第四章 进给伺服系统
第一节 概述
第二节 开环伺服系统
第三节 闭环伺服系统
提
要
?本章介绍进给伺服系统的 构成及工作原理,
叙述 步进电机, 直流伺服电机, 交流伺服电
机 等伺服驱动元件的 结构及调速方法, 阐述
开环伺服系统, 闭环伺服系统的构成及控制
原理 。
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提要第四章 进给伺服系统
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目
标
掌握伺服系统的功能, 分类及其特点：数控机床
对伺服系统的要求
掌握开环伺服系统的组成及工作原理
步进电机的工作原理, 脉冲分配方式, 驱动电源
的类型及工作原理
掌握感应同步器, 光栅等检测元件的工作原理
掌握直流伺服电机位置控制原理
了解交流伺服电机位置控制原理
了解提高步进开环伺服系统精度的措施
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目标第四章 进给伺服系统
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建
议
?本章内容既有理论分析, 又有实验
研究, 同时还涉及设计计算方法 。 学
习中, 应特别注意各种 伺服驱动元件
的调速方法和调速原理, 了解各种驱
动元件之间的性能比较及其应用场合 。
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建议第四章 进给伺服系统
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第四章 进给伺服系统
?第一节 概述
一、作用
? 以 位臵 和 速度 作为控制量的 自动控制系统
? CNC装臵与机床的 联系环节
? 其性能直接决定和影响 CNC系统的 快速性,
稳定性, 精确性
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第一节 概述
?
? 指令信息 动作
? 位置、速度 位移、速度
CNC 伺服系统 机床
第四章 进给伺服系统
步进伺服系统
伺服系统构成
CNC 步进电机驱动放大
工作台
返回
一,构成
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二,要求
第四章 进给伺服系统
准确、可靠地执行指令
调速范围宽 -----10000,1以上，且稳定性好
带负载能力强 ------ 负载特性硬；足够大的加（减）速力矩
动态响应快 ----- 快速跟随指令脉冲，可频繁起、停、反向；
尽快消除负载扰动
误差无累积
位臵精度高
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开环进给伺服系统
闭环进给伺服系统
半闭环进给伺服系统
CN C
伺服驱动电路（系统） 机械传动及执行部件
位置控
制电路
电流反馈
伺服驱动装置
D,C或
A,C
速
度
反
馈
位
置
反
馈
半闭环伺服驱动装置
速度倥制电路
置装测检置位
CNC
伺服驱动电路 伺服驱动装置
伺服
驱动
电路
步进
电机
指令脉冲
机械传动及执行部件
Z 2
Z 1
t
σ,x
开环进给伺服系统
位置检测装置
伺服驱动电路（系统） 机械传动及执行部件
位置控
制电路
电流反馈
伺服驱动装置
D,C或
A,C
速
度
反
馈
位
置
反
馈
闭环伺服驱动装置
速度倥制电路
三,分类
第四章 进给伺服系统
返回
按
有
无
反
馈
分
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三,分类
按
控
制
信
号
分
按
控
制
元
件
分
数字伺服系统
模拟伺服系统
数字模拟混合伺服系统
步进伺服系统
直流伺服系统
交流伺服系统
第四章 进给伺服系统
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第一节 概述
习 题
第四章 进给伺服系统
1.数控机床对伺服驱动系统有哪些要求？
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(1) 调速范围宽并有良好的稳定性, 尤其是低速时的平稳性；
(2) 负载特性硬, 即使在低速时也应有足够的负载能力；
(3) 动态响应速度快；
(4) 高的位移精度；
(5) 能够频繁地启动；
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2,伺服系统 按 有无反馈 可分为 ————————————————、
————————————————,——————————————————三类。
习 题
开环进给伺服系统
闭环进给伺服系统 半闭环进给伺服系统
3,伺服系统 按 控制信号 可分为 ————————————————、
————————————————,——————————————————三类。
数字伺服系统
模拟伺服系统 数字模拟混合伺服系统
第一节 概述
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4,伺服系统 按 控制元件 可分为 ————————————————、
————————————————,——————————————————三类。
第一节 概述
习 题
步进伺服系统
直流伺服系统 交流伺服系统
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第二节 开环伺服系统
? 一、组成
伺服驱动单元、执行元件、传动机构
二、步进电机
将 电脉冲 转变成 机械角位移 的装置
第四章 进给伺服系统
CNC 步进电机驱动放大
工作台
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1.分类
第四章 进给伺服系统
?按 输出转矩 分,快速 步进电机, 功率 步进电机。
?按 励磁相数 分,三相, 四相, 五相, 六相, 八相 等
?按 工作原理 分,反应式, 激磁式, 混合式 （ 永磁反应式 ）
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2.步进电机的结构
第四章 进给伺服系统
?步进电机由 转子 和 定子 两部分组成
定子 上有绕组分为 若干相, 每相 磁极上有 极齿 。
左图为 三相 定子,AA’,BB’,CC’
A,B,C三相每相两极，
每极上五个齿
1) 定子
五个极齿
2.步进电机的结构
第四章 进给伺服系统
定子上线圈的绕法
A相
B相
C相
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2.步进电机的结构
2) 转子
第四章 进给伺服系统
转子 上有 均匀分布 的
齿，没有绕组。
转子齿 间夹角为 9o
左图为一转子示意图：
以 四十齿 为例来说明
步进电机的原理
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3,步进电机的实物图
第四章 进给伺服系统
3,步进电机的实物图
第四章 进给伺服系统
3,步进电机的实物图
第四章 进给伺服系统
3,步进电机的实物图
第四章 进给伺服系统
3,步进电机的实物图
第四章 进给伺服系统
3,步进电机的实物图
第四章 进给伺服系统
3,步进电机的实物图
第四章 进给伺服系统
3,步进电机的实物图
第四章 进给伺服系统
3,步进电机的实物图
第四章 进给伺服系统
3,步进电机的实物图
第四章 进给伺服系统
4.工作原理
A相
转子
9 o
B相
转子
3 o
C相
转子
6 o
如果 A相通电则转子齿与 A相极齿对齐，这时在 B相两极下
定子齿与转子齿中心线并不对齐，而是转子齿中心线较定
子齿中心线反时针方向 落后 1/3齿 距，即 3o。
因此，当通电状态由 A相变为 B相时，转子顺时针方向
转过 3o,C相通电再转 3o。
C相下，转子齿超前 6o。
第四章 进给伺服系统
