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第七章第七章第七章第七章 数控机床的驱动与控制系统数控机床的驱动与控制系统数控机床的驱动与控制系统数控机床的驱动与控制系统数控机床伺服驱动系统概述数控机床伺服驱动系统概述伺伺伺伺服服服服驱驱驱驱动动动动系系系系统统统统接接接接收收收收数数数数控控控控单单单单元元元元的的的的位位位位移移移移/速速速速度度度度控控控控制制制制指指指指令令令令,驱驱驱驱动动动动工工工工作作作作台台台台/主主主主轴轴轴轴按按按按照照照照控控控控制制制制指指指指令令令令的要求进行运动。的要求进行运动。的要求进行运动。的要求进行运动。伺伺伺伺服服服服驱驱驱驱动动动动系系系系统统统统直直直直接接接接影影影影响响响响移移移移动动动动速速速速度度度度、跟跟跟跟踪踪踪踪精精精精度度度度、定定定定位位位位精精精精度度度度等等等等一一一一系系系系列列列列重重重重要要要要指指指指标标标标，是是是是数数数数控控控控机床的关键技术。机床的关键技术。机床的关键技术。机床的关键技术。数控机床的伺服驱动数控机床的伺服驱动 驱动电路驱动电路驱动电路驱动电路-信号的转换（信号的转换（D/AD/A）和放大；）和放大；伺服电机伺服电机伺服电机伺服电机-信号和能量的转化输出（电信号和能量的转化输出（电机）；机）；传动及执行机构传动及执行机构传动及执行机构传动及执行机构-信号和能量的传递；信号和能量的传递；特点：特点：特点：特点：能够实现位置和运动能够实现位置和运动的准确控制。的准确控制。组成：组成：组成：组成：1.1.1.1.按其控制对象和使用目的分类按其控制对象和使用目的分类按其控制对象和使用目的分类按其控制对象和使用目的分类进给驱动：进给驱动：进给驱动：进给驱动：控制机床各轴的切削进给运动控制机床各轴的切削进给运动控制机床各轴的切削进给运动控制机床各轴的切削进给运动,含速度含速度含速度含速度控制和位置控制，也是一般概念的伺服驱动系统；控制和位置控制，也是一般概念的伺服驱动系统；控制和位置控制，也是一般概念的伺服驱动系统；控制和位置控制，也是一般概念的伺服驱动系统；主轴驱动：主轴驱动：主轴驱动：主轴驱动：控制主轴的旋转和切削过程的转矩和功控制主轴的旋转和切削过程的转矩和功控制主轴的旋转和切削过程的转矩和功控制主轴的旋转和切削过程的转矩和功率，要求有足够的功率、宽的恒功率调节范围及速率，要求有足够的功率、宽的恒功率调节范围及速率，要求有足够的功率、宽的恒功率调节范围及速率，要求有足够的功率、宽的恒功率调节范围及速度调节范围；度调节范围；度调节范围；度调节范围；辅助驱动：辅助驱动：辅助驱动：辅助驱动：采用简易的位置控制，如控制刀库的辅采用简易的位置控制，如控制刀库的辅采用简易的位置控制，如控制刀库的辅采用简易的位置控制，如控制刀库的辅助系统。助系统。助系统。助系统。7.17.1 数控机床的驱动系统分类数控机床的驱动系统分类7.1.2 7.1.2 7.1.2 7.1.2 按调节理论分类按调节理论分类按调节理论分类按调节理论分类（1 1 1 1）开环伺服系统：）开环伺服系统：）开环伺服系统：）开环伺服系统：无检测反馈控制通道，无检测反馈控制通道，无检测反馈控制通道，无检测反馈控制通道，由步进电机、驱动电由步进电机、驱动电由步进电机、驱动电由步进电机、驱动电路、传动机构组成。路、传动机构组成。路、传动机构组成。路、传动机构组成。用于经济型数控和老设备改造。用于经济型数控和老设备改造。用于经济型数控和老设备改造。用于经济型数控和老设备改造。