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1、第六章第六章数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统第一节第一节概述概述一、一、伺服系统的组成伺服系统的组成数数控控机机床床的的伺伺服服系系统统按按其其功功能能可可分分为为：进进给给伺伺服服系系统统和和主主轴轴伺伺服服系系统统。主主轴轴伺伺服服系系统统用用于于控控制制机机床床主主轴轴的的转转动动。进进给给伺伺服服系系统统是是以以机机床床移移动动部部件件（如如工工作作台台）的的位位置置和和速速度度作作为为控控制制量量的的自自动动控控制制系系统统，通通常常由由伺伺服服驱驱动动装装置置、伺伺服服电电机机、机机械械传传动动机构及执行部件组成。机构及执行部件组成。返回课件首页进给伺服系统的作用进给伺服系统的
2、作用：接受数控装置发出：接受数控装置发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动装置的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动装置作一定的转换和放大后，经伺服电机（直流、作一定的转换和放大后，经伺服电机（直流、交流伺服电机、功率步进电机等）和机械传动交流伺服电机、功率步进电机等）和机械传动机构，驱动机床的工作台等执行部件实现工作机构，驱动机床的工作台等执行部件实现工作进给或快速运动。进给或快速运动。数控机床的进给伺服系统与一般机床的进给系数控机床的进给伺服系统与一般机床的进给系统有着本质的区别：统有着本质的区别：能根据指令信号精确地控能根据指令信号精确地控制执行部件的运动速度与位置，以及几个执行制执行部
3、件的运动速度与位置，以及几个执行部件按一定规律运动所合成的运动轨迹部件按一定规律运动所合成的运动轨迹。如果。如果把数控装置比作数控机床的把数控装置比作数控机床的“大脑大脑”，是发布，是发布“命令命令”的指挥机构，那么伺服系统就是数控的指挥机构，那么伺服系统就是数控机床的机床的“四肢四肢”，是执行，是执行“命令命令”的机构，它的机构，它是一个不折不扣的跟随者。是一个不折不扣的跟随者。二、二、对伺服系统的基本要求对伺服系统的基本要求1.1.位移精度高位移精度高 伺伺服服系系统统的的精精度度是是指指输输出出量量跟跟随随输输入入量量的的精精确确程程度度。伺伺服服系系统统的的位位移移精精度度是是指指指指
4、令令脉脉冲冲要要求求机机床床工工作作台台进进给给的的位位移移量量和和该该指指令令脉脉冲冲经经伺伺服服系系统统转转化化为为工工作作台台实实际际位位移移量量之之间间的的符符合合程程度度。两者误差愈小，位移精度愈高。两者误差愈小，位移精度愈高。2.2.稳定性好稳定性好 稳定性是指系统在给定外界干扰作用下，能在稳定性是指系统在给定外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来平衡状态的能力。要求伺服系统具有较强的抗平衡状态的能力。要求伺服系统具有较强的抗干扰能力，保证进给速度均匀、平稳。稳定性干扰能力，保证进给速度均匀、平稳。稳定性直接影响数控加工
5、精度和表面粗糙度直接影响数控加工精度和表面粗糙度。3.3.快速响应快快速响应快 快快速速响响应应是是伺伺服服系系统统动动态态品品质质的的重重要要指指标标，它它反反映映了了系系统统跟跟踪踪精精度度。机机床床进进给给伺伺服服系系统统实实际际上上就就是是一一种种高高精精度度的的位位置置随随动动系系统统，为为保保证证轮轮廓廓切切削削形形状状精精度度和和低低的的表表面面粗粗糙糙度度，要要求求伺伺服服系系统统跟跟踪踪指令信号的响应要快，跟随误差小。指令信号的响应要快，跟随误差小。4.4.调速范围宽调速范围宽 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
6、比。在数控机床中，由于所用刀速和最低转速之比。在数控机床中，由于所用刀具、加工材料及零件加工要求的不同，为保证在具、加工材料及零件加工要求的不同，为保证在各种情况下都能得到最佳切削条件，就要求伺服各种情况下都能得到最佳切削条件，就要求伺服系统具有足够宽的调速范围。系统具有足够宽的调速范围。5.5.低速大扭矩低速大扭矩 要要求求伺伺服服系系统统有有足足够够的的输输出出扭扭矩矩或或驱驱动动功功率率。机机床床加加工工的的特特点点是是，在在低低速速时时进进行行重重切切削削。因因此，伺服系统在低速时要求有大的转矩输出。此，伺服系统在低速时要求有大的转矩输出。三、伺服系统的分类三、伺服系统的分类 数数控控