4.工作原理
第四章 进给伺服系统
三拍 通电激磁，步距角 α= = 3o3 40
063
1,,
一般 α=
m——绕组相数；
Z——转子齿数，单拍 k=1,双拍 k=2。
mzk063
六拍 通电激磁，步距角 α= = 1.5o3 40 2,, 063
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4.工作原理
第四章 进给伺服系统
定子绕组 通断电顺序 → 转子 转向
定子绕组 通断电转换频率 → 转子 转速
定子绕组 通断电次数 → 转子 转角
三相单三拍 A →B →C →A （ K=1）
三相双三拍 AB →BC →CA →AB （ K=1）
三相六拍 A →AB →B →BC →C →CA →A （ K=2）
? 通断电方式
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步进电机原理动画演示,e x e
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5.主要控制特性
第四章 进给伺服系统
最高工作频率（ fmax）
加减速特性
启动矩频特性
运行矩频特性
启动频率（ fst）
步距角（ θ ） 及步距误差
0 4 8 12 16
1
2
3
f/ 10
3
Hz
步进电机的转矩- -频 率特性
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1) 步距角（ θ ） 及步距误差
步距角 是两个 相临脉冲时间 内 转子 转过的角度,一般来
说 步距角越小,控制越精确。
第四章 进给伺服系统
5.主要控制特性
步距误差 直接影响执行部件的 定位精度,
步进电动机单相通电时,步距误差 取决于 定子和转子 的 分齿
精度,和各相定子 错位角度的精度 。
多相通电时,其不仅与上述因素有关,还和 各相电流大小,磁
路性能 有关。
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2）最高启动频率
第四章 进给伺服系统
5.主要控制特性
空载时,步进电机由 静止突然启动,并 不失步 的进入稳速
运行，所允许的 启动频率的最高值 为 最高启动频率,
启动频率 大于比值时步进电机不能正常工作,最高启动频率 与
步进电机的 惯性负载有关,
Md / Nm
f /H z
16*1000
0
1
2
3
4
4 8 12
3）最高工作频率
步进电机工作频率连续上升时，电动机不失步运行的最
高频率称为 最高工作频率 。
它的值也和 负载 有关。很显然，在同样负载下,最高工
作频率远大于己于启动频率,
第四章 进给伺服系统
5.主要控制特性
在 连续运行状态 下，步进电机的 电磁力矩 随 频率 的 升高 而
急剧下降,这两者的关系称为 矩频特性,
4）矩频特性
第四章 进给伺服系统
5.主要控制特性
4）矩频特性 1
2
3
4
0
500 1000 1500
六拍
单三拍
双三拍
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6.步进电机的选择
第四章 进给伺服系统
1)步进电机选择原则：
① 步矩角 ?与机械系统相匹配，以得到系统所需的 ?
② 保证电机 输出转矩,大于负载所需转矩
③ 能与机械系统的负载 惯量相匹配
为使电机具有良好的 起动 性能及较快的 响应 速度
推荐 Jleq/Jm<=4
式中 Jleq为系统 等效负载 转动惯量
Jm 为 电机 转动惯量
④ 电机 运行速度 和 最高工作频率 能满足工作台切削加工
和快移要求。
? = ? ? t/360i
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2)步进电机选择步骤
第四章 进给伺服系统
① 初定步进电机 步距角,计算 减速比,确定 齿轮副
初选步进电机型号，根据其工作方式，初定步距角 ?
i=Z1/Z2= ?? t / 360 ?
?确定齿轮副齿数时，尽量选择 一级降速 ;
?若需二级，则 降速比大的 齿轮副应 远离电机,
以利于提高传动系统的刚度和精度。 下一页上一页
θ,步进电机步距角,(o)/脉冲
t, 滚珠丝杆导程, mm
δ,脉冲当量, mm/脉冲
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第四章 进给伺服系统
② 计算惯量
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2)步进电机选择步骤
设 传动系统 如右图所示：
伺服系统总惯量 JG为
JG=Jm+Jleq
式中,Jm ——步进电机 转子转动惯量
Jleq ——换算到电机轴上的 等效负载转动惯量
J leq =∑ J i ( ) + ∑ M j ( ) kg m
nm
i-1 j-1
2 2
2n i
n m
V j
mnπ2
第四章 进给伺服系统
2)步进电机选择步骤
② 计算惯量
J leq =∑ J i ( ) + ∑ M j ( ) kg m
nm
i-1 j-1
2 2
2n i
n m
V j
mnπ2
nm —— 步进 电机速度 r/min
ni —— 第 i个 转动部件的转速 r/min
Ji —— 第 i个转动部件的 转动惯量 kg, m2
Vj —— 第 j个移动部件的 移动速度 m/min
Mj —— 第 j个移动部件的 质量 kg
② 计算惯量
第四章 进给伺服系统
2)步进电机选择步骤
i,图示的 一级 齿轮减速系统
n z1
n z2
n m
n z2
V=nz2, t
式中 V——工作台移动速度 m/min
t——丝杆导程 m
② 计算惯量
第四章 进给伺服系统
2)步进电机选择步骤
式中 Jz1 —— 齿轮 1的转动惯量 kg, m2
Jz2 —— 齿轮 2的转动惯量 kg, m2
Js —— 丝杆 2的转动惯量 kg, m2
Mw—— 工作台的质量 kg
2 2 222
12 ( ) ( ) ( )2
wzz
l e q z z s w
m m m
Vnn
J J J J M
n n n?
? ? ? ?
2
12 2 2 2 2
2
2
11
4
1
1 [ 2 ]
24
w
z z s
w
Mt
J J J
i i i
Mt
J z J z J s
i
?
?
? ? ? ?
? ? ? ?
② 计算惯量
第四章 进给伺服系统
2)步进电机选择步骤
其中,齿轮、丝杆的 转动惯量 （ J） 可按圆柱体转动惯量计算
7,8 1 0 -1 3 D 4 LKg/cm3
式中 D ——齿轮分度圆直径或丝杆名义直径 mm
L ——齿轮宽度或丝杆长度 mm
γ——材料比重 kg/cm3
② 计算惯量
第四章 进给伺服系统
2)步进电机选择步骤
ii,对下图所示的 二级 齿轮减速系统
M
Z1
Z2
Z3
Z4
V w
FL uM
2
1
1
,Zi Z? 4
2
3
,Zi Z?
1
2
2 3 42 2 2 2
1 1 2
11[ ] [ ]
4
w
l e q z z z z s
MtJ J J J J J
i i i ?
? ? ? ? ? ?
③ 计算转矩
系统所需转矩包括 加速转矩 和 等效负载转矩
i,快速空载启动时所需转矩 M
M = Mamax+Mf
式中,
Mamax ——快速空载启动时 产生最大加速度 所需转矩 N?m
Mf ——克服摩擦力 所需转矩 N?m
2)步进电机选择步骤
第四章 进给伺服系统
③ 计算转矩
2)步进电机选择步骤
第四章 进给伺服系统
由 动力学 知：
m a x
()to
aM J J T
??? ?? ? ? ?
式中, J——系统总惯量 N·m·s2
ε——步进电机转子的 角加速度 r/s2
ωo——初速度 r/s
ωt——末速度 r/s
T ——加速时间 s
③ 计算转矩
2)步进电机选择步骤
第四章 进给伺服系统
?对于空载启动时 ω0=0,T为升速 时间常数，则 ωt为升速
T秒后电机的角速度此时的 等效负载转矩 主要是 T作台移
动的 磨擦力 引起的。
2
2 1000
w
f
m
V
M W N m
n
t
W N m
i
?