7.17.1 数控机床的驱动系统分类数控机床的驱动系统分类工作原理：将指令数字脉冲信号转换为电机的角位移。工作原理：将指令数字脉冲信号转换为电机的角位移。7.1.2 7.1.2 7.1.2 7.1.2 按调节理论分类按调节理论分类按调节理论分类按调节理论分类（1 1 1 1）开环伺服系统）开环伺服系统）开环伺服系统）开环伺服系统7.17.1 数控机床的驱动系统分类数控机床的驱动系统分类 特点特点特点特点 1 1 1 1）无位移检测装置，控制精度低；）无位移检测装置，控制精度低；）无位移检测装置，控制精度低；）无位移检测装置，控制精度低；2 2 2 2）结构简单、易于调整、成本低。）结构简单、易于调整、成本低。）结构简单、易于调整、成本低。）结构简单、易于调整、成本低。主要技术指标主要技术指标主要技术指标主要技术指标 1 1 1 1）定位精度可达）定位精度可达）定位精度可达）定位精度可达0.02mm0.02mm0.02mm0.02mm；2 2 2 2）脉冲当量可达）脉冲当量可达）脉冲当量可达）脉冲当量可达0.01mm0.01mm0.01mm0.01mm；3 3 3 3）快速进给速度）快速进给速度）快速进给速度）快速进给速度4-15m/min4-15m/min4-15m/min4-15m/min；应用应用应用应用:经济型数控机床及机床数控化改造经济型数控机床及机床数控化改造经济型数控机床及机床数控化改造经济型数控机床及机床数控化改造7.1.2 7.1.2 7.1.2 7.1.2 按调节理论分类按调节理论分类按调节理论分类按调节理论分类（2 2 2 2）闭环伺服系统：）闭环伺服系统：）闭环伺服系统：）闭环伺服系统：有位置检测装置（有位置检测装置（有位置检测装置（有位置检测装置（直直直直线位移检测元件线位移检测元件线位移检测元件线位移检测元件），），），），用用用用位移指令与工作台实际位移的差值作为控制量；由位置环和速位移指令与工作台实际位移的差值作为控制量；由位置环和速位移指令与工作台实际位移的差值作为控制量；由位置环和速位移指令与工作台实际位移的差值作为控制量；由位置环和速度环组成；具有很高的跟随精度和定位精度，安装调试困难。度环组成；具有很高的跟随精度和定位精度，安装调试困难。度环组成；具有很高的跟随精度和定位精度，安装调试困难。度环组成；具有很高的跟随精度和定位精度，安装调试困难。7.17.1 数控机床的驱动系统分类数控机床的驱动系统分类7.1.2 7.1.2 7.1.2 7.1.2 按调节理论分类按调节理论分类按调节理论分类按调节理论分类（2 2 2 2）闭环伺服系统）闭环伺服系统）闭环伺服系统）闭环伺服系统7.17.1 数控机床的驱动系统分类数控机床的驱动系统分类 脉冲当量0.001-0.0001mm，快进速度24-100m/min。主要用于精密、大型数控设备上。7.1.2 7.1.2 7.1.2 7.1.2 按调节理论分类按调节理论分类按调节理论分类按调节理论分类（3 3 3 3）半闭环伺服系统：）半闭环伺服系统：）半闭环伺服系统：）半闭环伺服系统：采用采用采用采用角位移检测元件角位移检测元件角位移检测元件角位移检测元件对电机轴或滚珠丝杠对电机轴或滚珠丝杠对电机轴或滚珠丝杠对电机轴或滚珠丝杠的角位移进行测量反馈的角位移进行测量反馈的角位移进行测量反馈的角位移进行测量反馈，其精度处于开环与闭环之间，安装调其精度处于开环与闭环之间，安装调其精度处于开环与闭环之间，安装调其精度处于开环与闭环之间，安装调试方便。试方便。试方便。试方便。