2009-7-27
第 3 章 数控伺服系统
2009-7-27
3.1 概 述伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。它接受来自数控装置的进给指令信号，
经变换、调节和放大后驱动执行件，转化为直线或旋转运动。伺服系统是数控装置 (计算机 )和机床的联系环节，是数控机床的重要组成部分。
数控机床伺服系统又称为位置随动系统、驱动系统、伺服机构或伺服单元。
该系统包括了大量的电力电子器件，结构复杂，
综合性强 。
2009-7-27
进给伺服系统是数控系统主要的子系统。如果说
C装置是数控系统的“大脑”，是发布“命令”的“
指挥所”，那么进给伺服系统则是数控系统的“四肢”，是一种“执行机构”。它忠实地执行由 CNC
装置发来的运动命令，精确控制执行部件的运动方向，进给速度与位移量。
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1．精度高,
伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。包括定位精度和轮廓加工精度。
2,稳定性好,
稳定是指系统在给定输入或外界干扰作用下,能在短暂的调节过程后,达到新的或者恢复到原来的平衡状态 。 直接影响数控加工的精度和表面粗糙度 。
3,快速响应,
快速响应是伺服系统动态品质的重要指标,它反映了系统的跟踪精度 。
4,调速范围宽,
调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比 。 0～ 24m / min。
5,低速大转矩,
进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制,在整个速度范围内都要保持这个转矩；主轴坐标的伺服控制在低速时为恒转矩控制,能提供较大转矩 。 在高速时为恒功率控制,具有足够大的输出功率 。
3.1.1对伺服系统的基本要求
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3.1.2 伺服系统的组成位置调解 速度调解 电流调解 转换驱动 工作台电流反馈速度反馈位置反馈
M
G
位置、速度和电流环均由：调节控制模块、检测和反馈部分组成。电力电子驱动装置由驱动信号产生电路和功率放大器组成。
严格来说：位置控制包括位置、速度和电流控制；速度控制包括速度和电流控制。
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组成,伺服电机驱动信号控制转换电路电子电力驱动放大模块位置调节单元速度调节单元电流调节单元检测装置一般闭环系统为三环结构,位置环、速度环、电流环。
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1,按调节理论分类
（ 1） 开环伺服系统
（ 2） 闭环伺服系统
（ 3） 半闭环伺服系统
3.1.3 伺服系统的分类指令驱动电路 步进电机 工作台脉冲伺服电机速度检测速度控制位置控制 位置检测伺服电机速度控制位置控制工作台脉冲编码器指令
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– 开环数控系统
没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置
→ 进给系统），故系统稳定性好。
电机机械执行部件
A相,B
相
C相,…
f,nCNC
插补指令脉冲频率 f
脉冲个数 n
换算脉冲环形分配变换功率放大
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– 无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度。
– 一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。
– 这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高
、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般用于经济型数控机床。
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– 半闭环数控系统
半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置 (常用伺服电机 )或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置
。
位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元 速度控制单元
++
- -
电机机械执行部件
CNC
插补指令实际位置反馈实际速度反馈
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半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节
，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。
由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除。因此，其精度较闭环差，较开环好。
但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。
半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在现代 CNC机床中得到了广泛应用。
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– 全闭环数控系统
全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，
直接对运动部件的实际位置进行检测。
位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元 速度控制单元
++
- -
电机机械执行部件
CNC
插补指令实际位置反馈实际速度反馈
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从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。
由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、
刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。
该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。
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2,按使用的执行元件分类