?
?
?
? ? ? ?
? ? ? ?
?
式中 μ工作台与导轨之间的 磨擦系数
W为工作台和工件的 总重量 N
③ 计算转矩
2)步进电机选择步骤
第四章 进给伺服系统
2
2 1000
w
f
m
V
M W N m
n
t
W N m
i
?
?
?
?
? ? ? ?
? ? ? ?
?
式中 μ工作台与导轨之间的 磨擦系数
W为工作台和工件的 总重量 N
Nm为 电机转速 r/min
t 为 丝杆导程 mm
Vw为工作台的 移动速度 m/min
③ 计算转矩
2)步进电机选择步骤
第四章 进给伺服系统
ii,最大切削力时所需转矩 M
为了安全，此时不仅要考虑 最大切削力,而且还应考虑在切
削过程中产生相庆加速度所需转矩，这时所需 转矩 M为：
a t f tM M M M? ? ?
式中 Mat为切削时 产生加速度所需加速转矩 N·m
Mf为 克服磨擦所需转矩 N·m
Mt为 克服切削力所需转矩 N·m
③ 计算转矩
2)步进电机选择步骤
第四章 进给伺服系统
设与运动方向相反的最大切削力为,垂直于等轨的
切削分力为 。
()LFN
()Fg N
则：
2
()
2
[ ( ) ]
2
tL
g
a t L g
t
MF
i
t
M f w F
i
t
M M F W F N m
i
?
?
?
?
?
??
?
? ? ?
?
? ? ? ? ?于是
返回
第四章 进给伺服系统
④ 计算步进电机运行频率
?工作台 快速空载速度 Vmax? 电机 最高工作频率 fmax
?工作台 工作进给时的 最低速度 Vmin? 电机 最小运行频率 fmin
?工作台 工作进给时的 最高速度 VF ? 电机 最大运行频率 fF
?伺服系统在 fmin – fF 范围内可用 软件实现无级调速
步进电机运行频率 f ( Hz)
f= V / 60?
式中,V ——工作台进给速度 mm/min
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2)步进电机选择步骤
返回
⑤ 确定步进电机型号
第四章 进给伺服系统
根据步进电机 最高工作频率 fmax和正常工作 进给频率 fmin~fF，
以及 快速空载启动 和 最大切削力 时所需 转矩,选择步进电机
型号，主要从两方面考虑,
ⅰ ) 步进电机 启动矩频特性 定否能满足要求
查电机 启动矩频特性曲线,得到对应于 最高工作频率 fmax，
电机能提供的 启动力矩 Mq。 若 Mq 大于 计算出 的快速空载启动
所需 力矩,则说明所选步进电机能满足快速空载启动时所需启
动力矩要求。
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2)步进电机选择步骤
返回
ⅱ) 步进电机 运行矩频特性 是否能满足要求
第四章 进给伺服系统
查电机 运行矩频特性曲线,得到对应于正常工作进给最大运
行频率 fF电机所能提供的 力矩 M。
若 M大于 计算出 的最大切削力所需 转矩,则说明所选电机
能满足伺服系统正常工作时所需力矩要求。
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2)步进电机选择步骤
3) 步进电机选择实例
第四章 进给伺服系统
例：一个工作台驱动系统如图所
示，已知参数见表 1，工作台与
导轨磨擦系数为 0.04，加速时间
0.25s,求转换到电机轴上的等
效转动惯量和等效力矩。
M
Z1
Z2
Z3
Z4
V w
FL uM
齿轮 轴 丝杆 电机
Z 1 Z 2 Z 3 Z 4 1 2 C M
720n(r/m in)
0.0 1J(kg·m
2
) 0.1 6 0.0 2 0.3 2 0.0 04 0.0 04 0.0 12 0.2 24
360 360 180 360 180 180 720
表1
3) 步进电机选择实例
第四章 进给伺服系统
例：一个工作台驱动系统如图所示，已知参数见表 1，工作台
与导轨磨擦系数为 0.04，加速时间 0.25s,求转换到电机轴上
的等效转动惯量和等效力矩。
22
2
11
1( ) ( )
4
mn
ji
l e q i j
ij kk
VnJ J M
nn ???????答,根据公式
12
360 3602,2
720 180ii? ? ? ?
2
1 2 3 42 2 2 2
1 1 2
11[ ] [ ]
4
w
G m l e q m z z z z s
MtJ J J J J J J J J
i i i ?? ? ? ? ? ? ? ? ??
2
2 2 2 2
2
1 1 1 50, 2 2 4 0, 1 1 [ 0, 1 6 0, 0 2 ] { 0, 3 2 0, 0 1 2 3 0 0 ( ) }
2 2 2 4 1 0 0 0
0, 2 8 8 ( )k g m
?
? ? ? ? ? ? ? ?
?
??
3) 步进电机选择实例
第四章 进给伺服系统
例：一个工作台驱动系统如图所示，已知参数见表 1，工作台
与导轨磨擦系数为 0.04，加速时间 0.25s,求转换到电机轴上
的等效转动惯量和等效力矩。
0() []
2
t
Lg
tJ F W
Ti
?? ?
?
?? ? ? ?
2 7 2 0 5 1 5 1 0, 6
0, 2 2 8 [ 0, 0 4 3 0 0 ]
3606 0 0, 2 5 2 1 0 0 0 9, 8
180
?
?
?
? ? ? ? ? ?
??
6 8, 7 5 Nm??
1 [ ( ) ]
2 Lg
F W F
i
?
?
