变过程

永磁同步式直线电机演变过程永磁同步式直线电机演变过程

2 直线电机的工作原理 基本原理利用电磁作用将电能转换为动能（ 1 ）感应异步式直线电机的结构及工作原理（ 2 ）永磁同步式直线电机工作原理3 直线电机的特点 调节速度方便 加速度大响应快 定位精度和跟踪精度高 行程不受限制

752 752 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 由执行器控制器和位置检测装置组成 执行器直线电机本体 控制器由 CNC 控制器和 DDS 数值控制模块组成 位置检测装置光栅感应同步尺等

直线电机进给控制系统直线电机进给控制系统 双环系统内环为速度环外环为位置环 位置环接收来自光栅尺的位置反馈信号及插补信号

的比较信号来控制速度环的指令速度从而调节执行件的位置始终与指令位置保持一致

速度环根据位置环的指令速度快速而准确控制电机使得其不受负载转矩大小和方向的影响并快速跟踪指令速度的变化

753 753 直线电机对控制质量的影响直线电机对控制质量的影响1 路径生成问题 三个方面加加速度插补和对加工程序段的预处理2 直线电机对负载刚性的影响 三个因素速度控制环比例增益积分时间和在没有前馈控制情况下的位置控制环比例增益

3 影响定位时间的因素 四个因素最大加速度速度加加速度和位置控制

进给前馈实际增益4 影响加工路径精度的因素 三个因素路径生成最大加速度和位置控制进给前馈

实际增益

76 76 伺服系统的位置控制伺服系统的位置控制761 数字－脉冲比较伺服系统 将指令脉冲 F与反馈脉冲 Pf进行比较决定位置偏差 e再

将位置偏差 e放大后输出给速度控制单元和电机执行以减少和消除位置偏差

半闭环系统中检测元件多采用光电编码器闭环系统中检测元件多采用光栅

工作过程当指令脉冲为正而反馈脉冲为负时计数器作加法运算当指令脉冲为负而反馈脉冲为正时计数器作减法运算

计数器的计算结果 当 e＝ F－ Pfgt0 时工作台正向移动 当 e＝ F－ Pflt0 时工作台反向运动 当 e＝ F－ Pf＝ 0 时工作台静止

半闭环数值比较系统结构半闭环数值比较系统结构

762 762 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 常用检测元件是旋转变压器和感应同步器 脉冲调相器（数字相位变化器）将来自数控装置

的进给脉冲信号转换为相位变化信号

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

1 1 环形脉冲分配器环形脉冲分配器 功能将逻辑电平信号（弱电）变换为电机绕

组所需的具有一定功率的电流脉冲信号（强电）即将数控装置的插补脉冲按步进电机所要求的规律分配给步进电机的各相输入端以控制励磁绕组的通断电

分类硬件环形分配器和软件环形分配器 硬件环形分配器步进电机驱动装置本身带有

环形分配器 软件环形分配器驱动装置本身无环形分配器

环形分配需要软件完成

硬件环形分配器硬件环形分配器 输入输出信号一般为 TTL 电平输出信号 A B C 为

高电平时表示相应绕组通电低电平时表示相应绕组失电 CLK 为数控装置发出的脉冲信号每个脉冲信号的上升或下降沿到来时输出改变一次绕组的通电状态

DIR 为数控装置发出的方向信号其电平高低对应电机绕组通电顺序的改变即步进电机的正反转

FULLHALF 控制电机的整步或半步

三相六拍环形脉冲分配器原理图三相六拍环形脉冲分配器原理图

软件环形脉冲分配器软件环形脉冲分配器 软件环形脉冲分配器的设计方法有查表法比较法移位寄存器法等

如图所示 8031 单片机的 P1口的三个引脚经过光电隔离功率放大后分别与电机的 A B C连接

采用三相六拍方式时电机正转的通电顺序为 A － gtAB －gtB － gtBC － gtC － gtCA － gtA － gt

电机反转的通电顺序为 A － gtAC － gtC － gtCB － gtB － gtBA － gtA － gt

2 2 功率放大器功率放大器 功能将环形分配器输出的脉冲信号放大以用足够的功率来驱动步进电机

（ 1 ）单电压功率放大器

（ 2 ）高低电压功率放大器

（ 3 ）斩波恒流功率放大器

（ 4 ）调频调压功率放大器

723 723 提高步进伺服系统精度的措施提高步进伺服系统精度的措施1 传动间隙补偿 提高机床传动元件的齿轮丝杠制造装配精度并采

取消除传动间隙的措施只能减少不能完全消除传动间隙

机械传动链在改变运动或旋转方向时最初若干个指令脉冲只能起到消除间隙的作用造成步进电机的空走而工作台无实际移动从而产生传动误差

补偿方法先测出并存储间隙大小接收反向位移指令时先不向步进电机输出反向位移脉冲而将间隙值转换为脉冲数 N 驱动步进电机转动越过传动间隙然后按照指令脉冲动作

传动间隙补偿示意图传动间隙补偿示意图

2 螺距误差补偿 传动链中滚珠丝杠螺

距的制造误差直接影响机床工作台的位移精度

补偿方法设置若干个补偿点在每个补偿点测量并记录工作台位移误差确定补偿值并作为控制参数输送给数控装置

设备运行时工作台每经过一个补偿点CNC 系统就加入补偿量补偿螺距误差

3 细分线路 细分驱动将一个步距角细分为若干步的驱动方法

73 73 直流伺服电机与速度控制直流伺服电机与速度控制731 直流伺服电机1 直流伺服电机的类型 按电枢的结构和形状分平滑电枢型空心电枢型和有槽电枢型等

按定子磁场产生方式分永磁式和他励式 按转子转动惯量大小分大惯量中惯量和小惯量伺服电机2 直流伺服电机的结构（ 1 ）定子产生定子磁极磁场（ 2 ）转子表面嵌有线圈通直流电时在定子磁场作用下

产生带负载旋转的电磁转矩（ 3 ）电刷与换向片为使产生的电磁转矩保持恒定的方向保证转子能沿着固定方向均匀地连续旋转将电刷与外加直流电源连接换向片与电枢线圈连接

3 直流伺服电机的工作原理（ 1 ）永磁式直流电机工作原理 直流电压加在 A B两电刷之间电流从 A 流入从 B 流出导体 ab和 cd受到逆时针方向作用力转子在逆时针方向地电磁转矩作用下旋转

当电枢转过 90deg 电枢线圈处于磁极的中性面电刷与换向片断开无电磁转矩作用

在惯性作用下电枢继续转动一个角度当电刷与换向片再次接触时导体 ab和 cd交换了位置ab和 cd中的电流也发生改变从而保证电枢受到地电磁转矩方向不变因此电枢可以连续转动

（ 2 ）他励式直流电机工作原理 定子上有磁励绕住和补偿绕组转子绕组通过电刷供电

转子磁场与定子磁场始终正交产生转矩转子旋转

732 732 直流进给速度控制单元直流进给速度控制单元 直流电机地机械特性公式

公式中 n为电机转速 Ua为电枢外加电压 Ce为反电动势常数Φ为电机磁通量 Ra为电枢电阻 Cm为转矩常数M为电磁转矩

直流电机的三种调速方法 改变电枢外加电压 Ua该方法可以得到调速范围较宽的

恒转矩特性机械特性好适用于主轴驱动的低速段和进给驱动

改变磁通量Φ可得到恒功率特性适用于主轴驱动的高速段不适合于进给驱动

改变电枢电路的电阻 Ra该方法得到的机械特性较软不能实现无级调速也不适合于数控机床

MCC

R

C

Un

me

a

e

a2

1 晶闸管直流调速系统 三相全控桥式整流电路作为直流速度控制单元的主电路 两组正负对接的晶闸管一组用于提供正向电压供电机正转 一组提供反向电压供电机反转 通过对 12 个晶闸管触发延迟角的控制达到控制电机电枢电压从而

对电机进行调速

双环调度系统 速度调节器和电流调节器均是由线性集成放大器和阻容元件构成的 PI 调节器

速度环起主导作用电流环的作用是在启动和堵转时限制最大电枢电流

2 晶体管脉宽调制（ PWM ）直流调速系统（ 1 ） PWM 系统的组成及工作原理 脉宽调制使功率放大器中的晶体管工作在开关状态下

开关频率保持恒定用调整开关周期内的晶体管导通时间的办法来改变输出从而使得电机电枢两端获得宽度随时间变化的给定频率的电压脉冲

脉宽连续变化使得电枢电压平均值连续变化进而导致电机转速连续变化

2 脉宽调制器

74 74 交流伺服电机与速度控制交流伺服电机与速度控制741 交流伺服电机1 交流伺服电机的类型 永磁式交流伺服电机和感应式交流伺服电机 共同点工作原理均由定子绕组产生旋转磁场

使得转子跟随定子旋转磁场一起运转 不同点永磁式伺服电机的转速与外加交流电源的频率存在着严格的同步关系即电机的转速等于旋转磁场的同步转速而感应式伺服电机由于需要转速差才能产生电磁转矩因此电机的转速低于磁场同步转速负载越大转速差越大

2 永磁交流伺服电机结构与工作原理 电机结构由定子转子和检测元件组成其中 1 －定子 2 －转子 3 －压板 4 －定子三相绕组 5 －脉冲编码器 6 －接线盒

工作原理定子三相绕组接上电源后产生一个旋转磁场该旋转磁场以同步转速 n0 旋转

定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极相互吸引并带动转子以同步转速 n0 一起旋转

当转子轴上加有负载转矩后造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合相差一个 θ角负载转矩发生变化时 θ角也发生变化

只要不超过一定限度转子始终跟随定子的旋转磁场以同步转速 n

0 旋转

742 742 交流进给速度控制单元交流进给速度控制单元1 交流伺服电机调速原理 同步型交流伺服电机的转速 n=n0=60fp 异步型交流伺服电机的转速 n=(60fp) （ 1-

s ）

电机调速的三种方法（ 1 ）改变磁极对数 P有级调速方法通过对定

子绕组接线的切换而改变磁极对数来实现（ 2 ）改变转差率 s只适合于异步型交流电机的

调速（ 3 ）变频调速通过改变电机电源的频率 f而改

变电机的转速

2 SPWM 变频调速 （ 1 ） SPWM 调制原理 （ 2 ） SPWM 变频器的功率放大电路 （ 3 ） SPWM 变频调速系统 速度给定器给定信号控制频率电压及正反转 平稳启动回路使启动加减速时间可随机械负载设定以达到软启动的目的

函数发生器在输出低频信号时保持电机气隙磁通一定补偿定子电压降的影响

电压频率变压器将电压转换为频率经分频器环形计数器产生方波和经三角波发生器产生的三角波一起送入调制回路

电压调节器产生频率和幅度可调的控制正弦波送入调制回路送入调制回路在调制回路中进行 SPWM 变换产生三相的脉冲宽度调制信号在基极回路中输出信号至功率晶体管基极即对 SPWM 的主回路进行控制实现对永磁交流伺服电机的变频调速

电流检测器过载保护

75 75 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 与传统数控机床进给系统中的ldquo旋转伺服电机＋滚珠丝杠rdquo不同直线电机直接驱动机床工作台取消驱动电机和工作台之间的一切中间传动环节

751 直线电机 分为交流和直流两种交流直线电机又分为感

应异步式和永磁同步式 直线电机相当于把旋转电机沿过轴线的平面剖

开并将定子转子圆周展开为平面和进行一些演变形成

感应异步式直线电机演变过程感应异步式直线电机演变过程

永磁同步式直线电机演变过程永磁同步式直线电机演变过程

2 直线电机的工作原理 基本原理利用电磁作用将电能转换为动能（ 1 ）感应异步式直线电机的结构及工作原理（ 2 ）永磁同步式直线电机工作原理3 直线电机的特点 调节速度方便 加速度大响应快 定位精度和跟踪精度高 行程不受限制

752 752 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 由执行器控制器和位置检测装置组成 执行器直线电机本体 控制器由 CNC 控制器和 DDS 数值控制模块组成 位置检测装置光栅感应同步尺等

直线电机进给控制系统直线电机进给控制系统 双环系统内环为速度环外环为位置环 位置环接收来自光栅尺的位置反馈信号及插补信号

的比较信号来控制速度环的指令速度从而调节执行件的位置始终与指令位置保持一致

速度环根据位置环的指令速度快速而准确控制电机使得其不受负载转矩大小和方向的影响并快速跟踪指令速度的变化

753 753 直线电机对控制质量的影响直线电机对控制质量的影响1 路径生成问题 三个方面加加速度插补和对加工程序段的预处理2 直线电机对负载刚性的影响 三个因素速度控制环比例增益积分时间和在没有前馈控制情况下的位置控制环比例增益

3 影响定位时间的因素 四个因素最大加速度速度加加速度和位置控制

进给前馈实际增益4 影响加工路径精度的因素 三个因素路径生成最大加速度和位置控制进给前馈

实际增益

76 76 伺服系统的位置控制伺服系统的位置控制761 数字－脉冲比较伺服系统 将指令脉冲 F与反馈脉冲 Pf进行比较决定位置偏差 e再

将位置偏差 e放大后输出给速度控制单元和电机执行以减少和消除位置偏差

半闭环系统中检测元件多采用光电编码器闭环系统中检测元件多采用光栅

工作过程当指令脉冲为正而反馈脉冲为负时计数器作加法运算当指令脉冲为负而反馈脉冲为正时计数器作减法运算

计数器的计算结果 当 e＝ F－ Pfgt0 时工作台正向移动 当 e＝ F－ Pflt0 时工作台反向运动 当 e＝ F－ Pf＝ 0 时工作台静止

半闭环数值比较系统结构半闭环数值比较系统结构

762 762 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 常用检测元件是旋转变压器和感应同步器 脉冲调相器（数字相位变化器）将来自数控装置

的进给脉冲信号转换为相位变化信号

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

硬件环形分配器硬件环形分配器 输入输出信号一般为 TTL 电平输出信号 A B C 为

高电平时表示相应绕组通电低电平时表示相应绕组失电 CLK 为数控装置发出的脉冲信号每个脉冲信号的上升或下降沿到来时输出改变一次绕组的通电状态

DIR 为数控装置发出的方向信号其电平高低对应电机绕组通电顺序的改变即步进电机的正反转

FULLHALF 控制电机的整步或半步

三相六拍环形脉冲分配器原理图三相六拍环形脉冲分配器原理图

软件环形脉冲分配器软件环形脉冲分配器 软件环形脉冲分配器的设计方法有查表法比较法移位寄存器法等

如图所示 8031 单片机的 P1口的三个引脚经过光电隔离功率放大后分别与电机的 A B C连接

采用三相六拍方式时电机正转的通电顺序为 A － gtAB －gtB － gtBC － gtC － gtCA － gtA － gt

电机反转的通电顺序为 A － gtAC － gtC － gtCB － gtB － gtBA － gtA － gt

2 2 功率放大器功率放大器 功能将环形分配器输出的脉冲信号放大以用足够的功率来驱动步进电机

（ 1 ）单电压功率放大器

（ 2 ）高低电压功率放大器

（ 3 ）斩波恒流功率放大器

（ 4 ）调频调压功率放大器

723 723 提高步进伺服系统精度的措施提高步进伺服系统精度的措施1 传动间隙补偿 提高机床传动元件的齿轮丝杠制造装配精度并采

取消除传动间隙的措施只能减少不能完全消除传动间隙

机械传动链在改变运动或旋转方向时最初若干个指令脉冲只能起到消除间隙的作用造成步进电机的空走而工作台无实际移动从而产生传动误差

补偿方法先测出并存储间隙大小接收反向位移指令时先不向步进电机输出反向位移脉冲而将间隙值转换为脉冲数 N 驱动步进电机转动越过传动间隙然后按照指令脉冲动作

传动间隙补偿示意图传动间隙补偿示意图

2 螺距误差补偿 传动链中滚珠丝杠螺

距的制造误差直接影响机床工作台的位移精度

补偿方法设置若干个补偿点在每个补偿点测量并记录工作台位移误差确定补偿值并作为控制参数输送给数控装置

设备运行时工作台每经过一个补偿点CNC 系统就加入补偿量补偿螺距误差

3 细分线路 细分驱动将一个步距角细分为若干步的驱动方法

73 73 直流伺服电机与速度控制直流伺服电机与速度控制731 直流伺服电机1 直流伺服电机的类型 按电枢的结构和形状分平滑电枢型空心电枢型和有槽电枢型等

按定子磁场产生方式分永磁式和他励式 按转子转动惯量大小分大惯量中惯量和小惯量伺服电机2 直流伺服电机的结构（ 1 ）定子产生定子磁极磁场（ 2 ）转子表面嵌有线圈通直流电时在定子磁场作用下

产生带负载旋转的电磁转矩（ 3 ）电刷与换向片为使产生的电磁转矩保持恒定的方向保证转子能沿着固定方向均匀地连续旋转将电刷与外加直流电源连接换向片与电枢线圈连接

3 直流伺服电机的工作原理（ 1 ）永磁式直流电机工作原理 直流电压加在 A B两电刷之间电流从 A 流入从 B 流出导体 ab和 cd受到逆时针方向作用力转子在逆时针方向地电磁转矩作用下旋转

当电枢转过 90deg 电枢线圈处于磁极的中性面电刷与换向片断开无电磁转矩作用

在惯性作用下电枢继续转动一个角度当电刷与换向片再次接触时导体 ab和 cd交换了位置ab和 cd中的电流也发生改变从而保证电枢受到地电磁转矩方向不变因此电枢可以连续转动

（ 2 ）他励式直流电机工作原理 定子上有磁励绕住和补偿绕组转子绕组通过电刷供电

转子磁场与定子磁场始终正交产生转矩转子旋转

732 732 直流进给速度控制单元直流进给速度控制单元 直流电机地机械特性公式

公式中 n为电机转速 Ua为电枢外加电压 Ce为反电动势常数Φ为电机磁通量 Ra为电枢电阻 Cm为转矩常数M为电磁转矩

直流电机的三种调速方法 改变电枢外加电压 Ua该方法可以得到调速范围较宽的

恒转矩特性机械特性好适用于主轴驱动的低速段和进给驱动

改变磁通量Φ可得到恒功率特性适用于主轴驱动的高速段不适合于进给驱动

改变电枢电路的电阻 Ra该方法得到的机械特性较软不能实现无级调速也不适合于数控机床

MCC

R

C

Un

me

a

e

a2

1 晶闸管直流调速系统 三相全控桥式整流电路作为直流速度控制单元的主电路 两组正负对接的晶闸管一组用于提供正向电压供电机正转 一组提供反向电压供电机反转 通过对 12 个晶闸管触发延迟角的控制达到控制电机电枢电压从而

对电机进行调速

双环调度系统 速度调节器和电流调节器均是由线性集成放大器和阻容元件构成的 PI 调节器

速度环起主导作用电流环的作用是在启动和堵转时限制最大电枢电流

2 晶体管脉宽调制（ PWM ）直流调速系统（ 1 ） PWM 系统的组成及工作原理 脉宽调制使功率放大器中的晶体管工作在开关状态下

开关频率保持恒定用调整开关周期内的晶体管导通时间的办法来改变输出从而使得电机电枢两端获得宽度随时间变化的给定频率的电压脉冲

脉宽连续变化使得电枢电压平均值连续变化进而导致电机转速连续变化

2 脉宽调制器

74 74 交流伺服电机与速度控制交流伺服电机与速度控制741 交流伺服电机1 交流伺服电机的类型 永磁式交流伺服电机和感应式交流伺服电机 共同点工作原理均由定子绕组产生旋转磁场

使得转子跟随定子旋转磁场一起运转 不同点永磁式伺服电机的转速与外加交流电源的频率存在着严格的同步关系即电机的转速等于旋转磁场的同步转速而感应式伺服电机由于需要转速差才能产生电磁转矩因此电机的转速低于磁场同步转速负载越大转速差越大

2 永磁交流伺服电机结构与工作原理 电机结构由定子转子和检测元件组成其中 1 －定子 2 －转子 3 －压板 4 －定子三相绕组 5 －脉冲编码器 6 －接线盒

工作原理定子三相绕组接上电源后产生一个旋转磁场该旋转磁场以同步转速 n0 旋转

定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极相互吸引并带动转子以同步转速 n0 一起旋转

当转子轴上加有负载转矩后造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合相差一个 θ角负载转矩发生变化时 θ角也发生变化

只要不超过一定限度转子始终跟随定子的旋转磁场以同步转速 n

0 旋转

742 742 交流进给速度控制单元交流进给速度控制单元1 交流伺服电机调速原理 同步型交流伺服电机的转速 n=n0=60fp 异步型交流伺服电机的转速 n=(60fp) （ 1-

s ）

电机调速的三种方法（ 1 ）改变磁极对数 P有级调速方法通过对定

子绕组接线的切换而改变磁极对数来实现（ 2 ）改变转差率 s只适合于异步型交流电机的

调速（ 3 ）变频调速通过改变电机电源的频率 f而改

变电机的转速

2 SPWM 变频调速 （ 1 ） SPWM 调制原理 （ 2 ） SPWM 变频器的功率放大电路 （ 3 ） SPWM 变频调速系统 速度给定器给定信号控制频率电压及正反转 平稳启动回路使启动加减速时间可随机械负载设定以达到软启动的目的

函数发生器在输出低频信号时保持电机气隙磁通一定补偿定子电压降的影响

电压频率变压器将电压转换为频率经分频器环形计数器产生方波和经三角波发生器产生的三角波一起送入调制回路

电压调节器产生频率和幅度可调的控制正弦波送入调制回路送入调制回路在调制回路中进行 SPWM 变换产生三相的脉冲宽度调制信号在基极回路中输出信号至功率晶体管基极即对 SPWM 的主回路进行控制实现对永磁交流伺服电机的变频调速

电流检测器过载保护

75 75 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 与传统数控机床进给系统中的ldquo旋转伺服电机＋滚珠丝杠rdquo不同直线电机直接驱动机床工作台取消驱动电机和工作台之间的一切中间传动环节

751 直线电机 分为交流和直流两种交流直线电机又分为感

应异步式和永磁同步式 直线电机相当于把旋转电机沿过轴线的平面剖

开并将定子转子圆周展开为平面和进行一些演变形成

感应异步式直线电机演变过程感应异步式直线电机演变过程

永磁同步式直线电机演变过程永磁同步式直线电机演变过程

2 直线电机的工作原理 基本原理利用电磁作用将电能转换为动能（ 1 ）感应异步式直线电机的结构及工作原理（ 2 ）永磁同步式直线电机工作原理3 直线电机的特点 调节速度方便 加速度大响应快 定位精度和跟踪精度高 行程不受限制

752 752 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 由执行器控制器和位置检测装置组成 执行器直线电机本体 控制器由 CNC 控制器和 DDS 数值控制模块组成 位置检测装置光栅感应同步尺等

直线电机进给控制系统直线电机进给控制系统 双环系统内环为速度环外环为位置环 位置环接收来自光栅尺的位置反馈信号及插补信号

的比较信号来控制速度环的指令速度从而调节执行件的位置始终与指令位置保持一致

速度环根据位置环的指令速度快速而准确控制电机使得其不受负载转矩大小和方向的影响并快速跟踪指令速度的变化

753 753 直线电机对控制质量的影响直线电机对控制质量的影响1 路径生成问题 三个方面加加速度插补和对加工程序段的预处理2 直线电机对负载刚性的影响 三个因素速度控制环比例增益积分时间和在没有前馈控制情况下的位置控制环比例增益

3 影响定位时间的因素 四个因素最大加速度速度加加速度和位置控制

进给前馈实际增益4 影响加工路径精度的因素 三个因素路径生成最大加速度和位置控制进给前馈

实际增益

76 76 伺服系统的位置控制伺服系统的位置控制761 数字－脉冲比较伺服系统 将指令脉冲 F与反馈脉冲 Pf进行比较决定位置偏差 e再

将位置偏差 e放大后输出给速度控制单元和电机执行以减少和消除位置偏差

半闭环系统中检测元件多采用光电编码器闭环系统中检测元件多采用光栅

工作过程当指令脉冲为正而反馈脉冲为负时计数器作加法运算当指令脉冲为负而反馈脉冲为正时计数器作减法运算

计数器的计算结果 当 e＝ F－ Pfgt0 时工作台正向移动 当 e＝ F－ Pflt0 时工作台反向运动 当 e＝ F－ Pf＝ 0 时工作台静止

半闭环数值比较系统结构半闭环数值比较系统结构

762 762 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 常用检测元件是旋转变压器和感应同步器 脉冲调相器（数字相位变化器）将来自数控装置

的进给脉冲信号转换为相位变化信号

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

三相六拍环形脉冲分配器原理图三相六拍环形脉冲分配器原理图

软件环形脉冲分配器软件环形脉冲分配器 软件环形脉冲分配器的设计方法有查表法比较法移位寄存器法等

如图所示 8031 单片机的 P1口的三个引脚经过光电隔离功率放大后分别与电机的 A B C连接

采用三相六拍方式时电机正转的通电顺序为 A － gtAB －gtB － gtBC － gtC － gtCA － gtA － gt

电机反转的通电顺序为 A － gtAC － gtC － gtCB － gtB － gtBA － gtA － gt

2 2 功率放大器功率放大器 功能将环形分配器输出的脉冲信号放大以用足够的功率来驱动步进电机

（ 1 ）单电压功率放大器

（ 2 ）高低电压功率放大器

（ 3 ）斩波恒流功率放大器

（ 4 ）调频调压功率放大器

723 723 提高步进伺服系统精度的措施提高步进伺服系统精度的措施1 传动间隙补偿 提高机床传动元件的齿轮丝杠制造装配精度并采

取消除传动间隙的措施只能减少不能完全消除传动间隙

机械传动链在改变运动或旋转方向时最初若干个指令脉冲只能起到消除间隙的作用造成步进电机的空走而工作台无实际移动从而产生传动误差

补偿方法先测出并存储间隙大小接收反向位移指令时先不向步进电机输出反向位移脉冲而将间隙值转换为脉冲数 N 驱动步进电机转动越过传动间隙然后按照指令脉冲动作

传动间隙补偿示意图传动间隙补偿示意图

2 螺距误差补偿 传动链中滚珠丝杠螺

距的制造误差直接影响机床工作台的位移精度

补偿方法设置若干个补偿点在每个补偿点测量并记录工作台位移误差确定补偿值并作为控制参数输送给数控装置

设备运行时工作台每经过一个补偿点CNC 系统就加入补偿量补偿螺距误差

3 细分线路 细分驱动将一个步距角细分为若干步的驱动方法

73 73 直流伺服电机与速度控制直流伺服电机与速度控制731 直流伺服电机1 直流伺服电机的类型 按电枢的结构和形状分平滑电枢型空心电枢型和有槽电枢型等

按定子磁场产生方式分永磁式和他励式 按转子转动惯量大小分大惯量中惯量和小惯量伺服电机2 直流伺服电机的结构（ 1 ）定子产生定子磁极磁场（ 2 ）转子表面嵌有线圈通直流电时在定子磁场作用下

