2010-5-13
第 6 章 数控伺服系统
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6.1 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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6.1 概 述
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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6.1.1 伺服系统的组成
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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6.1.1 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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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 。
6.1.2 对伺服系统的基本要求
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对伺服电机的要求：
（ 1） 调运范围宽且有良好的稳定性, 低速时的速度平稳性
（ 2） 电机应具有大的, 较长时间的过载能力, 以满足低速
大转矩的要求 。
（ 3） 反应速度快, 电机必须具有较小的转动惯量, 较大的
转矩, 尽可能小的机电时间常数和很大的加速度
(400rad / s2以上 )。
（ 4） 能承受频繁的起动, 制动和正反转 。
6.1.2 对伺服系统的基本要求
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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
6.1.2 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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6.1.2 伺服系统的分类
? 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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6.1.2 伺服系统的分类
? 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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6.1.2 伺服系统的分类
? 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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6.1.2 伺服系统的分类
? 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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6.1.2 伺服系统的分类
? 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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6.1.2 伺服系统的分类
? 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 。
6.1.2 伺服系统的分类
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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
6.1.2 伺服系统的分类
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6.2 伺服电动机
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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常用的直流电动机有：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
直流进给伺服系统,永磁式直流电机类型中的 有槽电枢永磁直
流电机 （ 普通型 ） ；
直流主轴伺服系统,励磁式直流电机类型中的 他激直流电机 。
6.2.1 直流伺服电机及工作特性
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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 6.5永磁直流伺服电机的结构 图 6.6直流主轴电机结构示意图
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⑴ 静态特性
电磁转矩由下式表示,
（ 6.1）
KT —转矩常数； Φ—磁场磁通； Ia —电枢电流； TM—电磁
转矩 。 电枢回路的电压平衡方程式为,
（ 6.2）
Ua─ 电枢上的外加电压； Ra─ 电枢电阻； Ea─ 电枢反电势 。
电枢反电势与转速之间有以下关系：
（ 6.3）
Ke─ 电势常数； ω─ 电机转速 （ 角速度 ） 。
根据以上各式可以求得：
（ 6.4）
2 一般 直流电机的工作特性
aTM IKT ??? ?
aaaa ERIU ??
??ea KE ?
M2
Te
a
e
a T
KK
R
K
U ?
???? ???
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当负载转矩为零时：
理想空载转速 （ 6.5）
当转速为零时：
启动转矩 ( 6.6）
当电机带动某一负载 TL时
电机转速与理想空载转速的差 （ 6.7）
2一般 直流电机的工作特性
?? e
a
0 K
U?
?T
g
as KRUT ?
L2
Te
a T
KK
R
??? ?
ω
O
△ ω
图 6.7 直流电机的机械特性
ω（ n）
ω O
O
△ ω
TS TTL
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⑵ 动态特性
直流电机的动态力矩平衡方程式为
（ 6.8）
式中 TM ─ 电机电磁转矩；
TL ─ 折算到电机轴上的负载转矩；
ω ─ 电机转子角速度；
J ─ 电机转子上总转动惯量；
t ─ 时间自变量 。
2一般 直流电机的工作特性
dt
dJTT LM ???
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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。
3．永磁直流伺服电机的工作特性
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3．永磁直流伺服电机的工作特性
d%
80 110%
120%
60 130%
140%
40 160%
d 180%
20
200%
0 1 3 tR 6 10 30 60 100 tR(min)
图 6﹒ 9负载 -工作周期曲线
M/（ N-cm） 转矩极限
12000
10000 瞬时换向极限
8000 Ⅲ
6000 Ⅱ 换向极限 速度极限
4000 温度极限
2000 Ⅰ
0 500 1000 1500 n
图 6﹒8 永磁直流伺服电机工作曲线
Ⅰ 区为连续工作区； Ⅱ 区为断续工作区，由负
载 -工作周期曲线决定工作时间； Ⅲ 区为瞬时加
减速 区
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4．主轴直流伺服电机的工作原理和特性
O nj nmax n
P,T 1 2
图 6.10 直流主轴电机特性曲线
1-转矩特性曲线 2-功率特性曲线
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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 。
6.2 2 交流伺服电机及工作特性
V
S
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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 6﹒ 11 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结构和工作原理
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（ 2） 永磁交流同步伺服电机工作原理和性能
1,永磁交流同步伺服电机的结构和工作原理
n（ r/min）
V
S
N
ns nr
θ
S
图 6﹒ 12 工作原理 图 6﹒ 13 特性曲线
T（ N-cm）
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0 1000 2000 3000
Ⅰ
Ⅱ
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交流主轴电机的要求,
? 大功率
? 低速恒转矩, 高速恒功率
鼠笼式交流异步伺服电机
图 6﹒ 14交流主轴电机与普通交流
异步感应电机的比较图示意图 图 6,15 交流主轴伺服电机的特性曲线
2．交流主轴伺服电机的结构和工作原理
交流主轴电机
普通交流 异步感应电机
通风孔
P（ KW）
8
6
4
2
0 2000 4000 60008000 12000 n（ r/min）
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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
3、交流伺服电机的发展
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6.3 速度控制
概述,速度控制系统由速度控制单元、伺服电机和速度检测
装置组成。分为主运动和进给运动。
进给运动,是保证轨迹、尺寸和形位精度的。不但有速度控制，
还有位置控制。在整个速度范围内，保持恒转矩。与
主运动相比功率较小。
主运动,主要无级调速，但还要有下面的控制功能：
⑴ 主轴于进给驱动的同步控制；
⑵ 准停控制；
⑶ 分度控制；
⑷ 恒线速度控制。
速度控制,主要是调速，调速有机械, 液压和电气方法，电气调
速最有利于实现自动化。
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6.3.1 直流进给运动的速度控制
1.,直流伺服电机的调速原理
根据机械特性公式可知调速有二种方法,电枢电压 Ua和 气隙磁通 Φ
⑴ 改变电枢外加电压 Ua,由于绕组绝缘耐压的限制，调压只能在额定
转速以下进行。属于恒转矩调速。
⑵改变气隙磁通量 Φ,改激磁电流即可改 Φ，在 Ua恒定情况下，磁场接
近饱和，故只能弱磁调速，在额定转速以上进行。属于恒功率调速。
2.直流速度控制单元调速控方式
◆ 晶闸管（可控硅） 调速系统
◆ 晶体管脉宽调制（ PWM） 调速系统
?????? ??????? 0M2
Te
a
e
a T
KK
R
K
U
nnTCC RCUn 0M2
Te
a
e
a ?
?? ???????