7.17.1 数控机床的驱动系统分类数控机床的驱动系统分类7.1.2 7.1.2 7.1.2 7.1.2 按调节理论分类按调节理论分类按调节理论分类按调节理论分类（3 3 3 3）半闭环伺服系统）半闭环伺服系统）半闭环伺服系统）半闭环伺服系统7.17.1 数控机床的驱动系统分类数控机床的驱动系统分类 脉冲当量0.005-0.001mm，快进速度15-24m/min。主要用于中档数控机床上。7.1.3 7.1.3 7.1.3 7.1.3 数控机床对驱动系统的要求数控机床对驱动系统的要求数控机床对驱动系统的要求数控机床对驱动系统的要求1 1 1 1、精度高，定位误差（重复定位误差）小，跟随误差小。、精度高，定位误差（重复定位误差）小，跟随误差小。、精度高，定位误差（重复定位误差）小，跟随误差小。、精度高，定位误差（重复定位误差）小，跟随误差小。一一 般般 要要 求求 定定 位位 精精 度度 为为 0.0010.01mm0.0010.01mm，高高 档档 设设 备备 达达 到到0.01m0.01m以上。以上。2 2 2 2、快速响应特性好、无超调、无振荡。、快速响应特性好、无超调、无振荡。、快速响应特性好、无超调、无振荡。、快速响应特性好、无超调、无振荡。快速响应是伺服系统动态品质的标志之一，反映系统的快速响应是伺服系统动态品质的标志之一，反映系统的跟踪精度。要求加、减速度足够大，能频繁启、停和正、反跟踪精度。要求加、减速度足够大，能频繁启、停和正、反向运动。向运动。7.17.1 数控机床的驱动系统分类数控机床的驱动系统分类定位精度定位精度定位精度定位精度：移动件到达指令位置的准确度。：移动件到达指令位置的准确度。重复定位精度重复定位精度重复定位精度重复定位精度：移动件在任意定位点的定位一致性。：移动件在任意定位点的定位一致性。7.1.3 7.1.3 7.1.3 7.1.3 数控机床对驱动系统的要求数控机床对驱动系统的要求数控机床对驱动系统的要求数控机床对驱动系统的要求3 3 3 3、调速范围宽（、调速范围宽（、调速范围宽（、调速范围宽（调速范围：最低转速到最高转速的范围调速范围：最低转速到最高转速的范围-n nmin/min/n nmaxmax）由由于于工工件件材材料料、刀刀具具以以及及加加工工要要求求各各不不相相同同，要要保保证证数数控控机机床床在在任任何何情情况况下下都都能能得得到到最最佳佳切切削削条条件件，伺伺服服系系统统就就必必须须有有足足够够的的调调速速范范围围。这这样样既既能能满满足足高高速速加加工工要要求求，又又能能满满足足低低速速进给要求。进给要求。4 4 4 4、低速切削时，要求系统能输出大转矩、低速切削时，要求系统能输出大转矩、低速切削时，要求系统能输出大转矩、低速切削时，要求系统能输出大转矩5 5 5 5、系统可靠性高、系统可靠性高、系统可靠性高、系统可靠性高 系统的可靠性常用发生故障时间间隔长短的平均值作为依系统的可靠性常用发生故障时间间隔长短的平均值作为依据，即据，即平均无故障时间平均无故障时间平均无故障时间平均无故障时间(MBTFMBTF)。这个时间越长，可靠性越好。这个时间越长，可靠性越好。7.17.1 数控机床的驱动系统分类数控机床的驱动系统分类7.1.4 7.1.4 7.1.4 7.1.4 驱动系统中常用的检测装置驱动系统中常用的检测装置驱动系统中常用的检测装置驱动系统中常用的检测装置7.17.1 数控机床的驱动系统分类数控机床的驱动系统分类7.27.2 步进电机及其驱动系统步进电机及其驱动系统 主主主主要要要要用用用用于于于于开开开开环环环环伺伺伺伺服服服服控控控控制制制制，系系系系统统统统由由由由 “步步步步进进进进电电电电机机机机驱驱驱驱动动动动线线线线路路路路”+“步步步步进进进进电电电电机机机机”组组组组成成成成，对对对对工工工工作作作作台台台台位位位位移移移移、速速速速度度度度和和和和运运运运动动动动方方方方向向向向进行控制。