7、机机床床的的伺伺服服系系统统按按其其控控制制原原理理和和有有无无位位置置反反馈馈装装置置分分为为开开环环和和闭闭环环伺伺服服系系统统；按按其其用用途途和和功功能能分分为为进进给给驱驱动动系系统统和和主主轴轴驱驱动动系系统统；按按其其驱驱动动执执行行元元件件的的动动作作原原理理分分为为电电液液伺伺服服驱驱动动系系统统和和电电气气伺伺服服驱驱动动系系统统。电电气气伺伺服服驱驱动动系系统统又又分分为为直直流流伺伺服服驱驱动动系系统统、交交流流伺伺服服驱驱动动系系统统及及直直线线电电动动机机伺伺服服系系统统。本本章章主主要要介介绍绍进进给给伺伺服驱动系统服驱动系统（一）开环和闭环伺服系统（一）开环和闭
8、环伺服系统1、如如图图6-1为为开开环环伺伺服服系系统统简简图图，步步进进电电机机转转过过的的角角度度与与指指令令脉脉冲冲个个数数成成正正比比，其其速速度度由由进进给给脉脉冲冲的的频频率率决决定定,反反映映到到工工作作台台上上是是其其移移动动速速度度和和位位移移大大小小。只只要要控控制制指指令令脉脉冲冲的的数数量量、频频率率以以及及通通电电顺顺序序，就就可可控控制制执执行行部部件件运运动动的的位位移移量量、速速度度和和运运动动方方向向。由由于于系系统统中中没没有有监监测测和和反反馈馈环环节节，工工作作中中移移动动到到不不到到位位，取取决决于于不不进进电电机机的的步步距距角角精精度，齿轮传动间隙
9、，丝杠螺母副的精度等。度，齿轮传动间隙，丝杠螺母副的精度等。齿轮箱齿轮箱步进电机步进电机指令脉冲指令脉冲图图6-1开环伺服系统简图开环伺服系统简图工作台驱驱动动控控制制线路线路2、闭闭环环伺伺服服系系统统又又可可进进一一步步分分为为全全闭闭环环和和半半闭闭环环伺伺服服系系统统。全全闭闭环环伺伺服服系系统统的的位位置置检检测测装装置置安安装装在在机机床床的的工工作作台台上上（图图6-26-2），检检测测装装置置测测出出实实际际位位移移量量或或者者实实际际所所处处位位置置，并并将将测测量量值值反反馈馈给给CNCCNC装装置置，与与指指令令进进行行比比较较，求求得得差差值值，依依此此构构成成闭闭环环
10、位位置置控控制制。闭闭环环方方式式被被大大量量用用在在精精度度要要求较高的大型数控机床上求较高的大型数控机床上。3 3、半半闭闭环环伺伺服服系系统统一一般般将将位位置置检检测测元元件件安安装装在在电电动动机机轴轴上上，用用以以精精确确控控制制电电机机的的角角度度，然然后后通通过过滚滚珠珠丝丝杠杠等等传传动动部部件件，将将角角度度转转换换成成工工作作台台的的位位移移，为为间间接接测测量量(图图6-3)6-3)。即即坐坐标标运运动动的的传传动动链链有有一一部部分分在在位位置置闭闭环环以以外外，其其传传动动误误差差没没有有得得到到系系统统的的补补偿偿，因因而而半半闭闭环环伺伺服服系系统统的的精精度度
11、低低于于闭闭环环系系统统。目目前前在在精精度度要要求求适适中中的的中中小小型型数数控控机机床上，使用半闭环系统较多。床上，使用半闭环系统较多。位置控制模块速度控制单元伺 服 电机工作台位置检测测 量 反馈速度环速度环速度检测速度检测位置环位置环图图6-2闭环进给伺服系统结构闭环进给伺服系统结构指令指令伺服驱动装置伺服驱动装置这这种种系系统统不不反反映映反反馈馈回回路路之之外外的的误误差差，由由于于高高分分辨辨率率的的检检测元件也可以获得比较满意的精度测元件也可以获得比较满意的精度指令指令+-速度反馈速度反馈位置反馈位置反馈图图6-3半闭环伺服系统简图半闭环伺服系统简图位位置置比比较较速速度度控
12、控制制工作台工作台伺伺服服电电机机（二）二）进给驱动与主轴驱动进给驱动与主轴驱动 进进给给伺伺服服系系统统包包括括速速度度控控制制环环和和位位置置控控制制环环，用用于于数数控控机机床床工工作作台台或或刀刀架架坐坐标标的的控控制制系系统统，控控制制机机床床各各坐坐标标轴轴的的切切削削进进给给运运动动，并并提提供供切切削削过过程程所所需需转转矩矩。主主轴轴伺伺服服系系统统只只是是一一个个速速度度控控制制系系统统，控控制制机机床床主主轴轴的的旋旋转转运运动动，为为机机床床主主轴轴提提供供驱驱动动功功率率和和所需的切削力，且保证任意转速的调节。所需的切削力，且保证任意转速的调节。（三）直流、交流伺服系