产生带负载旋转的电磁转矩（ 3 ）电刷与换向片为使产生的电磁转矩保持恒定的方向保证转子能沿着固定方向均匀地连续旋转将电刷与外加直流电源连接换向片与电枢线圈连接

3 直流伺服电机的工作原理（ 1 ）永磁式直流电机工作原理 直流电压加在 A B两电刷之间电流从 A 流入从 B 流出导体 ab和 cd受到逆时针方向作用力转子在逆时针方向地电磁转矩作用下旋转

当电枢转过 90deg 电枢线圈处于磁极的中性面电刷与换向片断开无电磁转矩作用

在惯性作用下电枢继续转动一个角度当电刷与换向片再次接触时导体 ab和 cd交换了位置ab和 cd中的电流也发生改变从而保证电枢受到地电磁转矩方向不变因此电枢可以连续转动

（ 2 ）他励式直流电机工作原理 定子上有磁励绕住和补偿绕组转子绕组通过电刷供电

转子磁场与定子磁场始终正交产生转矩转子旋转

732 732 直流进给速度控制单元直流进给速度控制单元 直流电机地机械特性公式

公式中 n为电机转速 Ua为电枢外加电压 Ce为反电动势常数Φ为电机磁通量 Ra为电枢电阻 Cm为转矩常数M为电磁转矩

直流电机的三种调速方法 改变电枢外加电压 Ua该方法可以得到调速范围较宽的

恒转矩特性机械特性好适用于主轴驱动的低速段和进给驱动

改变磁通量Φ可得到恒功率特性适用于主轴驱动的高速段不适合于进给驱动

改变电枢电路的电阻 Ra该方法得到的机械特性较软不能实现无级调速也不适合于数控机床

MCC

R

C

Un

me

a

e

a2

1 晶闸管直流调速系统 三相全控桥式整流电路作为直流速度控制单元的主电路 两组正负对接的晶闸管一组用于提供正向电压供电机正转 一组提供反向电压供电机反转 通过对 12 个晶闸管触发延迟角的控制达到控制电机电枢电压从而

对电机进行调速

双环调度系统 速度调节器和电流调节器均是由线性集成放大器和阻容元件构成的 PI 调节器

速度环起主导作用电流环的作用是在启动和堵转时限制最大电枢电流

2 晶体管脉宽调制（ PWM ）直流调速系统（ 1 ） PWM 系统的组成及工作原理 脉宽调制使功率放大器中的晶体管工作在开关状态下

开关频率保持恒定用调整开关周期内的晶体管导通时间的办法来改变输出从而使得电机电枢两端获得宽度随时间变化的给定频率的电压脉冲

脉宽连续变化使得电枢电压平均值连续变化进而导致电机转速连续变化

2 脉宽调制器

74 74 交流伺服电机与速度控制交流伺服电机与速度控制741 交流伺服电机1 交流伺服电机的类型 永磁式交流伺服电机和感应式交流伺服电机 共同点工作原理均由定子绕组产生旋转磁场

使得转子跟随定子旋转磁场一起运转 不同点永磁式伺服电机的转速与外加交流电源的频率存在着严格的同步关系即电机的转速等于旋转磁场的同步转速而感应式伺服电机由于需要转速差才能产生电磁转矩因此电机的转速低于磁场同步转速负载越大转速差越大

2 永磁交流伺服电机结构与工作原理 电机结构由定子转子和检测元件组成其中 1 －定子 2 －转子 3 －压板 4 －定子三相绕组 5 －脉冲编码器 6 －接线盒

工作原理定子三相绕组接上电源后产生一个旋转磁场该旋转磁场以同步转速 n0 旋转

定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极相互吸引并带动转子以同步转速 n0 一起旋转

当转子轴上加有负载转矩后造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合相差一个 θ角负载转矩发生变化时 θ角也发生变化

只要不超过一定限度转子始终跟随定子的旋转磁场以同步转速 n

0 旋转

742 742 交流进给速度控制单元交流进给速度控制单元1 交流伺服电机调速原理 同步型交流伺服电机的转速 n=n0=60fp 异步型交流伺服电机的转速 n=(60fp) （ 1-

s ）

电机调速的三种方法（ 1 ）改变磁极对数 P有级调速方法通过对定

子绕组接线的切换而改变磁极对数来实现（ 2 ）改变转差率 s只适合于异步型交流电机的

调速（ 3 ）变频调速通过改变电机电源的频率 f而改

变电机的转速

2 SPWM 变频调速 （ 1 ） SPWM 调制原理 （ 2 ） SPWM 变频器的功率放大电路 （ 3 ） SPWM 变频调速系统 速度给定器给定信号控制频率电压及正反转 平稳启动回路使启动加减速时间可随机械负载设定以达到软启动的目的

函数发生器在输出低频信号时保持电机气隙磁通一定补偿定子电压降的影响

电压频率变压器将电压转换为频率经分频器环形计数器产生方波和经三角波发生器产生的三角波一起送入调制回路

电压调节器产生频率和幅度可调的控制正弦波送入调制回路送入调制回路在调制回路中进行 SPWM 变换产生三相的脉冲宽度调制信号在基极回路中输出信号至功率晶体管基极即对 SPWM 的主回路进行控制实现对永磁交流伺服电机的变频调速

电流检测器过载保护

75 75 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 与传统数控机床进给系统中的ldquo旋转伺服电机＋滚珠丝杠rdquo不同直线电机直接驱动机床工作台取消驱动电机和工作台之间的一切中间传动环节

751 直线电机 分为交流和直流两种交流直线电机又分为感

应异步式和永磁同步式 直线电机相当于把旋转电机沿过轴线的平面剖

开并将定子转子圆周展开为平面和进行一些演变形成

感应异步式直线电机演变过程感应异步式直线电机演变过程

永磁同步式直线电机演变过程永磁同步式直线电机演变过程

2 直线电机的工作原理 基本原理利用电磁作用将电能转换为动能（ 1 ）感应异步式直线电机的结构及工作原理（ 2 ）永磁同步式直线电机工作原理3 直线电机的特点 调节速度方便 加速度大响应快 定位精度和跟踪精度高 行程不受限制

752 752 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 由执行器控制器和位置检测装置组成 执行器直线电机本体 控制器由 CNC 控制器和 DDS 数值控制模块组成 位置检测装置光栅感应同步尺等

直线电机进给控制系统直线电机进给控制系统 双环系统内环为速度环外环为位置环 位置环接收来自光栅尺的位置反馈信号及插补信号

的比较信号来控制速度环的指令速度从而调节执行件的位置始终与指令位置保持一致

速度环根据位置环的指令速度快速而准确控制电机使得其不受负载转矩大小和方向的影响并快速跟踪指令速度的变化

753 753 直线电机对控制质量的影响直线电机对控制质量的影响1 路径生成问题 三个方面加加速度插补和对加工程序段的预处理2 直线电机对负载刚性的影响 三个因素速度控制环比例增益积分时间和在没有前馈控制情况下的位置控制环比例增益

3 影响定位时间的因素 四个因素最大加速度速度加加速度和位置控制

进给前馈实际增益4 影响加工路径精度的因素 三个因素路径生成最大加速度和位置控制进给前馈

实际增益

76 76 伺服系统的位置控制伺服系统的位置控制761 数字－脉冲比较伺服系统 将指令脉冲 F与反馈脉冲 Pf进行比较决定位置偏差 e再

将位置偏差 e放大后输出给速度控制单元和电机执行以减少和消除位置偏差

半闭环系统中检测元件多采用光电编码器闭环系统中检测元件多采用光栅

工作过程当指令脉冲为正而反馈脉冲为负时计数器作加法运算当指令脉冲为负而反馈脉冲为正时计数器作减法运算

计数器的计算结果 当 e＝ F－ Pfgt0 时工作台正向移动 当 e＝ F－ Pflt0 时工作台反向运动 当 e＝ F－ Pf＝ 0 时工作台静止

半闭环数值比较系统结构半闭环数值比较系统结构

762 762 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 常用检测元件是旋转变压器和感应同步器 脉冲调相器（数字相位变化器）将来自数控装置

的进给脉冲信号转换为相位变化信号

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

软件环形脉冲分配器软件环形脉冲分配器 软件环形脉冲分配器的设计方法有查表法比较法移位寄存器法等

如图所示 8031 单片机的 P1口的三个引脚经过光电隔离功率放大后分别与电机的 A B C连接

采用三相六拍方式时电机正转的通电顺序为 A － gtAB －gtB － gtBC － gtC － gtCA － gtA － gt

电机反转的通电顺序为 A － gtAC － gtC － gtCB － gtB － gtBA － gtA － gt

2 2 功率放大器功率放大器 功能将环形分配器输出的脉冲信号放大以用足够的功率来驱动步进电机

（ 1 ）单电压功率放大器

（ 2 ）高低电压功率放大器

（ 3 ）斩波恒流功率放大器

（ 4 ）调频调压功率放大器

723 723 提高步进伺服系统精度的措施提高步进伺服系统精度的措施1 传动间隙补偿 提高机床传动元件的齿轮丝杠制造装配精度并采

取消除传动间隙的措施只能减少不能完全消除传动间隙

机械传动链在改变运动或旋转方向时最初若干个指令脉冲只能起到消除间隙的作用造成步进电机的空走而工作台无实际移动从而产生传动误差

补偿方法先测出并存储间隙大小接收反向位移指令时先不向步进电机输出反向位移脉冲而将间隙值转换为脉冲数 N 驱动步进电机转动越过传动间隙然后按照指令脉冲动作

传动间隙补偿示意图传动间隙补偿示意图

2 螺距误差补偿 传动链中滚珠丝杠螺

距的制造误差直接影响机床工作台的位移精度

补偿方法设置若干个补偿点在每个补偿点测量并记录工作台位移误差确定补偿值并作为控制参数输送给数控装置

设备运行时工作台每经过一个补偿点CNC 系统就加入补偿量补偿螺距误差

3 细分线路 细分驱动将一个步距角细分为若干步的驱动方法

73 73 直流伺服电机与速度控制直流伺服电机与速度控制731 直流伺服电机1 直流伺服电机的类型 按电枢的结构和形状分平滑电枢型空心电枢型和有槽电枢型等

按定子磁场产生方式分永磁式和他励式 按转子转动惯量大小分大惯量中惯量和小惯量伺服电机2 直流伺服电机的结构（ 1 ）定子产生定子磁极磁场（ 2 ）转子表面嵌有线圈通直流电时在定子磁场作用下

产生带负载旋转的电磁转矩（ 3 ）电刷与换向片为使产生的电磁转矩保持恒定的方向保证转子能沿着固定方向均匀地连续旋转将电刷与外加直流电源连接换向片与电枢线圈连接

3 直流伺服电机的工作原理（ 1 ）永磁式直流电机工作原理 直流电压加在 A B两电刷之间电流从 A 流入从 B 流出导体 ab和 cd受到逆时针方向作用力转子在逆时针方向地电磁转矩作用下旋转

当电枢转过 90deg 电枢线圈处于磁极的中性面电刷与换向片断开无电磁转矩作用

在惯性作用下电枢继续转动一个角度当电刷与换向片再次接触时导体 ab和 cd交换了位置ab和 cd中的电流也发生改变从而保证电枢受到地电磁转矩方向不变因此电枢可以连续转动

（ 2 ）他励式直流电机工作原理 定子上有磁励绕住和补偿绕组转子绕组通过电刷供电

转子磁场与定子磁场始终正交产生转矩转子旋转

732 732 直流进给速度控制单元直流进给速度控制单元 直流电机地机械特性公式

公式中 n为电机转速 Ua为电枢外加电压 Ce为反电动势常数Φ为电机磁通量 Ra为电枢电阻 Cm为转矩常数M为电磁转矩

直流电机的三种调速方法 改变电枢外加电压 Ua该方法可以得到调速范围较宽的

恒转矩特性机械特性好适用于主轴驱动的低速段和进给驱动

改变磁通量Φ可得到恒功率特性适用于主轴驱动的高速段不适合于进给驱动

改变电枢电路的电阻 Ra该方法得到的机械特性较软不能实现无级调速也不适合于数控机床

MCC

R

C

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1 晶闸管直流调速系统 三相全控桥式整流电路作为直流速度控制单元的主电路 两组正负对接的晶闸管一组用于提供正向电压供电机正转 一组提供反向电压供电机反转 通过对 12 个晶闸管触发延迟角的控制达到控制电机电枢电压从而

对电机进行调速

双环调度系统 速度调节器和电流调节器均是由线性集成放大器和阻容元件构成的 PI 调节器

速度环起主导作用电流环的作用是在启动和堵转时限制最大电枢电流

2 晶体管脉宽调制（ PWM ）直流调速系统（ 1 ） PWM 系统的组成及工作原理 脉宽调制使功率放大器中的晶体管工作在开关状态下

开关频率保持恒定用调整开关周期内的晶体管导通时间的办法来改变输出从而使得电机电枢两端获得宽度随时间变化的给定频率的电压脉冲

脉宽连续变化使得电枢电压平均值连续变化进而导致电机转速连续变化

2 脉宽调制器

74 74 交流伺服电机与速度控制交流伺服电机与速度控制741 交流伺服电机1 交流伺服电机的类型 永磁式交流伺服电机和感应式交流伺服电机 共同点工作原理均由定子绕组产生旋转磁场

使得转子跟随定子旋转磁场一起运转 不同点永磁式伺服电机的转速与外加交流电源的频率存在着严格的同步关系即电机的转速等于旋转磁场的同步转速而感应式伺服电机由于需要转速差才能产生电磁转矩因此电机的转速低于磁场同步转速负载越大转速差越大

2 永磁交流伺服电机结构与工作原理 电机结构由定子转子和检测元件组成其中 1 －定子 2 －转子 3 －压板 4 －定子三相绕组 5 －脉冲编码器 6 －接线盒

工作原理定子三相绕组接上电源后产生一个旋转磁场该旋转磁场以同步转速 n0 旋转

定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极相互吸引并带动转子以同步转速 n0 一起旋转

当转子轴上加有负载转矩后造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合相差一个 θ角负载转矩发生变化时 θ角也发生变化

只要不超过一定限度转子始终跟随定子的旋转磁场以同步转速 n

0 旋转

742 742 交流进给速度控制单元交流进给速度控制单元1 交流伺服电机调速原理 同步型交流伺服电机的转速 n=n0=60fp 异步型交流伺服电机的转速 n=(60fp) （ 1-

s ）

电机调速的三种方法（ 1 ）改变磁极对数 P有级调速方法通过对定

子绕组接线的切换而改变磁极对数来实现（ 2 ）改变转差率 s只适合于异步型交流电机的

调速（ 3 ）变频调速通过改变电机电源的频率 f而改

变电机的转速

2 SPWM 变频调速 （ 1 ） SPWM 调制原理 （ 2 ） SPWM 变频器的功率放大电路 （ 3 ） SPWM 变频调速系统 速度给定器给定信号控制频率电压及正反转 平稳启动回路使启动加减速时间可随机械负载设定以达到软启动的目的

函数发生器在输出低频信号时保持电机气隙磁通一定补偿定子电压降的影响

电压频率变压器将电压转换为频率经分频器环形计数器产生方波和经三角波发生器产生的三角波一起送入调制回路

电压调节器产生频率和幅度可调的控制正弦波送入调制回路送入调制回路在调制回路中进行 SPWM 变换产生三相的脉冲宽度调制信号在基极回路中输出信号至功率晶体管基极即对 SPWM 的主回路进行控制实现对永磁交流伺服电机的变频调速

电流检测器过载保护

75 75 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 与传统数控机床进给系统中的ldquo旋转伺服电机＋滚珠丝杠rdquo不同直线电机直接驱动机床工作台取消驱动电机和工作台之间的一切中间传动环节

751 直线电机 分为交流和直流两种交流直线电机又分为感

应异步式和永磁同步式 直线电机相当于把旋转电机沿过轴线的平面剖

开并将定子转子圆周展开为平面和进行一些演变形成

感应异步式直线电机演变过程感应异步式直线电机演变过程

永磁同步式直线电机演变过程永磁同步式直线电机演变过程

2 直线电机的工作原理 基本原理利用电磁作用将电能转换为动能（ 1 ）感应异步式直线电机的结构及工作原理（ 2 ）永磁同步式直线电机工作原理3 直线电机的特点 调节速度方便 加速度大响应快 定位精度和跟踪精度高 行程不受限制

752 752 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 由执行器控制器和位置检测装置组成 执行器直线电机本体 控制器由 CNC 控制器和 DDS 数值控制模块组成 位置检测装置光栅感应同步尺等

直线电机进给控制系统直线电机进给控制系统 双环系统内环为速度环外环为位置环 位置环接收来自光栅尺的位置反馈信号及插补信号

的比较信号来控制速度环的指令速度从而调节执行件的位置始终与指令位置保持一致

速度环根据位置环的指令速度快速而准确控制电机使得其不受负载转矩大小和方向的影响并快速跟踪指令速度的变化

753 753 直线电机对控制质量的影响直线电机对控制质量的影响1 路径生成问题 三个方面加加速度插补和对加工程序段的预处理2 直线电机对负载刚性的影响 三个因素速度控制环比例增益积分时间和在没有前馈控制情况下的位置控制环比例增益

3 影响定位时间的因素 四个因素最大加速度速度加加速度和位置控制

进给前馈实际增益4 影响加工路径精度的因素 三个因素路径生成最大加速度和位置控制进给前馈

实际增益

76 76 伺服系统的位置控制伺服系统的位置控制761 数字－脉冲比较伺服系统 将指令脉冲 F与反馈脉冲 Pf进行比较决定位置偏差 e再

将位置偏差 e放大后输出给速度控制单元和电机执行以减少和消除位置偏差

半闭环系统中检测元件多采用光电编码器闭环系统中检测元件多采用光栅

工作过程当指令脉冲为正而反馈脉冲为负时计数器作加法运算当指令脉冲为负而反馈脉冲为正时计数器作减法运算

计数器的计算结果 当 e＝ F－ Pfgt0 时工作台正向移动 当 e＝ F－ Pflt0 时工作台反向运动 当 e＝ F－ Pf＝ 0 时工作台静止

半闭环数值比较系统结构半闭环数值比较系统结构

762 762 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 常用检测元件是旋转变压器和感应同步器 脉冲调相器（数字相位变化器）将来自数控装置

的进给脉冲信号转换为相位变化信号

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

2 2 功率放大器功率放大器 功能将环形分配器输出的脉冲信号放大以用足够的功率来驱动步进电机

（ 1 ）单电压功率放大器

（ 2 ）高低电压功率放大器

（ 3 ）斩波恒流功率放大器

（ 4 ）调频调压功率放大器

723 723 提高步进伺服系统精度的措施提高步进伺服系统精度的措施1 传动间隙补偿 提高机床传动元件的齿轮丝杠制造装配精度并采

取消除传动间隙的措施只能减少不能完全消除传动间隙

机械传动链在改变运动或旋转方向时最初若干个指令脉冲只能起到消除间隙的作用造成步进电机的空走而工作台无实际移动从而产生传动误差

补偿方法先测出并存储间隙大小接收反向位移指令时先不向步进电机输出反向位移脉冲而将间隙值转换为脉冲数 N 驱动步进电机转动越过传动间隙然后按照指令脉冲动作

传动间隙补偿示意图传动间隙补偿示意图

2 螺距误差补偿 传动链中滚珠丝杠螺

距的制造误差直接影响机床工作台的位移精度

补偿方法设置若干个补偿点在每个补偿点测量并记录工作台位移误差确定补偿值并作为控制参数输送给数控装置

设备运行时工作台每经过一个补偿点CNC 系统就加入补偿量补偿螺距误差

3 细分线路 细分驱动将一个步距角细分为若干步的驱动方法

73 73 直流伺服电机与速度控制直流伺服电机与速度控制731 直流伺服电机1 直流伺服电机的类型 按电枢的结构和形状分平滑电枢型空心电枢型和有槽电枢型等

按定子磁场产生方式分永磁式和他励式 按转子转动惯量大小分大惯量中惯量和小惯量伺服电机2 直流伺服电机的结构（ 1 ）定子产生定子磁极磁场（ 2 ）转子表面嵌有线圈通直流电时在定子磁场作用下

产生带负载旋转的电磁转矩（ 3 ）电刷与换向片为使产生的电磁转矩保持恒定的方向保证转子能沿着固定方向均匀地连续旋转将电刷与外加直流电源连接换向片与电枢线圈连接

3 直流伺服电机的工作原理（ 1 ）永磁式直流电机工作原理 直流电压加在 A B两电刷之间电流从 A 流入从 B 流出导体 ab和 cd受到逆时针方向作用力转子在逆时针方向地电磁转矩作用下旋转

当电枢转过 90deg 电枢线圈处于磁极的中性面电刷与换向片断开无电磁转矩作用

在惯性作用下电枢继续转动一个角度当电刷与换向片再次接触时导体 ab和 cd交换了位置ab和 cd中的电流也发生改变从而保证电枢受到地电磁转矩方向不变因此电枢可以连续转动

（ 2 ）他励式直流电机工作原理 定子上有磁励绕住和补偿绕组转子绕组通过电刷供电

转子磁场与定子磁场始终正交产生转矩转子旋转

732 732 直流进给速度控制单元直流进给速度控制单元 直流电机地机械特性公式

公式中 n为电机转速 Ua为电枢外加电压 Ce为反电动势常数Φ为电机磁通量 Ra为电枢电阻 Cm为转矩常数M为电磁转矩

直流电机的三种调速方法 改变电枢外加电压 Ua该方法可以得到调速范围较宽的

恒转矩特性机械特性好适用于主轴驱动的低速段和进给驱动

改变磁通量Φ可得到恒功率特性适用于主轴驱动的高速段不适合于进给驱动

改变电枢电路的电阻 Ra该方法得到的机械特性较软不能实现无级调速也不适合于数控机床

MCC

R

C

Un

me

a

e

a2

1 晶闸管直流调速系统 三相全控桥式整流电路作为直流速度控制单元的主电路 两组正负对接的晶闸管一组用于提供正向电压供电机正转 一组提供反向电压供电机反转 通过对 12 个晶闸管触发延迟角的控制达到控制电机电枢电压从而

对电机进行调速

双环调度系统 速度调节器和电流调节器均是由线性集成放大器和阻容元件构成的 PI 调节器

速度环起主导作用电流环的作用是在启动和堵转时限制最大电枢电流

2 晶体管脉宽调制（ PWM ）直流调速系统（ 1 ） PWM 系统的组成及工作原理 脉宽调制使功率放大器中的晶体管工作在开关状态下

开关频率保持恒定用调整开关周期内的晶体管导通时间的办法来改变输出从而使得电机电枢两端获得宽度随时间变化的给定频率的电压脉冲

脉宽连续变化使得电枢电压平均值连续变化进而导致电机转速连续变化

2 脉宽调制器

74 74 交流伺服电机与速度控制交流伺服电机与速度控制741 交流伺服电机1 交流伺服电机的类型 永磁式交流伺服电机和感应式交流伺服电机 共同点工作原理均由定子绕组产生旋转磁场

使得转子跟随定子旋转磁场一起运转 不同点永磁式伺服电机的转速与外加交流电源的频率存在着严格的同步关系即电机的转速等于旋转磁场的同步转速而感应式伺服电机由于需要转速差才能产生电磁转矩因此电机的转速低于磁场同步转速负载越大转速差越大

2 永磁交流伺服电机结构与工作原理 电机结构由定子转子和检测元件组成其中 1 －定子 2 －转子 3 －压板 4 －定子三相绕组 5 －脉冲编码器 6 －接线盒

工作原理定子三相绕组接上电源后产生一个旋转磁场该旋转磁场以同步转速 n0 旋转

定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极相互吸引并带动转子以同步转速 n0 一起旋转

当转子轴上加有负载转矩后造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合相差一个 θ角负载转矩发生变化时 θ角也发生变化

只要不超过一定限度转子始终跟随定子的旋转磁场以同步转速 n

0 旋转

742 742 交流进给速度控制单元交流进给速度控制单元1 交流伺服电机调速原理 同步型交流伺服电机的转速 n=n0=60fp 异步型交流伺服电机的转速 n=(60fp) （ 1-

s ）

电机调速的三种方法（ 1 ）改变磁极对数 P有级调速方法通过对定

子绕组接线的切换而改变磁极对数来实现（ 2 ）改变转差率 s只适合于异步型交流电机的

调速（ 3 ）变频调速通过改变电机电源的频率 f而改

变电机的转速

2 SPWM 变频调速 （ 1 ） SPWM 调制原理 （ 2 ） SPWM 变频器的功率放大电路 （ 3 ） SPWM 变频调速系统 速度给定器给定信号控制频率电压及正反转 平稳启动回路使启动加减速时间可随机械负载设定以达到软启动的目的

函数发生器在输出低频信号时保持电机气隙磁通一定补偿定子电压降的影响

电压频率变压器将电压转换为频率经分频器环形计数器产生方波和经三角波发生器产生的三角波一起送入调制回路

电压调节器产生频率和幅度可调的控制正弦波送入调制回路送入调制回路在调制回路中进行 SPWM 变换产生三相的脉冲宽度调制信号在基极回路中输出信号至功率晶体管基极即对 SPWM 的主回路进行控制实现对永磁交流伺服电机的变频调速

电流检测器过载保护

75 75 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 与传统数控机床进给系统中的ldquo旋转伺服电机＋滚珠丝杠rdquo不同直线电机直接驱动机床工作台取消驱动电机和工作台之间的一切中间传动环节

751 直线电机 分为交流和直流两种交流直线电机又分为感

应异步式和永磁同步式 直线电机相当于把旋转电机沿过轴线的平面剖

开并将定子转子圆周展开为平面和进行一些演变形成

感应异步式直线电机演变过程感应异步式直线电机演变过程

永磁同步式直线电机演变过程永磁同步式直线电机演变过程

2 直线电机的工作原理 基本原理利用电磁作用将电能转换为动能（ 1 ）感应异步式直线电机的结构及工作原理（ 2 ）永磁同步式直线电机工作原理3 直线电机的特点 调节速度方便 加速度大响应快 定位精度和跟踪精度高 行程不受限制

752 752 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 由执行器控制器和位置检测装置组成 执行器直线电机本体 控制器由 CNC 控制器和 DDS 数值控制模块组成 位置检测装置光栅感应同步尺等

直线电机进给控制系统直线电机进给控制系统 双环系统内环为速度环外环为位置环 位置环接收来自光栅尺的位置反馈信号及插补信号

的比较信号来控制速度环的指令速度从而调节执行件的位置始终与指令位置保持一致

速度环根据位置环的指令速度快速而准确控制电机使得其不受负载转矩大小和方向的影响并快速跟踪指令速度的变化

753 753 直线电机对控制质量的影响直线电机对控制质量的影响1 路径生成问题 三个方面加加速度插补和对加工程序段的预处理2 直线电机对负载刚性的影响 三个因素速度控制环比例增益积分时间和在没有前馈控制情况下的位置控制环比例增益