??atM=M +
计算转矩：
返回
三,步进伺服驱动电路
第四章 进给伺服系统
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三,步进伺服驱动电路
第四章 进给伺服系统
（一）脉冲分配
按一定的规律将 进给脉冲 分配
给 步进电机 定子绕组 的 各相
?实现方法：
1,硬件
集成脉冲分配器
?TTL,B013,BY014
BY015,BY016
?CMOS,CH250
PA= P+? PB + P_? PC
PB = P+? PC + P_? PA
PC = P+? PA + P_? PB
各相通电状态
C B A 正 反
0 0 1 A
0 1 1 AB
0 1 0 B
1 1 0 BC
1 0 0 C
1 0 1 CA
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三,步进伺服驱动电路
第四章 进给伺服系统
（一）脉冲分配
1,软件
?移位法
?查表法 50
C B A
0 0 0 0 0 0 0 1 初始通电 → A
0 1 0 0 0 0 0 0 右移 三次
1 0 1 1 1 1 1 1 按位取反
0 0 0 0 1 0 0 1 清无关位 → AB
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 CY
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（二）步进电机驱动电源
第四章 进给伺服系统
1．对驱动电源的要求
实际上，步进电机是 感性负载,
绕组中电流 不能突变,而是按
指数规律 上升或下降,从而使整个
通电周期内，绕组 电流平均值 下降，
电机 输出转矩下降 。
理想 驱动电源使电机 绕组电流
尽量接近 矩形波 。
而当电机 运行频率很高 时，电流峰值
显著小于 额定 励磁电流，从而导致电机
转矩进一步下降，严重时不能启动。
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第四章 进给伺服系统
?上升时电流时间常数 Ti = L/R
L——步进电机绕组平均电感量
R——通电回路电阻，包括：
绕组内阻,功率放大器 输出级内阻, 串联电阻
? 下降时电流时间常数 Td = L/RD
RD——放大回路电阻
为了提高步进电机动态特性，必须改善电流波形，
使前后沿陡度增大，方法有：
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1) 电阻法
第四章 进给伺服系统
从 Ti=L/R 知，为 ? ?, 可 ? R，
故可在进电机绕组回路中 串联 一个电阻 Ro
此时,Ti = L/( r+R0 )
特点,线路简单，但 Ro (? 10Ω) 上消耗一定功率，
发热量大,也降低了放大器的 效率,只 适于小功率 步进电机。
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2) 电压法
第四章 进给伺服系统
电感绕组通电状态时，绕组上电流为
Im=(E/r) (1-e-t/Ti )
E——电源电压
电流增长率为 dIm/dt= Im=(E/r) (1-e-t/Ti )
可见，增大电源电压可以有效地改善电流上升陡度
特点,线路复杂,需采用双电源，但 效率较高,效果好，
适于 中小型功率 步进电机。
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2．单电压型驱动电源
第四章 进给伺服系统
?电容 C,在接通瞬间短接 R
电流由 E?L?C?T1
故 C称 加速电容
?电阻 Rc,在电流达到 恒定后 还起 限流作用,
此时电流由 E?Lt?Ro?T1
输入脉冲为,0”时,T1截止, il=0
输入脉冲为, 1” 时,T1导通
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第四章 进给伺服系统
? 输入 脉冲消失 后,T1截止，
L两端将产生一感应电压。
V=L(di/dt),由于 T1关断时间 dt很短，
故 感应电压 U很大，将击穿晶体管，
为此增加二极管 D 续流,续流电流,
L?Ro?D?L
2．单电压型驱动电源
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第四章 进给伺服系统
而 T2在 高压控制电路 下 导通
时间 t1较短 (100-600 ?s)
? 绕组在 高压 EH下电流
迅速增大 至 额定值,
此时 低压 EL无效 。
3．高低压双压型驱动电源
? 输入脉冲信号为, 0”
时，
T1,T2均截止,IL=0? 输入信号为, 1” 时,T1 导
通
? t1之后, T2截止, 低压供压,
维持 绕组所需的 额定电流 Ie
EH
EL
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第四章 进给伺服系统
? 输入脉冲 信号消失 (为, 0” )，
T1,T2均截止,
L上电流经 放电回路,
L?Ro?D2?EH?EL?D1?L
迅速下降
? EH供电，励磁电流 前沿电流
Ip=[EH/(r+R0)](1-e-t/Ti )
由此计算 t1
t1=T/n {EH/[EH+ In (r+R0)]}
In—要求高压通电，
电流达到的数值
3．高低压双压型驱动电源 EH
EL
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第四章 进给伺服系统
1) 绕组上电流 Il 随外加电压 (EH,EL)变化而变化,
当外加电压变化时，电机特性变差，工作不稳定
2) 绕组电流 波形下凹,
使电机 输出转矩降低
3) R的存在使 效率降低
EH
EL
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?存在的问题：
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4．电流斩波型
第四章 进给伺服系统
在绕组回路中 串接电流检测电路：
? 当绕组电流 下降至一定 下限 时，
由检测电路发生信号、控制
高压管 再度接通,使绕组
电流回升 ；
? 当电流 增至某一 上限 时，
再次 断开 高压源 。
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第四章 进给伺服系统
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5．细分驱动电源
第四章 进给伺服系统
若励磁电流 以方波 达到额定值，则转子转过 一个步距角 ；
而若励磁电流以 若干级 上升 到额定值，则转子以 同样 的
若干级 转过一个步距角，即可使步进电机步距变小。
细分即使电机通电电流由 矩形波 转变为 阶梯波,即使励磁
电流以 若干个等幅、等宽 的阶梯上升到额定值，并以同样
的阶梯从额定值下降到零。
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第四章 进给伺服系统
第四章 进给伺服系统
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第四章 进给伺服系统
步进电机
返回
第四章 进给伺服系统
步进电机功率驱动器
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第四章 进给伺服系统
步进电机功率驱动器
返回
返回
4,步距角越小，意味着它所能达到的 位置精度 越 ；
1,步进电机的 步距角 计算公式为 ；
2,齿距角 的计算公式为 ；
3,一个齿距角的电角度是 ；
5,一个步距角的 电角度 是 ；
6,在数控制机床中常采用的步距角是 。
第二节 开环伺服系统
习 题
? =360o/mzk
?z=360/z
360o
?=360o/mk
高
3o 1.5o 0.75o
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习 题
7,三相步进电机为什么常采用 三相六拍 驱动方式，而很少采 用
三相三拍 驱动方式？
第二节 开环伺服系统
答,三相三拍 驱动时，三相绕组是按 A→ B→ C→ A… 或
A→C→B→A→ … 的顺序通电，而 三相六拍 驱动方式是按
A→AB→B→BC→C→CA→A→ … 顺序通电（或 相反方向 ）。由
于 三相六拍 制在转换时始终保持有一相线圈通电，故其 工作稳
定性好,而且步距角比 三相三拍 驱动方式缩小了一半，可以提
高 位置精度 。
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习 题
8,常用步进电动机的 性能指标 有哪些？
第二节 开环伺服系统
答,(1) 静态距一角特性和最大静态转矩 。
(2) 启动转矩 。
(3) 空载启动频率 。
(4) 矩频特性 。
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习 题
第二节 开环伺服系统
9.为什么步进电机的 输出转矩 随其 运行频率 的增高而逐渐减小？
答,因为步进电机的绕组是 感性负载,在通电或断电时，绕组
电流 不能突变 而是 按指数规律 变化。在绕组通电时，电流逐渐
上升，从而有效转矩较小。绕组断电时，电流亦逐渐下降,残
余电流 产生与转动 方向相反 的力矩。这些都使电机产生的 平均
转矩 下降。另外，由于运行频率的提高，磁力线变化加剧，使
涡流损耗 增加，也造成输出转矩的下降
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习 题
第二节 开环伺服系统
10,已知 脉冲当量 0.005mm,步进电机 步距角 为 0.75°，滚珠丝
杠基本 导程 为 4mm,求减速器的 传动比,
所以，减速器传动比为 3:5。
解：脉冲当量
丝杠导程 步距角 θ 传动比iδ =
360 o
δ 3 6 0 o
θ程导
0, 0 0 5 3 6 0
4 0, 7 5
3
5
0, 6i = = = =
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第一节 概述
第二节 开环伺服系统
第三节 闭环伺服系统
提
要
?本章介绍进给伺服系统的 构成及工作原理,
叙述 步进电机, 直流伺服电机, 交流伺服电
机 等伺服驱动元件的 结构及调速方法, 阐述
开环伺服系统, 闭环伺服系统的构成及控制
原理 。
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提要第四章 进给伺服系统
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目
标
掌握伺服系统的功能, 分类及其特点：数控机床
对伺服系统的要求
掌握开环伺服系统的组成及工作原理
步进电机的工作原理, 脉冲分配方式, 驱动电源
的类型及工作原理
掌握感应同步器, 光栅等检测元件的工作原理
掌握直流伺服电机位置控制原理
了解交流伺服电机位置控制原理
了解提高步进开环伺服系统精度的措施
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目标第四章 进给伺服系统
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建
议
?本章内容既有理论分析, 又有实验
研究, 同时还涉及设计计算方法 。 学
习中, 应特别注意各种 伺服驱动元件
的调速方法和调速原理, 了解各种驱
动元件之间的性能比较及其应用场合 。
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建议第四章 进给伺服系统
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第四章 进给伺服系统
?第一节 概述
一、作用
? 以 位臵 和 速度 作为控制量的 自动控制系统
? CNC装臵与机床的 联系环节
? 其性能直接决定和影响 CNC系统的 快速性,
稳定性, 精确性
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第一节 概述
?
