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第四章
进给运动的控制
第一节．概述
第二节．步进驱动及开环进给控制
第三节．位置检测装置
第四节．交直流伺服驱动装置
一、进给伺服系统的概念及要求,
1概念,进给伺服系统是一种高精度的位置跟踪与定位系统。伺服
（ servo）系统的作用就是严格执行控制系统发出的速度指
令、位置指令。
伺服驱动系统的框图
第
一
节
．
概
述
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从图中驱动装置可划分
1）步进驱动,由步进电机及驱动系统构成，不含有速
度环及位置环
电机分为：反应式（转子为铁芯）
2）直流驱动,采用交直变换原理，根据速度指令输出
相当的直流电压，加到直流电机的电枢上，来改变电机
的转速。电机为恒磁式（励磁为永磁铁）。缺点是存在
机械换向，需维护。
3）交流伺服驱动,根据,n=60f/p
n为电机转速,f为交流电源的频率,p为极对数。
根据速度指令，通过调节输出的 f即可改变电机的转速。
电机为交流同步电机，转子为永磁铁
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2 要求,
1）精度高：精度指定位精度（停止时实际位移与位置指令误
差）
2）轮廓跟随精度（插补运动中位置误差的稳定）
3）快速响应、无超调：加减速时间快、但不能有超调和振荡
调速范围宽。
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一、应用范围,简易型数控机床、普通机床
的数控改造。
第
二
节
步
进
驱
动
及
开
环
进
给
控
制
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二、步进驱动的原理,步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的
执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步
进电机按设定的方向转动一个固定的角度
1组成,步进驱动控制装置、步进电机、减速机构。
实例如下图
2各部分的作用,
数控装置,根据控制要求发出指令脉冲，指令脉冲的个数代表移
动距离；脉冲频率代表移动速度。
每发出一个脉冲电机旋转一个特定的角度，即步距角
环形分配,根据指令方向，依次产生步进电机的各相的通电步
骤，分为硬件环分、软件环分两种。
放大电路,放大环形分配的各相指令，产生步进电机的各相的驱
动电流
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3三相三拍的原理介绍。
做出课件模拟步进电机的动作
步骤
三相是指步进电机有三相定
子绕组，三拍是指每三次转换为一
个循环
三相步进电机，定子有六个
磁极，分为三对，每个磁极上装有
控制绕组。一对磁极通电后，对应
产生 N/S极磁场；转子为带齿的铁
心（反应式）或磁钢（混合式）。
当定子三相依次通电时，三
对磁极依次产生气隙磁场，吸引转
子一步步转动。
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[动画模拟 ]
三相三拍的通电次序为,A-B-C-A;AB-BC-CA-AB
三相六拍的通电次序为,A-AB-B-BC-C-CA-A
可见三相三拍与三相六拍相比较,六拍的步距角
小，精度高。
设 A相首先通电，转子齿与定子 A,A′对齐
（图 a）。然后在 A相继续通电的情况下接通 B相。
这时定子 B,B′极对转子齿 2,4产生磁拉力，使
转子顺时针方向转动，但是 A,A′极继续拉住齿 1、
3，因此，转子转到两个磁拉力平衡为止。这时
转子的位置如图 3b所示，即转子从图 (a)位置顺时
针转过了 15° 。接着 A相断电,B相继续通电。
这时转子齿 2,4和定子 B,B′极对齐（图 c），转
子从图 (b)的位置又转过了 15 °
4 三相六拍,
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5 三相硬件环分得的驱动控制
如图,
CLK 为指令脉冲 DIR 为旋转方向,FULL/HALF 为整步 /半步的控制。
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6 驱动电路单电源,
Vsr信号为高电平 ---GD（光
电隔离二极管不导通，三极
管截止） ----VT基极有驱动电
流 ----L上通电。
Vsr信号为低电平 ---GD（光
电隔离二极管导通，三极管
导通） ----VT基极没有驱动电
流 ----L上断电。
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高低压驱动电路,
高压充电低压维持，
简介其原理