13、统与直线电动机伺服系统（三）直流、交流伺服系统与直线电动机伺服系统 直直流流伺伺服服系系统统就就是是控控制制直直流流电电机机的的系系统统。目目前前使使用用比比较较多多的的是是永永磁磁式式直直流流伺伺服服电电机机。永永磁磁直直流流伺伺服服电电机机（也也称称为为大大惯惯量量宽宽调调速速直直流流伺伺服服电电机机），调调速速范范围围宽宽，输输出出转转矩矩大大，过过载载能能力力强强，而而且且电电机机转转动动惯惯量量较较大大，应应用用较较方方便便 ，适适合合数数控控机机床床对对频频繁繁启启动、制动、以及速度定位、切削的要求。动、制动、以及速度定位、切削的要求。但但直直流流电电机机有有电电刷刷，限限制制了了
14、转转速速的的提提高高，而而且且结结构构复复杂杂，价价格格也也高高。进进入入8080年年代代后后，由由于于交交流流电电机机调调速速技技术术的的突突破破，交交流流伺伺服服驱驱动动系系统统进进入入电电气气传传动动调调速速控控制制的的各各个个领领域域。交交流流伺伺服服电电机机，转转子子惯惯量量比比直直流流电电机机小小，动动态态响响应应好好。而而且且容容易易维维修修，制制造造简简单单，适适合合于于在在较较恶恶劣劣环环境境中中使使用用，易易于于向向大大容容量量、高高速速度度方方向向发发展展，其其性性能能更更加加优优异异，已已达达到到或或超超过过直直流流伺伺服服系系统统，另另外外从从减减少少伺伺服服驱驱动动
15、系系统统外外形形尺尺寸寸和和提提高高可可靠靠性性角角度度来来看看，采采用用交交流流电电机机比比采采用用直直流流电电及及更更合合适适。交交流流伺伺服服电电机机已已在在数数控控机机床床中中得得到到广广泛泛应用。应用。直线电动机直线电动机的实质是把旋转电动机沿径向剖开，的实质是把旋转电动机沿径向剖开，然后拉直演变而成，然后拉直演变而成，利用电磁作用原理，将电利用电磁作用原理，将电能直接转换成直线运动动能的一种推力装置，能直接转换成直线运动动能的一种推力装置，是一种较为理想的驱动装置是一种较为理想的驱动装置。在机床进给系统。在机床进给系统中，采用直线电动机直接驱动与旋转电动机的中，采用直线电动机直接驱
16、动与旋转电动机的最大区别是取消了从电动机到工作台之间的机最大区别是取消了从电动机到工作台之间的机械传动环节，把机床进给传动链的长度缩短为械传动环节，把机床进给传动链的长度缩短为零。正由于这种传动方式，带来了旋转电动机零。正由于这种传动方式，带来了旋转电动机驱动方式无法达到的性能指标和优点。驱动方式无法达到的性能指标和优点。由于直由于直线电动机在机床中的应用目前还处于初级阶段，线电动机在机床中的应用目前还处于初级阶段，还有待进一步研究和改进。还有待进一步研究和改进。随着各相关配套技随着各相关配套技术的发展和直线电动机制造工艺的完善，相信术的发展和直线电动机制造工艺的完善，相信用直线电动机作进给驱
17、动的机床会得到广泛应用直线电动机作进给驱动的机床会得到广泛应用。用。第二节第二节步进电机及其驱动装置步进电机及其驱动装置一、步进电机工作原理一、步进电机工作原理步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的驱动元件。给一个电脉冲信号，步进电动机就回转一驱动元件。给一个电脉冲信号，步进电动机就回转一个固定的角度，称为一步，所以称为步进电动机。由个固定的角度，称为一步，所以称为步进电动机。由于它输入的是脉冲电流，也称为脉冲电动机。于它输入的是脉冲电流，也称为脉冲电动机。步进电机伺服系统是典型的开环控制系统，在此系统步进电机伺服系统是典型的开环控制系统，
18、在此系统中，步进电机受驱动线路控制，将进给脉冲序列转换中，步进电机受驱动线路控制，将进给脉冲序列转换成为具有一定成为具有一定方向、大小和速度的机械转角位移，并方向、大小和速度的机械转角位移，并通过齿轮和丝杠带动工作台移动。通过齿轮和丝杠带动工作台移动。进给脉冲的频率代进给脉冲的频率代表了驱动速度，脉冲的数量代表了位移量，而运动方表了驱动速度，脉冲的数量代表了位移量，而运动方向是由步进电机的各相通电顺序来决定，向是由步进电机的各相通电顺序来决定，并且保持电并且保持电机各相通电状态就能使电机自锁。但由于该系统没有机各相通电状态就能使电机自锁。但由于该系统没有反馈检测环节，反馈检测环节，其精度主要由
19、步进电机来决定，速度其精度主要由步进电机来决定，速度也受到步进电机性能的限制也受到步进电机性能的限制。步步进进电电机机是是将将电电脉脉冲冲信信号号变变换换成成角角位位移移或或线线位位移移的的一一种种机机电电式式数数模模转转换换器器。在在结结构构上上分分为为定定子子和和转转子子两两部部分分，现现以以图图6-56-5所所示示的的反反应应式式三三相相步步进进电电机机为为例例加加以以说说明明。定定子子上上有有六六个个磁磁极极，每每个个磁磁极极上上绕绕有有励励磁磁绕绕组组，每每相相对对的的两两个个磁磁极极组组成成一一相相，分分成成A A、B B、C C三三相相。转转子子无无绕绕组组，它它是是由由带带齿齿