3 影响定位时间的因素 四个因素最大加速度速度加加速度和位置控制

进给前馈实际增益4 影响加工路径精度的因素 三个因素路径生成最大加速度和位置控制进给前馈

实际增益

76 76 伺服系统的位置控制伺服系统的位置控制761 数字－脉冲比较伺服系统 将指令脉冲 F与反馈脉冲 Pf进行比较决定位置偏差 e再

将位置偏差 e放大后输出给速度控制单元和电机执行以减少和消除位置偏差

半闭环系统中检测元件多采用光电编码器闭环系统中检测元件多采用光栅

工作过程当指令脉冲为正而反馈脉冲为负时计数器作加法运算当指令脉冲为负而反馈脉冲为正时计数器作减法运算

计数器的计算结果 当 e＝ F－ Pfgt0 时工作台正向移动 当 e＝ F－ Pflt0 时工作台反向运动 当 e＝ F－ Pf＝ 0 时工作台静止

半闭环数值比较系统结构半闭环数值比较系统结构

762 762 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 常用检测元件是旋转变压器和感应同步器 脉冲调相器（数字相位变化器）将来自数控装置

的进给脉冲信号转换为相位变化信号

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

（ 2 ）高低电压功率放大器

（ 3 ）斩波恒流功率放大器

（ 4 ）调频调压功率放大器

723 723 提高步进伺服系统精度的措施提高步进伺服系统精度的措施1 传动间隙补偿 提高机床传动元件的齿轮丝杠制造装配精度并采

取消除传动间隙的措施只能减少不能完全消除传动间隙

机械传动链在改变运动或旋转方向时最初若干个指令脉冲只能起到消除间隙的作用造成步进电机的空走而工作台无实际移动从而产生传动误差

补偿方法先测出并存储间隙大小接收反向位移指令时先不向步进电机输出反向位移脉冲而将间隙值转换为脉冲数 N 驱动步进电机转动越过传动间隙然后按照指令脉冲动作

传动间隙补偿示意图传动间隙补偿示意图

2 螺距误差补偿 传动链中滚珠丝杠螺

距的制造误差直接影响机床工作台的位移精度

补偿方法设置若干个补偿点在每个补偿点测量并记录工作台位移误差确定补偿值并作为控制参数输送给数控装置

设备运行时工作台每经过一个补偿点CNC 系统就加入补偿量补偿螺距误差

3 细分线路 细分驱动将一个步距角细分为若干步的驱动方法

73 73 直流伺服电机与速度控制直流伺服电机与速度控制731 直流伺服电机1 直流伺服电机的类型 按电枢的结构和形状分平滑电枢型空心电枢型和有槽电枢型等

按定子磁场产生方式分永磁式和他励式 按转子转动惯量大小分大惯量中惯量和小惯量伺服电机2 直流伺服电机的结构（ 1 ）定子产生定子磁极磁场（ 2 ）转子表面嵌有线圈通直流电时在定子磁场作用下

产生带负载旋转的电磁转矩（ 3 ）电刷与换向片为使产生的电磁转矩保持恒定的方向保证转子能沿着固定方向均匀地连续旋转将电刷与外加直流电源连接换向片与电枢线圈连接

3 直流伺服电机的工作原理（ 1 ）永磁式直流电机工作原理 直流电压加在 A B两电刷之间电流从 A 流入从 B 流出导体 ab和 cd受到逆时针方向作用力转子在逆时针方向地电磁转矩作用下旋转

当电枢转过 90deg 电枢线圈处于磁极的中性面电刷与换向片断开无电磁转矩作用

在惯性作用下电枢继续转动一个角度当电刷与换向片再次接触时导体 ab和 cd交换了位置ab和 cd中的电流也发生改变从而保证电枢受到地电磁转矩方向不变因此电枢可以连续转动

（ 2 ）他励式直流电机工作原理 定子上有磁励绕住和补偿绕组转子绕组通过电刷供电

转子磁场与定子磁场始终正交产生转矩转子旋转

732 732 直流进给速度控制单元直流进给速度控制单元 直流电机地机械特性公式

公式中 n为电机转速 Ua为电枢外加电压 Ce为反电动势常数Φ为电机磁通量 Ra为电枢电阻 Cm为转矩常数M为电磁转矩

直流电机的三种调速方法 改变电枢外加电压 Ua该方法可以得到调速范围较宽的

恒转矩特性机械特性好适用于主轴驱动的低速段和进给驱动

改变磁通量Φ可得到恒功率特性适用于主轴驱动的高速段不适合于进给驱动

改变电枢电路的电阻 Ra该方法得到的机械特性较软不能实现无级调速也不适合于数控机床

MCC

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1 晶闸管直流调速系统 三相全控桥式整流电路作为直流速度控制单元的主电路 两组正负对接的晶闸管一组用于提供正向电压供电机正转 一组提供反向电压供电机反转 通过对 12 个晶闸管触发延迟角的控制达到控制电机电枢电压从而

对电机进行调速

双环调度系统 速度调节器和电流调节器均是由线性集成放大器和阻容元件构成的 PI 调节器

速度环起主导作用电流环的作用是在启动和堵转时限制最大电枢电流

2 晶体管脉宽调制（ PWM ）直流调速系统（ 1 ） PWM 系统的组成及工作原理 脉宽调制使功率放大器中的晶体管工作在开关状态下

开关频率保持恒定用调整开关周期内的晶体管导通时间的办法来改变输出从而使得电机电枢两端获得宽度随时间变化的给定频率的电压脉冲

脉宽连续变化使得电枢电压平均值连续变化进而导致电机转速连续变化

2 脉宽调制器

74 74 交流伺服电机与速度控制交流伺服电机与速度控制741 交流伺服电机1 交流伺服电机的类型 永磁式交流伺服电机和感应式交流伺服电机 共同点工作原理均由定子绕组产生旋转磁场

使得转子跟随定子旋转磁场一起运转 不同点永磁式伺服电机的转速与外加交流电源的频率存在着严格的同步关系即电机的转速等于旋转磁场的同步转速而感应式伺服电机由于需要转速差才能产生电磁转矩因此电机的转速低于磁场同步转速负载越大转速差越大

2 永磁交流伺服电机结构与工作原理 电机结构由定子转子和检测元件组成其中 1 －定子 2 －转子 3 －压板 4 －定子三相绕组 5 －脉冲编码器 6 －接线盒

工作原理定子三相绕组接上电源后产生一个旋转磁场该旋转磁场以同步转速 n0 旋转

定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极相互吸引并带动转子以同步转速 n0 一起旋转

当转子轴上加有负载转矩后造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合相差一个 θ角负载转矩发生变化时 θ角也发生变化

只要不超过一定限度转子始终跟随定子的旋转磁场以同步转速 n

0 旋转

742 742 交流进给速度控制单元交流进给速度控制单元1 交流伺服电机调速原理 同步型交流伺服电机的转速 n=n0=60fp 异步型交流伺服电机的转速 n=(60fp) （ 1-

s ）

电机调速的三种方法（ 1 ）改变磁极对数 P有级调速方法通过对定

子绕组接线的切换而改变磁极对数来实现（ 2 ）改变转差率 s只适合于异步型交流电机的

调速（ 3 ）变频调速通过改变电机电源的频率 f而改

变电机的转速

2 SPWM 变频调速 （ 1 ） SPWM 调制原理 （ 2 ） SPWM 变频器的功率放大电路 （ 3 ） SPWM 变频调速系统 速度给定器给定信号控制频率电压及正反转 平稳启动回路使启动加减速时间可随机械负载设定以达到软启动的目的

函数发生器在输出低频信号时保持电机气隙磁通一定补偿定子电压降的影响

电压频率变压器将电压转换为频率经分频器环形计数器产生方波和经三角波发生器产生的三角波一起送入调制回路

电压调节器产生频率和幅度可调的控制正弦波送入调制回路送入调制回路在调制回路中进行 SPWM 变换产生三相的脉冲宽度调制信号在基极回路中输出信号至功率晶体管基极即对 SPWM 的主回路进行控制实现对永磁交流伺服电机的变频调速

电流检测器过载保护

75 75 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 与传统数控机床进给系统中的ldquo旋转伺服电机＋滚珠丝杠rdquo不同直线电机直接驱动机床工作台取消驱动电机和工作台之间的一切中间传动环节

751 直线电机 分为交流和直流两种交流直线电机又分为感

应异步式和永磁同步式 直线电机相当于把旋转电机沿过轴线的平面剖

开并将定子转子圆周展开为平面和进行一些演变形成

感应异步式直线电机演变过程感应异步式直线电机演变过程

永磁同步式直线电机演变过程永磁同步式直线电机演变过程

2 直线电机的工作原理 基本原理利用电磁作用将电能转换为动能（ 1 ）感应异步式直线电机的结构及工作原理（ 2 ）永磁同步式直线电机工作原理3 直线电机的特点 调节速度方便 加速度大响应快 定位精度和跟踪精度高 行程不受限制

752 752 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 由执行器控制器和位置检测装置组成 执行器直线电机本体 控制器由 CNC 控制器和 DDS 数值控制模块组成 位置检测装置光栅感应同步尺等

直线电机进给控制系统直线电机进给控制系统 双环系统内环为速度环外环为位置环 位置环接收来自光栅尺的位置反馈信号及插补信号

的比较信号来控制速度环的指令速度从而调节执行件的位置始终与指令位置保持一致

速度环根据位置环的指令速度快速而准确控制电机使得其不受负载转矩大小和方向的影响并快速跟踪指令速度的变化

753 753 直线电机对控制质量的影响直线电机对控制质量的影响1 路径生成问题 三个方面加加速度插补和对加工程序段的预处理2 直线电机对负载刚性的影响 三个因素速度控制环比例增益积分时间和在没有前馈控制情况下的位置控制环比例增益

3 影响定位时间的因素 四个因素最大加速度速度加加速度和位置控制

进给前馈实际增益4 影响加工路径精度的因素 三个因素路径生成最大加速度和位置控制进给前馈

实际增益

76 76 伺服系统的位置控制伺服系统的位置控制761 数字－脉冲比较伺服系统 将指令脉冲 F与反馈脉冲 Pf进行比较决定位置偏差 e再

将位置偏差 e放大后输出给速度控制单元和电机执行以减少和消除位置偏差

半闭环系统中检测元件多采用光电编码器闭环系统中检测元件多采用光栅

工作过程当指令脉冲为正而反馈脉冲为负时计数器作加法运算当指令脉冲为负而反馈脉冲为正时计数器作减法运算

计数器的计算结果 当 e＝ F－ Pfgt0 时工作台正向移动 当 e＝ F－ Pflt0 时工作台反向运动 当 e＝ F－ Pf＝ 0 时工作台静止

半闭环数值比较系统结构半闭环数值比较系统结构

762 762 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 常用检测元件是旋转变压器和感应同步器 脉冲调相器（数字相位变化器）将来自数控装置

的进给脉冲信号转换为相位变化信号

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

（ 3 ）斩波恒流功率放大器

（ 4 ）调频调压功率放大器

723 723 提高步进伺服系统精度的措施提高步进伺服系统精度的措施1 传动间隙补偿 提高机床传动元件的齿轮丝杠制造装配精度并采

取消除传动间隙的措施只能减少不能完全消除传动间隙

机械传动链在改变运动或旋转方向时最初若干个指令脉冲只能起到消除间隙的作用造成步进电机的空走而工作台无实际移动从而产生传动误差

补偿方法先测出并存储间隙大小接收反向位移指令时先不向步进电机输出反向位移脉冲而将间隙值转换为脉冲数 N 驱动步进电机转动越过传动间隙然后按照指令脉冲动作

传动间隙补偿示意图传动间隙补偿示意图

2 螺距误差补偿 传动链中滚珠丝杠螺

距的制造误差直接影响机床工作台的位移精度

补偿方法设置若干个补偿点在每个补偿点测量并记录工作台位移误差确定补偿值并作为控制参数输送给数控装置

设备运行时工作台每经过一个补偿点CNC 系统就加入补偿量补偿螺距误差

3 细分线路 细分驱动将一个步距角细分为若干步的驱动方法

73 73 直流伺服电机与速度控制直流伺服电机与速度控制731 直流伺服电机1 直流伺服电机的类型 按电枢的结构和形状分平滑电枢型空心电枢型和有槽电枢型等

按定子磁场产生方式分永磁式和他励式 按转子转动惯量大小分大惯量中惯量和小惯量伺服电机2 直流伺服电机的结构（ 1 ）定子产生定子磁极磁场（ 2 ）转子表面嵌有线圈通直流电时在定子磁场作用下

产生带负载旋转的电磁转矩（ 3 ）电刷与换向片为使产生的电磁转矩保持恒定的方向保证转子能沿着固定方向均匀地连续旋转将电刷与外加直流电源连接换向片与电枢线圈连接

3 直流伺服电机的工作原理（ 1 ）永磁式直流电机工作原理 直流电压加在 A B两电刷之间电流从 A 流入从 B 流出导体 ab和 cd受到逆时针方向作用力转子在逆时针方向地电磁转矩作用下旋转

当电枢转过 90deg 电枢线圈处于磁极的中性面电刷与换向片断开无电磁转矩作用

在惯性作用下电枢继续转动一个角度当电刷与换向片再次接触时导体 ab和 cd交换了位置ab和 cd中的电流也发生改变从而保证电枢受到地电磁转矩方向不变因此电枢可以连续转动

（ 2 ）他励式直流电机工作原理 定子上有磁励绕住和补偿绕组转子绕组通过电刷供电

转子磁场与定子磁场始终正交产生转矩转子旋转

732 732 直流进给速度控制单元直流进给速度控制单元 直流电机地机械特性公式

公式中 n为电机转速 Ua为电枢外加电压 Ce为反电动势常数Φ为电机磁通量 Ra为电枢电阻 Cm为转矩常数M为电磁转矩

直流电机的三种调速方法 改变电枢外加电压 Ua该方法可以得到调速范围较宽的

恒转矩特性机械特性好适用于主轴驱动的低速段和进给驱动

改变磁通量Φ可得到恒功率特性适用于主轴驱动的高速段不适合于进给驱动

改变电枢电路的电阻 Ra该方法得到的机械特性较软不能实现无级调速也不适合于数控机床

MCC

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C

Un

me

a

e

a2

1 晶闸管直流调速系统 三相全控桥式整流电路作为直流速度控制单元的主电路 两组正负对接的晶闸管一组用于提供正向电压供电机正转 一组提供反向电压供电机反转 通过对 12 个晶闸管触发延迟角的控制达到控制电机电枢电压从而

对电机进行调速

双环调度系统 速度调节器和电流调节器均是由线性集成放大器和阻容元件构成的 PI 调节器

速度环起主导作用电流环的作用是在启动和堵转时限制最大电枢电流

2 晶体管脉宽调制（ PWM ）直流调速系统（ 1 ） PWM 系统的组成及工作原理 脉宽调制使功率放大器中的晶体管工作在开关状态下

开关频率保持恒定用调整开关周期内的晶体管导通时间的办法来改变输出从而使得电机电枢两端获得宽度随时间变化的给定频率的电压脉冲

脉宽连续变化使得电枢电压平均值连续变化进而导致电机转速连续变化

2 脉宽调制器

74 74 交流伺服电机与速度控制交流伺服电机与速度控制741 交流伺服电机1 交流伺服电机的类型 永磁式交流伺服电机和感应式交流伺服电机 共同点工作原理均由定子绕组产生旋转磁场

使得转子跟随定子旋转磁场一起运转 不同点永磁式伺服电机的转速与外加交流电源的频率存在着严格的同步关系即电机的转速等于旋转磁场的同步转速而感应式伺服电机由于需要转速差才能产生电磁转矩因此电机的转速低于磁场同步转速负载越大转速差越大

2 永磁交流伺服电机结构与工作原理 电机结构由定子转子和检测元件组成其中 1 －定子 2 －转子 3 －压板 4 －定子三相绕组 5 －脉冲编码器 6 －接线盒

工作原理定子三相绕组接上电源后产生一个旋转磁场该旋转磁场以同步转速 n0 旋转

定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极相互吸引并带动转子以同步转速 n0 一起旋转

当转子轴上加有负载转矩后造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合相差一个 θ角负载转矩发生变化时 θ角也发生变化

只要不超过一定限度转子始终跟随定子的旋转磁场以同步转速 n

0 旋转

742 742 交流进给速度控制单元交流进给速度控制单元1 交流伺服电机调速原理 同步型交流伺服电机的转速 n=n0=60fp 异步型交流伺服电机的转速 n=(60fp) （ 1-

s ）

电机调速的三种方法（ 1 ）改变磁极对数 P有级调速方法通过对定

子绕组接线的切换而改变磁极对数来实现（ 2 ）改变转差率 s只适合于异步型交流电机的

调速（ 3 ）变频调速通过改变电机电源的频率 f而改

变电机的转速

2 SPWM 变频调速 （ 1 ） SPWM 调制原理 （ 2 ） SPWM 变频器的功率放大电路 （ 3 ） SPWM 变频调速系统 速度给定器给定信号控制频率电压及正反转 平稳启动回路使启动加减速时间可随机械负载设定以达到软启动的目的

函数发生器在输出低频信号时保持电机气隙磁通一定补偿定子电压降的影响

电压频率变压器将电压转换为频率经分频器环形计数器产生方波和经三角波发生器产生的三角波一起送入调制回路

电压调节器产生频率和幅度可调的控制正弦波送入调制回路送入调制回路在调制回路中进行 SPWM 变换产生三相的脉冲宽度调制信号在基极回路中输出信号至功率晶体管基极即对 SPWM 的主回路进行控制实现对永磁交流伺服电机的变频调速

电流检测器过载保护

75 75 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 与传统数控机床进给系统中的ldquo旋转伺服电机＋滚珠丝杠rdquo不同直线电机直接驱动机床工作台取消驱动电机和工作台之间的一切中间传动环节

751 直线电机 分为交流和直流两种交流直线电机又分为感

应异步式和永磁同步式 直线电机相当于把旋转电机沿过轴线的平面剖

开并将定子转子圆周展开为平面和进行一些演变形成

感应异步式直线电机演变过程感应异步式直线电机演变过程

永磁同步式直线电机演变过程永磁同步式直线电机演变过程

2 直线电机的工作原理 基本原理利用电磁作用将电能转换为动能（ 1 ）感应异步式直线电机的结构及工作原理（ 2 ）永磁同步式直线电机工作原理3 直线电机的特点 调节速度方便 加速度大响应快 定位精度和跟踪精度高 行程不受限制

752 752 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 由执行器控制器和位置检测装置组成 执行器直线电机本体 控制器由 CNC 控制器和 DDS 数值控制模块组成 位置检测装置光栅感应同步尺等

直线电机进给控制系统直线电机进给控制系统 双环系统内环为速度环外环为位置环 位置环接收来自光栅尺的位置反馈信号及插补信号

的比较信号来控制速度环的指令速度从而调节执行件的位置始终与指令位置保持一致

速度环根据位置环的指令速度快速而准确控制电机使得其不受负载转矩大小和方向的影响并快速跟踪指令速度的变化

753 753 直线电机对控制质量的影响直线电机对控制质量的影响1 路径生成问题 三个方面加加速度插补和对加工程序段的预处理2 直线电机对负载刚性的影响 三个因素速度控制环比例增益积分时间和在没有前馈控制情况下的位置控制环比例增益

3 影响定位时间的因素 四个因素最大加速度速度加加速度和位置控制

进给前馈实际增益4 影响加工路径精度的因素 三个因素路径生成最大加速度和位置控制进给前馈

实际增益

76 76 伺服系统的位置控制伺服系统的位置控制761 数字－脉冲比较伺服系统 将指令脉冲 F与反馈脉冲 Pf进行比较决定位置偏差 e再

将位置偏差 e放大后输出给速度控制单元和电机执行以减少和消除位置偏差

半闭环系统中检测元件多采用光电编码器闭环系统中检测元件多采用光栅

工作过程当指令脉冲为正而反馈脉冲为负时计数器作加法运算当指令脉冲为负而反馈脉冲为正时计数器作减法运算

计数器的计算结果 当 e＝ F－ Pfgt0 时工作台正向移动 当 e＝ F－ Pflt0 时工作台反向运动 当 e＝ F－ Pf＝ 0 时工作台静止

半闭环数值比较系统结构半闭环数值比较系统结构

762 762 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 常用检测元件是旋转变压器和感应同步器 脉冲调相器（数字相位变化器）将来自数控装置

的进给脉冲信号转换为相位变化信号

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

（ 4 ）调频调压功率放大器

723 723 提高步进伺服系统精度的措施提高步进伺服系统精度的措施1 传动间隙补偿 提高机床传动元件的齿轮丝杠制造装配精度并采

取消除传动间隙的措施只能减少不能完全消除传动间隙

机械传动链在改变运动或旋转方向时最初若干个指令脉冲只能起到消除间隙的作用造成步进电机的空走而工作台无实际移动从而产生传动误差

补偿方法先测出并存储间隙大小接收反向位移指令时先不向步进电机输出反向位移脉冲而将间隙值转换为脉冲数 N 驱动步进电机转动越过传动间隙然后按照指令脉冲动作

传动间隙补偿示意图传动间隙补偿示意图

2 螺距误差补偿 传动链中滚珠丝杠螺

距的制造误差直接影响机床工作台的位移精度

补偿方法设置若干个补偿点在每个补偿点测量并记录工作台位移误差确定补偿值并作为控制参数输送给数控装置

设备运行时工作台每经过一个补偿点CNC 系统就加入补偿量补偿螺距误差

3 细分线路 细分驱动将一个步距角细分为若干步的驱动方法

73 73 直流伺服电机与速度控制直流伺服电机与速度控制731 直流伺服电机1 直流伺服电机的类型 按电枢的结构和形状分平滑电枢型空心电枢型和有槽电枢型等

按定子磁场产生方式分永磁式和他励式 按转子转动惯量大小分大惯量中惯量和小惯量伺服电机2 直流伺服电机的结构（ 1 ）定子产生定子磁极磁场（ 2 ）转子表面嵌有线圈通直流电时在定子磁场作用下

产生带负载旋转的电磁转矩（ 3 ）电刷与换向片为使产生的电磁转矩保持恒定的方向保证转子能沿着固定方向均匀地连续旋转将电刷与外加直流电源连接换向片与电枢线圈连接

3 直流伺服电机的工作原理（ 1 ）永磁式直流电机工作原理 直流电压加在 A B两电刷之间电流从 A 流入从 B 流出导体 ab和 cd受到逆时针方向作用力转子在逆时针方向地电磁转矩作用下旋转

当电枢转过 90deg 电枢线圈处于磁极的中性面电刷与换向片断开无电磁转矩作用

在惯性作用下电枢继续转动一个角度当电刷与换向片再次接触时导体 ab和 cd交换了位置ab和 cd中的电流也发生改变从而保证电枢受到地电磁转矩方向不变因此电枢可以连续转动

（ 2 ）他励式直流电机工作原理 定子上有磁励绕住和补偿绕组转子绕组通过电刷供电

转子磁场与定子磁场始终正交产生转矩转子旋转

732 732 直流进给速度控制单元直流进给速度控制单元 直流电机地机械特性公式

公式中 n为电机转速 Ua为电枢外加电压 Ce为反电动势常数Φ为电机磁通量 Ra为电枢电阻 Cm为转矩常数M为电磁转矩

直流电机的三种调速方法 改变电枢外加电压 Ua该方法可以得到调速范围较宽的

恒转矩特性机械特性好适用于主轴驱动的低速段和进给驱动

改变磁通量Φ可得到恒功率特性适用于主轴驱动的高速段不适合于进给驱动

改变电枢电路的电阻 Ra该方法得到的机械特性较软不能实现无级调速也不适合于数控机床

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1 晶闸管直流调速系统 三相全控桥式整流电路作为直流速度控制单元的主电路 两组正负对接的晶闸管一组用于提供正向电压供电机正转 一组提供反向电压供电机反转 通过对 12 个晶闸管触发延迟角的控制达到控制电机电枢电压从而

对电机进行调速

双环调度系统 速度调节器和电流调节器均是由线性集成放大器和阻容元件构成的 PI 调节器

速度环起主导作用电流环的作用是在启动和堵转时限制最大电枢电流

2 晶体管脉宽调制（ PWM ）直流调速系统（ 1 ） PWM 系统的组成及工作原理 脉宽调制使功率放大器中的晶体管工作在开关状态下

开关频率保持恒定用调整开关周期内的晶体管导通时间的办法来改变输出从而使得电机电枢两端获得宽度随时间变化的给定频率的电压脉冲

脉宽连续变化使得电枢电压平均值连续变化进而导致电机转速连续变化

2 脉宽调制器

74 74 交流伺服电机与速度控制交流伺服电机与速度控制741 交流伺服电机1 交流伺服电机的类型 永磁式交流伺服电机和感应式交流伺服电机 共同点工作原理均由定子绕组产生旋转磁场

使得转子跟随定子旋转磁场一起运转 不同点永磁式伺服电机的转速与外加交流电源的频率存在着严格的同步关系即电机的转速等于旋转磁场的同步转速而感应式伺服电机由于需要转速差才能产生电磁转矩因此电机的转速低于磁场同步转速负载越大转速差越大

2 永磁交流伺服电机结构与工作原理 电机结构由定子转子和检测元件组成其中 1 －定子 2 －转子 3 －压板 4 －定子三相绕组 5 －脉冲编码器 6 －接线盒

工作原理定子三相绕组接上电源后产生一个旋转磁场该旋转磁场以同步转速 n0 旋转

定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极相互吸引并带动转子以同步转速 n0 一起旋转

当转子轴上加有负载转矩后造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合相差一个 θ角负载转矩发生变化时 θ角也发生变化

只要不超过一定限度转子始终跟随定子的旋转磁场以同步转速 n

0 旋转

742 742 交流进给速度控制单元交流进给速度控制单元1 交流伺服电机调速原理 同步型交流伺服电机的转速 n=n0=60fp 异步型交流伺服电机的转速 n=(60fp) （ 1-

s ）

电机调速的三种方法（ 1 ）改变磁极对数 P有级调速方法通过对定

子绕组接线的切换而改变磁极对数来实现（ 2 ）改变转差率 s只适合于异步型交流电机的

调速（ 3 ）变频调速通过改变电机电源的频率 f而改

变电机的转速

2 SPWM 变频调速 （ 1 ） SPWM 调制原理 （ 2 ） SPWM 变频器的功率放大电路 （ 3 ） SPWM 变频调速系统 速度给定器给定信号控制频率电压及正反转 平稳启动回路使启动加减速时间可随机械负载设定以达到软启动的目的

函数发生器在输出低频信号时保持电机气隙磁通一定补偿定子电压降的影响

电压频率变压器将电压转换为频率经分频器环形计数器产生方波和经三角波发生器产生的三角波一起送入调制回路

电压调节器产生频率和幅度可调的控制正弦波送入调制回路送入调制回路在调制回路中进行 SPWM 变换产生三相的脉冲宽度调制信号在基极回路中输出信号至功率晶体管基极即对 SPWM 的主回路进行控制实现对永磁交流伺服电机的变频调速