进行控制。进行控制。进行控制。功率功率功率功率放大放大放大放大器器器器环形环形环形环形分配分配分配分配器器器器加减加减加减加减速电速电速电速电路路路路脉冲脉冲脉冲脉冲混合混合混合混合电路电路电路电路加减加减加减加减脉冲脉冲脉冲脉冲分配分配分配分配电路电路电路电路进给进给进给进给脉冲脉冲脉冲脉冲至步进至步进至步进至步进电机绕阻电机绕阻电机绕阻电机绕阻步进电机驱动线路步进电机驱动线路步进电机驱动线路步进电机驱动线路步进电机步进电机步进电机步进电机机机机机床床床床进进进进给给给给 指指指指令令令令7.2.1 7.2.1 7.2.1 7.2.1 步进电机步进电机步进电机步进电机（亦称脉冲电机、电脉冲马达）（亦称脉冲电机、电脉冲马达）（亦称脉冲电机、电脉冲马达）（亦称脉冲电机、电脉冲马达）7.27.2 步进电机及其驱动系统步进电机及其驱动系统 作用：将电脉冲转换成相应的机械角位移或直线位移。作用：将电脉冲转换成相应的机械角位移或直线位移。作用：将电脉冲转换成相应的机械角位移或直线位移。作用：将电脉冲转换成相应的机械角位移或直线位移。电脉冲数决定位移量；电脉冲数决定位移量；电脉冲数决定位移量；电脉冲数决定位移量；电脉冲频率决定位移速度；电脉冲频率决定位移速度；电脉冲频率决定位移速度；电脉冲频率决定位移速度；电脉冲相序决定位移方向。电脉冲相序决定位移方向。电脉冲相序决定位移方向。电脉冲相序决定位移方向。工作台丝杠编码器步进电机7.27.2 步进电机及其驱动系统步进电机及其驱动系统（1 1）步进电机的结构与工作原理步进电机的结构与工作原理与步进电机有关的几个概念：与步进电机有关的几个概念：与步进电机有关的几个概念：与步进电机有关的几个概念：“段段段段”指步进电机的指步进电机的指步进电机的指步进电机的定子定子定子定子数目，分数目，分数目，分数目，分“单段式单段式单段式单段式”、“多段式多段式多段式多段式”；“相相相相”、“相数相数相数相数”产生不同对产生不同对产生不同对产生不同对N N N N、S S S S极磁场的励磁线圈对数；极磁场的励磁线圈对数；极磁场的励磁线圈对数；极磁场的励磁线圈对数；“拍拍拍拍”指从一相通电切换成另一相通电的意思；指从一相通电切换成另一相通电的意思；指从一相通电切换成另一相通电的意思；指从一相通电切换成另一相通电的意思；“拍数拍数拍数拍数”完成一个磁场周期性变化所需脉冲数，或指电机转完成一个磁场周期性变化所需脉冲数，或指电机转完成一个磁场周期性变化所需脉冲数，或指电机转完成一个磁场周期性变化所需脉冲数，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数；过一个齿距角所需脉冲数；过一个齿距角所需脉冲数；过一个齿距角所需脉冲数；“步步步步”-对步进电机输入一个脉冲，则输出一个位移（角位移对步进电机输入一个脉冲，则输出一个位移（角位移对步进电机输入一个脉冲，则输出一个位移（角位移对步进电机输入一个脉冲，则输出一个位移（角位移或直线位移），称为或直线位移），称为或直线位移），称为或直线位移），称为“一步一步一步一步”；“步距角步距角步距角步距角”对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移，用对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移，用对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移，用对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移，用表示；表示；表示；表示；“失步失步失步失步”电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。