20、的的铁铁心心做做成成的的。步步进进电电机机是是按按电电磁磁吸吸引引的的原原理理进进行行工工作作的的。当当定定子子绕绕组组按按顺顺序序轮轮流流通通电电时时，A A、B B、C C三三对对磁磁极极就就依依次次产产生生磁磁场场，并并每每次次对对转转子子的的某某一一对对齿齿产产生生电电磁磁引引力力，将将其其吸吸引引过过来来，而而使使转转子子一一步步步步转转动动。每每当当转转子子某某一一对对齿齿的的中中心心线线与与定定子子磁磁极极中中心心线线对对齐齐时时，磁磁阻阻最最小小，转转矩矩为为零零。如如果果控控制制线线路路不不停停地地按按一一定定方方向向切切换换定定子子绕绕组组各各相相电电流流，转转子子便便按按
21、一一定定方方向向不不停停地地转转动动。步步进进电电机机每每次次转转过的角度称为步距角。过的角度称为步距角。图图6-4三相反应式步进电机结构三相反应式步进电机结构为为进进一一步步了了解解步步进进电电机机的的工工作作原原理理，以以图图6-56-5为为例例来来说说明明其其转转动动的的整整个个过过程程，假假设设转转子子上上有有四四个个齿齿，相相邻邻两两齿齿间间夹夹角角（齿齿距距角角）为为90900 0。当当A A相相通通电电时时，转转子子1 1、3 3齿齿被被磁磁极极A A产产生生的的电电磁磁引引力力吸吸引引过过去去，使使1 1、3 3齿齿与与A A相相磁磁极极对对齐齐。接接着着B B相相通通电电，A
22、 A相相断断电电，磁磁极极B B又又把把距距它它最最近近的的一一对对齿齿2 2、4 4吸吸引引过过来来，使使转转子子按按逆逆时时针针方方向向转转动动3030o o。然然后后C C相相通通电电，B B相相断断电电，转转子子又又逆逆时时针针旋旋转转3030o o，依依次次类类推推，定定子子按按ABCAABCA顺顺序序通通电电，转转子子就就一一步步步步地地按按逆逆时时针针方方向向转转动动，每每步步转转3030o o。若若改改变变通通电电顺顺序序，按按ACBAACBA使使定定子子绕绕组组通通电电，步步进进电电机机就就按按顺顺时时针针方方向向转转动动，同同样样每每步步转转3030o o。这这种种控控制制
23、方方式式叫叫三三相相单单三三拍拍方方式式，“单单”是是指指每每次次只只有有一一相相绕绕组组通通电电，“三三拍拍”是是指指每每三三次次换换接接为为一一个个循循环环。由由于于每每次次只只有有一一相相绕绕组组通通电电，在在切切换换瞬瞬间间将将失失去去自自锁锁转转矩矩，容容易易失失步步，另另外外，只只有有一一相相绕绕组组通通电电，易易在在平平衡衡位位置置附附近近产产生生振振荡荡，稳定性不佳，故实际应用中不采用单三拍工作方式。稳定性不佳，故实际应用中不采用单三拍工作方式。图6-5步进电机工作原理采采 用用 三三 相相 双双 三三 拍拍 控控 制制 方方 式式，即即 通通 电电 顺顺 序序 按按ABBCC
24、AABABBCCAAB（逆逆时时针针方方向向）或或ACCBBAACACCBBAAC（顺顺时时针针方方向向）进进行行，其其步步距距角角仍仍为为30300 0。由由于于双双三三拍拍控控制制每每次次有有二二相相绕绕组组通通电电，而而且且切切换换时时总总保保持持一一相相绕绕组组通通电电，所所以以工工作作比比较较稳稳定定。如如果果按按AABBBCCCAAAABBBCCCAA顺顺序序通通电电，即即首首先先A A相相通通电电，然然后后A A相相不不断断电电，B B相相再再通通电电，即即A A、B B两两相相同同时时通通电电，接接着着A A相相断断电电而而B B相相保保持持通通电电状状态态，然然后后再再使使B
25、 B、C C两两相相通通电电，依依次次类类推推，每每切切换换一一次次，步步进进电电机机逆逆时时针针转转过过1515。如如通通电电顺顺序序改改为为AACCCBBBAAAACCCBBBAA，则则步步进进电电机机以以步步距距角角1515顺顺时时针针旋旋转转。这这种种控控制制方方式式为为三三相相六六拍拍，它它比比三三相相三三拍拍控控制制方方式式步步距距角角小小一一半半，因因而而精精度度更更高高，且且转转换换过过程程中中始始终终保保证证有有一一个个绕绕组组通通电电，工工作作稳稳定定，因此这种方式被大量采用因此这种方式被大量采用。实实际际应应用用的的步步进进电电机机如如图图6-56-5所所示示，转转子子铁