电流检测器过载保护

75 75 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 与传统数控机床进给系统中的ldquo旋转伺服电机＋滚珠丝杠rdquo不同直线电机直接驱动机床工作台取消驱动电机和工作台之间的一切中间传动环节

751 直线电机 分为交流和直流两种交流直线电机又分为感

应异步式和永磁同步式 直线电机相当于把旋转电机沿过轴线的平面剖

开并将定子转子圆周展开为平面和进行一些演变形成

感应异步式直线电机演变过程感应异步式直线电机演变过程

永磁同步式直线电机演变过程永磁同步式直线电机演变过程

2 直线电机的工作原理 基本原理利用电磁作用将电能转换为动能（ 1 ）感应异步式直线电机的结构及工作原理（ 2 ）永磁同步式直线电机工作原理3 直线电机的特点 调节速度方便 加速度大响应快 定位精度和跟踪精度高 行程不受限制

752 752 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 由执行器控制器和位置检测装置组成 执行器直线电机本体 控制器由 CNC 控制器和 DDS 数值控制模块组成 位置检测装置光栅感应同步尺等

直线电机进给控制系统直线电机进给控制系统 双环系统内环为速度环外环为位置环 位置环接收来自光栅尺的位置反馈信号及插补信号

的比较信号来控制速度环的指令速度从而调节执行件的位置始终与指令位置保持一致

速度环根据位置环的指令速度快速而准确控制电机使得其不受负载转矩大小和方向的影响并快速跟踪指令速度的变化

753 753 直线电机对控制质量的影响直线电机对控制质量的影响1 路径生成问题 三个方面加加速度插补和对加工程序段的预处理2 直线电机对负载刚性的影响 三个因素速度控制环比例增益积分时间和在没有前馈控制情况下的位置控制环比例增益

3 影响定位时间的因素 四个因素最大加速度速度加加速度和位置控制

进给前馈实际增益4 影响加工路径精度的因素 三个因素路径生成最大加速度和位置控制进给前馈

实际增益

76 76 伺服系统的位置控制伺服系统的位置控制761 数字－脉冲比较伺服系统 将指令脉冲 F与反馈脉冲 Pf进行比较决定位置偏差 e再

将位置偏差 e放大后输出给速度控制单元和电机执行以减少和消除位置偏差

半闭环系统中检测元件多采用光电编码器闭环系统中检测元件多采用光栅

工作过程当指令脉冲为正而反馈脉冲为负时计数器作加法运算当指令脉冲为负而反馈脉冲为正时计数器作减法运算

计数器的计算结果 当 e＝ F－ Pfgt0 时工作台正向移动 当 e＝ F－ Pflt0 时工作台反向运动 当 e＝ F－ Pf＝ 0 时工作台静止

半闭环数值比较系统结构半闭环数值比较系统结构

762 762 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 常用检测元件是旋转变压器和感应同步器 脉冲调相器（数字相位变化器）将来自数控装置

的进给脉冲信号转换为相位变化信号

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

723 723 提高步进伺服系统精度的措施提高步进伺服系统精度的措施1 传动间隙补偿 提高机床传动元件的齿轮丝杠制造装配精度并采

取消除传动间隙的措施只能减少不能完全消除传动间隙

机械传动链在改变运动或旋转方向时最初若干个指令脉冲只能起到消除间隙的作用造成步进电机的空走而工作台无实际移动从而产生传动误差

补偿方法先测出并存储间隙大小接收反向位移指令时先不向步进电机输出反向位移脉冲而将间隙值转换为脉冲数 N 驱动步进电机转动越过传动间隙然后按照指令脉冲动作

传动间隙补偿示意图传动间隙补偿示意图

2 螺距误差补偿 传动链中滚珠丝杠螺

距的制造误差直接影响机床工作台的位移精度

补偿方法设置若干个补偿点在每个补偿点测量并记录工作台位移误差确定补偿值并作为控制参数输送给数控装置

设备运行时工作台每经过一个补偿点CNC 系统就加入补偿量补偿螺距误差

3 细分线路 细分驱动将一个步距角细分为若干步的驱动方法

73 73 直流伺服电机与速度控制直流伺服电机与速度控制731 直流伺服电机1 直流伺服电机的类型 按电枢的结构和形状分平滑电枢型空心电枢型和有槽电枢型等

按定子磁场产生方式分永磁式和他励式 按转子转动惯量大小分大惯量中惯量和小惯量伺服电机2 直流伺服电机的结构（ 1 ）定子产生定子磁极磁场（ 2 ）转子表面嵌有线圈通直流电时在定子磁场作用下

产生带负载旋转的电磁转矩（ 3 ）电刷与换向片为使产生的电磁转矩保持恒定的方向保证转子能沿着固定方向均匀地连续旋转将电刷与外加直流电源连接换向片与电枢线圈连接

3 直流伺服电机的工作原理（ 1 ）永磁式直流电机工作原理 直流电压加在 A B两电刷之间电流从 A 流入从 B 流出导体 ab和 cd受到逆时针方向作用力转子在逆时针方向地电磁转矩作用下旋转

当电枢转过 90deg 电枢线圈处于磁极的中性面电刷与换向片断开无电磁转矩作用

在惯性作用下电枢继续转动一个角度当电刷与换向片再次接触时导体 ab和 cd交换了位置ab和 cd中的电流也发生改变从而保证电枢受到地电磁转矩方向不变因此电枢可以连续转动

（ 2 ）他励式直流电机工作原理 定子上有磁励绕住和补偿绕组转子绕组通过电刷供电

转子磁场与定子磁场始终正交产生转矩转子旋转

732 732 直流进给速度控制单元直流进给速度控制单元 直流电机地机械特性公式

公式中 n为电机转速 Ua为电枢外加电压 Ce为反电动势常数Φ为电机磁通量 Ra为电枢电阻 Cm为转矩常数M为电磁转矩

直流电机的三种调速方法 改变电枢外加电压 Ua该方法可以得到调速范围较宽的

恒转矩特性机械特性好适用于主轴驱动的低速段和进给驱动

改变磁通量Φ可得到恒功率特性适用于主轴驱动的高速段不适合于进给驱动

改变电枢电路的电阻 Ra该方法得到的机械特性较软不能实现无级调速也不适合于数控机床

MCC

R

C

Un

me

a

e

a2

1 晶闸管直流调速系统 三相全控桥式整流电路作为直流速度控制单元的主电路 两组正负对接的晶闸管一组用于提供正向电压供电机正转 一组提供反向电压供电机反转 通过对 12 个晶闸管触发延迟角的控制达到控制电机电枢电压从而

对电机进行调速

双环调度系统 速度调节器和电流调节器均是由线性集成放大器和阻容元件构成的 PI 调节器

速度环起主导作用电流环的作用是在启动和堵转时限制最大电枢电流

2 晶体管脉宽调制（ PWM ）直流调速系统（ 1 ） PWM 系统的组成及工作原理 脉宽调制使功率放大器中的晶体管工作在开关状态下

开关频率保持恒定用调整开关周期内的晶体管导通时间的办法来改变输出从而使得电机电枢两端获得宽度随时间变化的给定频率的电压脉冲

脉宽连续变化使得电枢电压平均值连续变化进而导致电机转速连续变化

2 脉宽调制器

74 74 交流伺服电机与速度控制交流伺服电机与速度控制741 交流伺服电机1 交流伺服电机的类型 永磁式交流伺服电机和感应式交流伺服电机 共同点工作原理均由定子绕组产生旋转磁场

使得转子跟随定子旋转磁场一起运转 不同点永磁式伺服电机的转速与外加交流电源的频率存在着严格的同步关系即电机的转速等于旋转磁场的同步转速而感应式伺服电机由于需要转速差才能产生电磁转矩因此电机的转速低于磁场同步转速负载越大转速差越大

2 永磁交流伺服电机结构与工作原理 电机结构由定子转子和检测元件组成其中 1 －定子 2 －转子 3 －压板 4 －定子三相绕组 5 －脉冲编码器 6 －接线盒

工作原理定子三相绕组接上电源后产生一个旋转磁场该旋转磁场以同步转速 n0 旋转

定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极相互吸引并带动转子以同步转速 n0 一起旋转

当转子轴上加有负载转矩后造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合相差一个 θ角负载转矩发生变化时 θ角也发生变化

只要不超过一定限度转子始终跟随定子的旋转磁场以同步转速 n

0 旋转

742 742 交流进给速度控制单元交流进给速度控制单元1 交流伺服电机调速原理 同步型交流伺服电机的转速 n=n0=60fp 异步型交流伺服电机的转速 n=(60fp) （ 1-

s ）

电机调速的三种方法（ 1 ）改变磁极对数 P有级调速方法通过对定

子绕组接线的切换而改变磁极对数来实现（ 2 ）改变转差率 s只适合于异步型交流电机的

调速（ 3 ）变频调速通过改变电机电源的频率 f而改

变电机的转速

2 SPWM 变频调速 （ 1 ） SPWM 调制原理 （ 2 ） SPWM 变频器的功率放大电路 （ 3 ） SPWM 变频调速系统 速度给定器给定信号控制频率电压及正反转 平稳启动回路使启动加减速时间可随机械负载设定以达到软启动的目的

函数发生器在输出低频信号时保持电机气隙磁通一定补偿定子电压降的影响

电压频率变压器将电压转换为频率经分频器环形计数器产生方波和经三角波发生器产生的三角波一起送入调制回路

电压调节器产生频率和幅度可调的控制正弦波送入调制回路送入调制回路在调制回路中进行 SPWM 变换产生三相的脉冲宽度调制信号在基极回路中输出信号至功率晶体管基极即对 SPWM 的主回路进行控制实现对永磁交流伺服电机的变频调速

电流检测器过载保护

75 75 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 与传统数控机床进给系统中的ldquo旋转伺服电机＋滚珠丝杠rdquo不同直线电机直接驱动机床工作台取消驱动电机和工作台之间的一切中间传动环节

751 直线电机 分为交流和直流两种交流直线电机又分为感

应异步式和永磁同步式 直线电机相当于把旋转电机沿过轴线的平面剖

开并将定子转子圆周展开为平面和进行一些演变形成

感应异步式直线电机演变过程感应异步式直线电机演变过程

永磁同步式直线电机演变过程永磁同步式直线电机演变过程

2 直线电机的工作原理 基本原理利用电磁作用将电能转换为动能（ 1 ）感应异步式直线电机的结构及工作原理（ 2 ）永磁同步式直线电机工作原理3 直线电机的特点 调节速度方便 加速度大响应快 定位精度和跟踪精度高 行程不受限制

752 752 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 由执行器控制器和位置检测装置组成 执行器直线电机本体 控制器由 CNC 控制器和 DDS 数值控制模块组成 位置检测装置光栅感应同步尺等

直线电机进给控制系统直线电机进给控制系统 双环系统内环为速度环外环为位置环 位置环接收来自光栅尺的位置反馈信号及插补信号

的比较信号来控制速度环的指令速度从而调节执行件的位置始终与指令位置保持一致

速度环根据位置环的指令速度快速而准确控制电机使得其不受负载转矩大小和方向的影响并快速跟踪指令速度的变化

753 753 直线电机对控制质量的影响直线电机对控制质量的影响1 路径生成问题 三个方面加加速度插补和对加工程序段的预处理2 直线电机对负载刚性的影响 三个因素速度控制环比例增益积分时间和在没有前馈控制情况下的位置控制环比例增益

3 影响定位时间的因素 四个因素最大加速度速度加加速度和位置控制

进给前馈实际增益4 影响加工路径精度的因素 三个因素路径生成最大加速度和位置控制进给前馈

实际增益

76 76 伺服系统的位置控制伺服系统的位置控制761 数字－脉冲比较伺服系统 将指令脉冲 F与反馈脉冲 Pf进行比较决定位置偏差 e再

将位置偏差 e放大后输出给速度控制单元和电机执行以减少和消除位置偏差

半闭环系统中检测元件多采用光电编码器闭环系统中检测元件多采用光栅

工作过程当指令脉冲为正而反馈脉冲为负时计数器作加法运算当指令脉冲为负而反馈脉冲为正时计数器作减法运算

计数器的计算结果 当 e＝ F－ Pfgt0 时工作台正向移动 当 e＝ F－ Pflt0 时工作台反向运动 当 e＝ F－ Pf＝ 0 时工作台静止

半闭环数值比较系统结构半闭环数值比较系统结构

762 762 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 常用检测元件是旋转变压器和感应同步器 脉冲调相器（数字相位变化器）将来自数控装置

的进给脉冲信号转换为相位变化信号

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

传动间隙补偿示意图传动间隙补偿示意图

2 螺距误差补偿 传动链中滚珠丝杠螺

距的制造误差直接影响机床工作台的位移精度

补偿方法设置若干个补偿点在每个补偿点测量并记录工作台位移误差确定补偿值并作为控制参数输送给数控装置

设备运行时工作台每经过一个补偿点CNC 系统就加入补偿量补偿螺距误差

3 细分线路 细分驱动将一个步距角细分为若干步的驱动方法

73 73 直流伺服电机与速度控制直流伺服电机与速度控制731 直流伺服电机1 直流伺服电机的类型 按电枢的结构和形状分平滑电枢型空心电枢型和有槽电枢型等

按定子磁场产生方式分永磁式和他励式 按转子转动惯量大小分大惯量中惯量和小惯量伺服电机2 直流伺服电机的结构（ 1 ）定子产生定子磁极磁场（ 2 ）转子表面嵌有线圈通直流电时在定子磁场作用下

产生带负载旋转的电磁转矩（ 3 ）电刷与换向片为使产生的电磁转矩保持恒定的方向保证转子能沿着固定方向均匀地连续旋转将电刷与外加直流电源连接换向片与电枢线圈连接

3 直流伺服电机的工作原理（ 1 ）永磁式直流电机工作原理 直流电压加在 A B两电刷之间电流从 A 流入从 B 流出导体 ab和 cd受到逆时针方向作用力转子在逆时针方向地电磁转矩作用下旋转

当电枢转过 90deg 电枢线圈处于磁极的中性面电刷与换向片断开无电磁转矩作用

在惯性作用下电枢继续转动一个角度当电刷与换向片再次接触时导体 ab和 cd交换了位置ab和 cd中的电流也发生改变从而保证电枢受到地电磁转矩方向不变因此电枢可以连续转动

（ 2 ）他励式直流电机工作原理 定子上有磁励绕住和补偿绕组转子绕组通过电刷供电

转子磁场与定子磁场始终正交产生转矩转子旋转

732 732 直流进给速度控制单元直流进给速度控制单元 直流电机地机械特性公式

公式中 n为电机转速 Ua为电枢外加电压 Ce为反电动势常数Φ为电机磁通量 Ra为电枢电阻 Cm为转矩常数M为电磁转矩

直流电机的三种调速方法 改变电枢外加电压 Ua该方法可以得到调速范围较宽的

恒转矩特性机械特性好适用于主轴驱动的低速段和进给驱动

改变磁通量Φ可得到恒功率特性适用于主轴驱动的高速段不适合于进给驱动

改变电枢电路的电阻 Ra该方法得到的机械特性较软不能实现无级调速也不适合于数控机床

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1 晶闸管直流调速系统 三相全控桥式整流电路作为直流速度控制单元的主电路 两组正负对接的晶闸管一组用于提供正向电压供电机正转 一组提供反向电压供电机反转 通过对 12 个晶闸管触发延迟角的控制达到控制电机电枢电压从而

对电机进行调速

双环调度系统 速度调节器和电流调节器均是由线性集成放大器和阻容元件构成的 PI 调节器

速度环起主导作用电流环的作用是在启动和堵转时限制最大电枢电流

2 晶体管脉宽调制（ PWM ）直流调速系统（ 1 ） PWM 系统的组成及工作原理 脉宽调制使功率放大器中的晶体管工作在开关状态下

开关频率保持恒定用调整开关周期内的晶体管导通时间的办法来改变输出从而使得电机电枢两端获得宽度随时间变化的给定频率的电压脉冲

脉宽连续变化使得电枢电压平均值连续变化进而导致电机转速连续变化

2 脉宽调制器

74 74 交流伺服电机与速度控制交流伺服电机与速度控制741 交流伺服电机1 交流伺服电机的类型 永磁式交流伺服电机和感应式交流伺服电机 共同点工作原理均由定子绕组产生旋转磁场

使得转子跟随定子旋转磁场一起运转 不同点永磁式伺服电机的转速与外加交流电源的频率存在着严格的同步关系即电机的转速等于旋转磁场的同步转速而感应式伺服电机由于需要转速差才能产生电磁转矩因此电机的转速低于磁场同步转速负载越大转速差越大

2 永磁交流伺服电机结构与工作原理 电机结构由定子转子和检测元件组成其中 1 －定子 2 －转子 3 －压板 4 －定子三相绕组 5 －脉冲编码器 6 －接线盒

工作原理定子三相绕组接上电源后产生一个旋转磁场该旋转磁场以同步转速 n0 旋转

定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极相互吸引并带动转子以同步转速 n0 一起旋转

当转子轴上加有负载转矩后造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合相差一个 θ角负载转矩发生变化时 θ角也发生变化

只要不超过一定限度转子始终跟随定子的旋转磁场以同步转速 n

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742 742 交流进给速度控制单元交流进给速度控制单元1 交流伺服电机调速原理 同步型交流伺服电机的转速 n=n0=60fp 异步型交流伺服电机的转速 n=(60fp) （ 1-

s ）

电机调速的三种方法（ 1 ）改变磁极对数 P有级调速方法通过对定

子绕组接线的切换而改变磁极对数来实现（ 2 ）改变转差率 s只适合于异步型交流电机的

调速（ 3 ）变频调速通过改变电机电源的频率 f而改

变电机的转速

2 SPWM 变频调速 （ 1 ） SPWM 调制原理 （ 2 ） SPWM 变频器的功率放大电路 （ 3 ） SPWM 变频调速系统 速度给定器给定信号控制频率电压及正反转 平稳启动回路使启动加减速时间可随机械负载设定以达到软启动的目的

函数发生器在输出低频信号时保持电机气隙磁通一定补偿定子电压降的影响

电压频率变压器将电压转换为频率经分频器环形计数器产生方波和经三角波发生器产生的三角波一起送入调制回路

电压调节器产生频率和幅度可调的控制正弦波送入调制回路送入调制回路在调制回路中进行 SPWM 变换产生三相的脉冲宽度调制信号在基极回路中输出信号至功率晶体管基极即对 SPWM 的主回路进行控制实现对永磁交流伺服电机的变频调速

电流检测器过载保护

75 75 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 与传统数控机床进给系统中的ldquo旋转伺服电机＋滚珠丝杠rdquo不同直线电机直接驱动机床工作台取消驱动电机和工作台之间的一切中间传动环节

751 直线电机 分为交流和直流两种交流直线电机又分为感

应异步式和永磁同步式 直线电机相当于把旋转电机沿过轴线的平面剖

开并将定子转子圆周展开为平面和进行一些演变形成

感应异步式直线电机演变过程感应异步式直线电机演变过程

永磁同步式直线电机演变过程永磁同步式直线电机演变过程

2 直线电机的工作原理 基本原理利用电磁作用将电能转换为动能（ 1 ）感应异步式直线电机的结构及工作原理（ 2 ）永磁同步式直线电机工作原理3 直线电机的特点 调节速度方便 加速度大响应快 定位精度和跟踪精度高 行程不受限制

752 752 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 由执行器控制器和位置检测装置组成 执行器直线电机本体 控制器由 CNC 控制器和 DDS 数值控制模块组成 位置检测装置光栅感应同步尺等

直线电机进给控制系统直线电机进给控制系统 双环系统内环为速度环外环为位置环 位置环接收来自光栅尺的位置反馈信号及插补信号

的比较信号来控制速度环的指令速度从而调节执行件的位置始终与指令位置保持一致

速度环根据位置环的指令速度快速而准确控制电机使得其不受负载转矩大小和方向的影响并快速跟踪指令速度的变化

753 753 直线电机对控制质量的影响直线电机对控制质量的影响1 路径生成问题 三个方面加加速度插补和对加工程序段的预处理2 直线电机对负载刚性的影响 三个因素速度控制环比例增益积分时间和在没有前馈控制情况下的位置控制环比例增益

3 影响定位时间的因素 四个因素最大加速度速度加加速度和位置控制

进给前馈实际增益4 影响加工路径精度的因素 三个因素路径生成最大加速度和位置控制进给前馈

实际增益

76 76 伺服系统的位置控制伺服系统的位置控制761 数字－脉冲比较伺服系统 将指令脉冲 F与反馈脉冲 Pf进行比较决定位置偏差 e再

将位置偏差 e放大后输出给速度控制单元和电机执行以减少和消除位置偏差

半闭环系统中检测元件多采用光电编码器闭环系统中检测元件多采用光栅

工作过程当指令脉冲为正而反馈脉冲为负时计数器作加法运算当指令脉冲为负而反馈脉冲为正时计数器作减法运算

计数器的计算结果 当 e＝ F－ Pfgt0 时工作台正向移动 当 e＝ F－ Pflt0 时工作台反向运动 当 e＝ F－ Pf＝ 0 时工作台静止

半闭环数值比较系统结构半闭环数值比较系统结构

762 762 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 常用检测元件是旋转变压器和感应同步器 脉冲调相器（数字相位变化器）将来自数控装置

的进给脉冲信号转换为相位变化信号

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

2 螺距误差补偿 传动链中滚珠丝杠螺

距的制造误差直接影响机床工作台的位移精度

补偿方法设置若干个补偿点在每个补偿点测量并记录工作台位移误差确定补偿值并作为控制参数输送给数控装置

设备运行时工作台每经过一个补偿点CNC 系统就加入补偿量补偿螺距误差

3 细分线路 细分驱动将一个步距角细分为若干步的驱动方法

73 73 直流伺服电机与速度控制直流伺服电机与速度控制731 直流伺服电机1 直流伺服电机的类型 按电枢的结构和形状分平滑电枢型空心电枢型和有槽电枢型等

按定子磁场产生方式分永磁式和他励式 按转子转动惯量大小分大惯量中惯量和小惯量伺服电机2 直流伺服电机的结构（ 1 ）定子产生定子磁极磁场（ 2 ）转子表面嵌有线圈通直流电时在定子磁场作用下

产生带负载旋转的电磁转矩（ 3 ）电刷与换向片为使产生的电磁转矩保持恒定的方向保证转子能沿着固定方向均匀地连续旋转将电刷与外加直流电源连接换向片与电枢线圈连接

3 直流伺服电机的工作原理（ 1 ）永磁式直流电机工作原理 直流电压加在 A B两电刷之间电流从 A 流入从 B 流出导体 ab和 cd受到逆时针方向作用力转子在逆时针方向地电磁转矩作用下旋转

当电枢转过 90deg 电枢线圈处于磁极的中性面电刷与换向片断开无电磁转矩作用

在惯性作用下电枢继续转动一个角度当电刷与换向片再次接触时导体 ab和 cd交换了位置ab和 cd中的电流也发生改变从而保证电枢受到地电磁转矩方向不变因此电枢可以连续转动

（ 2 ）他励式直流电机工作原理 定子上有磁励绕住和补偿绕组转子绕组通过电刷供电

转子磁场与定子磁场始终正交产生转矩转子旋转

732 732 直流进给速度控制单元直流进给速度控制单元 直流电机地机械特性公式

公式中 n为电机转速 Ua为电枢外加电压 Ce为反电动势常数Φ为电机磁通量 Ra为电枢电阻 Cm为转矩常数M为电磁转矩

直流电机的三种调速方法 改变电枢外加电压 Ua该方法可以得到调速范围较宽的

恒转矩特性机械特性好适用于主轴驱动的低速段和进给驱动

改变磁通量Φ可得到恒功率特性适用于主轴驱动的高速段不适合于进给驱动

改变电枢电路的电阻 Ra该方法得到的机械特性较软不能实现无级调速也不适合于数控机床

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1 晶闸管直流调速系统 三相全控桥式整流电路作为直流速度控制单元的主电路 两组正负对接的晶闸管一组用于提供正向电压供电机正转 一组提供反向电压供电机反转 通过对 12 个晶闸管触发延迟角的控制达到控制电机电枢电压从而

对电机进行调速

双环调度系统 速度调节器和电流调节器均是由线性集成放大器和阻容元件构成的 PI 调节器

速度环起主导作用电流环的作用是在启动和堵转时限制最大电枢电流

2 晶体管脉宽调制（ PWM ）直流调速系统（ 1 ） PWM 系统的组成及工作原理 脉宽调制使功率放大器中的晶体管工作在开关状态下

开关频率保持恒定用调整开关周期内的晶体管导通时间的办法来改变输出从而使得电机电枢两端获得宽度随时间变化的给定频率的电压脉冲

脉宽连续变化使得电枢电压平均值连续变化进而导致电机转速连续变化

2 脉宽调制器

74 74 交流伺服电机与速度控制交流伺服电机与速度控制741 交流伺服电机1 交流伺服电机的类型 永磁式交流伺服电机和感应式交流伺服电机 共同点工作原理均由定子绕组产生旋转磁场

使得转子跟随定子旋转磁场一起运转 不同点永磁式伺服电机的转速与外加交流电源的频率存在着严格的同步关系即电机的转速等于旋转磁场的同步转速而感应式伺服电机由于需要转速差才能产生电磁转矩因此电机的转速低于磁场同步转速负载越大转速差越大

2 永磁交流伺服电机结构与工作原理 电机结构由定子转子和检测元件组成其中 1 －定子 2 －转子 3 －压板 4 －定子三相绕组 5 －脉冲编码器 6 －接线盒

工作原理定子三相绕组接上电源后产生一个旋转磁场该旋转磁场以同步转速 n0 旋转

定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极相互吸引并带动转子以同步转速 n0 一起旋转

当转子轴上加有负载转矩后造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合相差一个 θ角负载转矩发生变化时 θ角也发生变化

