9.2 开环步进电动机驱动系统
开环伺服系统不设位置检测反馈装置， 不构成运动 反馈控制回路， 电动机按数控装置发出的指令脉冲工作， 对运动误差没有检测反馈和处理修正过程。 其典型代表 是步进电动机开环进给伺服系统， 如图9.1所示。
数控 装置
指令脉冲 环形 分配器
步进电动机
步进电动机 功率放大器
第9章 伺服系统与位置检测装置
9.1 伺服系统概述 9.2 开环步进电动机驱动系统 9.3 直流伺服系统 9.4 交流伺服系统 9.5 位置检测装置 习题
9.1 伺服系统概述
1. 基本概念 伺服（Servo）系统又叫随动系统， 是一种能够跟 随指令信号的变化而动作的自动控制装置， 根据实现 方法不同， 可以分为机械随动（仿形）系统、 液压伺 服系统、 电气伺服系统等， 目前的数控机床均采用电 气伺服系统。
步进电动机的步距角越小， 位置精度越高。 对于 定子相数为m， 转子齿数为Z的步进电动机， 其步距 角为
360
mZK
由此可知， 定子磁极对数和转子齿数越多， 步距 角就越小。 如图9.3 所示， 定子为三相， 转子有40个 齿， 则三相三拍工作时
360 3
3 40 1
三相六拍工作时
360 1.5
图9.4 步进电动机的矩角特性
M / (N·m)
O
f / Hz
图9.5 步进电动机的矩频特性
· 低频区： 步进电动机的运行为连续的单步运动， 每次换相时， 转子都要来回振荡若干次， 如图9.6(a) 所示。
· 高频区： 这时脉冲间隔短， 前一步还没有振荡 结束， 后一个脉冲就已经到来， 从而使步进电动机连 续平滑地转动， 运转比较平稳， 如图9.6(b)所示。
3. 步进电动机的工作原理
图９.2所示为反应式步进电动机的工作原理示意图。 其定子、 转子是用硅钢片等软磁材料制成的， 定子上 有A、 B、 C三对磁极， 分别绕有A、 B、 C三相绕组。 三对磁极在空间上相互错开120°。
A B
A B C
C
U
(a)
C B 逆 时 针 回 转 30°
2 4
A 1B
步进电动机的主要缺点是： 使用不当时， 会引起 “失步”或“过冲”； 运转时有振动和噪音； 额定转速较低， 最高频率一般不超过1 kHz。
2. 步进电动机的分类 1） 反应式步进电动机 反应式步进电动机的定子和转子由硅钢片或其他软 磁材料制成， 定子上有励磁绕组， 绕组相数一般为二、 三、 四、 五、 六相， 步距角一般为0.36°～3°。
在数控机床中， CNC装置是发布命令的“大脑”， 而伺服系统则是数控机床的“四肢”， 是一种执行机构， 它能够准确地执行来自CNC装置的运动指令。
伺服系统由伺服驱动装置、 伺服电动机、 位置检测 装置等组成。
来将电能转换为机械能， 拖动机械部件移动或转动。
2. 数控机床对进给伺服系统的要求 数控机床对进给伺服系统的要求是： （1） 调速范围宽， 在大的速度范围内运转稳定。 （2） 负载特性硬， 抗扰动能力强， 能保证切削过 程中受负载冲击时速度不变， 尤其在低速时应有足够 的负载能力。 （3）反应速度快。 （4） 准确度高。
（2） 双拍。 采用双相轮流通电方式， 即每拍都 有两相通电， 称为双拍。 如三相步进电动机的通电顺 序为AB→BC→CA→AB， 则构成三相双三拍工作制。
（3） 单双拍， 即单双相轮流通电。 如对三相步 进电动机来说， 单双拍工作时的通电顺序为 A→AB→B→BC→C→CA→A， 一个循环为6拍， 称 为三相六拍工作制。
9.2.1 步进电动机 1. 步进电动机的特点 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应角位
移的机电执行元件。
概括起来， 步进电动机具有如下优点： （1） 转子的角位移量和转速严格受脉冲的数量和 频率控制， 有脉冲就走， 无脉冲则停， 旋转方向由通 电顺序决定。 （2） 体积小， 重量轻， 价格低。 （3） 驱动简单， 工作可靠， 误差不长期积累。 （4） 精度高， 惯性小， 容易调试。
3 40 2
A
3°
C
B
C B
6° A
图9.3 三相反应式步进电动机
4. 步进电动机的主要特性 （1） 步距角α。 步进电动机每步转过的角度称为步 距角。 （2） 步距误差Δα。 （3） 距角特性。 （4） 矩频特性。 （5） 运行特性。
定子
转子
ML t
M
Mmax －
－
M
初始
平衡点
＋
0
t
静态稳定区
· 共振区: 当脉冲频率介于低频和高频之间且接近 电动机本身固有的振荡频率时， 电动机将产生强烈的 振荡， 甚至“走一步退两步”， 左右摇摆， 无法正 常工作， 这种情况应设法避免。
转角 3
2
转角 3
C通 电
2
B通 电
A通 电
低频区； (b) 高频区
2） 永磁式步进电动机 永磁式步进电动机的定子由软磁材料制成， 定子 上有励磁绕组； 转子由永久磁铁制成， 步距角一般为 15°、 22.5°、 30°、 45°等。
3） 混合式步进电动机 混合式步进电动机又叫永磁反应式步进电动机， 它在结构和性能上， 兼有反应式步进电动机和永磁式 步进电动机两者的特点， 即具有反应式步进电动机步 距角小、 工作频率高的特点， 又具有永磁式步进电动 机控制功率小、 运行稳定、 断电后有保持转矩的特点， 更适合应用于数控系统中。
3C A
逆 时 针 回 转 30°
B相 通 电
A C 1 B
A C 2 B
1 3
42 B 3 C
B 4
C
A
A
A相 通 电 逆 时 针 回 转 30°C相 通 电 (b)
图9.2 反应式步进电动机工作原理
步进电动机的通电方式有以下三种。
（1） 单拍。 在各相轮流通电的过程中， 每拍只 有一相通电， 称为单拍。
齿轮箱
工作台
电源
图9.1 步进电动机开环进给伺服系统结构图
图9.1中， 数控装置发出指令脉冲通过环形分配器 和功率放大器驱动步进电动机， 每发出一个指令脉冲， 步进电动机就转过一个角度， 此角度叫做步进电动机 的步距角。 步进电动机通过齿轮箱、 滚珠丝杠驱动工 作台运动， 其运动的位移量与指令脉冲数成正比， 运 动速度与脉冲的频率成正比。