26、铁心心和和定定子子磁磁极极上均有齿距相等的小齿，且齿数要有一定比例的配合。上均有齿距相等的小齿，且齿数要有一定比例的配合。综上所述，可以得出以下结论：综上所述，可以得出以下结论：（1 1）步进电机）步进电机定定子绕组的通电状态每改变一次，它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，即步进电机的步距的转子便转过一个确定的角度，即步进电机的步距角。角。步进电机受脉冲电流的控制，其转子的角位移步进电机受脉冲电流的控制，其转子的角位移和角速度严格地与输入脉冲的数量和脉冲频率成正和角速度严格地与输入脉冲的数量和脉冲频率成正比。比。改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋改变步进电机定子绕
27、组的通电顺序，转子的旋转方向随之改变转方向随之改变（2 2）步进电机定子绕组通电状态的改变速度越快，）步进电机定子绕组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，转子的转速越高高，转子的转速越高（3 3）步进电机的步距角）步进电机的步距角a a与定子绕组的相数与定子绕组的相数m m、转子、转子的齿数的齿数z z、通电方式、通电方式k k有关有关（4 4）步进电机效率低，拖动负载能力不大，调速范围不大。步进电机效率低，拖动负载能力不大，调速范围不大。二、步进电机的主要性能指标二、步进电机的主要性能指标1.步距角和步距误差步距
28、角和步距误差每输入一个脉冲电信号，步进电机转子转过的角度成为步距每输入一个脉冲电信号，步进电机转子转过的角度成为步距角角。步步距距角角和和步步进进电电机机的的相相数数、通通电电方方式式及及电电机机转转子子齿齿数数的的关系如下：关系如下：(6-1)式中式中步进电机的步距角；步进电机的步距角；m电机相数；电机相数；Z转子齿数；转子齿数；K系数，相邻两次通电相数相同，系数，相邻两次通电相数相同，K1；相邻两次通电相数不同，相邻两次通电相数不同，K2。同同一一相相数数的的步步进进电电机机可可有有两两种种步步距距角角，通通常常为为1.2/0.6、1.5/0.75、1.8/0.9、3/1.5度度等等。步步
29、距距误误差差是是指指步步进进电电机机运运行行时时，转转子子每每一一步步实实际际转转过过的的角角度度与与理理论论步步距距角角之之差差值值。步步距距误误差差直直接接影影响响执执行行部部件件的的定定位位精精度度及及步步进进电电机机的的动动态态特特性性。大大小小由由制制造造精精度度、齿齿槽槽的的分分布布及及定定子子和和转转子子间间气气隙隙不不均匀等因素造成。均匀等因素造成。2.2.静态转矩与矩角特性静态转矩与矩角特性 当当步步进进电电机机上上某某相相定定子子绕绕组组通通电电之之后后，转转子子齿齿将将力力求求与与定定子子齿齿对对齐齐，使使磁磁路路中中的的磁磁阻阻最最小小，转转子子处处在在平平衡衡位位置置
30、不不动动（0 0）。如如果果在在电电机机轴轴上上外外加加一一个个负负载载转转矩矩M Mz z，转转子子会会偏偏离离平平衡衡位位置置向向负负载载转转矩矩方方向向转转过过一一个个角角度度，角角度度称称为为失失调调角角。有有失失调调角角之之后后，步步进进电电机机就就产产生生一一个个静静态态转转矩矩（也也称称为为电电磁磁转转矩矩），这这时时静静态态转转矩矩等等于于负负载载转转矩矩。静静态态转转矩矩与与失失调调角角的的关关系系叫叫矩矩角角特特性性，如如图图6-66-6所所示示，近近似似为为正正弦弦曲曲线线。该该矩矩角角特特性性上上的的静静态态转转矩矩最最大大值值称称为为最最大大静静转转矩矩。在在静静态态
31、稳稳定定区区内内，当当外外加加负负载载转转矩矩除除去去时时，转转子子在在电电磁磁转转矩矩作作用用下下，仍仍能能回回到到稳稳定定平衡点位置（平衡点位置（0 0）。）。图图6-6静态矩角特性静态矩角特性3.3.最大启动转矩最大启动转矩 图图6-76-7为为三三相相单单三三拍拍矩矩角角特特性性曲曲线线，图图中中的的A A、B B分分别别是是相相邻邻A A相相和和B B相相的的静静态态矩矩角角特特性性曲曲线线，它它们们的的交交点点所所对对应应的的转转矩矩是是步步进进电电机机的的最最大大启启动动转转矩矩。如如果果外外加加负负载载转转矩矩大大于于MmaxMmax，电电机机就就不不能能启启动动。如如图图6-