（ 6.9）
（ 6.10）
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(1) 晶闸管调速系统
1）系统的组成
包括 控制回路,速度环、电流环、触发脉冲发生器等。
主回路,可控硅整流放大器等。
速度环：速度调节（ PI），作用：好的静态、动态特性。
电流环：电流调节 (P或 PI)。作用：加快响应、启动、低频稳定等。
触发脉冲发生器：产生移相脉冲，使可控硅触发角前移或后移。
可控硅整流放大器：整流、放大、驱动，使电机转动。
速度
调节器
电流
调节器
触发脉冲
发生器
可控硅
整流器
电流反馈
速度反馈
电流检测
编码器 电机
UR
+ -
Uf If
IR
+
-
E1ES
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2）主 回路 工作原理
组成, 由大功率晶闸 管构成的三相全控桥式（三相全波）反并接可逆电路，
分成二大部分（ Ⅰ 和 Ⅱ ），每部分内按三相桥式连接，二组反并接，
分别实现正转 和反转。
原理, 三相整流器，由二个半波整流电路组成。每部分内又分成 共阴极组
（ 1,3,5）和共阳极组（ 2,4,6）。为构成回路，这二组中必须各有一
个可控硅同时导通。 1,3,5在正半周导通,2,4,6在负半周导通。每
组内（即二相间）触发脉冲相位相差 120o，每相内二个触发脉冲相差 180o。
按管号排列，触发脉冲的顺序,1-2-3-4-5-6，相邻之间相位差 60o。
为保证合闸后两个串联可控硅能同时导通, 或已截止的相再次导通,
采用双脉冲控制。既每个触发脉冲在导通 60o后，在补发一个辅助脉冲；也
可以采用宽脉冲控制，宽度大于 60o，小于 120o。
4 6 2 7 9 11
1 3 5 8 12 10
A
B
C
M
Ⅰ Ⅱ
UM
UD
KM
KM
+
-
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原理：
e)
u a
c b c a b
a)
b)
c)
d)
1 3 5
① ② ③ ④ ⑤ ⑥
ωt
u
b2 4 6b c a
ωt
ωt
ωt
ωt
1 1 3 3 5 5 1 1 3 3
6 2 2 4 4 6 6 2 2 4
1 3 5
2 4 6
120°
120°
180°
60°
1 3
2 4
60°
60°
5
6
α
只要改变可控
硅触发角（即改变
导通角），就能改
变可控硅的整流输
出电压，从而改变
直流伺服电机的转
速。
触发脉冲提前
来，增大整流输出
电压；触发脉冲延
后来，减小整流输
出电压。
主回路波形图
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3）控制回路分析触发脉冲产生的过程：
改变触发角，即改变控制角
U1
U2
R1
R2
R3 C
-
+
同步信号
过零信号
由速度 F
变换来的
电流调节
器输出的
直流信号,
1 2 3
窄脉冲, 即
移相触发脉冲
同步信号
方波信号
矩齿波
矩齿波与直
流电压叠加
信号
尖脉冲
直流电压
（ 可控硅导通时间），可调速。
没反馈是开环，特性软。
1-同步电路 2-移向控制电路
3-脉冲分配器
② 电流调节器,同上，加快电流的反应。
③ 触发脉冲发生器：正弦波同步锯齿波触发
电路，与 F直流信号叠加。
① 速度调节器：比例积分 PI，高放大（相当
C短路） —缓放大 —增放大 —稳定（相当 C
开路）无静差。
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运算放大器的类型
⑴ 反向比例放大器 ⑵反向比例加法运算放大器
⑶同向比例放大器 ⑷积分运算放大器
⑸比例积分运算放大器,⑹比较器
R3 R
3
U1
U2R
1
R2
R3
-
+
U1
R1 U2
R2
C
-
+
U1
U2
R1
R2
R3 C
-
+
U1
U2
R1
R2 -
+
U3U2
R4
R2
-
+
U1
R1
U1
U2
R2
R1 -
+U2
二个输入端的内阻非常大，不向运放内流电流，放大
倍数非常大。同相端接地，电位为 0，为实地；方反
向端电为也为 0，虚地。 U2=-U1?R3/R2
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功率因数 （ 以单向为例 ）
交流电阻电路：功率 (平均 )P = UI =I2R =U 2/ R
交流电阻电容电路：纯电容电路电流超前电压 相位 φ=90o
功率 (平均 )P =UIcos φ
交流电阻电感电路：纯电感电路电流落后电压 相位 φ=90o
功率 (平均 )P =UIcos φ
由于交流电路中电感电容的存在，平均功率不等于电
压电流的乘积，而差一个 cos φ,既与电压电流的相位差
有关。其中 cos φ称为功率因数 。 cos φ 越高越好。
造成功率因数不高的主要原因是感性负载，如异步电
机、工频炉、日光灯的功率因数都不高；提高功率因数的
办法是在感性负载上并联电容。
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[总结 ] 速度控制的原理,
①调速,当给定的指令信号增大时，则有较大的偏差信号加到调节器的
输入端，产生前移的触发脉冲，可控硅整流器输出直流电压提高，电
机转速上升。此时测速反馈信号也增大，与大的速度给定相匹配达到
新的平衡，电机以较高的转速运行。
②干扰,假如系统受到外界干扰，如负载增加，电机转速下降，速度反
馈电压降低，则速度调节器的输入偏差信号增大，其输出信号也增大，
经电流调节器使触发脉冲前移，晶闸管整流器输出电压升高，使电机
转速恢复到干扰前的数值。
③电网波动,电流调节器通过电流反馈信号还起快速的维持和调节电流
作用，如电网电压突然短时下降，整流输出电压也随之降低，在电机
转速由于惯性还未变化之前，首先引起主回路电流的减小，立即使电
流调节器的输出增加，触发脉冲前移，使整流器输出电压恢复到原来
值，从而抑制了主回路电流的变化。
④启动、制动、加减速,电流调节器还能保证电机启动、制动时的大转
矩、加减速的良好动态性能。
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（ 2） 晶体管脉宽调制（ PWM）调速系统
1）系统的组成及特点
? 速度调节器 ? 电流调节器 脉宽调节
振荡器
脉宽调节
MG
电流反馈
U～
usr
us f
整流
功放
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① 主回路,
大功率晶体管开关放大器；
功率整流器。
② 控制回路：
速度调节器；
电流调节器；
固定频率振荡器及三角波发生器；
脉宽调制器和基极驱动电路 。
区别, 与晶闸管调速系统比较，速度调节器和电流调节
器原理一样。不同的是脉宽调制器和功率放大器。
直流脉宽调制,功率放大器中的大功率晶体管工作在开
关状态下，开关频率保持恒定，用调整开关周期
内晶体管导通时间（即改变基极调制脉冲宽度）
的方法来改变输出。从而使电机获得脉宽受调制
脉冲控制的电压脉冲，由于频率高及电感的作用
则为波动很小的直流电压（平均电压）。