? 指令信息 动作
? 位置、速度 位移、速度
CNC 伺服系统 机床
第四章 进给伺服系统
步进伺服系统
伺服系统构成
CNC 步进电机驱动放大
工作台
返回
一,构成
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二,要求
第四章 进给伺服系统
准确、可靠地执行指令
调速范围宽 -----10000,1以上，且稳定性好
带负载能力强 ------ 负载特性硬；足够大的加（减）速力矩
动态响应快 ----- 快速跟随指令脉冲，可频繁起、停、反向；
尽快消除负载扰动
误差无累积
位臵精度高
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开环进给伺服系统
闭环进给伺服系统
半闭环进给伺服系统
CN C
伺服驱动电路（系统） 机械传动及执行部件
位置控
制电路
电流反馈
伺服驱动装置
D,C或
A,C
速
度
反
馈
位
置
反
馈
半闭环伺服驱动装置
速度倥制电路
置装测检置位
CNC
伺服驱动电路 伺服驱动装置
伺服
驱动
电路
步进
电机
指令脉冲
机械传动及执行部件
Z 2
Z 1
t
σ,x
开环进给伺服系统
位置检测装置
伺服驱动电路（系统） 机械传动及执行部件
位置控
制电路
电流反馈
伺服驱动装置
D,C或
A,C
速
度
反
馈
位
置
反
馈
闭环伺服驱动装置
速度倥制电路
三,分类
第四章 进给伺服系统
返回
按
有
无
反
馈
分
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三,分类
按
控
制
信
号
分
按
控
制
元
件
分
数字伺服系统
模拟伺服系统
数字模拟混合伺服系统
步进伺服系统
直流伺服系统
交流伺服系统
第四章 进给伺服系统
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第一节 概述
习 题
第四章 进给伺服系统
1.数控机床对伺服驱动系统有哪些要求？
返回
(1) 调速范围宽并有良好的稳定性, 尤其是低速时的平稳性；
(2) 负载特性硬, 即使在低速时也应有足够的负载能力；
(3) 动态响应速度快；
(4) 高的位移精度；
(5) 能够频繁地启动；
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2,伺服系统 按 有无反馈 可分为 ————————————————、
————————————————,——————————————————三类。
习 题
开环进给伺服系统
闭环进给伺服系统 半闭环进给伺服系统
3,伺服系统 按 控制信号 可分为 ————————————————、
————————————————,——————————————————三类。
数字伺服系统
模拟伺服系统 数字模拟混合伺服系统
第一节 概述
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4,伺服系统 按 控制元件 可分为 ————————————————、
————————————————,——————————————————三类。
第一节 概述
习 题
步进伺服系统
直流伺服系统 交流伺服系统
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第二节 开环伺服系统
? 一、组成
伺服驱动单元、执行元件、传动机构
二、步进电机
将 电脉冲 转变成 机械角位移 的装置
第四章 进给伺服系统
CNC 步进电机驱动放大
工作台
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1.分类
第四章 进给伺服系统
?按 输出转矩 分,快速 步进电机, 功率 步进电机。
?按 励磁相数 分,三相, 四相, 五相, 六相, 八相 等
?按 工作原理 分,反应式, 激磁式, 混合式 （ 永磁反应式 ）
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2.步进电机的结构
第四章 进给伺服系统
?步进电机由 转子 和 定子 两部分组成
定子 上有绕组分为 若干相, 每相 磁极上有 极齿 。
左图为 三相 定子,AA’,BB’,CC’
A,B,C三相每相两极，
每极上五个齿
1) 定子
五个极齿
2.步进电机的结构
第四章 进给伺服系统
定子上线圈的绕法
A相
B相
C相
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2.步进电机的结构
2) 转子
第四章 进给伺服系统
转子 上有 均匀分布 的
齿，没有绕组。
转子齿 间夹角为 9o
左图为一转子示意图：
以 四十齿 为例来说明
步进电机的原理
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3,步进电机的实物图
第四章 进给伺服系统
3,步进电机的实物图
第四章 进给伺服系统
3,步进电机的实物图
第四章 进给伺服系统
3,步进电机的实物图
第四章 进给伺服系统
3,步进电机的实物图
第四章 进给伺服系统
3,步进电机的实物图
第四章 进给伺服系统
3,步进电机的实物图
第四章 进给伺服系统
3,步进电机的实物图
第四章 进给伺服系统
3,步进电机的实物图
第四章 进给伺服系统
3,步进电机的实物图
第四章 进给伺服系统
4.工作原理
A相
转子
9 o
B相
转子
3 o
C相
转子
6 o
如果 A相通电则转子齿与 A相极齿对齐，这时在 B相两极下
定子齿与转子齿中心线并不对齐，而是转子齿中心线较定
子齿中心线反时针方向 落后 1/3齿 距，即 3o。
因此，当通电状态由 A相变为 B相时，转子顺时针方向
转过 3o,C相通电再转 3o。
C相下，转子齿超前 6o。
第四章 进给伺服系统
4.工作原理
第四章 进给伺服系统
三拍 通电激磁，步距角 α= = 3o3 40
063
1,,
一般 α=
m——绕组相数；
Z——转子齿数，单拍 k=1,双拍 k=2。
mzk063
六拍 通电激磁，步距角 α= = 1.5o3 40 2,, 063
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4.工作原理
第四章 进给伺服系统
定子绕组 通断电顺序 → 转子 转向
定子绕组 通断电转换频率 → 转子 转速
定子绕组 通断电次数 → 转子 转角
三相单三拍 A →B →C →A （ K=1）
三相双三拍 AB →BC →CA →AB （ K=1）
三相六拍 A →AB →B →BC →C →CA →A （ K=2）
? 通断电方式
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步进电机原理动画演示,e x e
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5.主要控制特性
