§ 1 概述
1,伺服系统的概念
?由伺服电路、伺服驱动装置、机械传动机构
及执行部件组成
?伺服系统与一般机床的进给系统有本质上差
别，它能根据指令信号精确地控制执行部件
的运动速度与位置
?伺服系统是数控装置和机床的联系环节，是
数控系统的重要组成
?功能：接受来自数控装置的指令来控制驱动
机床的各运动部件，从而准确控制它们的速
度和位置，达到加工出所需工件外形和尺寸
2,对伺服系统的基本要求
?精度高：
?稳定性好：
?快速响应：
?调速范围宽：
?低速大转矩：
3,伺服系统的分类 开环、闭环、半闭环
?开环伺服系统
指令脉冲 步进电机
驱动电路 功率步进电机
机床工作台
执行部件
伺服驱动装置
滚珠丝杆 （机械传动机构）
齿轮箱
伺服驱动装置主要是 步进电机, 无检测元件、无反馈
回路，控制方式简单，但精度难保证，切削力矩小，
用于要求不高的经济型数控机床
?闭环和半闭环伺服系统
伺服驱动装置主要是 直、交流伺服电机驱动, 装有
各式各样的速度、位置检测元件，两种系统中检测元
件安装位置不同。
位置
控制 速度控制
位置检测装置
位置反馈
位置反馈
速度反馈
工作台指令
脉冲
Servo motor
§ 2 伺服系统的驱动
伺服驱动装置应满足以下要求：
?调速范围宽
?输出位移有足够的精度
?负载特性要硬
?动态响应快
1,步进电机的结构
及工作原理
?结构
㈠ 步进电机
定子上才有绕组 !
?工作原理
三相双三拍工作方式,AB→BC→CA→AB…
三相六拍工作方式,A→AB → B→BC →C → CA …
三相单三拍工作方式,A→B→C→A…
每个状态只有一组绕组通电
三次换接为一个循环
三相通电绕组 A,B,C
为提高位置精度，常将转子做成多齿的
?步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转
子便转过一个确定的角度，即步进电机的步距角
?改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方
向也随之改变
?步进电机的步距角 与定子绕组的相数 m、通电方
式 k有关，可用下式表示：
m zk
?360
??
?
?步进电机定子绕组的通电状态的改变速度越快，其
转子旋转的速度越快，即通电状态的变化频率越高，
转子的转速越高，即步进电机选型及工作方式定下后，
步距角 是确定的，因此其转速 n(r/min)只取决于指
令脉冲频率 f的大小,n= × 60f= × 60f
?
?
mzk
?360
相邻两次通电相数一样时,k=1；反之,k=2。三相三拍时 k=1,三相
六拍时 k=2
?起动频率 fq
?连续运行频率（最高工作频率） fmax
?步距角 ?
2,步进电机的主要特性
输入一个脉冲信号,转子转过的角度
步进电机连续工作时能接受的最高频率,因运行时
转动惯量的影响比起动时大大减小，所以 fmax, fq，
它表明步进电机所能达到的最高速度
电机正常起动时 (不丢步 )所能承受的最高
控制频率,起动频率低于连续运动频率,因
为起动时电机既要克服负载力矩,又要克
服惯性力矩，且负载越大,fq越低。
步距角越小,加工精度越高
?工作台位移量的控制
3,步进式伺服系统的工作原理
指令脉冲
机床工作台
驱动控制线路 步进电机
丝
杆
?工作台进给速度的控制
?工作台运动方向的控制
4,步进电机驱动电源
脉冲发生器 脉冲分配器 功率放大器 步进电机
?脉冲分配器（环形分配器）
?功率放大器
步进电机及其驱动电源是一个整体，通常每一种型号的步
进电动机均对应有一个型号的驱动电源，其组成：
㈡ 直流 (DC)伺服电动机
直流伺服电动机是将直流电能转换成机械能的旋转电动机
直流伺服电动机的工作原理主要基于
电磁感应定律,当导体在磁场中运动并切割磁力线时，导
体中要产生感应电动势
电磁力定律,载流导体在磁场中要受到电磁力作用
直流伺服电动机具有良好的调速特性，对伺服电机的调速
性能要求高的设备中，大都采用 DC伺服电动机驱动。
换
向
片
电枢导体
磁极
磁极
电刷
?直流伺服电动机的
基本结构
① 定子
② 转子
③ 电刷、换向片
其上绕组通以直流电产生
恒定磁场
其上绕组通以直流电在定
子磁场作用下产生带动负
载旋转的电磁转矩
电刷与外加直流电源相接，换向片与电枢导体相接，使产生的
电磁转矩保持恒定方向，转子能沿固定方向均匀、连续旋转
永磁直流伺服电动机性能特点,
?具有较大的转矩、惯量比
?能承受较大的峰值电流和过载转矩
?低速时输出转矩大，惯量比大
?调速范围宽
?具有高精度的检测元件
?热容量大
目前数控机床进给驱动中采用的直流电动机主要是大惯量宽
速直流伺服电动机，占主导地位的是永久磁铁励磁式电动机
㈢ 直流伺服电动机的调速技术
1,原理
?e
aa
C
RIun ??