脉宽的变化使电机电枢的直流电压随着变化。
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直流脉宽调调制的基本原理
周期不变 周期不变
脉宽
脉宽
脉宽
脉宽
平均直流电压
脉冲宽度正比代表速度 F值的直流电压
U
ωt
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2） 脉宽调制器
t
t
U △
U △ +U S r U △ +U S r
U S C U S C U S C
+U S ro o o
-U S r
t
tt
t
同向加法放大器电路图
U S r –速度指令转化过
来的直流电压
U △ - 三角波
USC- 脉宽调制器的输
出（ U S r +U △ ）
调制波形图
R1 +12V
USCR1
R3R2
+
-12V
U S r
U △
-
US r为 0时
调制出正负脉宽一样方波
平均电压为 0
US r为正时 US r为负时
调制出脉宽较宽的波形
平均电压为正
调制出脉宽较窄的波形
平均电压为负
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3） 开关功率放大器
主回路：可逆 H型双极式 PWM
开关功率放大器
电路图, 由四个大功率晶体管
（ GTR） T 1, T 2, T 3, T4
及四个续流二极管组成的桥
式电路。
H型,又分为
双极式、单极
式和受限单极
式三种。
Ub1,Ub2,Ub3
Ub4 –为调制器
输出，经脉冲
分配、基极驱
动转换过来的
脉冲电压。分
别加到 T1, T2、
T3, T4的基极。
Ub3
Ub4
Ub1
Ub2
US
A B
D1
D2
D3
D4
M
T1
T2 T4
T3
t
US
-US
Ud
UAB
O t
Ub1
Ub 4
Ub2
Ub3
O
O
t
t
t1 T
id
id1 id2 id1 id2
O
O
O
O
O
t1t3 Tt2 t3 t1
Ub1,Ub 4
Ub2,Ub 3
Ud
UAB
id
t
t
t
tid1 id1
id4
id2
id3 id4
id2
2010-5-13
工作原理：
T1 和 T4 同时导通和关断，其基极驱动电压 Ub1= Ub4。 T2和 T3同
时导通和关断，基极驱动电压 Ub2= Ub3 = –Ub1。以正脉冲较宽为例，
既正转时。
负载较重时：
①电动状态,当 0≤t ≤ t1时,Ub1,Ub4为正,T1 和 T4 导通； Ub2,Ub3
为负, T2和 T3截止。电机端电压 UAB=US,电枢电流 id= id1，由 US→ T1
→ T4 → 地。
②续流维持电动状态,在 t1 ≤t ≤ T时,Ub1,Ub4为负, T1 和 T4截止；
Ub2,Ub3变正，但 T2和 T3并不能立即导通，因为在 电枢电感储能的
作用下, 电枢电流 id= id2，由 D2→ D3续流，在 D2,D3 上的压降使 T2,
T3的 c-e极承受反压不能导通。 UAB=-US。 接着再变到 电动状态、续流
维持电动状态 反复进行，如上面左图。
负载较轻时：
③反接制动状态，电流反向：② 状态中，在负载较轻时，则 id小,续流
电流很快衰减到零，即 t =t2 时 （见 上面右图 ）,id=0。 在 t2 ～ T 区段,
T2, T3 在 US 和反电动势 E的共同作用下 导通, 电枢电流反向,id= id3
由 US→ T3 → T2 → 地。电机处于 反接制动状态。
④电枢电感储能维持电流反向,在 T ～ t3区段时，驱动脉冲极性改变，
T2, T3截止，因 电枢电感维持电流,id= id4，由 D4→ D1。
2010-5-13
⑤ 电机正转、反转、停止：
由正、负 驱动电压脉冲宽窄而定。
当 正 脉冲较宽时，既 t1> T/2,平均电压为正，电机正转；
当 正 脉冲较窄时，既 t1< T/2, 平均电压为负，电机反转；
如果正、负 脉冲宽度相等,t1=T/2, 平均电压为零，电机停转。
⑥ 电机速度的改变：
电枢上的 平均 电压 UAB越大，转速越高。它是由 驱动电压脉冲宽度
决定的。
⑦ 双极性,
由以上分析表明：
可逆 H型双极式 PWM开关功率放大器，无论负载是重还是轻、电机
是正转还是反转，加在电枢上的电压极性在一个开关周期内，都在
US和 –US之间变换一次，故称为双极性。
2010-5-13
（ 4） PWM调速系统的特点
① 频带宽、频率高,
晶体管, 结电容, 小，开关频率远高于可控（ 50Hz)，
可达 2-10KHz。快速性好 。
②电流脉动小,
由于 PWM调制频率高，电机负载成感性对电流脉动
由平滑作用，波形系数接近于 1。
③电源的功率因数高,
SCR系统由于导通角的影响，使交流电源的波形畸
变、高次谐波的干扰，降低了电源功率因数。 PWM
系统的直流电源为不受控的整流输出，功率因数高。
④动态硬度好,
校 正瞬态负载扰动能力强，频带宽，动态硬度高。
2010-5-13
6.3.2直流主轴驱动的速度控制
1.对直流主轴伺服系统的要求
⑴ N,M—n 特 性，低速恒转矩，高速恒功率。
⑵ 良好的加、减速及换向功能。
⑶ 过载能力,150%（额定电流的 1.5倍）。
⑷ 大的调速范围。
⑸ 准停、同步、恒线速度控制功能。
2.直流主轴 速度控制单元：没有位置控制，只是速度控制系统。
速度比较调节 电流比较调节 移相触发脉冲及 方向控制
可控硅整
流器
电机
激磁电
压反馈
电流调解电
压相位变换
脉冲发生器
方向控制 整流器
~
~
激磁电流设定
速度
指令
速度反馈
电流反馈
调压控制部分
调磁控制部分
ⅹ
电流
反馈
2010-5-13
组成,调压部分 — 恒转矩调速，在额定转速以下调速。
调磁部分 — 恒功率调速，在额定转速以上调速。
调压,一般采用晶闸管调速系统，同直流进给系统一样。包括
速度环、电流环、可控硅整流主回路等。
调磁,◆ 主轴电机为它激式直流电机，激磁绕组与电枢绕组
无直接关系，需由另一直流电源供电。
◆ 激磁回路由激磁电流设定电路，电枢电压反馈电路、及
激磁反馈电路三者的比较输出信号，经电流调节、触发
脉冲发生器等，控制激磁电流的大小，完成恒功率调速。
调磁部分的电压反馈的作用：
它激直流主轴电机，调压、调磁是分开独立工作的。在
额定转速以下用改变电调电枢端电压调速，此时调磁不
工作只是维持额定的磁场，用电压反馈作信号，限制激
磁电流反馈。 当电枢端电压达到额定值时，可以调磁，
使电机转速在高速段调整。
2010-5-13
6.3.3 交流进给运动的速度控制
1.交流伺服电机的调速方法
由电机学知，交流电机转速公式：
式中,f –定子电源频率
p – 磁激对数
S – 转差率
ns – 定子旋转磁场转速
n– 转子转速
? ?s1p f60n 1 ??
异步电机
变频 – 用于笼型电机
调压（定子电压）
电磁砖差离合器
调阻（转子电组）
串级调速
交 –直 –交
交 –交
交 –直 –交
交 –交
变转
差率
变频
变频
同步电机
交流电动机
s
s
n
nns ??
由此可知调速方法：
（ 6.11）
（ 6.12）
2010-5-13
对于进给系统常使用交流同步电机，该电机没有转差率，电机转速
公式变为：
p
fn 160?