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三、步进电机的主要技术指标
1 步距角：电机每步的转角称为步距角,步距角越小精度越高。
2 最大静转矩：步进电机最大的承载能力。
3 启动频率：步进电机由静止突然启动，进入不失步的正常运行
的最高频率。超过了启动频率，转子跟不上定子的磁场旋转，会
产生失步。
4 连续运行频率 当电机启动后，能逐渐不失步连续升速的最高频率。
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一、位置检测元件的分类及要求
1 位置检测元件的技术指标：分辨率为位置检测装置
所能测量的最小移动量，分辨率不仅取决于检测元件
还取决于测量电路。
2 位置检测的分类：直接测量：全闭环不受传动精度的
影响有直线光栅尺和感应同步器
间接测量：半闭环，检测角度，受传动精度
的影响有光电编码器，旋转变压器
3 速度检测元件：测速电机，光电编码器。
第
三
节
．
位
置
检
测
装
置
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二、光电编码器
1 构成：光源、指示光栅、圆光
栅、光电元件。
上一页
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2 信号,A/B/C
A\B相差 90度用于计数及方
向判别；
C用于回参考点
通过倍频电路来提高分辨率
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三、光栅尺
光栅尺
外形图
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分类方法 1：物理光栅尺；计量光栅尺
分类方法 2：透射光栅尺；反射光栅尺
分类方法 3：增量式光栅尺；绝对是光栅尺
1 种类,
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2结构,光源、指示光栅、标尺光栅、光电元件。
3 原理 1）、指示光栅与
标尺光栅刻度等宽。
2）、平行装配，且
无摩擦
3）、两尺条纹之间有一
定夹角
4）、当指示光栅与
标尺光栅相对运动时，会
产生与光栅线垂直的横向
的条纹，该条纹为莫尔条
纹，当移动一个栅距时，
摩尔条纹也移动一个纹距
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4 输出信号与测量
电路
1） 产生原理,
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2）鉴相与倍频
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1 应用,应用在早期的数控机床中。
2 电机的结构,定子：永磁体
转子：电枢
检测元件：测速发电机或编码器
3 控制原理,直流电机的机械特性公式,
n=Ua/Ceφ-RaM/CeCmφ2
改变 Ua调速，恒转矩，低速段
改变 φ（弱磁），恒功率，高速段
改变 Ra，一般不用。
一、直流驱动装置
第
四
节
、
交
直
流
伺
服
驱
动
装
置
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4 控制装置,由于使用永磁电机，励磁是不用调节的，装
置仅用来调节电枢电压。
调压装置的类型,a可控硅调压电路,改变可控柜元件的导通
角，从而获得平均电压的调节
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控制框图
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b 晶体管脉宽调制调速系
统 PWM。 功率元件工作在
开关状态，开关频率恒定，
调节一个周期内晶体管的
导通时间来改变直流电机
电枢两端的平均电压
填写
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控制电路框图
各部分的作用
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二者的区别,
可控硅是直接对交流电进行控制
PWM是先将交流整流成稳定的直流电
压，再对直流电压进行开关控制
PWM由于频率高，所以电流脉动小
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二、交流伺服驱动装置
交流伺服电机取代直流伺服电机是由于直流电机存在机械换向，
需定期进行维护。
1交流伺服电机的结构,交流伺服电机也可称为同步电机或里
翻外的直流电机
1．电机轴 2.前端
盖 3.三相绕组线圈
4.压板 5.定子 6.磁
钢 7.后压板
8.动力线接头 9.后
端盖 10.反馈插头
11.脉冲编码器 12.