（1 1）步进电机的结构与工作原理步进电机的结构与工作原理图7-4 单段式三相反应式步进电机结构原理图7-5 展开后的步进电机齿距NS反应式步进电机（可变磁阻式步进电机、反应式步进电机（可变磁阻式步进电机、反应式步进电机（可变磁阻式步进电机、反应式步进电机（可变磁阻式步进电机、VRVRVRVR步进电机）结构；步进电机）结构；步进电机）结构；步进电机）结构；工工工工作作作作原原原原理理理理：当当当当某某某某相相相相定定定定子子子子磁磁磁磁极极极极励励励励磁磁磁磁后后后后，吸吸吸吸引引引引转转转转子子子子使使使使转转转转子子子子的的的的齿齿齿齿与与与与该该该该相定子磁极上的齿对齐（电磁吸引原理）。相定子磁极上的齿对齐（电磁吸引原理）。相定子磁极上的齿对齐（电磁吸引原理）。相定子磁极上的齿对齐（电磁吸引原理）。（1 1）步进电机的结构与工作原理步进电机的结构与工作原理单段式（一个定子，也称径向式）反应式步进电机（图7-4）：（1 1）步进电机的结构与工作原理步进电机的结构与工作原理 多段式径向磁路的反应式步进电机多段式径向磁路的反应式步进电机多段式径向磁路的反应式步进电机多段式径向磁路的反应式步进电机-由单段式演变而来，由单段式演变而来，由单段式演变而来，由单段式演变而来，各相励磁绕组沿轴向分段布置，每段之间的定子齿在径向互相各相励磁绕组沿轴向分段布置，每段之间的定子齿在径向互相各相励磁绕组沿轴向分段布置，每段之间的定子齿在径向互相各相励磁绕组沿轴向分段布置，每段之间的定子齿在径向互相错开错开错开错开1 1 1 1m m m m齿距（齿距（齿距（齿距（m m m m为相数）；为相数）；为相数）；为相数）；三段式径向磁路反应式步进电动机结构示意图 磁路沿径向磁路沿径向（1 1）步进电机的结构与工作原理步进电机的结构与工作原理 多段式轴向磁路的反应式步进电机多段式轴向磁路的反应式步进电机多段式轴向磁路的反应式步进电机多段式轴向磁路的反应式步进电机-励磁绕组为环形绕组，励磁绕组为环形绕组，励磁绕组为环形绕组，励磁绕组为环形绕组，定子齿数和转子齿数相等。每段之间定子齿在径向依次错开定子齿数和转子齿数相等。每段之间定子齿在径向依次错开定子齿数和转子齿数相等。每段之间定子齿在径向依次错开定子齿数和转子齿数相等。每段之间定子齿在径向依次错开1 1 1 1m m m m齿距（齿距（齿距（齿距（m m m m为相数），转子齿不错位；为相数），转子齿不错位；为相数），转子齿不错位；为相数），转子齿不错位；五段式轴向磁路反应式步进电机结构示意图磁路沿轴向磁路沿轴向（1 1）步进电机的结构与工作原理步进电机的结构与工作原理三相单三拍通电方式工作原理：三相单三拍通电方式工作原理：当第一个脉冲通入当第一个脉冲通入A A相时，磁通企图沿着磁阻最小的相时，磁通企图沿着磁阻最小的路径闭合，在此磁场力的作用下，转子的路径闭合，在此磁场力的作用下，转子的1 1、3 3齿要和齿要和A A级级对齐。当下一个脉冲通入对齐。当下一个脉冲通入B B相时，磁通同样要按磁阻最小相时，磁通同样要按磁阻最小的路径闭合，即的路径闭合，即2 2、4 4齿要和齿要和B B级对齐，则转子就相对定子级对齐，则转子就相对定子沿逆时针方向转动沿逆时针方向转动3030。