32、76-7所所示示,当当A A相相通通电电时时，若若外外加加负负载载转转矩矩MAMA，对对应应的的失失调调角角为为，当当励励磁磁电电流流由由A A相相切切换换到到B B相相时时，对对应应角角，B B相相的的静静转转矩矩为为MB MB。从从图图中中看看出出,电电机机不不能能带带动动负负载载做做步步进进运运动动，因因而而启启动动转转矩矩是是电电机机能能带带动动负负载载转转动动的的极极限转矩限转矩。4 4、加减速特性、加减速特性步步进进电电机机的的加加减减速速特特性性是是描描述述步步进进电电机机由由静静止止到到工工作作频频率率和和由由工工作作频频率率到到静静止止的的加加减减速速过过程程中中，定定子子绕
33、绕组组通通电电状状态态的的变变化化频频率率与与时时间间的的关关系系。步步进进电电机机频频率率变变化化阶阶段段其其加加速速时时间间和和减减速时间不能过小，否则会出现失步或超步。速时间不能过小，否则会出现失步或超步。abABC图图6-7步进电机的启动转矩步进电机的启动转矩MmaxMAMB5.最高最高启动频率启动频率空空载载时时，步步进进电电机机由由静静止止状状态态突突然然起起动动，并并进进入入不不失失步步的的正正常常运运行行的的最最高高频频率率，称称为为最最高高启启动动频频率率或或突突跳跳频频率率，加加给给步步进进电电机机的的指指令令脉脉冲冲频频率率如如大大于于启启动动频频率率，就就不不能能正正常
34、常工工作作。步步进进电电机机在在带带负负载载（尤尤其其是是惯惯性性负负载载）下下的的启启动动频频率率比比空空载载要要低低。而而且且，随随着着负负载载加加大大（在在允允许许范范围围内内），启动频率会进一步降低。启动频率会进一步降低。6.连续运行频率连续运行频率步步进进电电机机起起动动后后，其其运运行行速速度度能能根根据据指指令令脉脉冲冲频频率率连连续续上上升升而而不不丢丢步步的的最最高高工工作作频频率率，称称为为连连续续运运行行频频率率。其其值值远远大大于于启启动动频频率率，它它也也随随着着电电机机所所带带负负载载的的性性质质和和大大小小而而异异，与与驱驱动动电电源源也也有有很很大大关关系系。它
35、它是是决决定定定定子子绕绕组组通通电电状状态态最最高高变变化化频率的参数，决定了步进电机的最高转速。频率的参数，决定了步进电机的最高转速。7.矩频特性与动态转矩矩频特性与动态转矩矩矩频频特特性性是是描描述述步步进进电电机机连连续续稳稳定定运运行行时时输输出出转转矩矩与与连连续续运运行行频频率率之之间间的的关关系系（见见图图6-8），该该特特性性上上每每一一个个频频率率对对应应的的转转矩矩称称为为动动态态转转矩矩。当当步步进进电电机机正正常常运运行行时时，若若输输入入脉脉冲冲频频率率逐逐渐渐增增加加，则则电电动动机机所所能能带带动动负负载载转转矩矩将将逐逐渐渐下下降降。在在使使用用时时，一一定定
36、要要考考虑虑动动态态转转矩矩随随连连续续运运行行频频率率的的上上升升而下降的特点。而下降的特点。Mf图图6-8矩频特性矩频特性三、步进电机开环进给的传动计算三、步进电机开环进给的传动计算直线进给系统的脉冲当量为直线进给系统的脉冲当量为（mm）步进电机的步距角）步进电机的步距角为为，齿轮传动链的传动比，齿轮传动链的传动比i，滚珠丝杠的导程为，滚珠丝杠的导程为t（mm）它们之间关系为：）它们之间关系为：为数控系统发出一个为数控系统发出一个指令脉冲，工作台移动的距离，指令脉冲，工作台移动的距离，圆周进给系统圆周进给系统设脉冲当量为设脉冲当量为蜗杆为蜗杆为头，蜗轮为头，蜗轮为头则有头则有步进电机的进给
37、系统，使用齿轮传动，为了求得必须的脉步进电机的进给系统，使用齿轮传动，为了求得必须的脉冲当量，而且还有满足结构要求和增大转矩的作用。冲当量，而且还有满足结构要求和增大转矩的作用。四四 步进电机驱动电路步进电机驱动电路 步进电机驱动线路完成由弱电到强电的转换和步进电机驱动线路完成由弱电到强电的转换和放大，也就是将逻辑电平信号变换成电机绕组放大，也就是将逻辑电平信号变换成电机绕组所需的具有一定功率的电流脉冲信号。所需的具有一定功率的电流脉冲信号。驱动控驱动控制电路由环形分配器和功率放大器组成。制电路由环形分配器和功率放大器组成。环形环形分配器是用于控制步进电机的通电方式的，分配器是用于控制步进电机