只要不超过一定限度转子始终跟随定子的旋转磁场以同步转速 n

0 旋转

742 742 交流进给速度控制单元交流进给速度控制单元1 交流伺服电机调速原理 同步型交流伺服电机的转速 n=n0=60fp 异步型交流伺服电机的转速 n=(60fp) （ 1-

s ）

电机调速的三种方法（ 1 ）改变磁极对数 P有级调速方法通过对定

子绕组接线的切换而改变磁极对数来实现（ 2 ）改变转差率 s只适合于异步型交流电机的

调速（ 3 ）变频调速通过改变电机电源的频率 f而改

变电机的转速

2 SPWM 变频调速 （ 1 ） SPWM 调制原理 （ 2 ） SPWM 变频器的功率放大电路 （ 3 ） SPWM 变频调速系统 速度给定器给定信号控制频率电压及正反转 平稳启动回路使启动加减速时间可随机械负载设定以达到软启动的目的

函数发生器在输出低频信号时保持电机气隙磁通一定补偿定子电压降的影响

电压频率变压器将电压转换为频率经分频器环形计数器产生方波和经三角波发生器产生的三角波一起送入调制回路

电压调节器产生频率和幅度可调的控制正弦波送入调制回路送入调制回路在调制回路中进行 SPWM 变换产生三相的脉冲宽度调制信号在基极回路中输出信号至功率晶体管基极即对 SPWM 的主回路进行控制实现对永磁交流伺服电机的变频调速

电流检测器过载保护

75 75 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 与传统数控机床进给系统中的ldquo旋转伺服电机＋滚珠丝杠rdquo不同直线电机直接驱动机床工作台取消驱动电机和工作台之间的一切中间传动环节

751 直线电机 分为交流和直流两种交流直线电机又分为感

应异步式和永磁同步式 直线电机相当于把旋转电机沿过轴线的平面剖

开并将定子转子圆周展开为平面和进行一些演变形成

感应异步式直线电机演变过程感应异步式直线电机演变过程

永磁同步式直线电机演变过程永磁同步式直线电机演变过程

2 直线电机的工作原理 基本原理利用电磁作用将电能转换为动能（ 1 ）感应异步式直线电机的结构及工作原理（ 2 ）永磁同步式直线电机工作原理3 直线电机的特点 调节速度方便 加速度大响应快 定位精度和跟踪精度高 行程不受限制

752 752 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 由执行器控制器和位置检测装置组成 执行器直线电机本体 控制器由 CNC 控制器和 DDS 数值控制模块组成 位置检测装置光栅感应同步尺等

直线电机进给控制系统直线电机进给控制系统 双环系统内环为速度环外环为位置环 位置环接收来自光栅尺的位置反馈信号及插补信号

的比较信号来控制速度环的指令速度从而调节执行件的位置始终与指令位置保持一致

速度环根据位置环的指令速度快速而准确控制电机使得其不受负载转矩大小和方向的影响并快速跟踪指令速度的变化

753 753 直线电机对控制质量的影响直线电机对控制质量的影响1 路径生成问题 三个方面加加速度插补和对加工程序段的预处理2 直线电机对负载刚性的影响 三个因素速度控制环比例增益积分时间和在没有前馈控制情况下的位置控制环比例增益

3 影响定位时间的因素 四个因素最大加速度速度加加速度和位置控制

进给前馈实际增益4 影响加工路径精度的因素 三个因素路径生成最大加速度和位置控制进给前馈

实际增益

76 76 伺服系统的位置控制伺服系统的位置控制761 数字－脉冲比较伺服系统 将指令脉冲 F与反馈脉冲 Pf进行比较决定位置偏差 e再

将位置偏差 e放大后输出给速度控制单元和电机执行以减少和消除位置偏差

半闭环系统中检测元件多采用光电编码器闭环系统中检测元件多采用光栅

工作过程当指令脉冲为正而反馈脉冲为负时计数器作加法运算当指令脉冲为负而反馈脉冲为正时计数器作减法运算

计数器的计算结果 当 e＝ F－ Pfgt0 时工作台正向移动 当 e＝ F－ Pflt0 时工作台反向运动 当 e＝ F－ Pf＝ 0 时工作台静止

半闭环数值比较系统结构半闭环数值比较系统结构

762 762 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 常用检测元件是旋转变压器和感应同步器 脉冲调相器（数字相位变化器）将来自数控装置

的进给脉冲信号转换为相位变化信号

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

3 细分线路 细分驱动将一个步距角细分为若干步的驱动方法

73 73 直流伺服电机与速度控制直流伺服电机与速度控制731 直流伺服电机1 直流伺服电机的类型 按电枢的结构和形状分平滑电枢型空心电枢型和有槽电枢型等

按定子磁场产生方式分永磁式和他励式 按转子转动惯量大小分大惯量中惯量和小惯量伺服电机2 直流伺服电机的结构（ 1 ）定子产生定子磁极磁场（ 2 ）转子表面嵌有线圈通直流电时在定子磁场作用下

产生带负载旋转的电磁转矩（ 3 ）电刷与换向片为使产生的电磁转矩保持恒定的方向保证转子能沿着固定方向均匀地连续旋转将电刷与外加直流电源连接换向片与电枢线圈连接

3 直流伺服电机的工作原理（ 1 ）永磁式直流电机工作原理 直流电压加在 A B两电刷之间电流从 A 流入从 B 流出导体 ab和 cd受到逆时针方向作用力转子在逆时针方向地电磁转矩作用下旋转

当电枢转过 90deg 电枢线圈处于磁极的中性面电刷与换向片断开无电磁转矩作用

在惯性作用下电枢继续转动一个角度当电刷与换向片再次接触时导体 ab和 cd交换了位置ab和 cd中的电流也发生改变从而保证电枢受到地电磁转矩方向不变因此电枢可以连续转动

（ 2 ）他励式直流电机工作原理 定子上有磁励绕住和补偿绕组转子绕组通过电刷供电

转子磁场与定子磁场始终正交产生转矩转子旋转

732 732 直流进给速度控制单元直流进给速度控制单元 直流电机地机械特性公式

公式中 n为电机转速 Ua为电枢外加电压 Ce为反电动势常数Φ为电机磁通量 Ra为电枢电阻 Cm为转矩常数M为电磁转矩

直流电机的三种调速方法 改变电枢外加电压 Ua该方法可以得到调速范围较宽的

恒转矩特性机械特性好适用于主轴驱动的低速段和进给驱动

改变磁通量Φ可得到恒功率特性适用于主轴驱动的高速段不适合于进给驱动

改变电枢电路的电阻 Ra该方法得到的机械特性较软不能实现无级调速也不适合于数控机床

MCC

R

C

Un

me

a

e

a2

1 晶闸管直流调速系统 三相全控桥式整流电路作为直流速度控制单元的主电路 两组正负对接的晶闸管一组用于提供正向电压供电机正转 一组提供反向电压供电机反转 通过对 12 个晶闸管触发延迟角的控制达到控制电机电枢电压从而

对电机进行调速

双环调度系统 速度调节器和电流调节器均是由线性集成放大器和阻容元件构成的 PI 调节器

速度环起主导作用电流环的作用是在启动和堵转时限制最大电枢电流

2 晶体管脉宽调制（ PWM ）直流调速系统（ 1 ） PWM 系统的组成及工作原理 脉宽调制使功率放大器中的晶体管工作在开关状态下

开关频率保持恒定用调整开关周期内的晶体管导通时间的办法来改变输出从而使得电机电枢两端获得宽度随时间变化的给定频率的电压脉冲

脉宽连续变化使得电枢电压平均值连续变化进而导致电机转速连续变化

2 脉宽调制器

74 74 交流伺服电机与速度控制交流伺服电机与速度控制741 交流伺服电机1 交流伺服电机的类型 永磁式交流伺服电机和感应式交流伺服电机 共同点工作原理均由定子绕组产生旋转磁场

使得转子跟随定子旋转磁场一起运转 不同点永磁式伺服电机的转速与外加交流电源的频率存在着严格的同步关系即电机的转速等于旋转磁场的同步转速而感应式伺服电机由于需要转速差才能产生电磁转矩因此电机的转速低于磁场同步转速负载越大转速差越大

2 永磁交流伺服电机结构与工作原理 电机结构由定子转子和检测元件组成其中 1 －定子 2 －转子 3 －压板 4 －定子三相绕组 5 －脉冲编码器 6 －接线盒

工作原理定子三相绕组接上电源后产生一个旋转磁场该旋转磁场以同步转速 n0 旋转

定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极相互吸引并带动转子以同步转速 n0 一起旋转

当转子轴上加有负载转矩后造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合相差一个 θ角负载转矩发生变化时 θ角也发生变化

只要不超过一定限度转子始终跟随定子的旋转磁场以同步转速 n

0 旋转

742 742 交流进给速度控制单元交流进给速度控制单元1 交流伺服电机调速原理 同步型交流伺服电机的转速 n=n0=60fp 异步型交流伺服电机的转速 n=(60fp) （ 1-

s ）

电机调速的三种方法（ 1 ）改变磁极对数 P有级调速方法通过对定

子绕组接线的切换而改变磁极对数来实现（ 2 ）改变转差率 s只适合于异步型交流电机的

调速（ 3 ）变频调速通过改变电机电源的频率 f而改

变电机的转速

2 SPWM 变频调速 （ 1 ） SPWM 调制原理 （ 2 ） SPWM 变频器的功率放大电路 （ 3 ） SPWM 变频调速系统 速度给定器给定信号控制频率电压及正反转 平稳启动回路使启动加减速时间可随机械负载设定以达到软启动的目的

函数发生器在输出低频信号时保持电机气隙磁通一定补偿定子电压降的影响

电压频率变压器将电压转换为频率经分频器环形计数器产生方波和经三角波发生器产生的三角波一起送入调制回路

电压调节器产生频率和幅度可调的控制正弦波送入调制回路送入调制回路在调制回路中进行 SPWM 变换产生三相的脉冲宽度调制信号在基极回路中输出信号至功率晶体管基极即对 SPWM 的主回路进行控制实现对永磁交流伺服电机的变频调速

电流检测器过载保护

75 75 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 与传统数控机床进给系统中的ldquo旋转伺服电机＋滚珠丝杠rdquo不同直线电机直接驱动机床工作台取消驱动电机和工作台之间的一切中间传动环节

751 直线电机 分为交流和直流两种交流直线电机又分为感

应异步式和永磁同步式 直线电机相当于把旋转电机沿过轴线的平面剖

开并将定子转子圆周展开为平面和进行一些演变形成

感应异步式直线电机演变过程感应异步式直线电机演变过程

永磁同步式直线电机演变过程永磁同步式直线电机演变过程

2 直线电机的工作原理 基本原理利用电磁作用将电能转换为动能（ 1 ）感应异步式直线电机的结构及工作原理（ 2 ）永磁同步式直线电机工作原理3 直线电机的特点 调节速度方便 加速度大响应快 定位精度和跟踪精度高 行程不受限制

752 752 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 由执行器控制器和位置检测装置组成 执行器直线电机本体 控制器由 CNC 控制器和 DDS 数值控制模块组成 位置检测装置光栅感应同步尺等

直线电机进给控制系统直线电机进给控制系统 双环系统内环为速度环外环为位置环 位置环接收来自光栅尺的位置反馈信号及插补信号

的比较信号来控制速度环的指令速度从而调节执行件的位置始终与指令位置保持一致

速度环根据位置环的指令速度快速而准确控制电机使得其不受负载转矩大小和方向的影响并快速跟踪指令速度的变化

753 753 直线电机对控制质量的影响直线电机对控制质量的影响1 路径生成问题 三个方面加加速度插补和对加工程序段的预处理2 直线电机对负载刚性的影响 三个因素速度控制环比例增益积分时间和在没有前馈控制情况下的位置控制环比例增益

3 影响定位时间的因素 四个因素最大加速度速度加加速度和位置控制

进给前馈实际增益4 影响加工路径精度的因素 三个因素路径生成最大加速度和位置控制进给前馈

实际增益

76 76 伺服系统的位置控制伺服系统的位置控制761 数字－脉冲比较伺服系统 将指令脉冲 F与反馈脉冲 Pf进行比较决定位置偏差 e再

将位置偏差 e放大后输出给速度控制单元和电机执行以减少和消除位置偏差

半闭环系统中检测元件多采用光电编码器闭环系统中检测元件多采用光栅

工作过程当指令脉冲为正而反馈脉冲为负时计数器作加法运算当指令脉冲为负而反馈脉冲为正时计数器作减法运算

计数器的计算结果 当 e＝ F－ Pfgt0 时工作台正向移动 当 e＝ F－ Pflt0 时工作台反向运动 当 e＝ F－ Pf＝ 0 时工作台静止

半闭环数值比较系统结构半闭环数值比较系统结构

762 762 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 常用检测元件是旋转变压器和感应同步器 脉冲调相器（数字相位变化器）将来自数控装置

的进给脉冲信号转换为相位变化信号

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

73 73 直流伺服电机与速度控制直流伺服电机与速度控制731 直流伺服电机1 直流伺服电机的类型 按电枢的结构和形状分平滑电枢型空心电枢型和有槽电枢型等

按定子磁场产生方式分永磁式和他励式 按转子转动惯量大小分大惯量中惯量和小惯量伺服电机2 直流伺服电机的结构（ 1 ）定子产生定子磁极磁场（ 2 ）转子表面嵌有线圈通直流电时在定子磁场作用下

产生带负载旋转的电磁转矩（ 3 ）电刷与换向片为使产生的电磁转矩保持恒定的方向保证转子能沿着固定方向均匀地连续旋转将电刷与外加直流电源连接换向片与电枢线圈连接

3 直流伺服电机的工作原理（ 1 ）永磁式直流电机工作原理 直流电压加在 A B两电刷之间电流从 A 流入从 B 流出导体 ab和 cd受到逆时针方向作用力转子在逆时针方向地电磁转矩作用下旋转

当电枢转过 90deg 电枢线圈处于磁极的中性面电刷与换向片断开无电磁转矩作用

在惯性作用下电枢继续转动一个角度当电刷与换向片再次接触时导体 ab和 cd交换了位置ab和 cd中的电流也发生改变从而保证电枢受到地电磁转矩方向不变因此电枢可以连续转动

（ 2 ）他励式直流电机工作原理 定子上有磁励绕住和补偿绕组转子绕组通过电刷供电

转子磁场与定子磁场始终正交产生转矩转子旋转

732 732 直流进给速度控制单元直流进给速度控制单元 直流电机地机械特性公式

公式中 n为电机转速 Ua为电枢外加电压 Ce为反电动势常数Φ为电机磁通量 Ra为电枢电阻 Cm为转矩常数M为电磁转矩

直流电机的三种调速方法 改变电枢外加电压 Ua该方法可以得到调速范围较宽的

恒转矩特性机械特性好适用于主轴驱动的低速段和进给驱动

改变磁通量Φ可得到恒功率特性适用于主轴驱动的高速段不适合于进给驱动

改变电枢电路的电阻 Ra该方法得到的机械特性较软不能实现无级调速也不适合于数控机床

MCC

R

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1 晶闸管直流调速系统 三相全控桥式整流电路作为直流速度控制单元的主电路 两组正负对接的晶闸管一组用于提供正向电压供电机正转 一组提供反向电压供电机反转 通过对 12 个晶闸管触发延迟角的控制达到控制电机电枢电压从而

对电机进行调速

双环调度系统 速度调节器和电流调节器均是由线性集成放大器和阻容元件构成的 PI 调节器

速度环起主导作用电流环的作用是在启动和堵转时限制最大电枢电流

2 晶体管脉宽调制（ PWM ）直流调速系统（ 1 ） PWM 系统的组成及工作原理 脉宽调制使功率放大器中的晶体管工作在开关状态下

开关频率保持恒定用调整开关周期内的晶体管导通时间的办法来改变输出从而使得电机电枢两端获得宽度随时间变化的给定频率的电压脉冲

脉宽连续变化使得电枢电压平均值连续变化进而导致电机转速连续变化

2 脉宽调制器

74 74 交流伺服电机与速度控制交流伺服电机与速度控制741 交流伺服电机1 交流伺服电机的类型 永磁式交流伺服电机和感应式交流伺服电机 共同点工作原理均由定子绕组产生旋转磁场

使得转子跟随定子旋转磁场一起运转 不同点永磁式伺服电机的转速与外加交流电源的频率存在着严格的同步关系即电机的转速等于旋转磁场的同步转速而感应式伺服电机由于需要转速差才能产生电磁转矩因此电机的转速低于磁场同步转速负载越大转速差越大

2 永磁交流伺服电机结构与工作原理 电机结构由定子转子和检测元件组成其中 1 －定子 2 －转子 3 －压板 4 －定子三相绕组 5 －脉冲编码器 6 －接线盒

工作原理定子三相绕组接上电源后产生一个旋转磁场该旋转磁场以同步转速 n0 旋转

定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极相互吸引并带动转子以同步转速 n0 一起旋转

当转子轴上加有负载转矩后造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合相差一个 θ角负载转矩发生变化时 θ角也发生变化

只要不超过一定限度转子始终跟随定子的旋转磁场以同步转速 n

0 旋转

742 742 交流进给速度控制单元交流进给速度控制单元1 交流伺服电机调速原理 同步型交流伺服电机的转速 n=n0=60fp 异步型交流伺服电机的转速 n=(60fp) （ 1-

s ）

电机调速的三种方法（ 1 ）改变磁极对数 P有级调速方法通过对定

子绕组接线的切换而改变磁极对数来实现（ 2 ）改变转差率 s只适合于异步型交流电机的

调速（ 3 ）变频调速通过改变电机电源的频率 f而改

变电机的转速

2 SPWM 变频调速 （ 1 ） SPWM 调制原理 （ 2 ） SPWM 变频器的功率放大电路 （ 3 ） SPWM 变频调速系统 速度给定器给定信号控制频率电压及正反转 平稳启动回路使启动加减速时间可随机械负载设定以达到软启动的目的

函数发生器在输出低频信号时保持电机气隙磁通一定补偿定子电压降的影响

电压频率变压器将电压转换为频率经分频器环形计数器产生方波和经三角波发生器产生的三角波一起送入调制回路

电压调节器产生频率和幅度可调的控制正弦波送入调制回路送入调制回路在调制回路中进行 SPWM 变换产生三相的脉冲宽度调制信号在基极回路中输出信号至功率晶体管基极即对 SPWM 的主回路进行控制实现对永磁交流伺服电机的变频调速

电流检测器过载保护

75 75 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 与传统数控机床进给系统中的ldquo旋转伺服电机＋滚珠丝杠rdquo不同直线电机直接驱动机床工作台取消驱动电机和工作台之间的一切中间传动环节

751 直线电机 分为交流和直流两种交流直线电机又分为感

应异步式和永磁同步式 直线电机相当于把旋转电机沿过轴线的平面剖

开并将定子转子圆周展开为平面和进行一些演变形成

感应异步式直线电机演变过程感应异步式直线电机演变过程

永磁同步式直线电机演变过程永磁同步式直线电机演变过程

2 直线电机的工作原理 基本原理利用电磁作用将电能转换为动能（ 1 ）感应异步式直线电机的结构及工作原理（ 2 ）永磁同步式直线电机工作原理3 直线电机的特点 调节速度方便 加速度大响应快 定位精度和跟踪精度高 行程不受限制

752 752 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 由执行器控制器和位置检测装置组成 执行器直线电机本体 控制器由 CNC 控制器和 DDS 数值控制模块组成 位置检测装置光栅感应同步尺等

直线电机进给控制系统直线电机进给控制系统 双环系统内环为速度环外环为位置环 位置环接收来自光栅尺的位置反馈信号及插补信号

的比较信号来控制速度环的指令速度从而调节执行件的位置始终与指令位置保持一致

速度环根据位置环的指令速度快速而准确控制电机使得其不受负载转矩大小和方向的影响并快速跟踪指令速度的变化

753 753 直线电机对控制质量的影响直线电机对控制质量的影响1 路径生成问题 三个方面加加速度插补和对加工程序段的预处理2 直线电机对负载刚性的影响 三个因素速度控制环比例增益积分时间和在没有前馈控制情况下的位置控制环比例增益

3 影响定位时间的因素 四个因素最大加速度速度加加速度和位置控制

进给前馈实际增益4 影响加工路径精度的因素 三个因素路径生成最大加速度和位置控制进给前馈

实际增益

76 76 伺服系统的位置控制伺服系统的位置控制761 数字－脉冲比较伺服系统 将指令脉冲 F与反馈脉冲 Pf进行比较决定位置偏差 e再

将位置偏差 e放大后输出给速度控制单元和电机执行以减少和消除位置偏差

半闭环系统中检测元件多采用光电编码器闭环系统中检测元件多采用光栅

工作过程当指令脉冲为正而反馈脉冲为负时计数器作加法运算当指令脉冲为负而反馈脉冲为正时计数器作减法运算

计数器的计算结果 当 e＝ F－ Pfgt0 时工作台正向移动 当 e＝ F－ Pflt0 时工作台反向运动 当 e＝ F－ Pf＝ 0 时工作台静止

半闭环数值比较系统结构半闭环数值比较系统结构

762 762 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 常用检测元件是旋转变压器和感应同步器 脉冲调相器（数字相位变化器）将来自数控装置

的进给脉冲信号转换为相位变化信号

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

3 直流伺服电机的工作原理（ 1 ）永磁式直流电机工作原理 直流电压加在 A B两电刷之间电流从 A 流入从 B 流出导体 ab和 cd受到逆时针方向作用力转子在逆时针方向地电磁转矩作用下旋转

当电枢转过 90deg 电枢线圈处于磁极的中性面电刷与换向片断开无电磁转矩作用

在惯性作用下电枢继续转动一个角度当电刷与换向片再次接触时导体 ab和 cd交换了位置ab和 cd中的电流也发生改变从而保证电枢受到地电磁转矩方向不变因此电枢可以连续转动

（ 2 ）他励式直流电机工作原理 定子上有磁励绕住和补偿绕组转子绕组通过电刷供电

转子磁场与定子磁场始终正交产生转矩转子旋转

732 732 直流进给速度控制单元直流进给速度控制单元 直流电机地机械特性公式

公式中 n为电机转速 Ua为电枢外加电压 Ce为反电动势常数Φ为电机磁通量 Ra为电枢电阻 Cm为转矩常数M为电磁转矩

直流电机的三种调速方法 改变电枢外加电压 Ua该方法可以得到调速范围较宽的

恒转矩特性机械特性好适用于主轴驱动的低速段和进给驱动

改变磁通量Φ可得到恒功率特性适用于主轴驱动的高速段不适合于进给驱动

改变电枢电路的电阻 Ra该方法得到的机械特性较软不能实现无级调速也不适合于数控机床

MCC

R

C

Un

me

a

e

a2

1 晶闸管直流调速系统 三相全控桥式整流电路作为直流速度控制单元的主电路 两组正负对接的晶闸管一组用于提供正向电压供电机正转 一组提供反向电压供电机反转 通过对 12 个晶闸管触发延迟角的控制达到控制电机电枢电压从而

对电机进行调速

双环调度系统 速度调节器和电流调节器均是由线性集成放大器和阻容元件构成的 PI 调节器

速度环起主导作用电流环的作用是在启动和堵转时限制最大电枢电流

2 晶体管脉宽调制（ PWM ）直流调速系统（ 1 ） PWM 系统的组成及工作原理 脉宽调制使功率放大器中的晶体管工作在开关状态下

开关频率保持恒定用调整开关周期内的晶体管导通时间的办法来改变输出从而使得电机电枢两端获得宽度随时间变化的给定频率的电压脉冲

脉宽连续变化使得电枢电压平均值连续变化进而导致电机转速连续变化

2 脉宽调制器

74 74 交流伺服电机与速度控制交流伺服电机与速度控制741 交流伺服电机1 交流伺服电机的类型 永磁式交流伺服电机和感应式交流伺服电机 共同点工作原理均由定子绕组产生旋转磁场

使得转子跟随定子旋转磁场一起运转 不同点永磁式伺服电机的转速与外加交流电源的频率存在着严格的同步关系即电机的转速等于旋转磁场的同步转速而感应式伺服电机由于需要转速差才能产生电磁转矩因此电机的转速低于磁场同步转速负载越大转速差越大

2 永磁交流伺服电机结构与工作原理 电机结构由定子转子和检测元件组成其中 1 －定子 2 －转子 3 －压板 4 －定子三相绕组 5 －脉冲编码器 6 －接线盒

工作原理定子三相绕组接上电源后产生一个旋转磁场该旋转磁场以同步转速 n0 旋转

定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极相互吸引并带动转子以同步转速 n0 一起旋转

当转子轴上加有负载转矩后造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合相差一个 θ角负载转矩发生变化时 θ角也发生变化

只要不超过一定限度转子始终跟随定子的旋转磁场以同步转速 n

0 旋转

742 742 交流进给速度控制单元交流进给速度控制单元1 交流伺服电机调速原理 同步型交流伺服电机的转速 n=n0=60fp 异步型交流伺服电机的转速 n=(60fp) （ 1-

s ）

电机调速的三种方法（ 1 ）改变磁极对数 P有级调速方法通过对定

子绕组接线的切换而改变磁极对数来实现（ 2 ）改变转差率 s只适合于异步型交流电机的

调速（ 3 ）变频调速通过改变电机电源的频率 f而改

变电机的转速

2 SPWM 变频调速 （ 1 ） SPWM 调制原理 （ 2 ） SPWM 变频器的功率放大电路 （ 3 ） SPWM 变频调速系统 速度给定器给定信号控制频率电压及正反转 平稳启动回路使启动加减速时间可随机械负载设定以达到软启动的目的

函数发生器在输出低频信号时保持电机气隙磁通一定补偿定子电压降的影响

电压频率变压器将电压转换为频率经分频器环形计数器产生方波和经三角波发生器产生的三角波一起送入调制回路

电压调节器产生频率和幅度可调的控制正弦波送入调制回路送入调制回路在调制回路中进行 SPWM 变换产生三相的脉冲宽度调制信号在基极回路中输出信号至功率晶体管基极即对 SPWM 的主回路进行控制实现对永磁交流伺服电机的变频调速

电流检测器过载保护

75 75 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 与传统数控机床进给系统中的ldquo旋转伺服电机＋滚珠丝杠rdquo不同直线电机直接驱动机床工作台取消驱动电机和工作台之间的一切中间传动环节

751 直线电机 分为交流和直流两种交流直线电机又分为感

应异步式和永磁同步式 直线电机相当于把旋转电机沿过轴线的平面剖

开并将定子转子圆周展开为平面和进行一些演变形成

感应异步式直线电机演变过程感应异步式直线电机演变过程

永磁同步式直线电机演变过程永磁同步式直线电机演变过程

2 直线电机的工作原理 基本原理利用电磁作用将电能转换为动能（ 1 ）感应异步式直线电机的结构及工作原理（ 2 ）永磁同步式直线电机工作原理3 直线电机的特点 调节速度方便 加速度大响应快 定位精度和跟踪精度高 行程不受限制

752 752 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 由执行器控制器和位置检测装置组成 执行器直线电机本体 控制器由 CNC 控制器和 DDS 数值控制模块组成 位置检测装置光栅感应同步尺等