从式中可以看出：只能用变频调速，并且是有效方法。
变频调速的主要环节是为交流电机提供变频、变压电源的变频器，
变频器分为：
● 交 –直 –交变频器 分电压型和电流型。电压型先将电网的交流
电经整流器变为直流，再经逆变器变为频率和电压都可变的交
流电压。电流型是切换一串方波，方波电流供电，用于大功率。
● 交 –交变频器 该变频器没有中间环节，直接将电网的交流电
变为频率和电压都可变的交流电。
目前对于中小功率电机，用得最多的是电压型交 –直 –交变频器。
2.正弦脉宽调制（ SPWM）变压变频器
⑴ 基本概念
1964年德国人率先提出脉宽调制变频思想，把通讯系统中的
（ 6.13）
2010-5-13
调制技术应用于交流变频器。调制方法很多，目前用得最多的是正弦
脉宽调制。还有空间电压矢量 PWM、最优 PWM、预测 PWM、随机
PWM、规则采样数字化 PWM等等。
SPWM交 –直 –交变压变频器的原理框图如下：
M
3～
UIUR
～
UR–整流器 固定电压不可控整流器，常采用六个二级管桥式整流器
结构将交流变为直流，电压幅值不变。 为逆变器的供电。
UI –逆变器 由六个功率开关器件组成，常采用大功率晶体管。其控
制极（大功率晶体管 GTR为基极 ）输入由基准正弦波（由速度指
令转化过来的）和三角波叠加出来的 SPWM调制波（等幅、不等
宽的矩形脉冲波）,使这些大功率晶体管按一定规律导通、截止，
输出一系列功率级等效于正弦交流电的可变频变压的等幅、不等
宽的矩形脉冲电压波，即功率级 SPWM电压，使电机转动。
功率开关器件还可采用：可关断晶闸管 GTO、功率场效应晶
体管 MOSFET、绝缘门极晶体管 IGBT等。
2010-5-13
⑵ 正弦脉宽调制原理 （以单相为例）
正弦脉宽调制 （ SPWM）波形, 与正弦波等效的一系列等幅不等
宽的矩形脉冲波，如右下图所示。
u
ωt
ωt
u
O
O
a)
b)
① 等效原理,把 正弦分
成 n 等分，每一区间的面
积用与其相等的等幅不等
宽的矩形面积代替。
正弦的正负半周均如此
处理。
2010-5-13
② SPWM控制波的生成,正弦波 —三角波调制,方波 —三角波调制。
方波发生器
（带正反馈比较
又有 RC积分）
三角波发生器
（积分器）
三角波与基准
正弦波叠加
（比较器）
SPWM调制波
基准正弦波
(由速度指令
转化过来的 )
VD1
调制波
载波
u ut
u1:
ut u1
u0
O O
O
t t
t
RF
R
R1
R2
R3
R4
R5
R6
R7
VD2
VD3
VD4
C 1
C 2
U0 (ua,ub,uc )
tO
-
-
-
+
+
+
t
ut:
2010-5-13
uAB
50Hz SPWM
D1 D2 D3
D4 D5 D6
D7 D8 D9
D10 D11 D12
T1 T2 T3
T4 T5 T6
ua
ua
ub
ub
uc
uc
u1 u2 u3ut
u1ut
ud
ua
ω1t
ω1t
ω1t
ω1t
ω1t
ω1t
uA0
uB0
uC0
逆变器输出
A相等效正弦
脉宽电压波
逆变器输出
B相等效正弦
脉宽电压波
逆变器输出
C相等效正弦
脉宽电压波
逆变器输出线
电压等效正弦
脉宽电压波
u1:由 F转换来的ut
改变调制波的频
率、幅值，就可
改变最终输出,
变频变压的交流
电压
主回路：
左半部：整流器
右半部：逆变器
2010-5-13
1.系统的组成：速度环、电流环
SPW电路、功放电路
检测反馈电路
6.3.4交流进给伺服电机的速度控制系统
校正
补偿 乘法器 SPWM
功率
放大
速度反
馈信号
转子位置
检测电路
电流信号
处理电路
传感器信号处理电路 传感器
MS
3~
电流
比较
速度
比较 电流
传感++
--U(t)
2010-5-13
2.SPWM电路原理
SPWM的控制方法：
⑴ 模拟控制 原始的控制方法；
⑵ 数字控制
① 微机存储事先算好的 SPWM数据表格，由指令调出，或通过软
件实时生成。
② 专用集成芯片
③ 单片机微处理器直接带有 SPWM信号产生功能，并有其输出端
口，如 8098,8XC196MC。
去主回路
三极管基极
u/f 分频
u/f 分频
基准正弦波
产生
三角波
发生器
比较器
SPWM
比较
叠加
ui
压 /频变换、
分频器
正弦逻辑
三角波逻辑指令
比较器
比较器
脉冲
分配
2010-5-13
SPWM变压变频调速的优点：
1.主电路只有一个可控的功率环节，简化了结构；
2.采用了不可控整流器。使电网功率因数提高；
3.逆变器同时调频调压，动态相应不受中间环节影响；
4.可获得更接近于正弦波的输出电压波形 。
2010-5-13
6.3.5交流主轴电机的速度控制
交流主轴驱动系统：交流感应异步电机
调速方法很多，变频调速是最适用的方法，主要有：
压频（ u/f）调速
矢量变换控制调速
1.变压变频调速的基本控制方式
在电机调速时，希望保持每极磁通为额定值。
磁通过弱 — 没有充分利用铁心，是一种浪费。
磁通过强 — 使铁心饱和，产生过大的励磁电流，严重时因绕
组过热烧毁电机。
交流异步电机中,磁通是定子和转子磁动势合成产生的，所
以不能单独调频。
三相 异步电机 定子每相电动势的有效值为：
Eg = 4.44f1N1kN1Φm ≈
式中 f1 —定子 频率（ Hz）；
N1 —定子电动绕组串联匝数；
Kn1 —基波绕组系数；
Φm —每 极气隙磁通量
2010-5-13
n
T10 20 30 40
1000
2000
3000
恒转矩调速特性曲线 T
n
10 20 30 40
1000
2000
3000
恒 Tm调速特性曲线
由上式可知 Φm ≈ Eg / f1
2010-5-13
恒功率调速
10 20 30 40 50 60
1000
2000
n
T
6.3.5
2010-5-13
6.3.6交流伺服电机的矢量控制
交流异步电机的矢量控制
A A
B C
0
0
0
d
d
q
q
2010-5-13
6.3.6
矢量控制
60o
60o
FC
FA
FB
F
F
d
id
iq
i
i
il
2010-5-13
6.3.6
交流同步电机的矢量控制
d
A
B C
i
iq
id
iA
d
ic
iB
q
2010-5-13
6.4 位置控制
位置检测
测速值
位置传感器
测速计
电动机
速度控制位置控制
指令位置
Doi
+
-
DAi
实际
位置
?Di Vpi ?Vi VDiK
D KV
6.4.1位值控制的基本原理
2010-5-13
6.4.2数字脉冲比较位置控制伺服系统
比较
环节
伺服
放大器D/A
工作台
位置
检测器
伺服
电机
脉冲
处理
指令脉冲 F
反馈脉冲 位置信息
2010-5-13
谢谢听讲
欢迎提出宝贵意见和建议
第 6 章 数控伺服系统
2010-5-13
6.1 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 。
2010-5-13
6.1 概 述
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。
2010-5-13
6.1.1 伺服系统的组成
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。
2010-5-13
6.1.1 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。
2010-5-13
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 。
6.1.2 对伺服系统的基本要求
2010-5-13
对伺服电机的要求：
（ 1） 调运范围宽且有良好的稳定性, 低速时的速度平稳性
（ 2） 电机应具有大的, 较长时间的过载能力, 以满足低速
大转矩的要求 。
（ 3） 反应速度快, 电机必须具有较小的转动惯量, 较大的
转矩, 尽可能小的机电时间常数和很大的加速度
(400rad / s2以上 )。
（ 4） 能承受频繁的起动, 制动和正反转 。