第四章 进给伺服系统
最高工作频率（ fmax）
加减速特性
启动矩频特性
运行矩频特性
启动频率（ fst）
步距角（ θ ） 及步距误差
0 4 8 12 16
1
2
3
f/ 10
3
Hz
步进电机的转矩- -频 率特性
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1) 步距角（ θ ） 及步距误差
步距角 是两个 相临脉冲时间 内 转子 转过的角度,一般来
说 步距角越小,控制越精确。
第四章 进给伺服系统
5.主要控制特性
步距误差 直接影响执行部件的 定位精度,
步进电动机单相通电时,步距误差 取决于 定子和转子 的 分齿
精度,和各相定子 错位角度的精度 。
多相通电时,其不仅与上述因素有关,还和 各相电流大小,磁
路性能 有关。
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2）最高启动频率
第四章 进给伺服系统
5.主要控制特性
空载时,步进电机由 静止突然启动,并 不失步 的进入稳速
运行，所允许的 启动频率的最高值 为 最高启动频率,
启动频率 大于比值时步进电机不能正常工作,最高启动频率 与
步进电机的 惯性负载有关,
Md / Nm
f /H z
16*1000
0
1
2
3
4
4 8 12
3）最高工作频率
步进电机工作频率连续上升时，电动机不失步运行的最
高频率称为 最高工作频率 。
它的值也和 负载 有关。很显然，在同样负载下,最高工
作频率远大于己于启动频率,
第四章 进给伺服系统
5.主要控制特性
在 连续运行状态 下，步进电机的 电磁力矩 随 频率 的 升高 而
急剧下降,这两者的关系称为 矩频特性,
4）矩频特性
第四章 进给伺服系统
5.主要控制特性
4）矩频特性 1
2
3
4
0
500 1000 1500
六拍
单三拍
双三拍
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6.步进电机的选择
第四章 进给伺服系统
1)步进电机选择原则：
① 步矩角 ?与机械系统相匹配，以得到系统所需的 ?
② 保证电机 输出转矩,大于负载所需转矩
③ 能与机械系统的负载 惯量相匹配
为使电机具有良好的 起动 性能及较快的 响应 速度
推荐 Jleq/Jm<=4
式中 Jleq为系统 等效负载 转动惯量
Jm 为 电机 转动惯量
④ 电机 运行速度 和 最高工作频率 能满足工作台切削加工
和快移要求。
? = ? ? t/360i
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2)步进电机选择步骤
第四章 进给伺服系统
① 初定步进电机 步距角,计算 减速比,确定 齿轮副
初选步进电机型号，根据其工作方式，初定步距角 ?
i=Z1/Z2= ?? t / 360 ?
?确定齿轮副齿数时，尽量选择 一级降速 ;
?若需二级，则 降速比大的 齿轮副应 远离电机,
以利于提高传动系统的刚度和精度。 下一页上一页
θ,步进电机步距角,(o)/脉冲
t, 滚珠丝杆导程, mm
δ,脉冲当量, mm/脉冲
返回
第四章 进给伺服系统
② 计算惯量
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2)步进电机选择步骤
设 传动系统 如右图所示：
伺服系统总惯量 JG为
JG=Jm+Jleq
式中,Jm ——步进电机 转子转动惯量
Jleq ——换算到电机轴上的 等效负载转动惯量
J leq =∑ J i ( ) + ∑ M j ( ) kg m
nm
i-1 j-1
2 2
2n i
n m
V j
mnπ2
第四章 进给伺服系统
2)步进电机选择步骤
② 计算惯量
J leq =∑ J i ( ) + ∑ M j ( ) kg m
nm
i-1 j-1
2 2
2n i
n m
V j
mnπ2
nm —— 步进 电机速度 r/min
ni —— 第 i个 转动部件的转速 r/min
Ji —— 第 i个转动部件的 转动惯量 kg, m2
Vj —— 第 j个移动部件的 移动速度 m/min
Mj —— 第 j个移动部件的 质量 kg
② 计算惯量
第四章 进给伺服系统
2)步进电机选择步骤
i,图示的 一级 齿轮减速系统
n z1
n z2
n m
n z2
V=nz2, t
式中 V——工作台移动速度 m/min
t——丝杆导程 m
② 计算惯量
第四章 进给伺服系统
2)步进电机选择步骤
式中 Jz1 —— 齿轮 1的转动惯量 kg, m2
Jz2 —— 齿轮 2的转动惯量 kg, m2
Js —— 丝杆 2的转动惯量 kg, m2
Mw—— 工作台的质量 kg
2 2 222
12 ( ) ( ) ( )2
wzz
l e q z z s w
m m m
Vnn
J J J J M
n n n?
? ? ? ?
2
12 2 2 2 2
2
2
11
4
1
1 [ 2 ]
24
w
z z s
w
Mt
J J J
i i i
Mt
J z J z J s
i
?
?
? ? ? ?
? ? ? ?
② 计算惯量
第四章 进给伺服系统
2)步进电机选择步骤
其中,齿轮、丝杆的 转动惯量 （ J） 可按圆柱体转动惯量计算
7,8 1 0 -1 3 D 4 LKg/cm3
式中 D ——齿轮分度圆直径或丝杆名义直径 mm
L ——齿轮宽度或丝杆长度 mm
γ——材料比重 kg/cm3
② 计算惯量
第四章 进给伺服系统
2)步进电机选择步骤
ii,对下图所示的 二级 齿轮减速系统
M
Z1
Z2
Z3
Z4
V w
FL uM
2
1
1
,Zi Z? 4
2
3
,Zi Z?
1
2
2 3 42 2 2 2
1 1 2
11[ ] [ ]
4
w
l e q z z z z s
MtJ J J J J J
i i i ?
? ? ? ? ? ?
③ 计算转矩
系统所需转矩包括 加速转矩 和 等效负载转矩
i,快速空载启动时所需转矩 M
M = Mamax+Mf
式中,
Mamax ——快速空载启动时 产生最大加速度 所需转矩 N?m
Mf ——克服摩擦力 所需转矩 N?m
2)步进电机选择步骤
第四章 进给伺服系统
③ 计算转矩
2)步进电机选择步骤
第四章 进给伺服系统
由 动力学 知：
m a x
()to
aM J J T
??? ?? ? ? ?
式中, J——系统总惯量 N·m·s2
ε——步进电机转子的 角加速度 r/s2
ωo——初速度 r/s
ωt——末速度 r/s
T ——加速时间 s
③ 计算转矩
2)步进电机选择步骤
第四章 进给伺服系统
?对于空载启动时 ω0=0,T为升速 时间常数，则 ωt为升速
T秒后电机的角速度此时的 等效负载转矩 主要是 T作台移
动的 磨擦力 引起的。
2
2 1000
w
f
m
V
M W N m
n
t
W N m
i
?