直线电机进给控制系统直线电机进给控制系统 双环系统内环为速度环外环为位置环 位置环接收来自光栅尺的位置反馈信号及插补信号

的比较信号来控制速度环的指令速度从而调节执行件的位置始终与指令位置保持一致

速度环根据位置环的指令速度快速而准确控制电机使得其不受负载转矩大小和方向的影响并快速跟踪指令速度的变化

753 753 直线电机对控制质量的影响直线电机对控制质量的影响1 路径生成问题 三个方面加加速度插补和对加工程序段的预处理2 直线电机对负载刚性的影响 三个因素速度控制环比例增益积分时间和在没有前馈控制情况下的位置控制环比例增益

3 影响定位时间的因素 四个因素最大加速度速度加加速度和位置控制

进给前馈实际增益4 影响加工路径精度的因素 三个因素路径生成最大加速度和位置控制进给前馈

实际增益

76 76 伺服系统的位置控制伺服系统的位置控制761 数字－脉冲比较伺服系统 将指令脉冲 F与反馈脉冲 Pf进行比较决定位置偏差 e再

将位置偏差 e放大后输出给速度控制单元和电机执行以减少和消除位置偏差

半闭环系统中检测元件多采用光电编码器闭环系统中检测元件多采用光栅

工作过程当指令脉冲为正而反馈脉冲为负时计数器作加法运算当指令脉冲为负而反馈脉冲为正时计数器作减法运算

计数器的计算结果 当 e＝ F－ Pfgt0 时工作台正向移动 当 e＝ F－ Pflt0 时工作台反向运动 当 e＝ F－ Pf＝ 0 时工作台静止

半闭环数值比较系统结构半闭环数值比较系统结构

762 762 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 常用检测元件是旋转变压器和感应同步器 脉冲调相器（数字相位变化器）将来自数控装置

的进给脉冲信号转换为相位变化信号

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

（ 2 ）他励式直流电机工作原理 定子上有磁励绕住和补偿绕组转子绕组通过电刷供电

转子磁场与定子磁场始终正交产生转矩转子旋转

732 732 直流进给速度控制单元直流进给速度控制单元 直流电机地机械特性公式

公式中 n为电机转速 Ua为电枢外加电压 Ce为反电动势常数Φ为电机磁通量 Ra为电枢电阻 Cm为转矩常数M为电磁转矩

直流电机的三种调速方法 改变电枢外加电压 Ua该方法可以得到调速范围较宽的

恒转矩特性机械特性好适用于主轴驱动的低速段和进给驱动

改变磁通量Φ可得到恒功率特性适用于主轴驱动的高速段不适合于进给驱动

改变电枢电路的电阻 Ra该方法得到的机械特性较软不能实现无级调速也不适合于数控机床

MCC

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1 晶闸管直流调速系统 三相全控桥式整流电路作为直流速度控制单元的主电路 两组正负对接的晶闸管一组用于提供正向电压供电机正转 一组提供反向电压供电机反转 通过对 12 个晶闸管触发延迟角的控制达到控制电机电枢电压从而

对电机进行调速

双环调度系统 速度调节器和电流调节器均是由线性集成放大器和阻容元件构成的 PI 调节器

速度环起主导作用电流环的作用是在启动和堵转时限制最大电枢电流

2 晶体管脉宽调制（ PWM ）直流调速系统（ 1 ） PWM 系统的组成及工作原理 脉宽调制使功率放大器中的晶体管工作在开关状态下

开关频率保持恒定用调整开关周期内的晶体管导通时间的办法来改变输出从而使得电机电枢两端获得宽度随时间变化的给定频率的电压脉冲

脉宽连续变化使得电枢电压平均值连续变化进而导致电机转速连续变化

2 脉宽调制器

74 74 交流伺服电机与速度控制交流伺服电机与速度控制741 交流伺服电机1 交流伺服电机的类型 永磁式交流伺服电机和感应式交流伺服电机 共同点工作原理均由定子绕组产生旋转磁场

使得转子跟随定子旋转磁场一起运转 不同点永磁式伺服电机的转速与外加交流电源的频率存在着严格的同步关系即电机的转速等于旋转磁场的同步转速而感应式伺服电机由于需要转速差才能产生电磁转矩因此电机的转速低于磁场同步转速负载越大转速差越大

2 永磁交流伺服电机结构与工作原理 电机结构由定子转子和检测元件组成其中 1 －定子 2 －转子 3 －压板 4 －定子三相绕组 5 －脉冲编码器 6 －接线盒

工作原理定子三相绕组接上电源后产生一个旋转磁场该旋转磁场以同步转速 n0 旋转

定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极相互吸引并带动转子以同步转速 n0 一起旋转

当转子轴上加有负载转矩后造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合相差一个 θ角负载转矩发生变化时 θ角也发生变化

只要不超过一定限度转子始终跟随定子的旋转磁场以同步转速 n

0 旋转

742 742 交流进给速度控制单元交流进给速度控制单元1 交流伺服电机调速原理 同步型交流伺服电机的转速 n=n0=60fp 异步型交流伺服电机的转速 n=(60fp) （ 1-

s ）

电机调速的三种方法（ 1 ）改变磁极对数 P有级调速方法通过对定

子绕组接线的切换而改变磁极对数来实现（ 2 ）改变转差率 s只适合于异步型交流电机的

调速（ 3 ）变频调速通过改变电机电源的频率 f而改

变电机的转速

2 SPWM 变频调速 （ 1 ） SPWM 调制原理 （ 2 ） SPWM 变频器的功率放大电路 （ 3 ） SPWM 变频调速系统 速度给定器给定信号控制频率电压及正反转 平稳启动回路使启动加减速时间可随机械负载设定以达到软启动的目的

函数发生器在输出低频信号时保持电机气隙磁通一定补偿定子电压降的影响

电压频率变压器将电压转换为频率经分频器环形计数器产生方波和经三角波发生器产生的三角波一起送入调制回路

电压调节器产生频率和幅度可调的控制正弦波送入调制回路送入调制回路在调制回路中进行 SPWM 变换产生三相的脉冲宽度调制信号在基极回路中输出信号至功率晶体管基极即对 SPWM 的主回路进行控制实现对永磁交流伺服电机的变频调速

电流检测器过载保护

75 75 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 与传统数控机床进给系统中的ldquo旋转伺服电机＋滚珠丝杠rdquo不同直线电机直接驱动机床工作台取消驱动电机和工作台之间的一切中间传动环节

751 直线电机 分为交流和直流两种交流直线电机又分为感

应异步式和永磁同步式 直线电机相当于把旋转电机沿过轴线的平面剖

开并将定子转子圆周展开为平面和进行一些演变形成

感应异步式直线电机演变过程感应异步式直线电机演变过程

永磁同步式直线电机演变过程永磁同步式直线电机演变过程

2 直线电机的工作原理 基本原理利用电磁作用将电能转换为动能（ 1 ）感应异步式直线电机的结构及工作原理（ 2 ）永磁同步式直线电机工作原理3 直线电机的特点 调节速度方便 加速度大响应快 定位精度和跟踪精度高 行程不受限制

752 752 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 由执行器控制器和位置检测装置组成 执行器直线电机本体 控制器由 CNC 控制器和 DDS 数值控制模块组成 位置检测装置光栅感应同步尺等

直线电机进给控制系统直线电机进给控制系统 双环系统内环为速度环外环为位置环 位置环接收来自光栅尺的位置反馈信号及插补信号

的比较信号来控制速度环的指令速度从而调节执行件的位置始终与指令位置保持一致

速度环根据位置环的指令速度快速而准确控制电机使得其不受负载转矩大小和方向的影响并快速跟踪指令速度的变化

753 753 直线电机对控制质量的影响直线电机对控制质量的影响1 路径生成问题 三个方面加加速度插补和对加工程序段的预处理2 直线电机对负载刚性的影响 三个因素速度控制环比例增益积分时间和在没有前馈控制情况下的位置控制环比例增益

3 影响定位时间的因素 四个因素最大加速度速度加加速度和位置控制

进给前馈实际增益4 影响加工路径精度的因素 三个因素路径生成最大加速度和位置控制进给前馈

实际增益

76 76 伺服系统的位置控制伺服系统的位置控制761 数字－脉冲比较伺服系统 将指令脉冲 F与反馈脉冲 Pf进行比较决定位置偏差 e再

将位置偏差 e放大后输出给速度控制单元和电机执行以减少和消除位置偏差

半闭环系统中检测元件多采用光电编码器闭环系统中检测元件多采用光栅

工作过程当指令脉冲为正而反馈脉冲为负时计数器作加法运算当指令脉冲为负而反馈脉冲为正时计数器作减法运算

计数器的计算结果 当 e＝ F－ Pfgt0 时工作台正向移动 当 e＝ F－ Pflt0 时工作台反向运动 当 e＝ F－ Pf＝ 0 时工作台静止

半闭环数值比较系统结构半闭环数值比较系统结构

762 762 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 常用检测元件是旋转变压器和感应同步器 脉冲调相器（数字相位变化器）将来自数控装置

的进给脉冲信号转换为相位变化信号

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

732 732 直流进给速度控制单元直流进给速度控制单元 直流电机地机械特性公式

公式中 n为电机转速 Ua为电枢外加电压 Ce为反电动势常数Φ为电机磁通量 Ra为电枢电阻 Cm为转矩常数M为电磁转矩

直流电机的三种调速方法 改变电枢外加电压 Ua该方法可以得到调速范围较宽的

恒转矩特性机械特性好适用于主轴驱动的低速段和进给驱动

改变磁通量Φ可得到恒功率特性适用于主轴驱动的高速段不适合于进给驱动

改变电枢电路的电阻 Ra该方法得到的机械特性较软不能实现无级调速也不适合于数控机床

MCC

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1 晶闸管直流调速系统 三相全控桥式整流电路作为直流速度控制单元的主电路 两组正负对接的晶闸管一组用于提供正向电压供电机正转 一组提供反向电压供电机反转 通过对 12 个晶闸管触发延迟角的控制达到控制电机电枢电压从而

对电机进行调速

双环调度系统 速度调节器和电流调节器均是由线性集成放大器和阻容元件构成的 PI 调节器

速度环起主导作用电流环的作用是在启动和堵转时限制最大电枢电流

2 晶体管脉宽调制（ PWM ）直流调速系统（ 1 ） PWM 系统的组成及工作原理 脉宽调制使功率放大器中的晶体管工作在开关状态下

开关频率保持恒定用调整开关周期内的晶体管导通时间的办法来改变输出从而使得电机电枢两端获得宽度随时间变化的给定频率的电压脉冲

脉宽连续变化使得电枢电压平均值连续变化进而导致电机转速连续变化

2 脉宽调制器

74 74 交流伺服电机与速度控制交流伺服电机与速度控制741 交流伺服电机1 交流伺服电机的类型 永磁式交流伺服电机和感应式交流伺服电机 共同点工作原理均由定子绕组产生旋转磁场

使得转子跟随定子旋转磁场一起运转 不同点永磁式伺服电机的转速与外加交流电源的频率存在着严格的同步关系即电机的转速等于旋转磁场的同步转速而感应式伺服电机由于需要转速差才能产生电磁转矩因此电机的转速低于磁场同步转速负载越大转速差越大

2 永磁交流伺服电机结构与工作原理 电机结构由定子转子和检测元件组成其中 1 －定子 2 －转子 3 －压板 4 －定子三相绕组 5 －脉冲编码器 6 －接线盒

工作原理定子三相绕组接上电源后产生一个旋转磁场该旋转磁场以同步转速 n0 旋转

定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极相互吸引并带动转子以同步转速 n0 一起旋转

当转子轴上加有负载转矩后造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合相差一个 θ角负载转矩发生变化时 θ角也发生变化

只要不超过一定限度转子始终跟随定子的旋转磁场以同步转速 n

0 旋转

742 742 交流进给速度控制单元交流进给速度控制单元1 交流伺服电机调速原理 同步型交流伺服电机的转速 n=n0=60fp 异步型交流伺服电机的转速 n=(60fp) （ 1-

s ）

电机调速的三种方法（ 1 ）改变磁极对数 P有级调速方法通过对定

子绕组接线的切换而改变磁极对数来实现（ 2 ）改变转差率 s只适合于异步型交流电机的

调速（ 3 ）变频调速通过改变电机电源的频率 f而改

变电机的转速

2 SPWM 变频调速 （ 1 ） SPWM 调制原理 （ 2 ） SPWM 变频器的功率放大电路 （ 3 ） SPWM 变频调速系统 速度给定器给定信号控制频率电压及正反转 平稳启动回路使启动加减速时间可随机械负载设定以达到软启动的目的

函数发生器在输出低频信号时保持电机气隙磁通一定补偿定子电压降的影响

电压频率变压器将电压转换为频率经分频器环形计数器产生方波和经三角波发生器产生的三角波一起送入调制回路

电压调节器产生频率和幅度可调的控制正弦波送入调制回路送入调制回路在调制回路中进行 SPWM 变换产生三相的脉冲宽度调制信号在基极回路中输出信号至功率晶体管基极即对 SPWM 的主回路进行控制实现对永磁交流伺服电机的变频调速

电流检测器过载保护

75 75 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 与传统数控机床进给系统中的ldquo旋转伺服电机＋滚珠丝杠rdquo不同直线电机直接驱动机床工作台取消驱动电机和工作台之间的一切中间传动环节

751 直线电机 分为交流和直流两种交流直线电机又分为感

应异步式和永磁同步式 直线电机相当于把旋转电机沿过轴线的平面剖

开并将定子转子圆周展开为平面和进行一些演变形成

感应异步式直线电机演变过程感应异步式直线电机演变过程

永磁同步式直线电机演变过程永磁同步式直线电机演变过程

2 直线电机的工作原理 基本原理利用电磁作用将电能转换为动能（ 1 ）感应异步式直线电机的结构及工作原理（ 2 ）永磁同步式直线电机工作原理3 直线电机的特点 调节速度方便 加速度大响应快 定位精度和跟踪精度高 行程不受限制

752 752 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 由执行器控制器和位置检测装置组成 执行器直线电机本体 控制器由 CNC 控制器和 DDS 数值控制模块组成 位置检测装置光栅感应同步尺等

直线电机进给控制系统直线电机进给控制系统 双环系统内环为速度环外环为位置环 位置环接收来自光栅尺的位置反馈信号及插补信号

的比较信号来控制速度环的指令速度从而调节执行件的位置始终与指令位置保持一致

速度环根据位置环的指令速度快速而准确控制电机使得其不受负载转矩大小和方向的影响并快速跟踪指令速度的变化

753 753 直线电机对控制质量的影响直线电机对控制质量的影响1 路径生成问题 三个方面加加速度插补和对加工程序段的预处理2 直线电机对负载刚性的影响 三个因素速度控制环比例增益积分时间和在没有前馈控制情况下的位置控制环比例增益

3 影响定位时间的因素 四个因素最大加速度速度加加速度和位置控制

进给前馈实际增益4 影响加工路径精度的因素 三个因素路径生成最大加速度和位置控制进给前馈

实际增益

76 76 伺服系统的位置控制伺服系统的位置控制761 数字－脉冲比较伺服系统 将指令脉冲 F与反馈脉冲 Pf进行比较决定位置偏差 e再

将位置偏差 e放大后输出给速度控制单元和电机执行以减少和消除位置偏差

半闭环系统中检测元件多采用光电编码器闭环系统中检测元件多采用光栅

工作过程当指令脉冲为正而反馈脉冲为负时计数器作加法运算当指令脉冲为负而反馈脉冲为正时计数器作减法运算

计数器的计算结果 当 e＝ F－ Pfgt0 时工作台正向移动 当 e＝ F－ Pflt0 时工作台反向运动 当 e＝ F－ Pf＝ 0 时工作台静止

半闭环数值比较系统结构半闭环数值比较系统结构

762 762 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 常用检测元件是旋转变压器和感应同步器 脉冲调相器（数字相位变化器）将来自数控装置

的进给脉冲信号转换为相位变化信号

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

1 晶闸管直流调速系统 三相全控桥式整流电路作为直流速度控制单元的主电路 两组正负对接的晶闸管一组用于提供正向电压供电机正转 一组提供反向电压供电机反转 通过对 12 个晶闸管触发延迟角的控制达到控制电机电枢电压从而

对电机进行调速

双环调度系统 速度调节器和电流调节器均是由线性集成放大器和阻容元件构成的 PI 调节器

速度环起主导作用电流环的作用是在启动和堵转时限制最大电枢电流

2 晶体管脉宽调制（ PWM ）直流调速系统（ 1 ） PWM 系统的组成及工作原理 脉宽调制使功率放大器中的晶体管工作在开关状态下

开关频率保持恒定用调整开关周期内的晶体管导通时间的办法来改变输出从而使得电机电枢两端获得宽度随时间变化的给定频率的电压脉冲

脉宽连续变化使得电枢电压平均值连续变化进而导致电机转速连续变化

2 脉宽调制器

74 74 交流伺服电机与速度控制交流伺服电机与速度控制741 交流伺服电机1 交流伺服电机的类型 永磁式交流伺服电机和感应式交流伺服电机 共同点工作原理均由定子绕组产生旋转磁场

使得转子跟随定子旋转磁场一起运转 不同点永磁式伺服电机的转速与外加交流电源的频率存在着严格的同步关系即电机的转速等于旋转磁场的同步转速而感应式伺服电机由于需要转速差才能产生电磁转矩因此电机的转速低于磁场同步转速负载越大转速差越大

2 永磁交流伺服电机结构与工作原理 电机结构由定子转子和检测元件组成其中 1 －定子 2 －转子 3 －压板 4 －定子三相绕组 5 －脉冲编码器 6 －接线盒

工作原理定子三相绕组接上电源后产生一个旋转磁场该旋转磁场以同步转速 n0 旋转

定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极相互吸引并带动转子以同步转速 n0 一起旋转

当转子轴上加有负载转矩后造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合相差一个 θ角负载转矩发生变化时 θ角也发生变化

只要不超过一定限度转子始终跟随定子的旋转磁场以同步转速 n

0 旋转

742 742 交流进给速度控制单元交流进给速度控制单元1 交流伺服电机调速原理 同步型交流伺服电机的转速 n=n0=60fp 异步型交流伺服电机的转速 n=(60fp) （ 1-

s ）

电机调速的三种方法（ 1 ）改变磁极对数 P有级调速方法通过对定

子绕组接线的切换而改变磁极对数来实现（ 2 ）改变转差率 s只适合于异步型交流电机的

调速（ 3 ）变频调速通过改变电机电源的频率 f而改

变电机的转速

2 SPWM 变频调速 （ 1 ） SPWM 调制原理 （ 2 ） SPWM 变频器的功率放大电路 （ 3 ） SPWM 变频调速系统 速度给定器给定信号控制频率电压及正反转 平稳启动回路使启动加减速时间可随机械负载设定以达到软启动的目的

函数发生器在输出低频信号时保持电机气隙磁通一定补偿定子电压降的影响

电压频率变压器将电压转换为频率经分频器环形计数器产生方波和经三角波发生器产生的三角波一起送入调制回路

电压调节器产生频率和幅度可调的控制正弦波送入调制回路送入调制回路在调制回路中进行 SPWM 变换产生三相的脉冲宽度调制信号在基极回路中输出信号至功率晶体管基极即对 SPWM 的主回路进行控制实现对永磁交流伺服电机的变频调速

电流检测器过载保护

75 75 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 与传统数控机床进给系统中的ldquo旋转伺服电机＋滚珠丝杠rdquo不同直线电机直接驱动机床工作台取消驱动电机和工作台之间的一切中间传动环节

751 直线电机 分为交流和直流两种交流直线电机又分为感

应异步式和永磁同步式 直线电机相当于把旋转电机沿过轴线的平面剖

开并将定子转子圆周展开为平面和进行一些演变形成

感应异步式直线电机演变过程感应异步式直线电机演变过程

永磁同步式直线电机演变过程永磁同步式直线电机演变过程

2 直线电机的工作原理 基本原理利用电磁作用将电能转换为动能（ 1 ）感应异步式直线电机的结构及工作原理（ 2 ）永磁同步式直线电机工作原理3 直线电机的特点 调节速度方便 加速度大响应快 定位精度和跟踪精度高 行程不受限制

752 752 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 由执行器控制器和位置检测装置组成 执行器直线电机本体 控制器由 CNC 控制器和 DDS 数值控制模块组成 位置检测装置光栅感应同步尺等

直线电机进给控制系统直线电机进给控制系统 双环系统内环为速度环外环为位置环 位置环接收来自光栅尺的位置反馈信号及插补信号

的比较信号来控制速度环的指令速度从而调节执行件的位置始终与指令位置保持一致

速度环根据位置环的指令速度快速而准确控制电机使得其不受负载转矩大小和方向的影响并快速跟踪指令速度的变化

753 753 直线电机对控制质量的影响直线电机对控制质量的影响1 路径生成问题 三个方面加加速度插补和对加工程序段的预处理2 直线电机对负载刚性的影响 三个因素速度控制环比例增益积分时间和在没有前馈控制情况下的位置控制环比例增益

3 影响定位时间的因素 四个因素最大加速度速度加加速度和位置控制

进给前馈实际增益4 影响加工路径精度的因素 三个因素路径生成最大加速度和位置控制进给前馈

实际增益

76 76 伺服系统的位置控制伺服系统的位置控制761 数字－脉冲比较伺服系统 将指令脉冲 F与反馈脉冲 Pf进行比较决定位置偏差 e再

将位置偏差 e放大后输出给速度控制单元和电机执行以减少和消除位置偏差

半闭环系统中检测元件多采用光电编码器闭环系统中检测元件多采用光栅

工作过程当指令脉冲为正而反馈脉冲为负时计数器作加法运算当指令脉冲为负而反馈脉冲为正时计数器作减法运算

计数器的计算结果 当 e＝ F－ Pfgt0 时工作台正向移动 当 e＝ F－ Pflt0 时工作台反向运动 当 e＝ F－ Pf＝ 0 时工作台静止

半闭环数值比较系统结构半闭环数值比较系统结构

762 762 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 常用检测元件是旋转变压器和感应同步器 脉冲调相器（数字相位变化器）将来自数控装置

的进给脉冲信号转换为相位变化信号

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

双环调度系统 速度调节器和电流调节器均是由线性集成放大器和阻容元件构成的 PI 调节器

速度环起主导作用电流环的作用是在启动和堵转时限制最大电枢电流

2 晶体管脉宽调制（ PWM ）直流调速系统（ 1 ） PWM 系统的组成及工作原理 脉宽调制使功率放大器中的晶体管工作在开关状态下

开关频率保持恒定用调整开关周期内的晶体管导通时间的办法来改变输出从而使得电机电枢两端获得宽度随时间变化的给定频率的电压脉冲

脉宽连续变化使得电枢电压平均值连续变化进而导致电机转速连续变化

2 脉宽调制器

74 74 交流伺服电机与速度控制交流伺服电机与速度控制741 交流伺服电机1 交流伺服电机的类型 永磁式交流伺服电机和感应式交流伺服电机 共同点工作原理均由定子绕组产生旋转磁场

使得转子跟随定子旋转磁场一起运转 不同点永磁式伺服电机的转速与外加交流电源的频率存在着严格的同步关系即电机的转速等于旋转磁场的同步转速而感应式伺服电机由于需要转速差才能产生电磁转矩因此电机的转速低于磁场同步转速负载越大转速差越大

2 永磁交流伺服电机结构与工作原理 电机结构由定子转子和检测元件组成其中 1 －定子 2 －转子 3 －压板 4 －定子三相绕组 5 －脉冲编码器 6 －接线盒

工作原理定子三相绕组接上电源后产生一个旋转磁场该旋转磁场以同步转速 n0 旋转

定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极相互吸引并带动转子以同步转速 n0 一起旋转

当转子轴上加有负载转矩后造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合相差一个 θ角负载转矩发生变化时 θ角也发生变化

只要不超过一定限度转子始终跟随定子的旋转磁场以同步转速 n

0 旋转

742 742 交流进给速度控制单元交流进给速度控制单元1 交流伺服电机调速原理 同步型交流伺服电机的转速 n=n0=60fp 异步型交流伺服电机的转速 n=(60fp) （ 1-

s ）

电机调速的三种方法（ 1 ）改变磁极对数 P有级调速方法通过对定

子绕组接线的切换而改变磁极对数来实现（ 2 ）改变转差率 s只适合于异步型交流电机的

调速（ 3 ）变频调速通过改变电机电源的频率 f而改

变电机的转速

2 SPWM 变频调速 （ 1 ） SPWM 调制原理 （ 2 ） SPWM 变频器的功率放大电路 （ 3 ） SPWM 变频调速系统 速度给定器给定信号控制频率电压及正反转 平稳启动回路使启动加减速时间可随机械负载设定以达到软启动的目的

函数发生器在输出低频信号时保持电机气隙磁通一定补偿定子电压降的影响

电压频率变压器将电压转换为频率经分频器环形计数器产生方波和经三角波发生器产生的三角波一起送入调制回路

电压调节器产生频率和幅度可调的控制正弦波送入调制回路送入调制回路在调制回路中进行 SPWM 变换产生三相的脉冲宽度调制信号在基极回路中输出信号至功率晶体管基极即对 SPWM 的主回路进行控制实现对永磁交流伺服电机的变频调速

电流检测器过载保护

75 75 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 与传统数控机床进给系统中的ldquo旋转伺服电机＋滚珠丝杠rdquo不同直线电机直接驱动机床工作台取消驱动电机和工作台之间的一切中间传动环节

751 直线电机 分为交流和直流两种交流直线电机又分为感

应异步式和永磁同步式 直线电机相当于把旋转电机沿过轴线的平面剖

开并将定子转子圆周展开为平面和进行一些演变形成

感应异步式直线电机演变过程感应异步式直线电机演变过程

永磁同步式直线电机演变过程永磁同步式直线电机演变过程

2 直线电机的工作原理 基本原理利用电磁作用将电能转换为动能（ 1 ）感应异步式直线电机的结构及工作原理（ 2 ）永磁同步式直线电机工作原理3 直线电机的特点 调节速度方便 加速度大响应快 定位精度和跟踪精度高 行程不受限制

752 752 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 由执行器控制器和位置检测装置组成 执行器直线电机本体 控制器由 CNC 控制器和 DDS 数值控制模块组成 位置检测装置光栅感应同步尺等

直线电机进给控制系统直线电机进给控制系统 双环系统内环为速度环外环为位置环 位置环接收来自光栅尺的位置反馈信号及插补信号

的比较信号来控制速度环的指令速度从而调节执行件的位置始终与指令位置保持一致

速度环根据位置环的指令速度快速而准确控制电机使得其不受负载转矩大小和方向的影响并快速跟踪指令速度的变化

753 753 直线电机对控制质量的影响直线电机对控制质量的影响1 路径生成问题 三个方面加加速度插补和对加工程序段的预处理2 直线电机对负载刚性的影响 三个因素速度控制环比例增益积分时间和在没有前馈控制情况下的位置控制环比例增益