6.1.2 对伺服系统的基本要求
2010-5-13
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
6.1.2 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
2010-5-13
6.1.2 伺服系统的分类
? 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
2010-5-13
6.1.2 伺服系统的分类
? 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。
2010-5-13
6.1.2 伺服系统的分类
? 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
2010-5-13
6.1.2 伺服系统的分类
? 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。
2010-5-13
6.1.2 伺服系统的分类
? 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
2010-5-13
6.1.2 伺服系统的分类
? 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。
2010-5-13
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 。
6.1.2 伺服系统的分类
2010-5-13
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
6.1.2 伺服系统的分类
2010-5-13
6.2 伺服电动机
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 ）
2010-5-13
常用的直流电动机有：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
直流进给伺服系统,永磁式直流电机类型中的 有槽电枢永磁直
流电机 （ 普通型 ） ；
直流主轴伺服系统,励磁式直流电机类型中的 他激直流电机 。
6.2.1 直流伺服电机及工作特性
2010-5-13
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 6.5永磁直流伺服电机的结构 图 6.6直流主轴电机结构示意图
2010-5-13
⑴ 静态特性
电磁转矩由下式表示,
（ 6.1）
KT —转矩常数； Φ—磁场磁通； Ia —电枢电流； TM—电磁
转矩 。 电枢回路的电压平衡方程式为,
（ 6.2）
Ua─ 电枢上的外加电压； Ra─ 电枢电阻； Ea─ 电枢反电势 。
电枢反电势与转速之间有以下关系：
（ 6.3）
Ke─ 电势常数； ω─ 电机转速 （ 角速度 ） 。
根据以上各式可以求得：
（ 6.4）
2 一般 直流电机的工作特性
aTM IKT ??? ?
aaaa ERIU ??
??ea KE ?
M2
Te
a
e
a T
KK
R
K
U ?
???? ???
2010-5-13
当负载转矩为零时：
理想空载转速 （ 6.5）
当转速为零时：
启动转矩 ( 6.6）
当电机带动某一负载 TL时
电机转速与理想空载转速的差 （ 6.7）
2一般 直流电机的工作特性
?? e
a
0 K
U?
?T
g
as KRUT ?
L2
Te
a T
KK
R
??? ?
ω
O
△ ω
图 6.7 直流电机的机械特性
ω（ n）
ω O
O
△ ω
TS TTL
2010-5-13
⑵ 动态特性
直流电机的动态力矩平衡方程式为
（ 6.8）
式中 TM ─ 电机电磁转矩；
TL ─ 折算到电机轴上的负载转矩；
ω ─ 电机转子角速度；
J ─ 电机转子上总转动惯量；
t ─ 时间自变量 。
2一般 直流电机的工作特性
dt
dJTT LM ???
2010-5-13
(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。
3．永磁直流伺服电机的工作特性
2010-5-13
3．永磁直流伺服电机的工作特性
d%
80 110%
120%
60 130%
140%
40 160%
d 180%
20
200%
0 1 3 tR 6 10 30 60 100 tR(min)
图 6﹒ 9负载 -工作周期曲线
M/（ N-cm） 转矩极限
12000
10000 瞬时换向极限
8000 Ⅲ
6000 Ⅱ 换向极限 速度极限
4000 温度极限
2000 Ⅰ
0 500 1000 1500 n
图 6﹒8 永磁直流伺服电机工作曲线
Ⅰ 区为连续工作区； Ⅱ 区为断续工作区，由负
载 -工作周期曲线决定工作时间； Ⅲ 区为瞬时加
减速 区
2010-5-13
4．主轴直流伺服电机的工作原理和特性
O nj nmax n
P,T 1 2
图 6.10 直流主轴电机特性曲线
1-转矩特性曲线 2-功率特性曲线
2010-5-13
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 。
6.2 2 交流伺服电机及工作特性
V
S
2010-5-13
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 6﹒ 11 永磁交流同步伺服电机结构
2010-5-13
1．永磁交流同步伺服电机的结构和工作原理
2010-5-13
（ 2） 永磁交流同步伺服电机工作原理和性能
1,永磁交流同步伺服电机的结构和工作原理
n（ r/min）
V
S
N
ns nr
θ
S
图 6﹒ 12 工作原理 图 6﹒ 13 特性曲线
T（ N-cm）
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0 1000 2000 3000
Ⅰ
Ⅱ
2010-5-13
交流主轴电机的要求,
? 大功率
? 低速恒转矩, 高速恒功率
鼠笼式交流异步伺服电机
图 6﹒ 14交流主轴电机与普通交流
异步感应电机的比较图示意图 图 6,15 交流主轴伺服电机的特性曲线
2．交流主轴伺服电机的结构和工作原理
交流主轴电机
普通交流 异步感应电机
通风孔
P（ KW）
8
6
4
2
0 2000 4000 60008000 12000 n（ r/min）
2010-5-13
（ 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
3、交流伺服电机的发展
2010-5-13
6.3 速度控制
概述,速度控制系统由速度控制单元、伺服电机和速度检测
装置组成。分为主运动和进给运动。
进给运动,是保证轨迹、尺寸和形位精度的。不但有速度控制，
还有位置控制。在整个速度范围内，保持恒转矩。与
主运动相比功率较小。
主运动,主要无级调速，但还要有下面的控制功能：
⑴ 主轴于进给驱动的同步控制；
⑵ 准停控制；
⑶ 分度控制；
⑷ 恒线速度控制。
速度控制,主要是调速，调速有机械, 液压和电气方法，电气调
速最有利于实现自动化。
2010-5-13
6.3.1 直流进给运动的速度控制
1.,直流伺服电机的调速原理
根据机械特性公式可知调速有二种方法,电枢电压 Ua和 气隙磁通 Φ
⑴ 改变电枢外加电压 Ua,由于绕组绝缘耐压的限制，调压只能在额定
转速以下进行。属于恒转矩调速。
⑵改变气隙磁通量 Φ,改激磁电流即可改 Φ，在 Ua恒定情况下，磁场接
近饱和，故只能弱磁调速，在额定转速以上进行。属于恒功率调速。
2.直流速度控制单元调速控方式
◆ 晶闸管（可控硅） 调速系统
◆ 晶体管脉宽调制（ PWM） 调速系统
?????? ??????? 0M2
Te
a
e
a T
KK
R
K
U
nnTCC RCUn 0M2
Te
a
e
a ?
?? ???????