单段式三相反应单段式三相反应式步进电机的工式步进电机的工作原理作原理（假定每个定子磁极（假定每个定子磁极只有只有1 1个齿，齿距角个齿，齿距角=60=60，转子齿数假，转子齿数假定只有定只有4 4个齿）个齿）（1 1）步进电机的结构与工作原理步进电机的结构与工作原理若通电脉冲的次序为若通电脉冲的次序为A、B、C、A，转子将，转子将以逆时针方向一步步地旋转。以逆时针方向一步步地旋转。定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍。上述定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍。上述的通电方式称为三相单三拍。所谓的通电方式称为三相单三拍。所谓“单单”是指每是指每次只有一相绕组通电；所谓次只有一相绕组通电；所谓“三拍三拍”是指经过三是指经过三次切换控制绕组的通电状态为一个循环。次切换控制绕组的通电状态为一个循环。单段式三相反应单段式三相反应式步进电机的工式步进电机的工作原理作原理（假定每个定子磁极（假定每个定子磁极只有只有1 1个齿，齿距角个齿，齿距角=60=60，转子齿数假，转子齿数假定只有定只有4 4个齿）个齿）（1 1）步进电机的结构与工作原理步进电机的结构与工作原理三相单三拍通电：每拍只有一相绕组通电，在切换瞬间可能失三相单三拍通电：每拍只有一相绕组通电，在切换瞬间可能失去自锁力矩，易失步且易在平衡位置产生振荡；去自锁力矩，易失步且易在平衡位置产生振荡；三相双三拍通电方式：三相双三拍通电方式：AB BC CA ABAB BC CA AB逆时针转动；逆时针转动；三相单双六拍通电方式：三相单双六拍通电方式：A AB B BC C CA AA AB B BC C CA A逆时针转动；逆时针转动；单段式三相反应单段式三相反应式步进电机的工式步进电机的工作原理作原理（假定每个定子磁极（假定每个定子磁极只有只有1 1个齿，齿距角个齿，齿距角=60=60，转子齿数假，转子齿数假定只有定只有4 4个齿）个齿）步进电机的通电方式：三相双三拍：(逆转)ABBCCAAB (顺转)ACCBBAAC 三相单双六拍：(逆转)A AB B BC C CA A (顺转)A AC C CB B BA A三相单三拍：(逆转)ABCA (顺转)ACBA（1 1）步进电机的结构与工作原理步进电机的结构与工作原理三种通电方式的特点：三种通电方式的特点：单三拍单三拍-每次一相通电每次一相通电,步进电机稳定性差，步距角步进电机稳定性差，步距角3030；双三拍双三拍-每次同时两相通电每次同时两相通电,切换瞬间仍有一相保持通电切换瞬间仍有一相保持通电,运行稳定，运行稳定，步距角步距角3030；单双六拍单双六拍-步距角步距角1515，切换瞬间仍有一相保持通电，运行稳定。，切换瞬间仍有一相保持通电，运行稳定。步进电机定子绕阻通电状态每改变一次，它的转子转步进电机定子绕阻通电状态每改变一次，它的转子转步进电机定子绕阻通电状态每改变一次，它的转子转步进电机定子绕阻通电状态每改变一次，它的转子转过一个固定的角度，称为步进电机的过一个固定的角度，称为步进电机的过一个固定的角度，称为步进电机的过一个固定的角度，称为步进电机的步距角步距角步距角步距角；改变步进电机定子绕阻的通电顺序，其转子的旋转方改变步进电机定子绕阻的通电顺序，其转子的旋转方改变步进电机定子绕阻的通电顺序，其转子的旋转方改变步进电机定子绕阻的通电顺序，其转子的旋转方向随之改变向随之改变向随之改变向随之改变;步进电机定子绕阻通电状态变化的频率越高，转子的步进电机定子绕阻通电状态变化的频率越高，转子的步进电机定子绕阻通电状态变化的频率越高，转子的步进电机定子绕阻通电状态变化的频率越高，转子的转速越高转速越高转速越高转速越高;步距角与定子绕阻相数步距角与定子绕阻相数步距角与定子绕阻相数步距角与定子绕阻相数mm、转子齿数、转子齿数、转子齿数、转子齿数z