由上式知：对给定的电动机要改变
其转速，有两种办法：
改变外加电压 u
改变磁通量 ?
nCE
RIEU
ea
aaa
??
??
电枢等效电路图
他励式直流电动机
调速原理图
改变磁通量 的方法不能满足数控机床的要求，而改
变电压的方法具有恒转矩的调速特性，机械特性好，
即机械特性与调节特性都是直线，转速与控制量 U之
间是线性关系，而后一种方法转速与控制量 ?是非线
性关系，控制及设计系统都不方便。因此永磁直流
电机大都采用该调速方案。
M
U2
n
U1
U3
U4
机械特性 U调节特性
M0n M1 M2 M3
2,方式,改变电压
3,SCR 与 PWM比较
?可控硅调速（ 晶闸管 SCR）
?脉冲调宽调速（ PWM,Pulse Width Modulation）
? SCR会影响加工零件的表面粗糙度,PWM加工精度高,机械工作平稳
? SCR机床热变形小,有利于提高加工精度
? PWM功率损耗小
? PWM适用于起,制动频繁的场合
? PWM具有优良的动态硬度
? PWM响应快
㈣ 交流 (AC)伺服电动机
直流伺服电动机结构较复杂，电刷、换向器需经常维
护，电机 转速 受限,AC克服此缺点，因此 AC伺服电动
机有取代 DC伺服电动机的趋势
工作 原理, 定子 绕组接上 三相交流电,产生旋转
磁场，旋转磁场吸引转子同步旋转。
永磁交流伺服电机 结构,定子、转子、检测元件
矢量控制, 直流伺服电机的调速性能好，控制简单（线性），
如果能模拟直流电动机，使交流电机具有与直流
电机近似的优良特性。为此，需将三相交变量转
换为与之等效的直流量，然后按直流电动机的控
制方法对其进行控制。
§ 3 伺服系统检测、反馈元件
㈠ 概述
对检测元件的主要要求：
?工作可靠，抗干扰能力强
?能满足精度和速度的要求
?使用维护方便
?易于实现高速的动态测量和处理，
易于实现自动化
?成本低
㈡ 分类
数字式测量和模拟式测量
增量式测量和绝对式测量
直接测量和间接测量
㈢ 旋转变压器
?结构
?工作原理
在 2个定子绕组中分别施加 EA,EB两个
交流电压，由于电磁感应，应用叠加
原理，转子绕组中感应电压为
?? c oss i n BA kEkEE ??
相位工作方式
幅值工作方式
两定子绕组通以同频、同幅但相位相差 的
交流励磁电压，在转子绕组上感应电压为
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两定子绕组通以同频、同相位但幅值不同的
交流电压，在转子绕组上感应电压为
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1、直线感应同步器的结构
㈣ 感应同步器
?鉴相方式
?鉴幅方式
2、工作原理
两滑尺绕组通以同频、同幅但相位相差 的
交流励磁电压，在转子绕组上感应电压叠加
后为
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两滑尺绕组通以同频、同相位但幅值不同的
交流电压，在转子绕组上感应电压为
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㈤ 脉冲编码器
光栅㈥
1 标尺光栅
2 指示光栅
3 光电接收器
4 光源
仅用于位置检测的元件：
仅用于速度检测的元件：
两者均可使用的检测元件：
旋转变压器、感应同步器、光栅、磁尺
测速发电机
脉冲编码器
磁尺㈦
㈧ 测速发电机
电磁式测量位移装置：
光电式位移测量装置：
旋转变压器、感应同步器、磁尺
编码盘、光栅
用磁性标尺代替光栅，用电磁方法计数磁波
数目的一种测量方法。