（ 1） 电液伺服系统 电液脉冲马达和电液伺服马达 。
优点：在低速下可以得到很高的输出力矩,刚性好,时间常数小,反应快和速度平稳 。
缺点：液压系统需要供油系统,体积大 。 噪声,漏油 。
（ 2） 电气伺服系统 伺服电机 （ 步进电机,直流电机和交流电机 ）
优点：操作维护方便,可靠性高 。
1） 直流伺服系统 进给运动系统采用大惯量宽调速永磁直流伺服电机和中小惯量直流伺服电机；主运动系统采用他激直流伺服电机 。 优点：调速性能好 。 缺点：有电刷,速度不高
。
2） 交流伺服系统 交流感应异步伺服电机 （ 一般用于主轴伺服系统 ） 和永磁同步伺服电机 （ 一般用于进给伺服系统 ） 。
优点：结构简单,不需维护,适合于在恶劣环境下工作 。
动态响 应好,转速高和容量大 。
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3,按被控对象分类
（ 1） 进给伺服系统 指一般概念的位置伺服系统,包括速度控制环和位置控制环 。
（ 2） 主轴伺服系统 只是一个速度控制系统 。
C 轴控制功能 。
4,按反馈比较控制方式分类
（ 1） 脉冲,数字比较伺服系统
（ 2） 相位比较伺服系统
（ 3） 幅值比较伺服系统
（ 4） 全数字伺服系统
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3.2 伺服元件的驱动元件伺服电动机 为数控伺服系统的重要组成部分,是速度和轨迹控制的执行元件 。
数控机床中常用的伺服电机,
直流伺服电机 （ 调速性能良好 ）
交流伺服电机 （ 主要使用的电机 ）
步进电机 （ 适于轻载,负荷变动不大 ）
直线电机 （ 高速,高精度 ）
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3.2.1 步进电机一、步进电机的分类按力矩产生的原理分 1.反应式步进电机
2.激磁式步进电机按输出力矩大小分 1.伺服式步进电机
2.功率式步进电机按定子数分 1.单定子式 2.双定子式
3.三定子式步进电机 4.多定子式步进电机按各相绕组分布分,
1.径向分相式,电机各相按圆周依次排列
2.轴向分相式,电机各相按轴向依次排列
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1、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。
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若通电脉冲的次序为 A,C,B,A…,则不难推出，转子将以顺时针方向一步步地旋转。这样
，用不同的脉冲通入次序方式就可以实观对步进电动机的控制。
脉冲的数量控制电机的转角；脉冲的频率控制电机的转速；脉冲的通入次序控制电机的方向。
定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍。上述的通电方式称为三相单三拍。所谓“单”是指每次只有一相绕组通电；所谓“三拍”是指经过三次切换控制绕组的通电状态为一个循环。
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式中 为步距角； 为转子上的齿数 ；
为步进电动机运行的拍数。
同一台步进电动机，因通电方式不同，
运行时步距角也是不同的
Zm
0360
Z m
2,性能参数
步距角
步进电动机走一步所转过的角度称为步距角，
可按下面公式计算
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小结,
1.步进电机受脉冲电流控制，转子的角位移正比于输入脉冲的数量转子的角速度正比于输入脉冲的频率转子的旋转方向取决于定子绕组的通电顺序
2.步进电机有一定的步距误差,但没有累计误差
3.若维持控制绕组的电流不变,则步进电机就可停在某一位置不动
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永磁式直流电机 （ 有槽,无槽,
杯型,印刷绕组 ）
励磁式直流电机混合式直流电机无刷直流电机直流力矩电机永磁式直流电机类型中的有槽电枢永磁直流电机 （ 普通型 ） ；
励磁式直流电机类型中的他激直流电机 。
3.2.2 直流伺服电机常用的直流电动机有：
直流进给伺服系统：
直流主轴伺服系统：
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1．直流伺服电机的结构极靴机壳 瓦状永磁材料（定子）
电枢（转子）
换向极主磁极定子转子线圈图 3.5永磁直流伺服电机的结构 图 3.6直流主轴电机结构示意图
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(1) 永磁直流伺服电机的性能特点
1) 低转速大惯量
2) 转矩大
3) 起动力矩大
4) 调速泛围 大,低速运行平稳,力矩波动小
(2) 永磁直流伺服电机性能用特性曲线和数据表描述
1) 转矩 -速度特性曲线 （ 工作曲线 ）
2) 负载 -工作周期曲线过载倍数 Tmd,负载工作周期比 d。
3) 数据表,N,T,时间常数、转动惯量等等。
2．永磁直流伺服电机的工作特性
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直流伺服电机的缺点：
◆ 它的电刷和换向器易磨损；
◆ 电机最高转速的限制,应用环境的限制；
◆ 结构复杂,制造困难,成本高 。
交流伺服电机的优点：
◆ 动态响应好；
◆ 输出功率大,电压和转速提高交流伺服电机形式：
◆ 同步型交流伺服电机和
◆ 异步型交流感应伺服电机 。
3.2.3 交流伺服电机
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交流同步伺服电机的种类：
励磁式、永磁式、磁阻式和磁滞式
（ 1）永磁交流同步伺服电机的结构
1．永磁交流同步伺服电机的结构和工作原理
V
S
定 子 转子 脉冲编码器定子三相绕组 接线盒图 3﹒ 7 永磁交流同步伺服电机结构
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图 3﹒ 8 永磁交流同步伺服电机结构
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（ 1） 永磁交流同步伺服电机的发展
① 新永磁材料的应用 钕铁硼
② 永久磁铁的结构改革 内装永磁交流同步伺服电机
③ 与机床部件一体化的电机 空心轴永磁交流同步伺服电机
（ 2） 交流主轴伺服电机的发展
① 输出转换型交流主轴电机三角 -星形切换,绕组数切换或二者组合切换 。
② 液体冷却电机
③ 内装式主轴电机
2、交流伺服电机的发展
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3.3 步进式伺服系统
3.4 鉴相式伺服系统
3.5 鉴幅式伺服系统
3.6 脉冲比较式伺服系统
3.7 CNC数字伺服系统
第 3 章 数控伺服系统