电机后
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交流伺服驱动、交流伺
服电机及连接图示意
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2 原理,1）给定子通过三相交流电流，由定子产生旋转磁场
2）转子磁场和定子的磁场相吸引，在旋转磁场的带
动下产生旋转。
3）通过转子位置的检测，系统保证旋转过程同步
3、介绍几种交流伺服
电机的控制原理
1）无刷直流电机的
控制
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2） SPWM控制原理
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第四章
进给运动的控制
第一节．概述
第二节．步进驱动及开环进给控制
第三节．位置检测装置
第四节．交直流伺服驱动装置
一、进给伺服系统的概念及要求,
1概念,进给伺服系统是一种高精度的位置跟踪与定位系统。伺服
（ servo）系统的作用就是严格执行控制系统发出的速度指
令、位置指令。
伺服驱动系统的框图
第
一
节
．
概
述
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从图中驱动装置可划分
1）步进驱动,由步进电机及驱动系统构成，不含有速
度环及位置环
电机分为：反应式（转子为铁芯）
2）直流驱动,采用交直变换原理，根据速度指令输出
相当的直流电压，加到直流电机的电枢上，来改变电机
的转速。电机为恒磁式（励磁为永磁铁）。缺点是存在
机械换向，需维护。
3）交流伺服驱动,根据,n=60f/p
n为电机转速,f为交流电源的频率,p为极对数。
根据速度指令，通过调节输出的 f即可改变电机的转速。
电机为交流同步电机，转子为永磁铁
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2 要求,
1）精度高：精度指定位精度（停止时实际位移与位置指令误
差）
2）轮廓跟随精度（插补运动中位置误差的稳定）
3）快速响应、无超调：加减速时间快、但不能有超调和振荡
调速范围宽。
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一、应用范围,简易型数控机床、普通机床
的数控改造。
第
二
节
步
进
驱
动
及
开
环
进
给
控
制
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二、步进驱动的原理,步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的
执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步
进电机按设定的方向转动一个固定的角度
1组成,步进驱动控制装置、步进电机、减速机构。
实例如下图
2各部分的作用,
数控装置,根据控制要求发出指令脉冲，指令脉冲的个数代表移
动距离；脉冲频率代表移动速度。
每发出一个脉冲电机旋转一个特定的角度，即步距角
环形分配,根据指令方向，依次产生步进电机的各相的通电步
骤，分为硬件环分、软件环分两种。
放大电路,放大环形分配的各相指令，产生步进电机的各相的驱
动电流
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3三相三拍的原理介绍。
做出课件模拟步进电机的动作
步骤
三相是指步进电机有三相定
子绕组，三拍是指每三次转换为一
个循环
三相步进电机，定子有六个
磁极，分为三对，每个磁极上装有
控制绕组。一对磁极通电后，对应
产生 N/S极磁场；转子为带齿的铁
心（反应式）或磁钢（混合式）。
当定子三相依次通电时，三
对磁极依次产生气隙磁场，吸引转
子一步步转动。
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[动画模拟 ]
三相三拍的通电次序为,A-B-C-A;AB-BC-CA-AB
三相六拍的通电次序为,A-AB-B-BC-C-CA-A
可见三相三拍与三相六拍相比较,六拍的步距角
小，精度高。
设 A相首先通电，转子齿与定子 A,A′对齐
（图 a）。然后在 A相继续通电的情况下接通 B相。
这时定子 B,B′极对转子齿 2,4产生磁拉力，使
转子顺时针方向转动，但是 A,A′极继续拉住齿 1、
3，因此，转子转到两个磁拉力平衡为止。这时
转子的位置如图 3b所示，即转子从图 (a)位置顺时
针转过了 15° 。接着 A相断电,B相继续通电。
这时转子齿 2,4和定子 B,B′极对齐（图 c），转
子从图 (b)的位置又转过了 15 °
4 三相六拍,
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5 三相硬件环分得的驱动控制
如图,
CLK 为指令脉冲 DIR 为旋转方向,FULL/HALF 为整步 /半步的控制。
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6 驱动电路单电源,
Vsr信号为高电平 ---GD（光
电隔离二极管不导通，三极
管截止） ----VT基极有驱动电
流 ----L上通电。
Vsr信号为低电平 ---GD（光
电隔离二极管导通，三极管
导通） ----VT基极没有驱动电
流 ----L上断电。
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高低压驱动电路,
高压充电低压维持，