（ 6.9）
（ 6.10）
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(1) 晶闸管调速系统
1）系统的组成
包括 控制回路,速度环、电流环、触发脉冲发生器等。
主回路,可控硅整流放大器等。
速度环：速度调节（ PI），作用：好的静态、动态特性。
电流环：电流调节 (P或 PI)。作用：加快响应、启动、低频稳定等。
触发脉冲发生器：产生移相脉冲，使可控硅触发角前移或后移。
可控硅整流放大器：整流、放大、驱动，使电机转动。
速度
调节器
电流
调节器
触发脉冲
发生器
可控硅
整流器
电流反馈
速度反馈
电流检测
编码器 电机
UR
+ -
Uf If
IR
+
-
E1ES
2010-5-13
2）主 回路 工作原理
组成, 由大功率晶闸 管构成的三相全控桥式（三相全波）反并接可逆电路，
分成二大部分（ Ⅰ 和 Ⅱ ），每部分内按三相桥式连接，二组反并接，
分别实现正转 和反转。
原理, 三相整流器，由二个半波整流电路组成。每部分内又分成 共阴极组
（ 1,3,5）和共阳极组（ 2,4,6）。为构成回路，这二组中必须各有一
个可控硅同时导通。 1,3,5在正半周导通,2,4,6在负半周导通。每
组内（即二相间）触发脉冲相位相差 120o，每相内二个触发脉冲相差 180o。
按管号排列，触发脉冲的顺序,1-2-3-4-5-6，相邻之间相位差 60o。
为保证合闸后两个串联可控硅能同时导通, 或已截止的相再次导通,
采用双脉冲控制。既每个触发脉冲在导通 60o后，在补发一个辅助脉冲；也
可以采用宽脉冲控制，宽度大于 60o，小于 120o。
4 6 2 7 9 11
1 3 5 8 12 10
A
B
C
M
Ⅰ Ⅱ
UM
UD
KM
KM
+
-
2010-5-13
原理：
e)
u a
c b c a b
a)
b)
c)
d)
1 3 5
① ② ③ ④ ⑤ ⑥
ωt
u
b2 4 6b c a
ωt
ωt
ωt
ωt
1 1 3 3 5 5 1 1 3 3
6 2 2 4 4 6 6 2 2 4
1 3 5
2 4 6
120°
120°
180°
60°
1 3
2 4
60°
60°
5
6
α
只要改变可控
硅触发角（即改变
导通角），就能改
变可控硅的整流输
出电压，从而改变
直流伺服电机的转
速。
触发脉冲提前
来，增大整流输出
电压；触发脉冲延
后来，减小整流输
出电压。
主回路波形图
2010-5-13
3）控制回路分析触发脉冲产生的过程：
改变触发角，即改变控制角
U1
U2
R1
R2
R3 C
-
+
同步信号
过零信号
由速度 F
变换来的
电流调节
器输出的
直流信号,
1 2 3
窄脉冲, 即
移相触发脉冲
同步信号
方波信号
矩齿波
矩齿波与直
流电压叠加
信号
尖脉冲
直流电压
（ 可控硅导通时间），可调速。
没反馈是开环，特性软。
1-同步电路 2-移向控制电路
3-脉冲分配器
② 电流调节器,同上，加快电流的反应。
③ 触发脉冲发生器：正弦波同步锯齿波触发
电路，与 F直流信号叠加。
① 速度调节器：比例积分 PI，高放大（相当
C短路） —缓放大 —增放大 —稳定（相当 C
开路）无静差。
2010-5-13
运算放大器的类型
⑴ 反向比例放大器 ⑵反向比例加法运算放大器
⑶同向比例放大器 ⑷积分运算放大器
⑸比例积分运算放大器,⑹比较器
R3 R
3
U1
U2R
1
R2
R3
-
+
U1
R1 U2
R2
C
-
+
U1
U2
R1
R2
R3 C
-
+
U1
U2
R1
R2 -
+
U3U2
R4
R2
-
+
U1
R1
U1
U2
R2
R1 -
+U2
二个输入端的内阻非常大，不向运放内流电流，放大
倍数非常大。同相端接地，电位为 0，为实地；方反
向端电为也为 0，虚地。 U2=-U1?R3/R2
2010-5-13
功率因数 （ 以单向为例 ）
交流电阻电路：功率 (平均 )P = UI =I2R =U 2/ R
交流电阻电容电路：纯电容电路电流超前电压 相位 φ=90o
功率 (平均 )P =UIcos φ
交流电阻电感电路：纯电感电路电流落后电压 相位 φ=90o
功率 (平均 )P =UIcos φ
由于交流电路中电感电容的存在，平均功率不等于电
压电流的乘积，而差一个 cos φ,既与电压电流的相位差
有关。其中 cos φ称为功率因数 。 cos φ 越高越好。
造成功率因数不高的主要原因是感性负载，如异步电
机、工频炉、日光灯的功率因数都不高；提高功率因数的
办法是在感性负载上并联电容。
2010-5-13
[总结 ] 速度控制的原理,
①调速,当给定的指令信号增大时，则有较大的偏差信号加到调节器的
输入端，产生前移的触发脉冲，可控硅整流器输出直流电压提高，电
机转速上升。此时测速反馈信号也增大，与大的速度给定相匹配达到
新的平衡，电机以较高的转速运行。
②干扰,假如系统受到外界干扰，如负载增加，电机转速下降，速度反
馈电压降低，则速度调节器的输入偏差信号增大，其输出信号也增大，
经电流调节器使触发脉冲前移，晶闸管整流器输出电压升高，使电机
转速恢复到干扰前的数值。
③电网波动,电流调节器通过电流反馈信号还起快速的维持和调节电流
作用，如电网电压突然短时下降，整流输出电压也随之降低，在电机
转速由于惯性还未变化之前，首先引起主回路电流的减小，立即使电
流调节器的输出增加，触发脉冲前移，使整流器输出电压恢复到原来
值，从而抑制了主回路电流的变化。
④启动、制动、加减速,电流调节器还能保证电机启动、制动时的大转
矩、加减速的良好动态性能。
2010-5-13
（ 2） 晶体管脉宽调制（ PWM）调速系统
1）系统的组成及特点
? 速度调节器 ? 电流调节器 脉宽调节
振荡器
脉宽调节
MG
电流反馈
U～
usr
us f
整流
功放
2010-5-13
① 主回路,
大功率晶体管开关放大器；
功率整流器。
② 控制回路：
速度调节器；
电流调节器；
固定频率振荡器及三角波发生器；
脉宽调制器和基极驱动电路 。
区别, 与晶闸管调速系统比较，速度调节器和电流调节
器原理一样。不同的是脉宽调制器和功率放大器。
直流脉宽调制,功率放大器中的大功率晶体管工作在开
关状态下，开关频率保持恒定，用调整开关周期
内晶体管导通时间（即改变基极调制脉冲宽度）
的方法来改变输出。从而使电机获得脉宽受调制
脉冲控制的电压脉冲，由于频率高及电感的作用
则为波动很小的直流电压（平均电压）。
脉宽的变化使电机电枢的直流电压随着变化。
2010-5-13
直流脉宽调调制的基本原理
周期不变 周期不变
脉宽
脉宽
脉宽
脉宽
平均直流电压
脉冲宽度正比代表速度 F值的直流电压
U
ωt