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3.1 概 述伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。它接受来自数控装置的进给指令信号，
经变换、调节和放大后驱动执行件，转化为直线或旋转运动。伺服系统是数控装置 (计算机 )和机床的联系环节，是数控机床的重要组成部分。
数控机床伺服系统又称为位置随动系统、驱动系统、伺服机构或伺服单元。
该系统包括了大量的电力电子器件，结构复杂，
综合性强 。
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进给伺服系统是数控系统主要的子系统。如果说
C装置是数控系统的“大脑”，是发布“命令”的“
指挥所”，那么进给伺服系统则是数控系统的“四肢”，是一种“执行机构”。它忠实地执行由 CNC
装置发来的运动命令，精确控制执行部件的运动方向，进给速度与位移量。
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1．精度高,
伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。包括定位精度和轮廓加工精度。
2,稳定性好,
稳定是指系统在给定输入或外界干扰作用下,能在短暂的调节过程后,达到新的或者恢复到原来的平衡状态 。 直接影响数控加工的精度和表面粗糙度 。
3,快速响应,
快速响应是伺服系统动态品质的重要指标,它反映了系统的跟踪精度 。
4,调速范围宽,
调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比 。 0～ 24m / min。
5,低速大转矩,
进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制,在整个速度范围内都要保持这个转矩；主轴坐标的伺服控制在低速时为恒转矩控制,能提供较大转矩 。 在高速时为恒功率控制,具有足够大的输出功率 。
3.1.1对伺服系统的基本要求
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3.1.2 伺服系统的组成位置调解 速度调解 电流调解 转换驱动 工作台电流反馈速度反馈位置反馈
M
G
位置、速度和电流环均由：调节控制模块、检测和反馈部分组成。电力电子驱动装置由驱动信号产生电路和功率放大器组成。
严格来说：位置控制包括位置、速度和电流控制；速度控制包括速度和电流控制。
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组成,伺服电机驱动信号控制转换电路电子电力驱动放大模块位置调节单元速度调节单元电流调节单元检测装置一般闭环系统为三环结构,位置环、速度环、电流环。
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1,按调节理论分类
（ 1） 开环伺服系统
（ 2） 闭环伺服系统
（ 3） 半闭环伺服系统
3.1.3 伺服系统的分类指令驱动电路 步进电机 工作台脉冲伺服电机速度检测速度控制位置控制 位置检测伺服电机速度控制位置控制工作台脉冲编码器指令
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– 开环数控系统
没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置
→ 进给系统），故系统稳定性好。
电机机械执行部件
A相,B
相
C相,…
f,nCNC
插补指令脉冲频率 f
脉冲个数 n
换算脉冲环形分配变换功率放大
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– 无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度。
– 一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。
– 这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高
、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般用于经济型数控机床。
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– 半闭环数控系统
半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置 (常用伺服电机 )或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置
。
位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元 速度控制单元
++
- -
电机机械执行部件
CNC
插补指令实际位置反馈实际速度反馈
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半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节
，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。
由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除。因此，其精度较闭环差，较开环好。
但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。
半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在现代 CNC机床中得到了广泛应用。
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– 全闭环数控系统
全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，
直接对运动部件的实际位置进行检测。
位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元 速度控制单元
++
- -
电机机械执行部件
CNC
插补指令实际位置反馈实际速度反馈
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从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。
由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、
刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。
该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。
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2,按使用的执行元件分类