38、的通电方式的，其其作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按照作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按照一定的顺序和分配方式加到功率放大器上，控一定的顺序和分配方式加到功率放大器上，控制各相绕组的通电、断电制各相绕组的通电、断电。环形分配器功能可。环形分配器功能可由硬件或软件产生，硬件环形分配器是根据步由硬件或软件产生，硬件环形分配器是根据步进电机的相数和控制方式设计的，数控机床上进电机的相数和控制方式设计的，数控机床上常用三相、四相、五相及六相步进电机。现介常用三相、四相、五相及六相步进电机。现介绍绍三相六拍步进电机环形分配器的工作原理。三相六拍步进电机环形分配器的工作原理。硬硬件件环环形形分分配
39、配器器是是根根据据真真值值表表或或逻逻辑辑关关系系式式采采用用逻逻辑辑门门电电路路和和触触发发器器来来实实现现，如如图图 6 6-9 9所所示示，该该线线路路由由与与非非门门和和 J JK K触触发发器器组组成成。指指令令脉脉冲冲加加到到三三个个触触发发器器的的时时钟钟输输入入端端 C CP P，旋旋转转方方向向由由正正、反反控控制制端端的的状状态态决决定定。为为三三个个触触发发器器的的端端输输出出，连连到到A A、B B、C C三三相相功功率率放放大大器器。若若“1 1”表表示示通通电电，“0 0”表表示示断断电电，对对于于三三相相六六拍拍步步进进电电机机正正向向旋旋转转，正正向向控控制制端
40、端状状态态置置“1 1”，反反向向控控制制端端状状态态置置“0 0”。初初始始时时，在在预预置置端端加加上上预预置置脉脉冲冲，将将三三个个触触发发器器置置为为1 10 00 0状状 态态 。当当在在 C CP P端端送送入入一一个个脉脉冲冲时时，环环形形分分配配器器就就由由 1 10 00 0状状态态变变为为 1 11 10 0状状态态，随随着着指指令令脉脉冲冲的的不不断断到到 来来，各各 相相 通通 电电 状状 态态 不不 断断 变变 化化，按按 照照1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1
41、即即A AA AB BB BB BC CC CC CA A 次次序序通通电电。步步进进电电机机反反转转时时，由由反反向向控控制制信信号号“1 1”状状态态控控制制（正正向向控控制制为为“0 0”），通通电电次次序序为为 A AC CA AC CC CB BB BB BA AA A。SA相相B相相RC相相R正正反反置零置零CP指令脉冲指令脉冲图图6-9三相六拍环形分配器三相六拍环形分配器JAKAJBKBJCKCQAQBQC软软件件环环形形分分配配器器实实现现较较为为简简单单、方方便便。计计算算机机控控制制的的步步进进电电机机驱驱动动系系统统中中，使使用用软软件件实实现现脉脉冲冲分分配配，常常用用
42、的的是是查查表表法法。例例如如对对于于三三相相六六拍拍环环形形分分配配器器，每每当当接接收收到到一一个个进进给给脉脉冲冲指指令令，环环形形分分配配器器软软件件根根据据表表6-16-1所所示示真真值值表表，按按顺顺序序及及方方向向控控制制输输出出接接口口将将A A、B B、C C的的值值输输出出即即可可。如如果果上上一一个个进进给给脉脉冲冲到到来来时时，控控制制输输出出接接口口输输出出的的A A、B B、C C的的值值是是100100，则则对对于于下下一一个个正正向向进进给给脉脉冲冲指指令令，控控制制输输出出接接口口输输出出的的值值是是110110，再再下下一一个个正正向向进进给给脉脉冲冲，应应
43、是是010010，而而使使步进电机正向地旋转起来步进电机正向地旋转起来。表表6-1三相六拍环形分配器真值表三相六拍环形分配器真值表功功率率放放大大器器的的作作用用是是将将环环形形分分配配器器发发出出的的电电平平信信号号放放大大至至几几安安培培到到几几十十安安培培的的电电流流送送至至步步进进电电机机各各绕绕组组，每每一一相相绕绕组组分分别别有有一一组组功功率率放放大大电电路路，使使步步进进电电机机有有较较大大的的高高频频转转距距和和较较大大的的高高频频电电流流。以以下下介介绍绍三三种种典典型型的的驱驱动动电电路路：单单电电压压简简单单驱驱动动、高高低低压压驱驱动动和和恒恒流流斩斩波波驱驱动动。图
44、图6-106-10为为单单电电压压功功放放电电路路，L L为为步步进进电电机机励励磁磁绕绕组组的的电电感感，R Ra a为为绕绕组组电电阻阻，R Rc c为为外外接接电电阻阻，电电阻阻R Rc c并并联联一一电电容容C C，可可以以提提高高负负载载瞬瞬间间电电流流的的上上升升率率，从从而而提提高高电电动动机机快快速速响响应应能能力力和和启启动动性性能能。环环形形分分配配器器输输出出为为高高电电平平时时，T T饱饱和和导导通通，绕绕组组电电流流按按指指数数曲曲线线上上升升，电电路路时时间间常常数数=L/(R=L/(Ra a+R Rc c )，它它表表示示功功放放电电路路在在导导通通时时允允许许步