?
?
?
? ? ? ?
? ? ? ?
?
式中 μ工作台与导轨之间的 磨擦系数
W为工作台和工件的 总重量 N
③ 计算转矩
2)步进电机选择步骤
第四章 进给伺服系统
2
2 1000
w
f
m
V
M W N m
n
t
W N m
i
?
?
?
?
? ? ? ?
? ? ? ?
?
式中 μ工作台与导轨之间的 磨擦系数
W为工作台和工件的 总重量 N
Nm为 电机转速 r/min
t 为 丝杆导程 mm
Vw为工作台的 移动速度 m/min
③ 计算转矩
2)步进电机选择步骤
第四章 进给伺服系统
ii,最大切削力时所需转矩 M
为了安全，此时不仅要考虑 最大切削力,而且还应考虑在切
削过程中产生相庆加速度所需转矩，这时所需 转矩 M为：
a t f tM M M M? ? ?
式中 Mat为切削时 产生加速度所需加速转矩 N·m
Mf为 克服磨擦所需转矩 N·m
Mt为 克服切削力所需转矩 N·m
③ 计算转矩
2)步进电机选择步骤
第四章 进给伺服系统
设与运动方向相反的最大切削力为,垂直于等轨的
切削分力为 。
()LFN
()Fg N
则：
2
()
2
[ ( ) ]
2
tL
g
a t L g
t
MF
i
t
M f w F
i
t
M M F W F N m
i
?
?
?
?
?
??
?
? ? ?
?
? ? ? ? ?于是
返回
第四章 进给伺服系统
④ 计算步进电机运行频率
?工作台 快速空载速度 Vmax? 电机 最高工作频率 fmax
?工作台 工作进给时的 最低速度 Vmin? 电机 最小运行频率 fmin
?工作台 工作进给时的 最高速度 VF ? 电机 最大运行频率 fF
?伺服系统在 fmin – fF 范围内可用 软件实现无级调速
步进电机运行频率 f ( Hz)
f= V / 60?
式中,V ——工作台进给速度 mm/min
下一页上一页
2)步进电机选择步骤
返回
⑤ 确定步进电机型号
第四章 进给伺服系统
根据步进电机 最高工作频率 fmax和正常工作 进给频率 fmin~fF，
以及 快速空载启动 和 最大切削力 时所需 转矩,选择步进电机
型号，主要从两方面考虑,
ⅰ ) 步进电机 启动矩频特性 定否能满足要求
查电机 启动矩频特性曲线,得到对应于 最高工作频率 fmax，
电机能提供的 启动力矩 Mq。 若 Mq 大于 计算出 的快速空载启动
所需 力矩,则说明所选步进电机能满足快速空载启动时所需启
动力矩要求。
下一页上一页
2)步进电机选择步骤
返回
ⅱ) 步进电机 运行矩频特性 是否能满足要求
第四章 进给伺服系统
查电机 运行矩频特性曲线,得到对应于正常工作进给最大运
行频率 fF电机所能提供的 力矩 M。
若 M大于 计算出 的最大切削力所需 转矩,则说明所选电机
能满足伺服系统正常工作时所需力矩要求。
下一页上一页
2)步进电机选择步骤
3) 步进电机选择实例
第四章 进给伺服系统
例：一个工作台驱动系统如图所
示，已知参数见表 1，工作台与
导轨磨擦系数为 0.04，加速时间
0.25s,求转换到电机轴上的等
效转动惯量和等效力矩。
M
Z1
Z2
Z3
Z4
V w
FL uM
齿轮 轴 丝杆 电机
Z 1 Z 2 Z 3 Z 4 1 2 C M
720n(r/m in)
0.0 1J(kg·m
2
) 0.1 6 0.0 2 0.3 2 0.0 04 0.0 04 0.0 12 0.2 24
360 360 180 360 180 180 720
表1
3) 步进电机选择实例
第四章 进给伺服系统
例：一个工作台驱动系统如图所示，已知参数见表 1，工作台
与导轨磨擦系数为 0.04，加速时间 0.25s,求转换到电机轴上
的等效转动惯量和等效力矩。
22
2
11
1( ) ( )
4
mn
ji
l e q i j
ij kk
VnJ J M
nn ???????答,根据公式
12
360 3602,2
720 180ii? ? ? ?
2
1 2 3 42 2 2 2
1 1 2
11[ ] [ ]
4
w
G m l e q m z z z z s
MtJ J J J J J J J J
i i i ?? ? ? ? ? ? ? ? ??
2
2 2 2 2
2
1 1 1 50, 2 2 4 0, 1 1 [ 0, 1 6 0, 0 2 ] { 0, 3 2 0, 0 1 2 3 0 0 ( ) }
2 2 2 4 1 0 0 0
0, 2 8 8 ( )k g m
?
? ? ? ? ? ? ? ?
?
??
3) 步进电机选择实例
第四章 进给伺服系统
例：一个工作台驱动系统如图所示，已知参数见表 1，工作台
与导轨磨擦系数为 0.04，加速时间 0.25s,求转换到电机轴上
的等效转动惯量和等效力矩。
0() []
2
t
Lg
tJ F W
Ti
?? ?
?
?? ? ? ?
2 7 2 0 5 1 5 1 0, 6
0, 2 2 8 [ 0, 0 4 3 0 0 ]
3606 0 0, 2 5 2 1 0 0 0 9, 8
180
?
?
?
? ? ? ? ? ?
??
6 8, 7 5 Nm??
1 [ ( ) ]
2 Lg
F W F
i
?
?