3 影响定位时间的因素 四个因素最大加速度速度加加速度和位置控制

进给前馈实际增益4 影响加工路径精度的因素 三个因素路径生成最大加速度和位置控制进给前馈

实际增益

76 76 伺服系统的位置控制伺服系统的位置控制761 数字－脉冲比较伺服系统 将指令脉冲 F与反馈脉冲 Pf进行比较决定位置偏差 e再

将位置偏差 e放大后输出给速度控制单元和电机执行以减少和消除位置偏差

半闭环系统中检测元件多采用光电编码器闭环系统中检测元件多采用光栅

工作过程当指令脉冲为正而反馈脉冲为负时计数器作加法运算当指令脉冲为负而反馈脉冲为正时计数器作减法运算

计数器的计算结果 当 e＝ F－ Pfgt0 时工作台正向移动 当 e＝ F－ Pflt0 时工作台反向运动 当 e＝ F－ Pf＝ 0 时工作台静止

半闭环数值比较系统结构半闭环数值比较系统结构

762 762 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 常用检测元件是旋转变压器和感应同步器 脉冲调相器（数字相位变化器）将来自数控装置

的进给脉冲信号转换为相位变化信号

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

2 晶体管脉宽调制（ PWM ）直流调速系统（ 1 ） PWM 系统的组成及工作原理 脉宽调制使功率放大器中的晶体管工作在开关状态下

开关频率保持恒定用调整开关周期内的晶体管导通时间的办法来改变输出从而使得电机电枢两端获得宽度随时间变化的给定频率的电压脉冲

脉宽连续变化使得电枢电压平均值连续变化进而导致电机转速连续变化

2 脉宽调制器

74 74 交流伺服电机与速度控制交流伺服电机与速度控制741 交流伺服电机1 交流伺服电机的类型 永磁式交流伺服电机和感应式交流伺服电机 共同点工作原理均由定子绕组产生旋转磁场

使得转子跟随定子旋转磁场一起运转 不同点永磁式伺服电机的转速与外加交流电源的频率存在着严格的同步关系即电机的转速等于旋转磁场的同步转速而感应式伺服电机由于需要转速差才能产生电磁转矩因此电机的转速低于磁场同步转速负载越大转速差越大

2 永磁交流伺服电机结构与工作原理 电机结构由定子转子和检测元件组成其中 1 －定子 2 －转子 3 －压板 4 －定子三相绕组 5 －脉冲编码器 6 －接线盒

工作原理定子三相绕组接上电源后产生一个旋转磁场该旋转磁场以同步转速 n0 旋转

定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极相互吸引并带动转子以同步转速 n0 一起旋转

当转子轴上加有负载转矩后造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合相差一个 θ角负载转矩发生变化时 θ角也发生变化

只要不超过一定限度转子始终跟随定子的旋转磁场以同步转速 n

0 旋转

742 742 交流进给速度控制单元交流进给速度控制单元1 交流伺服电机调速原理 同步型交流伺服电机的转速 n=n0=60fp 异步型交流伺服电机的转速 n=(60fp) （ 1-

s ）

电机调速的三种方法（ 1 ）改变磁极对数 P有级调速方法通过对定

子绕组接线的切换而改变磁极对数来实现（ 2 ）改变转差率 s只适合于异步型交流电机的

调速（ 3 ）变频调速通过改变电机电源的频率 f而改

变电机的转速

2 SPWM 变频调速 （ 1 ） SPWM 调制原理 （ 2 ） SPWM 变频器的功率放大电路 （ 3 ） SPWM 变频调速系统 速度给定器给定信号控制频率电压及正反转 平稳启动回路使启动加减速时间可随机械负载设定以达到软启动的目的

函数发生器在输出低频信号时保持电机气隙磁通一定补偿定子电压降的影响

电压频率变压器将电压转换为频率经分频器环形计数器产生方波和经三角波发生器产生的三角波一起送入调制回路

电压调节器产生频率和幅度可调的控制正弦波送入调制回路送入调制回路在调制回路中进行 SPWM 变换产生三相的脉冲宽度调制信号在基极回路中输出信号至功率晶体管基极即对 SPWM 的主回路进行控制实现对永磁交流伺服电机的变频调速

电流检测器过载保护

75 75 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 与传统数控机床进给系统中的ldquo旋转伺服电机＋滚珠丝杠rdquo不同直线电机直接驱动机床工作台取消驱动电机和工作台之间的一切中间传动环节

751 直线电机 分为交流和直流两种交流直线电机又分为感

应异步式和永磁同步式 直线电机相当于把旋转电机沿过轴线的平面剖

开并将定子转子圆周展开为平面和进行一些演变形成

感应异步式直线电机演变过程感应异步式直线电机演变过程

永磁同步式直线电机演变过程永磁同步式直线电机演变过程

2 直线电机的工作原理 基本原理利用电磁作用将电能转换为动能（ 1 ）感应异步式直线电机的结构及工作原理（ 2 ）永磁同步式直线电机工作原理3 直线电机的特点 调节速度方便 加速度大响应快 定位精度和跟踪精度高 行程不受限制

752 752 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 由执行器控制器和位置检测装置组成 执行器直线电机本体 控制器由 CNC 控制器和 DDS 数值控制模块组成 位置检测装置光栅感应同步尺等

直线电机进给控制系统直线电机进给控制系统 双环系统内环为速度环外环为位置环 位置环接收来自光栅尺的位置反馈信号及插补信号

的比较信号来控制速度环的指令速度从而调节执行件的位置始终与指令位置保持一致

速度环根据位置环的指令速度快速而准确控制电机使得其不受负载转矩大小和方向的影响并快速跟踪指令速度的变化

753 753 直线电机对控制质量的影响直线电机对控制质量的影响1 路径生成问题 三个方面加加速度插补和对加工程序段的预处理2 直线电机对负载刚性的影响 三个因素速度控制环比例增益积分时间和在没有前馈控制情况下的位置控制环比例增益

3 影响定位时间的因素 四个因素最大加速度速度加加速度和位置控制

进给前馈实际增益4 影响加工路径精度的因素 三个因素路径生成最大加速度和位置控制进给前馈

实际增益

76 76 伺服系统的位置控制伺服系统的位置控制761 数字－脉冲比较伺服系统 将指令脉冲 F与反馈脉冲 Pf进行比较决定位置偏差 e再

将位置偏差 e放大后输出给速度控制单元和电机执行以减少和消除位置偏差

半闭环系统中检测元件多采用光电编码器闭环系统中检测元件多采用光栅

工作过程当指令脉冲为正而反馈脉冲为负时计数器作加法运算当指令脉冲为负而反馈脉冲为正时计数器作减法运算

计数器的计算结果 当 e＝ F－ Pfgt0 时工作台正向移动 当 e＝ F－ Pflt0 时工作台反向运动 当 e＝ F－ Pf＝ 0 时工作台静止

半闭环数值比较系统结构半闭环数值比较系统结构

762 762 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 常用检测元件是旋转变压器和感应同步器 脉冲调相器（数字相位变化器）将来自数控装置

的进给脉冲信号转换为相位变化信号

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

2 脉宽调制器

74 74 交流伺服电机与速度控制交流伺服电机与速度控制741 交流伺服电机1 交流伺服电机的类型 永磁式交流伺服电机和感应式交流伺服电机 共同点工作原理均由定子绕组产生旋转磁场

使得转子跟随定子旋转磁场一起运转 不同点永磁式伺服电机的转速与外加交流电源的频率存在着严格的同步关系即电机的转速等于旋转磁场的同步转速而感应式伺服电机由于需要转速差才能产生电磁转矩因此电机的转速低于磁场同步转速负载越大转速差越大

2 永磁交流伺服电机结构与工作原理 电机结构由定子转子和检测元件组成其中 1 －定子 2 －转子 3 －压板 4 －定子三相绕组 5 －脉冲编码器 6 －接线盒

工作原理定子三相绕组接上电源后产生一个旋转磁场该旋转磁场以同步转速 n0 旋转

定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极相互吸引并带动转子以同步转速 n0 一起旋转

当转子轴上加有负载转矩后造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合相差一个 θ角负载转矩发生变化时 θ角也发生变化

只要不超过一定限度转子始终跟随定子的旋转磁场以同步转速 n

0 旋转

742 742 交流进给速度控制单元交流进给速度控制单元1 交流伺服电机调速原理 同步型交流伺服电机的转速 n=n0=60fp 异步型交流伺服电机的转速 n=(60fp) （ 1-

s ）

电机调速的三种方法（ 1 ）改变磁极对数 P有级调速方法通过对定

子绕组接线的切换而改变磁极对数来实现（ 2 ）改变转差率 s只适合于异步型交流电机的

调速（ 3 ）变频调速通过改变电机电源的频率 f而改

变电机的转速

2 SPWM 变频调速 （ 1 ） SPWM 调制原理 （ 2 ） SPWM 变频器的功率放大电路 （ 3 ） SPWM 变频调速系统 速度给定器给定信号控制频率电压及正反转 平稳启动回路使启动加减速时间可随机械负载设定以达到软启动的目的

函数发生器在输出低频信号时保持电机气隙磁通一定补偿定子电压降的影响

电压频率变压器将电压转换为频率经分频器环形计数器产生方波和经三角波发生器产生的三角波一起送入调制回路

电压调节器产生频率和幅度可调的控制正弦波送入调制回路送入调制回路在调制回路中进行 SPWM 变换产生三相的脉冲宽度调制信号在基极回路中输出信号至功率晶体管基极即对 SPWM 的主回路进行控制实现对永磁交流伺服电机的变频调速

电流检测器过载保护

75 75 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 与传统数控机床进给系统中的ldquo旋转伺服电机＋滚珠丝杠rdquo不同直线电机直接驱动机床工作台取消驱动电机和工作台之间的一切中间传动环节

751 直线电机 分为交流和直流两种交流直线电机又分为感

应异步式和永磁同步式 直线电机相当于把旋转电机沿过轴线的平面剖

开并将定子转子圆周展开为平面和进行一些演变形成

感应异步式直线电机演变过程感应异步式直线电机演变过程

永磁同步式直线电机演变过程永磁同步式直线电机演变过程

2 直线电机的工作原理 基本原理利用电磁作用将电能转换为动能（ 1 ）感应异步式直线电机的结构及工作原理（ 2 ）永磁同步式直线电机工作原理3 直线电机的特点 调节速度方便 加速度大响应快 定位精度和跟踪精度高 行程不受限制

752 752 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 由执行器控制器和位置检测装置组成 执行器直线电机本体 控制器由 CNC 控制器和 DDS 数值控制模块组成 位置检测装置光栅感应同步尺等

直线电机进给控制系统直线电机进给控制系统 双环系统内环为速度环外环为位置环 位置环接收来自光栅尺的位置反馈信号及插补信号

的比较信号来控制速度环的指令速度从而调节执行件的位置始终与指令位置保持一致

速度环根据位置环的指令速度快速而准确控制电机使得其不受负载转矩大小和方向的影响并快速跟踪指令速度的变化

753 753 直线电机对控制质量的影响直线电机对控制质量的影响1 路径生成问题 三个方面加加速度插补和对加工程序段的预处理2 直线电机对负载刚性的影响 三个因素速度控制环比例增益积分时间和在没有前馈控制情况下的位置控制环比例增益

3 影响定位时间的因素 四个因素最大加速度速度加加速度和位置控制

进给前馈实际增益4 影响加工路径精度的因素 三个因素路径生成最大加速度和位置控制进给前馈

实际增益

76 76 伺服系统的位置控制伺服系统的位置控制761 数字－脉冲比较伺服系统 将指令脉冲 F与反馈脉冲 Pf进行比较决定位置偏差 e再

将位置偏差 e放大后输出给速度控制单元和电机执行以减少和消除位置偏差

半闭环系统中检测元件多采用光电编码器闭环系统中检测元件多采用光栅

工作过程当指令脉冲为正而反馈脉冲为负时计数器作加法运算当指令脉冲为负而反馈脉冲为正时计数器作减法运算

计数器的计算结果 当 e＝ F－ Pfgt0 时工作台正向移动 当 e＝ F－ Pflt0 时工作台反向运动 当 e＝ F－ Pf＝ 0 时工作台静止

半闭环数值比较系统结构半闭环数值比较系统结构

762 762 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 常用检测元件是旋转变压器和感应同步器 脉冲调相器（数字相位变化器）将来自数控装置

的进给脉冲信号转换为相位变化信号

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

74 74 交流伺服电机与速度控制交流伺服电机与速度控制741 交流伺服电机1 交流伺服电机的类型 永磁式交流伺服电机和感应式交流伺服电机 共同点工作原理均由定子绕组产生旋转磁场

使得转子跟随定子旋转磁场一起运转 不同点永磁式伺服电机的转速与外加交流电源的频率存在着严格的同步关系即电机的转速等于旋转磁场的同步转速而感应式伺服电机由于需要转速差才能产生电磁转矩因此电机的转速低于磁场同步转速负载越大转速差越大

2 永磁交流伺服电机结构与工作原理 电机结构由定子转子和检测元件组成其中 1 －定子 2 －转子 3 －压板 4 －定子三相绕组 5 －脉冲编码器 6 －接线盒

工作原理定子三相绕组接上电源后产生一个旋转磁场该旋转磁场以同步转速 n0 旋转

定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极相互吸引并带动转子以同步转速 n0 一起旋转

当转子轴上加有负载转矩后造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合相差一个 θ角负载转矩发生变化时 θ角也发生变化

只要不超过一定限度转子始终跟随定子的旋转磁场以同步转速 n

0 旋转

742 742 交流进给速度控制单元交流进给速度控制单元1 交流伺服电机调速原理 同步型交流伺服电机的转速 n=n0=60fp 异步型交流伺服电机的转速 n=(60fp) （ 1-

s ）

电机调速的三种方法（ 1 ）改变磁极对数 P有级调速方法通过对定

子绕组接线的切换而改变磁极对数来实现（ 2 ）改变转差率 s只适合于异步型交流电机的

调速（ 3 ）变频调速通过改变电机电源的频率 f而改

变电机的转速

2 SPWM 变频调速 （ 1 ） SPWM 调制原理 （ 2 ） SPWM 变频器的功率放大电路 （ 3 ） SPWM 变频调速系统 速度给定器给定信号控制频率电压及正反转 平稳启动回路使启动加减速时间可随机械负载设定以达到软启动的目的

函数发生器在输出低频信号时保持电机气隙磁通一定补偿定子电压降的影响

电压频率变压器将电压转换为频率经分频器环形计数器产生方波和经三角波发生器产生的三角波一起送入调制回路

电压调节器产生频率和幅度可调的控制正弦波送入调制回路送入调制回路在调制回路中进行 SPWM 变换产生三相的脉冲宽度调制信号在基极回路中输出信号至功率晶体管基极即对 SPWM 的主回路进行控制实现对永磁交流伺服电机的变频调速

电流检测器过载保护

75 75 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 与传统数控机床进给系统中的ldquo旋转伺服电机＋滚珠丝杠rdquo不同直线电机直接驱动机床工作台取消驱动电机和工作台之间的一切中间传动环节

751 直线电机 分为交流和直流两种交流直线电机又分为感

应异步式和永磁同步式 直线电机相当于把旋转电机沿过轴线的平面剖

开并将定子转子圆周展开为平面和进行一些演变形成

感应异步式直线电机演变过程感应异步式直线电机演变过程

永磁同步式直线电机演变过程永磁同步式直线电机演变过程

2 直线电机的工作原理 基本原理利用电磁作用将电能转换为动能（ 1 ）感应异步式直线电机的结构及工作原理（ 2 ）永磁同步式直线电机工作原理3 直线电机的特点 调节速度方便 加速度大响应快 定位精度和跟踪精度高 行程不受限制

752 752 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 由执行器控制器和位置检测装置组成 执行器直线电机本体 控制器由 CNC 控制器和 DDS 数值控制模块组成 位置检测装置光栅感应同步尺等

直线电机进给控制系统直线电机进给控制系统 双环系统内环为速度环外环为位置环 位置环接收来自光栅尺的位置反馈信号及插补信号

的比较信号来控制速度环的指令速度从而调节执行件的位置始终与指令位置保持一致

速度环根据位置环的指令速度快速而准确控制电机使得其不受负载转矩大小和方向的影响并快速跟踪指令速度的变化

753 753 直线电机对控制质量的影响直线电机对控制质量的影响1 路径生成问题 三个方面加加速度插补和对加工程序段的预处理2 直线电机对负载刚性的影响 三个因素速度控制环比例增益积分时间和在没有前馈控制情况下的位置控制环比例增益

3 影响定位时间的因素 四个因素最大加速度速度加加速度和位置控制

进给前馈实际增益4 影响加工路径精度的因素 三个因素路径生成最大加速度和位置控制进给前馈

实际增益

76 76 伺服系统的位置控制伺服系统的位置控制761 数字－脉冲比较伺服系统 将指令脉冲 F与反馈脉冲 Pf进行比较决定位置偏差 e再

将位置偏差 e放大后输出给速度控制单元和电机执行以减少和消除位置偏差

半闭环系统中检测元件多采用光电编码器闭环系统中检测元件多采用光栅

工作过程当指令脉冲为正而反馈脉冲为负时计数器作加法运算当指令脉冲为负而反馈脉冲为正时计数器作减法运算

计数器的计算结果 当 e＝ F－ Pfgt0 时工作台正向移动 当 e＝ F－ Pflt0 时工作台反向运动 当 e＝ F－ Pf＝ 0 时工作台静止

半闭环数值比较系统结构半闭环数值比较系统结构

762 762 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 常用检测元件是旋转变压器和感应同步器 脉冲调相器（数字相位变化器）将来自数控装置

的进给脉冲信号转换为相位变化信号

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

2 永磁交流伺服电机结构与工作原理 电机结构由定子转子和检测元件组成其中 1 －定子 2 －转子 3 －压板 4 －定子三相绕组 5 －脉冲编码器 6 －接线盒

工作原理定子三相绕组接上电源后产生一个旋转磁场该旋转磁场以同步转速 n0 旋转

定子旋转磁场与转子的永久磁铁磁极相互吸引并带动转子以同步转速 n0 一起旋转

当转子轴上加有负载转矩后造成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重合相差一个 θ角负载转矩发生变化时 θ角也发生变化

只要不超过一定限度转子始终跟随定子的旋转磁场以同步转速 n

0 旋转

742 742 交流进给速度控制单元交流进给速度控制单元1 交流伺服电机调速原理 同步型交流伺服电机的转速 n=n0=60fp 异步型交流伺服电机的转速 n=(60fp) （ 1-

s ）

电机调速的三种方法（ 1 ）改变磁极对数 P有级调速方法通过对定

子绕组接线的切换而改变磁极对数来实现（ 2 ）改变转差率 s只适合于异步型交流电机的

调速（ 3 ）变频调速通过改变电机电源的频率 f而改

变电机的转速

2 SPWM 变频调速 （ 1 ） SPWM 调制原理 （ 2 ） SPWM 变频器的功率放大电路 （ 3 ） SPWM 变频调速系统 速度给定器给定信号控制频率电压及正反转 平稳启动回路使启动加减速时间可随机械负载设定以达到软启动的目的

函数发生器在输出低频信号时保持电机气隙磁通一定补偿定子电压降的影响

电压频率变压器将电压转换为频率经分频器环形计数器产生方波和经三角波发生器产生的三角波一起送入调制回路

电压调节器产生频率和幅度可调的控制正弦波送入调制回路送入调制回路在调制回路中进行 SPWM 变换产生三相的脉冲宽度调制信号在基极回路中输出信号至功率晶体管基极即对 SPWM 的主回路进行控制实现对永磁交流伺服电机的变频调速

电流检测器过载保护

75 75 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 与传统数控机床进给系统中的ldquo旋转伺服电机＋滚珠丝杠rdquo不同直线电机直接驱动机床工作台取消驱动电机和工作台之间的一切中间传动环节

751 直线电机 分为交流和直流两种交流直线电机又分为感

应异步式和永磁同步式 直线电机相当于把旋转电机沿过轴线的平面剖

开并将定子转子圆周展开为平面和进行一些演变形成

感应异步式直线电机演变过程感应异步式直线电机演变过程

永磁同步式直线电机演变过程永磁同步式直线电机演变过程

2 直线电机的工作原理 基本原理利用电磁作用将电能转换为动能（ 1 ）感应异步式直线电机的结构及工作原理（ 2 ）永磁同步式直线电机工作原理3 直线电机的特点 调节速度方便 加速度大响应快 定位精度和跟踪精度高 行程不受限制

752 752 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 由执行器控制器和位置检测装置组成 执行器直线电机本体 控制器由 CNC 控制器和 DDS 数值控制模块组成 位置检测装置光栅感应同步尺等

直线电机进给控制系统直线电机进给控制系统 双环系统内环为速度环外环为位置环 位置环接收来自光栅尺的位置反馈信号及插补信号

的比较信号来控制速度环的指令速度从而调节执行件的位置始终与指令位置保持一致

速度环根据位置环的指令速度快速而准确控制电机使得其不受负载转矩大小和方向的影响并快速跟踪指令速度的变化

753 753 直线电机对控制质量的影响直线电机对控制质量的影响1 路径生成问题 三个方面加加速度插补和对加工程序段的预处理2 直线电机对负载刚性的影响 三个因素速度控制环比例增益积分时间和在没有前馈控制情况下的位置控制环比例增益

3 影响定位时间的因素 四个因素最大加速度速度加加速度和位置控制

进给前馈实际增益4 影响加工路径精度的因素 三个因素路径生成最大加速度和位置控制进给前馈

实际增益

76 76 伺服系统的位置控制伺服系统的位置控制761 数字－脉冲比较伺服系统 将指令脉冲 F与反馈脉冲 Pf进行比较决定位置偏差 e再

将位置偏差 e放大后输出给速度控制单元和电机执行以减少和消除位置偏差

半闭环系统中检测元件多采用光电编码器闭环系统中检测元件多采用光栅

工作过程当指令脉冲为正而反馈脉冲为负时计数器作加法运算当指令脉冲为负而反馈脉冲为正时计数器作减法运算

计数器的计算结果 当 e＝ F－ Pfgt0 时工作台正向移动 当 e＝ F－ Pflt0 时工作台反向运动 当 e＝ F－ Pf＝ 0 时工作台静止

半闭环数值比较系统结构半闭环数值比较系统结构

762 762 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 常用检测元件是旋转变压器和感应同步器 脉冲调相器（数字相位变化器）将来自数控装置

的进给脉冲信号转换为相位变化信号

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

742 742 交流进给速度控制单元交流进给速度控制单元1 交流伺服电机调速原理 同步型交流伺服电机的转速 n=n0=60fp 异步型交流伺服电机的转速 n=(60fp) （ 1-

s ）

电机调速的三种方法（ 1 ）改变磁极对数 P有级调速方法通过对定

子绕组接线的切换而改变磁极对数来实现（ 2 ）改变转差率 s只适合于异步型交流电机的

调速（ 3 ）变频调速通过改变电机电源的频率 f而改

变电机的转速

2 SPWM 变频调速 （ 1 ） SPWM 调制原理 （ 2 ） SPWM 变频器的功率放大电路 （ 3 ） SPWM 变频调速系统 速度给定器给定信号控制频率电压及正反转 平稳启动回路使启动加减速时间可随机械负载设定以达到软启动的目的

函数发生器在输出低频信号时保持电机气隙磁通一定补偿定子电压降的影响

电压频率变压器将电压转换为频率经分频器环形计数器产生方波和经三角波发生器产生的三角波一起送入调制回路

电压调节器产生频率和幅度可调的控制正弦波送入调制回路送入调制回路在调制回路中进行 SPWM 变换产生三相的脉冲宽度调制信号在基极回路中输出信号至功率晶体管基极即对 SPWM 的主回路进行控制实现对永磁交流伺服电机的变频调速

电流检测器过载保护

75 75 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 与传统数控机床进给系统中的ldquo旋转伺服电机＋滚珠丝杠rdquo不同直线电机直接驱动机床工作台取消驱动电机和工作台之间的一切中间传动环节

751 直线电机 分为交流和直流两种交流直线电机又分为感

应异步式和永磁同步式 直线电机相当于把旋转电机沿过轴线的平面剖

开并将定子转子圆周展开为平面和进行一些演变形成

感应异步式直线电机演变过程感应异步式直线电机演变过程

永磁同步式直线电机演变过程永磁同步式直线电机演变过程

2 直线电机的工作原理 基本原理利用电磁作用将电能转换为动能（ 1 ）感应异步式直线电机的结构及工作原理（ 2 ）永磁同步式直线电机工作原理3 直线电机的特点 调节速度方便 加速度大响应快 定位精度和跟踪精度高 行程不受限制

752 752 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 由执行器控制器和位置检测装置组成 执行器直线电机本体 控制器由 CNC 控制器和 DDS 数值控制模块组成 位置检测装置光栅感应同步尺等

直线电机进给控制系统直线电机进给控制系统 双环系统内环为速度环外环为位置环 位置环接收来自光栅尺的位置反馈信号及插补信号

的比较信号来控制速度环的指令速度从而调节执行件的位置始终与指令位置保持一致

速度环根据位置环的指令速度快速而准确控制电机使得其不受负载转矩大小和方向的影响并快速跟踪指令速度的变化

753 753 直线电机对控制质量的影响直线电机对控制质量的影响1 路径生成问题 三个方面加加速度插补和对加工程序段的预处理2 直线电机对负载刚性的影响 三个因素速度控制环比例增益积分时间和在没有前馈控制情况下的位置控制环比例增益

3 影响定位时间的因素 四个因素最大加速度速度加加速度和位置控制

进给前馈实际增益4 影响加工路径精度的因素 三个因素路径生成最大加速度和位置控制进给前馈

实际增益

76 76 伺服系统的位置控制伺服系统的位置控制761 数字－脉冲比较伺服系统 将指令脉冲 F与反馈脉冲 Pf进行比较决定位置偏差 e再

将位置偏差 e放大后输出给速度控制单元和电机执行以减少和消除位置偏差

半闭环系统中检测元件多采用光电编码器闭环系统中检测元件多采用光栅

工作过程当指令脉冲为正而反馈脉冲为负时计数器作加法运算当指令脉冲为负而反馈脉冲为正时计数器作减法运算

计数器的计算结果 当 e＝ F－ Pfgt0 时工作台正向移动 当 e＝ F－ Pflt0 时工作台反向运动 当 e＝ F－ Pf＝ 0 时工作台静止

半闭环数值比较系统结构半闭环数值比较系统结构

762 762 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 常用检测元件是旋转变压器和感应同步器 脉冲调相器（数字相位变化器）将来自数控装置