简介其原理
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三、步进电机的主要技术指标
1 步距角：电机每步的转角称为步距角,步距角越小精度越高。
2 最大静转矩：步进电机最大的承载能力。
3 启动频率：步进电机由静止突然启动，进入不失步的正常运行
的最高频率。超过了启动频率，转子跟不上定子的磁场旋转，会
产生失步。
4 连续运行频率 当电机启动后，能逐渐不失步连续升速的最高频率。
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一、位置检测元件的分类及要求
1 位置检测元件的技术指标：分辨率为位置检测装置
所能测量的最小移动量，分辨率不仅取决于检测元件
还取决于测量电路。
2 位置检测的分类：直接测量：全闭环不受传动精度的
影响有直线光栅尺和感应同步器
间接测量：半闭环，检测角度，受传动精度
的影响有光电编码器，旋转变压器
3 速度检测元件：测速电机，光电编码器。
第
三
节
．
位
置
检
测
装
置
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二、光电编码器
1 构成：光源、指示光栅、圆光
栅、光电元件。
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2 信号,A/B/C
A\B相差 90度用于计数及方
向判别；
C用于回参考点
通过倍频电路来提高分辨率
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三、光栅尺
光栅尺
外形图
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分类方法 1：物理光栅尺；计量光栅尺
分类方法 2：透射光栅尺；反射光栅尺
分类方法 3：增量式光栅尺；绝对是光栅尺
1 种类,
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2结构,光源、指示光栅、标尺光栅、光电元件。
3 原理 1）、指示光栅与
标尺光栅刻度等宽。
2）、平行装配，且
无摩擦
3）、两尺条纹之间有一
定夹角
4）、当指示光栅与
标尺光栅相对运动时，会
产生与光栅线垂直的横向
的条纹，该条纹为莫尔条
纹，当移动一个栅距时，
摩尔条纹也移动一个纹距
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4 输出信号与测量
电路
1） 产生原理,
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2）鉴相与倍频
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1 应用,应用在早期的数控机床中。
2 电机的结构,定子：永磁体
转子：电枢
检测元件：测速发电机或编码器
3 控制原理,直流电机的机械特性公式,
n=Ua/Ceφ-RaM/CeCmφ2
改变 Ua调速，恒转矩，低速段
改变 φ（弱磁），恒功率，高速段
改变 Ra，一般不用。
一、直流驱动装置
第
四
节
、
交
直
流
伺
服
驱
动
装
置
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4 控制装置,由于使用永磁电机，励磁是不用调节的，装
置仅用来调节电枢电压。
调压装置的类型,a可控硅调压电路,改变可控柜元件的导通
角，从而获得平均电压的调节
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控制框图
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b 晶体管脉宽调制调速系
统 PWM。 功率元件工作在
开关状态，开关频率恒定，
调节一个周期内晶体管的
导通时间来改变直流电机
电枢两端的平均电压
填写
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控制电路框图
各部分的作用
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二者的区别,
可控硅是直接对交流电进行控制
PWM是先将交流整流成稳定的直流电
压，再对直流电压进行开关控制
PWM由于频率高，所以电流脉动小
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二、交流伺服驱动装置
交流伺服电机取代直流伺服电机是由于直流电机存在机械换向，
需定期进行维护。
1交流伺服电机的结构,交流伺服电机也可称为同步电机或里
翻外的直流电机
1．电机轴 2.前端
盖 3.三相绕组线圈
4.压板 5.定子 6.磁
钢 7.后压板
8.动力线接头 9.后
端盖 10.反馈插头
11.脉冲编码器 12.
电机后
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交流伺服驱动、交流伺
服电机及连接图示意
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2 原理,1）给定子通过三相交流电流，由定子产生旋转磁场
2）转子磁场和定子的磁场相吸引，在旋转磁场的带
动下产生旋转。
3）通过转子位置的检测，系统保证旋转过程同步
3、介绍几种交流伺服
电机的控制原理
1）无刷直流电机的
控制
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