z、通电方式、通电方式、通电方式、通电方式k k有有有有关关关关:（1 1）步进电机的结构与工作原理步进电机的结构与工作原理数控机床中的反应式步进电机的步距角一般为数控机床中的反应式步进电机的步距角一般为数控机床中的反应式步进电机的步距角一般为数控机床中的反应式步进电机的步距角一般为0.360.360.360.36-3-3-3-3。步距角步距角步距角步距角、相数、相数、相数、相数mm、转子齿数、转子齿数、转子齿数、转子齿数z z及通电方式及通电方式及通电方式及通电方式K K的计算公式：的计算公式：的计算公式：的计算公式：=360/(mzK)=360/(mzK)当拍数当拍数当拍数当拍数=相数时，相数时，相数时，相数时，K=1K=1K=1K=1；拍数；拍数；拍数；拍数=2x=2x=2x=2x相数时，相数时，相数时，相数时，K=2K=2K=2K=2；脉冲当量脉冲当量脉冲当量脉冲当量-步进电机的一个步距角所对应的机床工作台的移步进电机的一个步距角所对应的机床工作台的移步进电机的一个步距角所对应的机床工作台的移步进电机的一个步距角所对应的机床工作台的移动量即工作台的最小运动单位（动量即工作台的最小运动单位（动量即工作台的最小运动单位（动量即工作台的最小运动单位（mm/mm/脉冲）；脉冲）；脉冲）；脉冲）；丝杠基本导程丝杠基本导程丝杠基本导程丝杠基本导程S S（mmmm）、步进电机步距角）、步进电机步距角）、步进电机步距角）、步进电机步距角（）、脉冲当）、脉冲当）、脉冲当）、脉冲当量量量量（mm/mm/mm/mm/脉冲）、脉冲）、脉冲）、脉冲）、传动比传动比传动比传动比 四者的关系为：四者的关系为：四者的关系为：四者的关系为：=S=S/(/(/(/(360360)（1 1）步进电机的结构与工作原理步进电机的结构与工作原理公式公式公式公式：=S=S/(/(/(/(360360)，如何进行推导？如何进行推导？如何进行推导？如何进行推导？假设电机转一圈时工作台对应的位移量为假设电机转一圈时工作台对应的位移量为假设电机转一圈时工作台对应的位移量为假设电机转一圈时工作台对应的位移量为S1S1，则有：则有：则有：则有：S1=360S1=360/，=N=N=N=N电机电机电机电机/N/N/N/N丝杠丝杠丝杠丝杠=S/S1=S/S1=S/S1=S/S1；即即即即:=S/(=S/(=S/(=S/(360360/)=S)=S)=S)=S/(360/(360/(360/(360)整理后，得：整理后，得：整理后，得：整理后，得：=S=S=S=S/(360/(360/(360/(360)（1 1）步进电机的结构与工作原理步进电机的结构与工作原理工作台的进给速度工作台的进给速度工作台的进给速度工作台的进给速度V(mm/min)V(mm/min)、脉冲当量、脉冲当量、脉冲当量、脉冲当量(mm/(mm/(mm/(mm/脉冲脉冲脉冲脉冲)、进给脉冲频率进给脉冲频率进给脉冲频率进给脉冲频率f(Hz)f(Hz)f(Hz)f(Hz)三者的计算公式三者的计算公式三者的计算公式三者的计算公式：V