45、步进进电电机机绕绕组组电电流流上上升升的的速速率率。串串联联电电阻阻R Rc c可可以以使使电电流流上上升升时时间间减减小小，改改善善带带负负载载能能力力。但但电电阻阻消消耗耗了了一一部部分分功功率率，降降低低了了效效率率。并并联联加加速速电电容容C C，以以提提高高绕绕组组的的瞬瞬时时电电压压，使使电电感感L L中中的的电电流流上上升升速速度度提提高高，从从而而提提高高启启动动频率。频率。当当环环形形分分配配器器输输出出为为低低电电平平时时，T T截截止止，绕绕组组断断电电，因因步步进进电电机机的的绕绕组组是是电电感感性性负负载载，当当T T管管从从饱饱和和到到突突然然截截止止的的瞬瞬间间，
46、将将产产生生一一较较大大反反电电势势，此此反反电电势势与与电电源源电电压压叠叠加加在在一一起起加加在在T T管管的的集集电电极极上上，可可能能会使会使T T管击穿。管击穿。因因此此，续续流流二二极极管管D D和和电电阻阻R Rd d接接在在T T管管集集电电极极和和电电源源之之间间，组组成成放放电电回回路路，使使T T管管截截止止瞬瞬间间电电机机产产生生的的反反电电势势通通过过二二极极管管D D续续流流作作用用而而衰衰减减掉掉，从从而而保保护护晶晶体体管管不不受受损损坏坏。图图6-116-11为为电电流流波波形形，可可见见电电流流波波形形前前沿沿不不陡陡，绕绕组组电电流流缓缓慢慢增增加加，而而
47、使使电电机机带带负负载载能能力力下下降降。单单电电压压驱驱动动电电路路的的优优点点是是线线路路简简单单，缺缺点点是是电电流流上上升升不不够够快快，高高频频时时带带负负载载能能力力低低，工工作作效效率率低低，串串联联电电阻阻消消耗耗相相当当大大的的一一部部分分能能量量，并并且且会会发发热热影影响响电电路路工工作作的的正正常常稳稳定定状状态态，只只适适应应于于小小功功率步进驱动。率步进驱动。前置放大前置放大输入输入CLA RaRCRdDT图图6-10单电压驱动电路原理图单电压驱动电路原理图A图图6-11三种电路电流波形三种电路电流波形双电双电压供电电路压供电电路靳波恒流电压供电电路靳波恒流电压供电
48、电路单电压供电电路单电压供电电路tttiii图图6-126-12所所示示为为高高低低压压电电路路，这这种种电电路路特特点点是是高高压压充充电电，低低压压维维持持。当当环环形形分分配配器器输输出出高高电电平平时时，两两只只功功率率放放大大管管T T1 1，T T2 2同同时时导导通通，电电机机绕绕组组以以60V60V高高压压供供电电，绕绕组组电电流流快快速速上上升升，前前沿沿很很陡陡，当当接接近近额额定定电电流流时时，单单稳稳延延时时时时间间到到，T T1 1管管截截止止，改改由由低低压压12V12V供供电电，维维持持绕绕组组额额定定电电流流。若若高高低低压压之之比比为为U U1 1/U U2
49、2，则则电电流流上上升升也也提提高高U U1 1/U U2 2倍倍，上上升升时时间间明明显显减减小小。当当低低压压断断开开时时，电电感感中中储储能能通通过过构构成成的的放放电电回回路路放放电电，因因此此也也加加快快了了放放电电过过程程。这这种种供供电电线线路路由由于于加加快快了了绕绕组组电电流流的的上上升升和和下下降降过过程程，有有利利于于提提高高步步进进电电机机的的启启动动频频率率和和最最高高连连续续工工作作频频率率。由由于于额额定定电电流流是是由由低低压压维维持持的的，只只需需较较小小的的限限流流电电阻阻，功功耗耗小小。该该电电路路能能在在较较宽宽的的频频率率范范围围内内有有较较大大的的平
50、平均均电电流流，能能产产生生较较大大且且较较稳稳定定的的电电磁磁转转矩矩，缺缺点点是是高高低低压压电电路路波波形形连连接接处处有凹形有凹形 U1 60VT1U212Vt1R2D1LR1T2图图6-12高低压驱动电路原理图高低压驱动电路原理图单稳单稳延时延时前置放大前置放大前置放大前置放大D2t2恒恒流流斩斩波波驱驱动动电电路路的的原原理理图图见见图图6-156-15，其其工工作作原原理理是是：环环形形分分配配器器输输出出的的正正脉脉冲冲将将T T1 1，T T2 2导导通通，由由于于U U1 1电电压压较较高高，绕绕组组回回路路又又没没串串电电阻阻，所所以以绕绕组组电电流流迅迅速速上上升升，当