2010-5-13
2） 脉宽调制器
t
t
U △
U △ +U S r U △ +U S r
U S C U S C U S C
+U S ro o o
-U S r
t
tt
t
同向加法放大器电路图
U S r –速度指令转化过
来的直流电压
U △ - 三角波
USC- 脉宽调制器的输
出（ U S r +U △ ）
调制波形图
R1 +12V
USCR1
R3R2
+
-12V
U S r
U △
-
US r为 0时
调制出正负脉宽一样方波
平均电压为 0
US r为正时 US r为负时
调制出脉宽较宽的波形
平均电压为正
调制出脉宽较窄的波形
平均电压为负
2010-5-13
3） 开关功率放大器
主回路：可逆 H型双极式 PWM
开关功率放大器
电路图, 由四个大功率晶体管
（ GTR） T 1, T 2, T 3, T4
及四个续流二极管组成的桥
式电路。
H型,又分为
双极式、单极
式和受限单极
式三种。
Ub1,Ub2,Ub3
Ub4 –为调制器
输出，经脉冲
分配、基极驱
动转换过来的
脉冲电压。分
别加到 T1, T2、
T3, T4的基极。
Ub3
Ub4
Ub1
Ub2
US
A B
D1
D2
D3
D4
M
T1
T2 T4
T3
t
US
-US
Ud
UAB
O t
Ub1
Ub 4
Ub2
Ub3
O
O
t
t
t1 T
id
id1 id2 id1 id2
O
O
O
O
O
t1t3 Tt2 t3 t1
Ub1,Ub 4
Ub2,Ub 3
Ud
UAB
id
t
t
t
tid1 id1
id4
id2
id3 id4
id2
2010-5-13
工作原理：
T1 和 T4 同时导通和关断，其基极驱动电压 Ub1= Ub4。 T2和 T3同
时导通和关断，基极驱动电压 Ub2= Ub3 = –Ub1。以正脉冲较宽为例，
既正转时。
负载较重时：
①电动状态,当 0≤t ≤ t1时,Ub1,Ub4为正,T1 和 T4 导通； Ub2,Ub3
为负, T2和 T3截止。电机端电压 UAB=US,电枢电流 id= id1，由 US→ T1
→ T4 → 地。
②续流维持电动状态,在 t1 ≤t ≤ T时,Ub1,Ub4为负, T1 和 T4截止；
Ub2,Ub3变正，但 T2和 T3并不能立即导通，因为在 电枢电感储能的
作用下, 电枢电流 id= id2，由 D2→ D3续流，在 D2,D3 上的压降使 T2,
T3的 c-e极承受反压不能导通。 UAB=-US。 接着再变到 电动状态、续流
维持电动状态 反复进行，如上面左图。
负载较轻时：
③反接制动状态，电流反向：② 状态中，在负载较轻时，则 id小,续流
电流很快衰减到零，即 t =t2 时 （见 上面右图 ）,id=0。 在 t2 ～ T 区段,
T2, T3 在 US 和反电动势 E的共同作用下 导通, 电枢电流反向,id= id3
由 US→ T3 → T2 → 地。电机处于 反接制动状态。
④电枢电感储能维持电流反向,在 T ～ t3区段时，驱动脉冲极性改变，
T2, T3截止，因 电枢电感维持电流,id= id4，由 D4→ D1。
2010-5-13
⑤ 电机正转、反转、停止：
由正、负 驱动电压脉冲宽窄而定。
当 正 脉冲较宽时，既 t1> T/2,平均电压为正，电机正转；
当 正 脉冲较窄时，既 t1< T/2, 平均电压为负，电机反转；
如果正、负 脉冲宽度相等,t1=T/2, 平均电压为零，电机停转。
⑥ 电机速度的改变：
电枢上的 平均 电压 UAB越大，转速越高。它是由 驱动电压脉冲宽度
决定的。
⑦ 双极性,
由以上分析表明：
可逆 H型双极式 PWM开关功率放大器，无论负载是重还是轻、电机
是正转还是反转，加在电枢上的电压极性在一个开关周期内，都在
US和 –US之间变换一次，故称为双极性。
2010-5-13
（ 4） PWM调速系统的特点
① 频带宽、频率高,
晶体管, 结电容, 小，开关频率远高于可控（ 50Hz)，
可达 2-10KHz。快速性好 。
②电流脉动小,
由于 PWM调制频率高，电机负载成感性对电流脉动
由平滑作用，波形系数接近于 1。
③电源的功率因数高,
SCR系统由于导通角的影响，使交流电源的波形畸
变、高次谐波的干扰，降低了电源功率因数。 PWM
系统的直流电源为不受控的整流输出，功率因数高。
④动态硬度好,
校 正瞬态负载扰动能力强，频带宽，动态硬度高。
2010-5-13
6.3.2直流主轴驱动的速度控制
1.对直流主轴伺服系统的要求
⑴ N,M—n 特 性，低速恒转矩，高速恒功率。
⑵ 良好的加、减速及换向功能。
⑶ 过载能力,150%（额定电流的 1.5倍）。
⑷ 大的调速范围。
⑸ 准停、同步、恒线速度控制功能。
2.直流主轴 速度控制单元：没有位置控制，只是速度控制系统。
速度比较调节 电流比较调节 移相触发脉冲及 方向控制
可控硅整
流器
电机
激磁电
压反馈
电流调解电
压相位变换
脉冲发生器
方向控制 整流器
~
~
激磁电流设定
速度
指令
速度反馈
电流反馈
调压控制部分
调磁控制部分
ⅹ
电流
反馈
2010-5-13
组成,调压部分 — 恒转矩调速，在额定转速以下调速。
调磁部分 — 恒功率调速，在额定转速以上调速。
调压,一般采用晶闸管调速系统，同直流进给系统一样。包括
速度环、电流环、可控硅整流主回路等。
调磁,◆ 主轴电机为它激式直流电机，激磁绕组与电枢绕组
无直接关系，需由另一直流电源供电。
◆ 激磁回路由激磁电流设定电路，电枢电压反馈电路、及
激磁反馈电路三者的比较输出信号，经电流调节、触发
脉冲发生器等，控制激磁电流的大小，完成恒功率调速。
调磁部分的电压反馈的作用：
它激直流主轴电机，调压、调磁是分开独立工作的。在
额定转速以下用改变电调电枢端电压调速，此时调磁不
工作只是维持额定的磁场，用电压反馈作信号，限制激
磁电流反馈。 当电枢端电压达到额定值时，可以调磁，
使电机转速在高速段调整。
2010-5-13
6.3.3 交流进给运动的速度控制
1.交流伺服电机的调速方法
由电机学知，交流电机转速公式：
式中,f –定子电源频率
p – 磁激对数
S – 转差率
ns – 定子旋转磁场转速
n– 转子转速
? ?s1p f60n 1 ??
异步电机
变频 – 用于笼型电机
调压（定子电压）
电磁砖差离合器
调阻（转子电组）
串级调速
交 –直 –交
交 –交
交 –直 –交
交 –交
变转
差率
变频
变频
同步电机
交流电动机
s
s
n
nns ??
由此可知调速方法：
（ 6.11）
（ 6.12）
2010-5-13
对于进给系统常使用交流同步电机，该电机没有转差率，电机转速
公式变为：
p
fn 160?
