第5章 数控机床的伺服驱动系统5.1 概述数控机床伺服驱动系统是指以机床移动部件(如工作台、动力头等)的位置和 速度作为控制量的自动控制系统，又称拖动系统。在数控机床上，伺服驱动系统 接收来自插补装置或插补软件生成的进给脉冲指令，经过一定的信号变换及电压、 功率放大，将其转化为机床工作台相对于切削刀具的运动。目前，这主要通过对 交、直流伺服电机或步进电机等进给驱动元件的控制来实现。 数控机床的伺服驱动系统作为一种实现切削刀具与工件间运动的进给驱动和 执行机构，是数控机床的一个重要组成部分，它在很大程度上决定了数控机床的 性能，如数控机床的最高移动速度、跟踪精度、定位精度等一系列重要指标取决 于伺服驱动系统性能的优劣。因此，随着数控机床的发展，研究和开发高性能的 伺服驱动系统，一直是现代数控机床研究的关键技术之一。
7.1 概述闭环进给伺服系统组成位置控制 单元
主要内容 电流控制 速度控制 单元 单元
功放驱动
M
工作台
电流反馈
G
速度反馈
位置反馈
7.1 概述数控机床对进给伺服系统的要求？主要内容 高精度(输出量能复现输入量的精确程度)
稳定性好(抗干扰能力)
响应速度快(系统跟踪精度) 电机调速范围宽(最高转速和最低转速比)
低速大转矩(便于直接驱动) 可靠性高(对环境的适应性)
7.1 概述伺服系统的分类:主要内容
按控制原理和有无检测反馈装置：开环、半闭环、闭环 按被控对象：进给驱动、主轴驱动； 按使用的执行元件：电液、电气伺服(步进、直流、交流、 直线电机);
按反馈比较控制方式分类：脉冲—数字比较伺服系统，相位比较伺服系统 ，幅值比较伺服系统，全数字伺服系统
7.1 概述开环数控系统
功 A相、B相 脉冲频率f f、n 脉冲环 CNC 率 形分配 脉冲个数n 插补指令 放 变换 C相、… 换算 大 机械执行部件
7.1 概述半闭环数控系统位置控制单元
主要内容 速度控制单元+
CNC 插补 指令
+ -
位置控制 调节器
实际 速度 反馈
速度控制 调节与驱动
机械执行部件
实际 位置 反馈
电 机
检测与反馈 单元
7.1 概述闭环数控系统位置控制单元主要内容 速度控制单元 CNC 插补 指令
+ 实际 位置 反馈
位置控制 调节器
+
实际 速度 反馈 检测与反馈 单元
速度控制 调节与驱动
机械执行部件
7.1 概述伺服电机是速度和轨迹控制的执行元件。
数控机床中常用伺服电机？各自特点？直流伺服电机(良好的调速性能) 交流伺服电机(调速性能接近直流，成为目前 数控应用的主流产品) 步进电机(
适于中低速、轻载、负荷较稳定) 直线电机(高速、高精度)
5.2步进电动机 1.步进电动机的结构与工作原理 步进电动机按其工作原理主要可分为永磁式(PM)、反 应式(VR)和混合式(HB)三大类，这里只介绍常用的反 应式步进电动机的工作原理。三相反应式步进电动机的工作 原理如图4-12所示，其中步进电动机的定子上有6个齿，其上 分别缠有U、V、W三相绕组，构成三对磁极；转子上则均匀 分布着4个齿。步进电动机采用直流电源供电。当U、V、W 三相绕组轮流通电时，通过电磁力的吸引，步进电动机转子 一步一步地旋转。
图4-12 步进电动机运动原理图
工作原理： 当第一个脉冲通入A相时，磁通企图沿着磁阻最小的路 径闭合，在此磁场力的作用下，转子的1、3齿要和A级对齐。 当下一个脉冲通入B相时，磁通同样要按磁阻最小的路径闭 合，即2、4齿要和B级对齐，则转子就顺逆时针方向转动一 定的角度。
假设U相绕组首先通电，则转子上、下两齿被磁场吸 住，转子就停留在U相通电的位置上。然后U相断电，V相 通电，则磁极U的磁场消失，磁极V产生了磁场，磁极V的 磁场把离它最近的另外两齿吸引过去，停止在V相通电的位 置上，这时转子逆时针转了30°。随后V相断电，W相通电， 根据同样的道理，转子又逆时针转了30°,停止在W相通 电的位置上。若再U相通电，W相断电，那么转子再逆转 30°。定子各相轮流通电一次，转子转一个齿。步进电 动机绕组按U→V→W→U→V→W→U…依次轮流通电，步 进电动机转子就一步步地按逆时针方向旋转。反之，如果 步 进 电 动 机 按 倒 序 依 次 使 绕 组 通 电 ， 即 U→W→V→U→W→V→U…则步进电动机将按顺时针方向 旋转。
步进电动机绕组每次通断电使转子转过的角度称之 为步距角。上述分析中的步进电动机步距角为30°。对
于一个真实的步进电动机，为了减少每通电一次的转角，在转子和定子上开有很多定分的小齿。其中定子的三相 绕组铁心间有一定角度的齿差，当U相定子小齿与转子
小齿对正时，V相和W相定子上的齿则处于错开状态，如图4-13所示。真实步进电动机的工作原理与上同，只 是步距角是小齿距夹角的1/3。
转 子 ( 40 齿 )
图4-13 三相反应式步进电动机 齿距角αz:转子相邻两齿的夹角
Z
360 Z
Z:转子的齿数
2.步进电动机的通电方式 如果步进电动机绕组的每一次通断电操作(每改变一次通 电方式)称为一拍。每拍中只有一相绕组通电，其余绕组断电， 则这种通电方式称为单相通电方式。三相步进电动机的单相 通电方式称为三相单三拍通电方式。 如果步进电
动机通电循环的每拍中都有两相绕组通电， 则这种通电方式称为双相通电方式。三相步进电动机采用双 相通电方式时，称为三相双三拍通电方式。 如果步进电动机通电循环的各拍中交替出现单、双相通 电状态，则这种通电方式称为单双相轮流通电方式。三相步 进电动机采用单双相轮流通电方式时，每个通电循环中共有 六拍，因而又称为三相六拍通电方式。
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