的进给脉冲信号转换为相位变化信号

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

2 SPWM 变频调速 （ 1 ） SPWM 调制原理 （ 2 ） SPWM 变频器的功率放大电路 （ 3 ） SPWM 变频调速系统 速度给定器给定信号控制频率电压及正反转 平稳启动回路使启动加减速时间可随机械负载设定以达到软启动的目的

函数发生器在输出低频信号时保持电机气隙磁通一定补偿定子电压降的影响

电压频率变压器将电压转换为频率经分频器环形计数器产生方波和经三角波发生器产生的三角波一起送入调制回路

电压调节器产生频率和幅度可调的控制正弦波送入调制回路送入调制回路在调制回路中进行 SPWM 变换产生三相的脉冲宽度调制信号在基极回路中输出信号至功率晶体管基极即对 SPWM 的主回路进行控制实现对永磁交流伺服电机的变频调速

电流检测器过载保护

75 75 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 与传统数控机床进给系统中的ldquo旋转伺服电机＋滚珠丝杠rdquo不同直线电机直接驱动机床工作台取消驱动电机和工作台之间的一切中间传动环节

751 直线电机 分为交流和直流两种交流直线电机又分为感

应异步式和永磁同步式 直线电机相当于把旋转电机沿过轴线的平面剖

开并将定子转子圆周展开为平面和进行一些演变形成

感应异步式直线电机演变过程感应异步式直线电机演变过程

永磁同步式直线电机演变过程永磁同步式直线电机演变过程

2 直线电机的工作原理 基本原理利用电磁作用将电能转换为动能（ 1 ）感应异步式直线电机的结构及工作原理（ 2 ）永磁同步式直线电机工作原理3 直线电机的特点 调节速度方便 加速度大响应快 定位精度和跟踪精度高 行程不受限制

752 752 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 由执行器控制器和位置检测装置组成 执行器直线电机本体 控制器由 CNC 控制器和 DDS 数值控制模块组成 位置检测装置光栅感应同步尺等

直线电机进给控制系统直线电机进给控制系统 双环系统内环为速度环外环为位置环 位置环接收来自光栅尺的位置反馈信号及插补信号

的比较信号来控制速度环的指令速度从而调节执行件的位置始终与指令位置保持一致

速度环根据位置环的指令速度快速而准确控制电机使得其不受负载转矩大小和方向的影响并快速跟踪指令速度的变化

753 753 直线电机对控制质量的影响直线电机对控制质量的影响1 路径生成问题 三个方面加加速度插补和对加工程序段的预处理2 直线电机对负载刚性的影响 三个因素速度控制环比例增益积分时间和在没有前馈控制情况下的位置控制环比例增益

3 影响定位时间的因素 四个因素最大加速度速度加加速度和位置控制

进给前馈实际增益4 影响加工路径精度的因素 三个因素路径生成最大加速度和位置控制进给前馈

实际增益

76 76 伺服系统的位置控制伺服系统的位置控制761 数字－脉冲比较伺服系统 将指令脉冲 F与反馈脉冲 Pf进行比较决定位置偏差 e再

将位置偏差 e放大后输出给速度控制单元和电机执行以减少和消除位置偏差

半闭环系统中检测元件多采用光电编码器闭环系统中检测元件多采用光栅

工作过程当指令脉冲为正而反馈脉冲为负时计数器作加法运算当指令脉冲为负而反馈脉冲为正时计数器作减法运算

计数器的计算结果 当 e＝ F－ Pfgt0 时工作台正向移动 当 e＝ F－ Pflt0 时工作台反向运动 当 e＝ F－ Pf＝ 0 时工作台静止

半闭环数值比较系统结构半闭环数值比较系统结构

762 762 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 常用检测元件是旋转变压器和感应同步器 脉冲调相器（数字相位变化器）将来自数控装置

的进给脉冲信号转换为相位变化信号

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

电压频率变压器将电压转换为频率经分频器环形计数器产生方波和经三角波发生器产生的三角波一起送入调制回路

电压调节器产生频率和幅度可调的控制正弦波送入调制回路送入调制回路在调制回路中进行 SPWM 变换产生三相的脉冲宽度调制信号在基极回路中输出信号至功率晶体管基极即对 SPWM 的主回路进行控制实现对永磁交流伺服电机的变频调速

电流检测器过载保护

75 75 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 与传统数控机床进给系统中的ldquo旋转伺服电机＋滚珠丝杠rdquo不同直线电机直接驱动机床工作台取消驱动电机和工作台之间的一切中间传动环节

751 直线电机 分为交流和直流两种交流直线电机又分为感

应异步式和永磁同步式 直线电机相当于把旋转电机沿过轴线的平面剖

开并将定子转子圆周展开为平面和进行一些演变形成

感应异步式直线电机演变过程感应异步式直线电机演变过程

永磁同步式直线电机演变过程永磁同步式直线电机演变过程

2 直线电机的工作原理 基本原理利用电磁作用将电能转换为动能（ 1 ）感应异步式直线电机的结构及工作原理（ 2 ）永磁同步式直线电机工作原理3 直线电机的特点 调节速度方便 加速度大响应快 定位精度和跟踪精度高 行程不受限制

752 752 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 由执行器控制器和位置检测装置组成 执行器直线电机本体 控制器由 CNC 控制器和 DDS 数值控制模块组成 位置检测装置光栅感应同步尺等

直线电机进给控制系统直线电机进给控制系统 双环系统内环为速度环外环为位置环 位置环接收来自光栅尺的位置反馈信号及插补信号

的比较信号来控制速度环的指令速度从而调节执行件的位置始终与指令位置保持一致

速度环根据位置环的指令速度快速而准确控制电机使得其不受负载转矩大小和方向的影响并快速跟踪指令速度的变化

753 753 直线电机对控制质量的影响直线电机对控制质量的影响1 路径生成问题 三个方面加加速度插补和对加工程序段的预处理2 直线电机对负载刚性的影响 三个因素速度控制环比例增益积分时间和在没有前馈控制情况下的位置控制环比例增益

3 影响定位时间的因素 四个因素最大加速度速度加加速度和位置控制

进给前馈实际增益4 影响加工路径精度的因素 三个因素路径生成最大加速度和位置控制进给前馈

实际增益

76 76 伺服系统的位置控制伺服系统的位置控制761 数字－脉冲比较伺服系统 将指令脉冲 F与反馈脉冲 Pf进行比较决定位置偏差 e再

将位置偏差 e放大后输出给速度控制单元和电机执行以减少和消除位置偏差

半闭环系统中检测元件多采用光电编码器闭环系统中检测元件多采用光栅

工作过程当指令脉冲为正而反馈脉冲为负时计数器作加法运算当指令脉冲为负而反馈脉冲为正时计数器作减法运算

计数器的计算结果 当 e＝ F－ Pfgt0 时工作台正向移动 当 e＝ F－ Pflt0 时工作台反向运动 当 e＝ F－ Pf＝ 0 时工作台静止

半闭环数值比较系统结构半闭环数值比较系统结构

762 762 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 常用检测元件是旋转变压器和感应同步器 脉冲调相器（数字相位变化器）将来自数控装置

的进给脉冲信号转换为相位变化信号

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

75 75 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 与传统数控机床进给系统中的ldquo旋转伺服电机＋滚珠丝杠rdquo不同直线电机直接驱动机床工作台取消驱动电机和工作台之间的一切中间传动环节

751 直线电机 分为交流和直流两种交流直线电机又分为感

应异步式和永磁同步式 直线电机相当于把旋转电机沿过轴线的平面剖

开并将定子转子圆周展开为平面和进行一些演变形成

感应异步式直线电机演变过程感应异步式直线电机演变过程

永磁同步式直线电机演变过程永磁同步式直线电机演变过程

2 直线电机的工作原理 基本原理利用电磁作用将电能转换为动能（ 1 ）感应异步式直线电机的结构及工作原理（ 2 ）永磁同步式直线电机工作原理3 直线电机的特点 调节速度方便 加速度大响应快 定位精度和跟踪精度高 行程不受限制

752 752 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 由执行器控制器和位置检测装置组成 执行器直线电机本体 控制器由 CNC 控制器和 DDS 数值控制模块组成 位置检测装置光栅感应同步尺等

直线电机进给控制系统直线电机进给控制系统 双环系统内环为速度环外环为位置环 位置环接收来自光栅尺的位置反馈信号及插补信号

的比较信号来控制速度环的指令速度从而调节执行件的位置始终与指令位置保持一致

速度环根据位置环的指令速度快速而准确控制电机使得其不受负载转矩大小和方向的影响并快速跟踪指令速度的变化

753 753 直线电机对控制质量的影响直线电机对控制质量的影响1 路径生成问题 三个方面加加速度插补和对加工程序段的预处理2 直线电机对负载刚性的影响 三个因素速度控制环比例增益积分时间和在没有前馈控制情况下的位置控制环比例增益

3 影响定位时间的因素 四个因素最大加速度速度加加速度和位置控制

进给前馈实际增益4 影响加工路径精度的因素 三个因素路径生成最大加速度和位置控制进给前馈

实际增益

76 76 伺服系统的位置控制伺服系统的位置控制761 数字－脉冲比较伺服系统 将指令脉冲 F与反馈脉冲 Pf进行比较决定位置偏差 e再

将位置偏差 e放大后输出给速度控制单元和电机执行以减少和消除位置偏差

半闭环系统中检测元件多采用光电编码器闭环系统中检测元件多采用光栅

工作过程当指令脉冲为正而反馈脉冲为负时计数器作加法运算当指令脉冲为负而反馈脉冲为正时计数器作减法运算

计数器的计算结果 当 e＝ F－ Pfgt0 时工作台正向移动 当 e＝ F－ Pflt0 时工作台反向运动 当 e＝ F－ Pf＝ 0 时工作台静止

半闭环数值比较系统结构半闭环数值比较系统结构

762 762 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 常用检测元件是旋转变压器和感应同步器 脉冲调相器（数字相位变化器）将来自数控装置

的进给脉冲信号转换为相位变化信号

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

感应异步式直线电机演变过程感应异步式直线电机演变过程

永磁同步式直线电机演变过程永磁同步式直线电机演变过程

2 直线电机的工作原理 基本原理利用电磁作用将电能转换为动能（ 1 ）感应异步式直线电机的结构及工作原理（ 2 ）永磁同步式直线电机工作原理3 直线电机的特点 调节速度方便 加速度大响应快 定位精度和跟踪精度高 行程不受限制

752 752 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 由执行器控制器和位置检测装置组成 执行器直线电机本体 控制器由 CNC 控制器和 DDS 数值控制模块组成 位置检测装置光栅感应同步尺等

直线电机进给控制系统直线电机进给控制系统 双环系统内环为速度环外环为位置环 位置环接收来自光栅尺的位置反馈信号及插补信号

的比较信号来控制速度环的指令速度从而调节执行件的位置始终与指令位置保持一致

速度环根据位置环的指令速度快速而准确控制电机使得其不受负载转矩大小和方向的影响并快速跟踪指令速度的变化

753 753 直线电机对控制质量的影响直线电机对控制质量的影响1 路径生成问题 三个方面加加速度插补和对加工程序段的预处理2 直线电机对负载刚性的影响 三个因素速度控制环比例增益积分时间和在没有前馈控制情况下的位置控制环比例增益

3 影响定位时间的因素 四个因素最大加速度速度加加速度和位置控制

进给前馈实际增益4 影响加工路径精度的因素 三个因素路径生成最大加速度和位置控制进给前馈

实际增益

76 76 伺服系统的位置控制伺服系统的位置控制761 数字－脉冲比较伺服系统 将指令脉冲 F与反馈脉冲 Pf进行比较决定位置偏差 e再

将位置偏差 e放大后输出给速度控制单元和电机执行以减少和消除位置偏差

半闭环系统中检测元件多采用光电编码器闭环系统中检测元件多采用光栅

工作过程当指令脉冲为正而反馈脉冲为负时计数器作加法运算当指令脉冲为负而反馈脉冲为正时计数器作减法运算

计数器的计算结果 当 e＝ F－ Pfgt0 时工作台正向移动 当 e＝ F－ Pflt0 时工作台反向运动 当 e＝ F－ Pf＝ 0 时工作台静止

半闭环数值比较系统结构半闭环数值比较系统结构

762 762 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 常用检测元件是旋转变压器和感应同步器 脉冲调相器（数字相位变化器）将来自数控装置

的进给脉冲信号转换为相位变化信号

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

永磁同步式直线电机演变过程永磁同步式直线电机演变过程

2 直线电机的工作原理 基本原理利用电磁作用将电能转换为动能（ 1 ）感应异步式直线电机的结构及工作原理（ 2 ）永磁同步式直线电机工作原理3 直线电机的特点 调节速度方便 加速度大响应快 定位精度和跟踪精度高 行程不受限制

752 752 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 由执行器控制器和位置检测装置组成 执行器直线电机本体 控制器由 CNC 控制器和 DDS 数值控制模块组成 位置检测装置光栅感应同步尺等

直线电机进给控制系统直线电机进给控制系统 双环系统内环为速度环外环为位置环 位置环接收来自光栅尺的位置反馈信号及插补信号

的比较信号来控制速度环的指令速度从而调节执行件的位置始终与指令位置保持一致

速度环根据位置环的指令速度快速而准确控制电机使得其不受负载转矩大小和方向的影响并快速跟踪指令速度的变化

753 753 直线电机对控制质量的影响直线电机对控制质量的影响1 路径生成问题 三个方面加加速度插补和对加工程序段的预处理2 直线电机对负载刚性的影响 三个因素速度控制环比例增益积分时间和在没有前馈控制情况下的位置控制环比例增益

3 影响定位时间的因素 四个因素最大加速度速度加加速度和位置控制

进给前馈实际增益4 影响加工路径精度的因素 三个因素路径生成最大加速度和位置控制进给前馈

实际增益

76 76 伺服系统的位置控制伺服系统的位置控制761 数字－脉冲比较伺服系统 将指令脉冲 F与反馈脉冲 Pf进行比较决定位置偏差 e再

将位置偏差 e放大后输出给速度控制单元和电机执行以减少和消除位置偏差

半闭环系统中检测元件多采用光电编码器闭环系统中检测元件多采用光栅

工作过程当指令脉冲为正而反馈脉冲为负时计数器作加法运算当指令脉冲为负而反馈脉冲为正时计数器作减法运算

计数器的计算结果 当 e＝ F－ Pfgt0 时工作台正向移动 当 e＝ F－ Pflt0 时工作台反向运动 当 e＝ F－ Pf＝ 0 时工作台静止

半闭环数值比较系统结构半闭环数值比较系统结构

762 762 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 常用检测元件是旋转变压器和感应同步器 脉冲调相器（数字相位变化器）将来自数控装置

的进给脉冲信号转换为相位变化信号

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

2 直线电机的工作原理 基本原理利用电磁作用将电能转换为动能（ 1 ）感应异步式直线电机的结构及工作原理（ 2 ）永磁同步式直线电机工作原理3 直线电机的特点 调节速度方便 加速度大响应快 定位精度和跟踪精度高 行程不受限制

752 752 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 由执行器控制器和位置检测装置组成 执行器直线电机本体 控制器由 CNC 控制器和 DDS 数值控制模块组成 位置检测装置光栅感应同步尺等

直线电机进给控制系统直线电机进给控制系统 双环系统内环为速度环外环为位置环 位置环接收来自光栅尺的位置反馈信号及插补信号

的比较信号来控制速度环的指令速度从而调节执行件的位置始终与指令位置保持一致

速度环根据位置环的指令速度快速而准确控制电机使得其不受负载转矩大小和方向的影响并快速跟踪指令速度的变化

753 753 直线电机对控制质量的影响直线电机对控制质量的影响1 路径生成问题 三个方面加加速度插补和对加工程序段的预处理2 直线电机对负载刚性的影响 三个因素速度控制环比例增益积分时间和在没有前馈控制情况下的位置控制环比例增益

3 影响定位时间的因素 四个因素最大加速度速度加加速度和位置控制

进给前馈实际增益4 影响加工路径精度的因素 三个因素路径生成最大加速度和位置控制进给前馈

实际增益

76 76 伺服系统的位置控制伺服系统的位置控制761 数字－脉冲比较伺服系统 将指令脉冲 F与反馈脉冲 Pf进行比较决定位置偏差 e再

将位置偏差 e放大后输出给速度控制单元和电机执行以减少和消除位置偏差

半闭环系统中检测元件多采用光电编码器闭环系统中检测元件多采用光栅

工作过程当指令脉冲为正而反馈脉冲为负时计数器作加法运算当指令脉冲为负而反馈脉冲为正时计数器作减法运算

计数器的计算结果 当 e＝ F－ Pfgt0 时工作台正向移动 当 e＝ F－ Pflt0 时工作台反向运动 当 e＝ F－ Pf＝ 0 时工作台静止

半闭环数值比较系统结构半闭环数值比较系统结构

762 762 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 常用检测元件是旋转变压器和感应同步器 脉冲调相器（数字相位变化器）将来自数控装置

的进给脉冲信号转换为相位变化信号

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

752 752 直线电机伺服系统直线电机伺服系统 由执行器控制器和位置检测装置组成 执行器直线电机本体 控制器由 CNC 控制器和 DDS 数值控制模块组成 位置检测装置光栅感应同步尺等

直线电机进给控制系统直线电机进给控制系统 双环系统内环为速度环外环为位置环 位置环接收来自光栅尺的位置反馈信号及插补信号

的比较信号来控制速度环的指令速度从而调节执行件的位置始终与指令位置保持一致

速度环根据位置环的指令速度快速而准确控制电机使得其不受负载转矩大小和方向的影响并快速跟踪指令速度的变化

753 753 直线电机对控制质量的影响直线电机对控制质量的影响1 路径生成问题 三个方面加加速度插补和对加工程序段的预处理2 直线电机对负载刚性的影响 三个因素速度控制环比例增益积分时间和在没有前馈控制情况下的位置控制环比例增益

3 影响定位时间的因素 四个因素最大加速度速度加加速度和位置控制

进给前馈实际增益4 影响加工路径精度的因素 三个因素路径生成最大加速度和位置控制进给前馈

实际增益

76 76 伺服系统的位置控制伺服系统的位置控制761 数字－脉冲比较伺服系统 将指令脉冲 F与反馈脉冲 Pf进行比较决定位置偏差 e再

将位置偏差 e放大后输出给速度控制单元和电机执行以减少和消除位置偏差

半闭环系统中检测元件多采用光电编码器闭环系统中检测元件多采用光栅

工作过程当指令脉冲为正而反馈脉冲为负时计数器作加法运算当指令脉冲为负而反馈脉冲为正时计数器作减法运算

计数器的计算结果 当 e＝ F－ Pfgt0 时工作台正向移动 当 e＝ F－ Pflt0 时工作台反向运动 当 e＝ F－ Pf＝ 0 时工作台静止

半闭环数值比较系统结构半闭环数值比较系统结构

762 762 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 常用检测元件是旋转变压器和感应同步器 脉冲调相器（数字相位变化器）将来自数控装置

的进给脉冲信号转换为相位变化信号

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

直线电机进给控制系统直线电机进给控制系统 双环系统内环为速度环外环为位置环 位置环接收来自光栅尺的位置反馈信号及插补信号

的比较信号来控制速度环的指令速度从而调节执行件的位置始终与指令位置保持一致

速度环根据位置环的指令速度快速而准确控制电机使得其不受负载转矩大小和方向的影响并快速跟踪指令速度的变化

753 753 直线电机对控制质量的影响直线电机对控制质量的影响1 路径生成问题 三个方面加加速度插补和对加工程序段的预处理2 直线电机对负载刚性的影响 三个因素速度控制环比例增益积分时间和在没有前馈控制情况下的位置控制环比例增益

3 影响定位时间的因素 四个因素最大加速度速度加加速度和位置控制

进给前馈实际增益4 影响加工路径精度的因素 三个因素路径生成最大加速度和位置控制进给前馈

实际增益

76 76 伺服系统的位置控制伺服系统的位置控制761 数字－脉冲比较伺服系统 将指令脉冲 F与反馈脉冲 Pf进行比较决定位置偏差 e再

将位置偏差 e放大后输出给速度控制单元和电机执行以减少和消除位置偏差

半闭环系统中检测元件多采用光电编码器闭环系统中检测元件多采用光栅

工作过程当指令脉冲为正而反馈脉冲为负时计数器作加法运算当指令脉冲为负而反馈脉冲为正时计数器作减法运算

计数器的计算结果 当 e＝ F－ Pfgt0 时工作台正向移动 当 e＝ F－ Pflt0 时工作台反向运动 当 e＝ F－ Pf＝ 0 时工作台静止

半闭环数值比较系统结构半闭环数值比较系统结构

762 762 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 常用检测元件是旋转变压器和感应同步器 脉冲调相器（数字相位变化器）将来自数控装置

的进给脉冲信号转换为相位变化信号

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

753 753 直线电机对控制质量的影响直线电机对控制质量的影响1 路径生成问题 三个方面加加速度插补和对加工程序段的预处理2 直线电机对负载刚性的影响 三个因素速度控制环比例增益积分时间和在没有前馈控制情况下的位置控制环比例增益

3 影响定位时间的因素 四个因素最大加速度速度加加速度和位置控制

进给前馈实际增益4 影响加工路径精度的因素 三个因素路径生成最大加速度和位置控制进给前馈

实际增益

76 76 伺服系统的位置控制伺服系统的位置控制761 数字－脉冲比较伺服系统 将指令脉冲 F与反馈脉冲 Pf进行比较决定位置偏差 e再

将位置偏差 e放大后输出给速度控制单元和电机执行以减少和消除位置偏差

半闭环系统中检测元件多采用光电编码器闭环系统中检测元件多采用光栅

工作过程当指令脉冲为正而反馈脉冲为负时计数器作加法运算当指令脉冲为负而反馈脉冲为正时计数器作减法运算

计数器的计算结果 当 e＝ F－ Pfgt0 时工作台正向移动 当 e＝ F－ Pflt0 时工作台反向运动 当 e＝ F－ Pf＝ 0 时工作台静止

半闭环数值比较系统结构半闭环数值比较系统结构

762 762 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 常用检测元件是旋转变压器和感应同步器 脉冲调相器（数字相位变化器）将来自数控装置

的进给脉冲信号转换为相位变化信号

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

76 76 伺服系统的位置控制伺服系统的位置控制761 数字－脉冲比较伺服系统 将指令脉冲 F与反馈脉冲 Pf进行比较决定位置偏差 e再

将位置偏差 e放大后输出给速度控制单元和电机执行以减少和消除位置偏差

半闭环系统中检测元件多采用光电编码器闭环系统中检测元件多采用光栅

工作过程当指令脉冲为正而反馈脉冲为负时计数器作加法运算当指令脉冲为负而反馈脉冲为正时计数器作减法运算

计数器的计算结果 当 e＝ F－ Pfgt0 时工作台正向移动 当 e＝ F－ Pflt0 时工作台反向运动 当 e＝ F－ Pf＝ 0 时工作台静止

半闭环数值比较系统结构半闭环数值比较系统结构

762 762 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 常用检测元件是旋转变压器和感应同步器 脉冲调相器（数字相位变化器）将来自数控装置

的进给脉冲信号转换为相位变化信号

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

半闭环数值比较系统结构半闭环数值比较系统结构

762 762 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 常用检测元件是旋转变压器和感应同步器 脉冲调相器（数字相位变化器）将来自数控装置

的进给脉冲信号转换为相位变化信号

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

762 762 相位比较伺服系统相位比较伺服系统 常用检测元件是旋转变压器和感应同步器 脉冲调相器（数字相位变化器）将来自数控装置

的进给脉冲信号转换为相位变化信号

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

763 763 幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统 以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移量的数值

并以此信号作为反馈信号转换为数字信号后与指令信号进行比较从而获得位置偏差构成闭环控制系统

常用检测元件旋转变压器和感应同步器

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

764 764 全数字控制伺服系统全数字控制伺服系统 利用计算机软件实现数控各功能系统中的控制信息

全部用数字量处理

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

77 77 主轴伺服系统主轴伺服系统 提供加工各类工件所需的切削功率主要完成主轴调

速和正反转功能771 直流主轴伺服系统 由速度环和电流环组成双环调速控制直流主轴电机

的电枢电压来进行恒转矩调速

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

772 772 交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统 交流主轴电机一般采用感应式交流伺服电机 感应式交流伺服电机结构简单便宜可靠配合矢量交换控制的主轴驱动装置可以满足数控机床主轴驱动的要求

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势

主轴用交流感应式伺服电机外形多呈多边形与普通感应式电机相比其转子多为带斜槽的铸铝结构在电机轴尾部同轴安装检测用脉冲发生器和脉冲编码器 1 －交流主轴电机 2 －普通

感应式电机 3 －冷却通风孔

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

1 新型主轴电机结构（ 1 ）输出转换型交流主轴电机 在任何刀具切削速度下提供恒定的功率（ 2 ）液体冷却主轴电机 主轴电机输出功率大必须解决散热问题 常采用风扇散热而采用液体冷却能在保持小体积条件下获得更大的输出功率

特点在电机外壳和前端盖中间增加一个独特的油路采用强迫循环的润滑油冷却绕组和轴承

（ 3 ）电主轴 电主轴机床主轴由内装式主轴电机直接驱动从而把

机床主传动链的长度缩短为零实现机床的ldquo零传动rdquo 电主轴系统由内装式电主轴单元驱动控制器编码系

统直流母线能耗制动器和通信电缆组成

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

2 交流主轴电机控制单元 矢量控制是根据异步电机的动态数学模型利用坐标变换

的方法将电机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流模拟直流电机的控制方式对电机的磁场和转矩分别控制使得异步电机的静态特性和动态特性接近于直流电机的性能

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

773 773 主轴准停控制主轴准停控制 主轴准停主轴定向指当主轴停止时能够准确停于某一个固定位置分为机械准停和电气准停

1 机械准停

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

2 电气准停控制（ 1 ）磁传感器准停控制 主轴单元接收准停启动信号后主轴立即减速至准停速度 当主轴到达准停速度且到达准停位置时（磁发生器与磁传感器对准）主轴立即减速至某一爬行速度

当磁感应器信号出现时主轴驱动立即进入以磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制目标位置即为准停位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

（ 2 ）编码器准停控制 由数控系统发出准停启动信号主轴驱动的控制与磁传感器

控制方式相似准停完成后相数控系统发出准停完成信号 编码器准停位置由外部开关量信号设定给数控系统由数控

系统向主轴驱动单元发出准停位置信号 磁传感器控制要调整准停位置只能靠调整磁性元件和磁传感器的相对安装位置实现

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置

（ 3 ） 数控系统准停控制 工作原理与进给位置控制相似准停位置由数控系统内部

设定 由位置传感器把实际位置信号反馈给数控系统数控系统把实际位置信号与指令位置信号进行比较并将差值经 DA 转换后供给主轴驱动装置控制主轴准确停止在指令位置