从式中可以看出：只能用变频调速，并且是有效方法。
变频调速的主要环节是为交流电机提供变频、变压电源的变频器，
变频器分为：
● 交 –直 –交变频器 分电压型和电流型。电压型先将电网的交流
电经整流器变为直流，再经逆变器变为频率和电压都可变的交
流电压。电流型是切换一串方波，方波电流供电，用于大功率。
● 交 –交变频器 该变频器没有中间环节，直接将电网的交流电
变为频率和电压都可变的交流电。
目前对于中小功率电机，用得最多的是电压型交 –直 –交变频器。
2.正弦脉宽调制（ SPWM）变压变频器
⑴ 基本概念
1964年德国人率先提出脉宽调制变频思想，把通讯系统中的
（ 6.13）
2010-5-13
调制技术应用于交流变频器。调制方法很多，目前用得最多的是正弦
脉宽调制。还有空间电压矢量 PWM、最优 PWM、预测 PWM、随机
PWM、规则采样数字化 PWM等等。
SPWM交 –直 –交变压变频器的原理框图如下：
M
3～
UIUR
～
UR–整流器 固定电压不可控整流器，常采用六个二级管桥式整流器
结构将交流变为直流，电压幅值不变。 为逆变器的供电。
UI –逆变器 由六个功率开关器件组成，常采用大功率晶体管。其控
制极（大功率晶体管 GTR为基极 ）输入由基准正弦波（由速度指
令转化过来的）和三角波叠加出来的 SPWM调制波（等幅、不等
宽的矩形脉冲波）,使这些大功率晶体管按一定规律导通、截止，
输出一系列功率级等效于正弦交流电的可变频变压的等幅、不等
宽的矩形脉冲电压波，即功率级 SPWM电压，使电机转动。
功率开关器件还可采用：可关断晶闸管 GTO、功率场效应晶
体管 MOSFET、绝缘门极晶体管 IGBT等。
2010-5-13
⑵ 正弦脉宽调制原理 （以单相为例）
正弦脉宽调制 （ SPWM）波形, 与正弦波等效的一系列等幅不等
宽的矩形脉冲波，如右下图所示。
u
ωt
ωt
u
O
O
a)
b)
① 等效原理,把 正弦分
成 n 等分，每一区间的面
积用与其相等的等幅不等
宽的矩形面积代替。
正弦的正负半周均如此
处理。
2010-5-13
② SPWM控制波的生成,正弦波 —三角波调制,方波 —三角波调制。
方波发生器
（带正反馈比较
又有 RC积分）
三角波发生器
（积分器）
三角波与基准
正弦波叠加
（比较器）
SPWM调制波
基准正弦波
(由速度指令
转化过来的 )
VD1
调制波
载波
u ut
u1:
ut u1
u0
O O
O
t t
t
RF
R
R1
R2
R3
R4
R5
R6
R7
VD2
VD3
VD4
C 1
C 2
U0 (ua,ub,uc )
tO
-
-
-
+
+
+
t
ut:
2010-5-13
uAB
50Hz SPWM
D1 D2 D3
D4 D5 D6
D7 D8 D9
D10 D11 D12
T1 T2 T3
T4 T5 T6
ua
ua
ub
ub
uc
uc
u1 u2 u3ut
u1ut
ud
ua
ω1t
ω1t
ω1t
ω1t
ω1t
ω1t
uA0
uB0
uC0
逆变器输出
A相等效正弦
脉宽电压波
逆变器输出
B相等效正弦
脉宽电压波
逆变器输出
C相等效正弦
脉宽电压波
逆变器输出线
电压等效正弦
脉宽电压波
u1:由 F转换来的ut
改变调制波的频
率、幅值，就可
改变最终输出,
变频变压的交流
电压
主回路：
左半部：整流器
右半部：逆变器
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1.系统的组成：速度环、电流环
SPW电路、功放电路
检测反馈电路
6.3.4交流进给伺服电机的速度控制系统
校正
补偿 乘法器 SPWM
功率
放大
速度反
馈信号
转子位置
检测电路
电流信号
处理电路
传感器信号处理电路 传感器
MS
3~
电流
比较
速度
比较 电流
传感++
--U(t)
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2.SPWM电路原理
SPWM的控制方法：
⑴ 模拟控制 原始的控制方法；
⑵ 数字控制
① 微机存储事先算好的 SPWM数据表格，由指令调出，或通过软
件实时生成。
② 专用集成芯片
③ 单片机微处理器直接带有 SPWM信号产生功能，并有其输出端
口，如 8098,8XC196MC。
去主回路
三极管基极
u/f 分频
u/f 分频
基准正弦波
产生
三角波
发生器
比较器
SPWM
比较
叠加
ui
压 /频变换、
分频器
正弦逻辑
三角波逻辑指令
比较器
比较器
脉冲
分配
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SPWM变压变频调速的优点：
1.主电路只有一个可控的功率环节，简化了结构；
2.采用了不可控整流器。使电网功率因数提高；
3.逆变器同时调频调压，动态相应不受中间环节影响；
4.可获得更接近于正弦波的输出电压波形 。
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6.3.5交流主轴电机的速度控制
交流主轴驱动系统：交流感应异步电机
调速方法很多，变频调速是最适用的方法，主要有：
压频（ u/f）调速
矢量变换控制调速
1.变压变频调速的基本控制方式
在电机调速时，希望保持每极磁通为额定值。
磁通过弱 — 没有充分利用铁心，是一种浪费。
磁通过强 — 使铁心饱和，产生过大的励磁电流，严重时因绕
组过热烧毁电机。
交流异步电机中,磁通是定子和转子磁动势合成产生的，所
以不能单独调频。
三相 异步电机 定子每相电动势的有效值为：
Eg = 4.44f1N1kN1Φm ≈
式中 f1 —定子 频率（ Hz）；
N1 —定子电动绕组串联匝数；
Kn1 —基波绕组系数；
Φm —每 极气隙磁通量
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n
T10 20 30 40
1000
2000
3000
恒转矩调速特性曲线 T
n
10 20 30 40
1000
2000
3000
恒 Tm调速特性曲线
由上式可知 Φm ≈ Eg / f1
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恒功率调速
10 20 30 40 50 60
1000
2000
n
T
6.3.5
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6.3.6交流伺服电机的矢量控制
交流异步电机的矢量控制
A A
B C
0
0
0
d
d
q
q
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6.3.6
矢量控制
60o
60o
FC
FA
FB
F
F
d
id
iq
i
i
il
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6.3.6
交流同步电机的矢量控制
d
A
B C
i
iq
id
iA
d
ic
iB
q
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6.4 位置控制
位置检测
测速值
位置传感器
测速计
电动机
速度控制位置控制
指令位置
Doi
+
-
DAi
实际
位置
?Di Vpi ?Vi VDiK
D KV
6.4.1位值控制的基本原理
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6.4.2数字脉冲比较位置控制伺服系统
比较
环节
伺服
放大器D/A
工作台
位置
检测器
伺服
电机
脉冲
处理
指令脉冲 F
反馈脉冲 位置信息
2010-5-13
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