（ 1） 电液伺服系统 电液脉冲马达和电液伺服马达 。
优点：在低速下可以得到很高的输出力矩,刚性好,时间常数小,反应快和速度平稳 。
缺点：液压系统需要供油系统,体积大 。 噪声,漏油 。
（ 2） 电气伺服系统 伺服电机 （ 步进电机,直流电机和交流电机 ）
优点：操作维护方便,可靠性高 。
1） 直流伺服系统 进给运动系统采用大惯量宽调速永磁直流伺服电机和中小惯量直流伺服电机；主运动系统采用他激直流伺服电机 。 优点：调速性能好 。 缺点：有电刷,速度不高
。
2） 交流伺服系统 交流感应异步伺服电机 （ 一般用于主轴伺服系统 ） 和永磁同步伺服电机 （ 一般用于进给伺服系统 ） 。
优点：结构简单,不需维护,适合于在恶劣环境下工作 。
动态响 应好,转速高和容量大 。
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3,按被控对象分类
（ 1） 进给伺服系统 指一般概念的位置伺服系统,包括速度控制环和位置控制环 。
（ 2） 主轴伺服系统 只是一个速度控制系统 。
C 轴控制功能 。
4,按反馈比较控制方式分类
（ 1） 脉冲,数字比较伺服系统
（ 2） 相位比较伺服系统
（ 3） 幅值比较伺服系统
（ 4） 全数字伺服系统
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3.2 伺服元件的驱动元件伺服电动机 为数控伺服系统的重要组成部分,是速度和轨迹控制的执行元件 。
数控机床中常用的伺服电机,
直流伺服电机 （ 调速性能良好 ）
交流伺服电机 （ 主要使用的电机 ）
步进电机 （ 适于轻载,负荷变动不大 ）
直线电机 （ 高速,高精度 ）
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3.2.1 步进电机一、步进电机的分类按力矩产生的原理分 1.反应式步进电机
2.激磁式步进电机按输出力矩大小分 1.伺服式步进电机
2.功率式步进电机按定子数分 1.单定子式 2.双定子式
3.三定子式步进电机 4.多定子式步进电机按各相绕组分布分,
1.径向分相式,电机各相按圆周依次排列
2.轴向分相式,电机各相按轴向依次排列
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1、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。
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若通电脉冲的次序为 A,C,B,A…,则不难推出，转子将以顺时针方向一步步地旋转。这样
，用不同的脉冲通入次序方式就可以实观对步进电动机的控制。
脉冲的数量控制电机的转角；脉冲的频率控制电机的转速；脉冲的通入次序控制电机的方向。
定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍。上述的通电方式称为三相单三拍。所谓“单”是指每次只有一相绕组通电；所谓“三拍”是指经过三次切换控制绕组的通电状态为一个循环。
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式中 为步距角； 为转子上的齿数 ；
为步进电动机运行的拍数。
同一台步进电动机，因通电方式不同，
运行时步距角也是不同的
Zm
0360
Z m
2,性能参数
步距角
步进电动机走一步所转过的角度称为步距角，
可按下面公式计算
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小结,
1.步进电机受脉冲电流控制，转子的角位移正比于输入脉冲的数量转子的角速度正比于输入脉冲的频率转子的旋转方向取决于定子绕组的通电顺序
2.步进电机有一定的步距误差,但没有累计误差
3.若维持控制绕组的电流不变,则步进电机就可停在某一位置不动
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永磁式直流电机 （ 有槽,无槽,
杯型,印刷绕组 ）
励磁式直流电机混合式直流电机无刷直流电机直流力矩电机永磁式直流电机类型中的有槽电枢永磁直流电机 （ 普通型 ） ；
励磁式直流电机类型中的他激直流电机 。
3.2.2 直流伺服电机常用的直流电动机有：
直流进给伺服系统：
直流主轴伺服系统：
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1．直流伺服电机的结构极靴机壳 瓦状永磁材料（定子）
电枢（转子）
换向极主磁极定子转子线圈图 3.5永磁直流伺服电机的结构 图 3.6直流主轴电机结构示意图
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(1) 永磁直流伺服电机的性能特点
1) 低转速大惯量
2) 转矩大
3) 起动力矩大
4) 调速泛围 大,低速运行平稳,力矩波动小
(2) 永磁直流伺服电机性能用特性曲线和数据表描述
1) 转矩 -速度特性曲线 （ 工作曲线 ）
2) 负载 -工作周期曲线过载倍数 Tmd,负载工作周期比 d。
3) 数据表,N,T,时间常数、转动惯量等等。
2．永磁直流伺服电机的工作特性
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直流伺服电机的缺点：
◆ 它的电刷和换向器易磨损；
◆ 电机最高转速的限制,应用环境的限制；
◆ 结构复杂,制造困难,成本高 。
交流伺服电机的优点：
◆ 动态响应好；
◆ 输出功率大,电压和转速提高交流伺服电机形式：
◆ 同步型交流伺服电机和
◆ 异步型交流感应伺服电机 。
3.2.3 交流伺服电机
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交流同步伺服电机的种类：
励磁式、永磁式、磁阻式和磁滞式
（ 1）永磁交流同步伺服电机的结构
1．永磁交流同步伺服电机的结构和工作原理
V
S
定 子 转子 脉冲编码器定子三相绕组 接线盒图 3﹒ 7 永磁交流同步伺服电机结构
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图 3﹒ 8 永磁交流同步伺服电机结构
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（ 1） 永磁交流同步伺服电机的发展
① 新永磁材料的应用 钕铁硼
② 永久磁铁的结构改革 内装永磁交流同步伺服电机
③ 与机床部件一体化的电机 空心轴永磁交流同步伺服电机
（ 2） 交流主轴伺服电机的发展
① 输出转换型交流主轴电机三角 -星形切换,绕组数切换或二者组合切换 。
② 液体冷却电机
③ 内装式主轴电机
2、交流伺服电机的发展
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3.3 步进式伺服系统
3.4 鉴相式伺服系统
3.5 鉴幅式伺服系统
3.6 脉冲比较式伺服系统
3.7 CNC数字伺服系统