??atM=M +
计算转矩：
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三,步进伺服驱动电路
第四章 进给伺服系统
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三,步进伺服驱动电路
第四章 进给伺服系统
（一）脉冲分配
按一定的规律将 进给脉冲 分配
给 步进电机 定子绕组 的 各相
?实现方法：
1,硬件
集成脉冲分配器
?TTL,B013,BY014
BY015,BY016
?CMOS,CH250
PA= P+? PB + P_? PC
PB = P+? PC + P_? PA
PC = P+? PA + P_? PB
各相通电状态
C B A 正 反
0 0 1 A
0 1 1 AB
0 1 0 B
1 1 0 BC
1 0 0 C
1 0 1 CA
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三,步进伺服驱动电路
第四章 进给伺服系统
（一）脉冲分配
1,软件
?移位法
?查表法 50
C B A
0 0 0 0 0 0 0 1 初始通电 → A
0 1 0 0 0 0 0 0 右移 三次
1 0 1 1 1 1 1 1 按位取反
0 0 0 0 1 0 0 1 清无关位 → AB
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 CY
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（二）步进电机驱动电源
第四章 进给伺服系统
1．对驱动电源的要求
实际上，步进电机是 感性负载,
绕组中电流 不能突变,而是按
指数规律 上升或下降,从而使整个
通电周期内，绕组 电流平均值 下降，
电机 输出转矩下降 。
理想 驱动电源使电机 绕组电流
尽量接近 矩形波 。
而当电机 运行频率很高 时，电流峰值
显著小于 额定 励磁电流，从而导致电机
转矩进一步下降，严重时不能启动。
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第四章 进给伺服系统
?上升时电流时间常数 Ti = L/R
L——步进电机绕组平均电感量
R——通电回路电阻，包括：
绕组内阻,功率放大器 输出级内阻, 串联电阻
? 下降时电流时间常数 Td = L/RD
RD——放大回路电阻
为了提高步进电机动态特性，必须改善电流波形，
使前后沿陡度增大，方法有：
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1) 电阻法
第四章 进给伺服系统
从 Ti=L/R 知，为 ? ?, 可 ? R，
故可在进电机绕组回路中 串联 一个电阻 Ro
此时,Ti = L/( r+R0 )
特点,线路简单，但 Ro (? 10Ω) 上消耗一定功率，
发热量大,也降低了放大器的 效率,只 适于小功率 步进电机。
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2) 电压法
第四章 进给伺服系统
电感绕组通电状态时，绕组上电流为
Im=(E/r) (1-e-t/Ti )
E——电源电压
电流增长率为 dIm/dt= Im=(E/r) (1-e-t/Ti )
可见，增大电源电压可以有效地改善电流上升陡度
特点,线路复杂,需采用双电源，但 效率较高,效果好，
适于 中小型功率 步进电机。
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2．单电压型驱动电源
第四章 进给伺服系统
?电容 C,在接通瞬间短接 R
电流由 E?L?C?T1
故 C称 加速电容
?电阻 Rc,在电流达到 恒定后 还起 限流作用,
此时电流由 E?Lt?Ro?T1
输入脉冲为,0”时,T1截止, il=0
输入脉冲为, 1” 时,T1导通
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第四章 进给伺服系统
? 输入 脉冲消失 后,T1截止，
L两端将产生一感应电压。
V=L(di/dt),由于 T1关断时间 dt很短，
故 感应电压 U很大，将击穿晶体管，
为此增加二极管 D 续流,续流电流,
L?Ro?D?L
2．单电压型驱动电源
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第四章 进给伺服系统
而 T2在 高压控制电路 下 导通
时间 t1较短 (100-600 ?s)
? 绕组在 高压 EH下电流
迅速增大 至 额定值,
此时 低压 EL无效 。
3．高低压双压型驱动电源
? 输入脉冲信号为, 0”
时，
T1,T2均截止,IL=0? 输入信号为, 1” 时,T1 导
通
? t1之后, T2截止, 低压供压,
维持 绕组所需的 额定电流 Ie
EH
EL
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第四章 进给伺服系统
? 输入脉冲 信号消失 (为, 0” )，
T1,T2均截止,
L上电流经 放电回路,
L?Ro?D2?EH?EL?D1?L
迅速下降
? EH供电，励磁电流 前沿电流
Ip=[EH/(r+R0)](1-e-t/Ti )
由此计算 t1
t1=T/n {EH/[EH+ In (r+R0)]}
In—要求高压通电，
电流达到的数值
3．高低压双压型驱动电源 EH
EL
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第四章 进给伺服系统
1) 绕组上电流 Il 随外加电压 (EH,EL)变化而变化,
当外加电压变化时，电机特性变差，工作不稳定
2) 绕组电流 波形下凹,
使电机 输出转矩降低
3) R的存在使 效率降低
EH
EL
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?存在的问题：
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4．电流斩波型
第四章 进给伺服系统
在绕组回路中 串接电流检测电路：
? 当绕组电流 下降至一定 下限 时，
由检测电路发生信号、控制
高压管 再度接通,使绕组
电流回升 ；
? 当电流 增至某一 上限 时，
再次 断开 高压源 。
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第四章 进给伺服系统
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5．细分驱动电源
第四章 进给伺服系统
若励磁电流 以方波 达到额定值，则转子转过 一个步距角 ；
而若励磁电流以 若干级 上升 到额定值，则转子以 同样 的
若干级 转过一个步距角，即可使步进电机步距变小。
细分即使电机通电电流由 矩形波 转变为 阶梯波,即使励磁
电流以 若干个等幅、等宽 的阶梯上升到额定值，并以同样
的阶梯从额定值下降到零。
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第四章 进给伺服系统
第四章 进给伺服系统
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第四章 进给伺服系统
步进电机
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第四章 进给伺服系统
步进电机功率驱动器
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第四章 进给伺服系统
步进电机功率驱动器
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4,步距角越小，意味着它所能达到的 位置精度 越 ；
1,步进电机的 步距角 计算公式为 ；
2,齿距角 的计算公式为 ；
3,一个齿距角的电角度是 ；
5,一个步距角的 电角度 是 ；
6,在数控制机床中常采用的步距角是 。
第二节 开环伺服系统
习 题
? =360o/mzk
?z=360/z
360o
?=360o/mk
高
3o 1.5o 0.75o
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习 题
7,三相步进电机为什么常采用 三相六拍 驱动方式，而很少采 用
三相三拍 驱动方式？
第二节 开环伺服系统
答,三相三拍 驱动时，三相绕组是按 A→ B→ C→ A… 或
A→C→B→A→ … 的顺序通电，而 三相六拍 驱动方式是按
A→AB→B→BC→C→CA→A→ … 顺序通电（或 相反方向 ）。由
于 三相六拍 制在转换时始终保持有一相线圈通电，故其 工作稳
定性好,而且步距角比 三相三拍 驱动方式缩小了一半，可以提
高 位置精度 。
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习 题
8,常用步进电动机的 性能指标 有哪些？
第二节 开环伺服系统
答,(1) 静态距一角特性和最大静态转矩 。
(2) 启动转矩 。
(3) 空载启动频率 。
(4) 矩频特性 。
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习 题
第二节 开环伺服系统
9.为什么步进电机的 输出转矩 随其 运行频率 的增高而逐渐减小？
答,因为步进电机的绕组是 感性负载,在通电或断电时，绕组
电流 不能突变 而是 按指数规律 变化。在绕组通电时，电流逐渐
上升，从而有效转矩较小。绕组断电时，电流亦逐渐下降,残
余电流 产生与转动 方向相反 的力矩。这些都使电机产生的 平均
转矩 下降。另外，由于运行频率的提高，磁力线变化加剧，使
涡流损耗 增加，也造成输出转矩的下降
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习 题
第二节 开环伺服系统
10,已知 脉冲当量 0.005mm,步进电机 步距角 为 0.75°，滚珠丝
杠基本 导程 为 4mm,求减速器的 传动比,
所以，减速器传动比为 3:5。
解：脉冲当量
丝杠导程 步距角 θ 传动比iδ =
360 o
δ 3 6 0 o
θ程导
0, 0 0 5 3 6 0
4 0, 7 5
3
5
0, 6i = = = =
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