V=60=60f;f;f;f;步进电机的步距角越小，系统的脉冲当量越小，机床加工步进电机的步距角越小，系统的脉冲当量越小，机床加工步进电机的步距角越小，系统的脉冲当量越小，机床加工步进电机的步距角越小，系统的脉冲当量越小，机床加工精度越高；精度越高；精度越高；精度越高；反应式步进电机的特点：反应式步进电机的特点：反应式步进电机的特点：反应式步进电机的特点：优点优点优点优点-控制方便、步距角小、一转中没有累积误差、动态控制方便、步距角小、一转中没有累积误差、动态控制方便、步距角小、一转中没有累积误差、动态控制方便、步距角小、一转中没有累积误差、动态响应快、自起动能力强、角位移变化范围宽、价格低廉；响应快、自起动能力强、角位移变化范围宽、价格低廉；响应快、自起动能力强、角位移变化范围宽、价格低廉；响应快、自起动能力强、角位移变化范围宽、价格低廉；缺点缺点缺点缺点-带惯性负载能力差、低频振荡、高速时易失步、断带惯性负载能力差、低频振荡、高速时易失步、断带惯性负载能力差、低频振荡、高速时易失步、断带惯性负载能力差、低频振荡、高速时易失步、断电后无定位转矩。电后无定位转矩。电后无定位转矩。电后无定位转矩。（1 1）步进电机的结构与工作原理步进电机的结构与工作原理思考题：如图所示的开环步进电机位置控制系统，已思考题：如图所示的开环步进电机位置控制系统，已知负载力知负载力F F=2000N=2000N，工作台长，工作台长L L=400mm=400mm，定位精度为，定位精度为0.02mm0.02mm，丝杠导程，丝杠导程6mm6mm，直径，直径d d32mm32mm，步进电机的，步进电机的步距角为步距角为1.51.5，试确定齿轮减速比，试确定齿轮减速比。（2 2）永磁感应子式步进电机永磁感应子式步进电机永磁感应子式步进电机结构示意图永磁感应子式步进电机结构示意图永磁感应子式步进电机结构示意图永磁感应子式步进电机结构示意图 转子内有转子内有转子内有转子内有永久磁铁永久磁铁永久磁铁永久磁铁,与定子绕与定子绕与定子绕与定子绕组的磁场组的磁场组的磁场组的磁场共同作用共同作用共同作用共同作用永磁感应子式步进电机（亦称永磁感应子式步进电机（亦称永磁感应子式步进电机（亦称永磁感应子式步进电机（亦称混合式步进电机混合式步进电机混合式步进电机混合式步进电机）特点）特点）特点）特点：转子由环形磁钢及两段铁心组成，轴向充磁；转子由环形磁钢及两段铁心组成，轴向充磁；转子由环形磁钢及两段铁心组成，轴向充磁；转子由环形磁钢及两段铁心组成，轴向充磁；输出转矩高于反应式步进电机；输出转矩高于反应式步进电机；输出转矩高于反应式步进电机；输出转矩高于反应式步进电机；掉电情况下，仍具有一定的定位转矩；掉电情况下，仍具有一定的定位转矩；掉电情况下，仍具有一定的定位转矩；掉电情况下，仍具有一定的定位转矩；制造困难，需正、负电源供电制造困难，需正、负电源供电制造困难，需正、负电源供电制造困难，需正、负电源供电(或把单电源变成正、负电源或把单电源变成正、负电源或把单电源变成正、负电源或把单电源变成正、负电源)；有取代反应式步进电机的趋势。有取代反应式步进电机的趋势。有取代反应式步进电机的趋势。有取代反应式步进电机的趋势。（2 2）永磁感应子式步进电机永磁感应子式步进电机7.2.2 7.2.2 步进电机的主要性能指标步进电机的主要性能指标步距角步距角步距角步距角：步进电机定子绕组每改变一次通电状态，转子所步进电机定子绕组每改变一次通电状态，转子所步进电机定子绕组每改变一次通电状态，转子所步进电机定子绕组每改变一次通电状态，转子所转过的角度（范围：转过的角度（范围：转过的角度（范围：转过的角度（范围：0.360.36 3 3）。它决定控制精度，也是）。它决定控制精度，也是）。它决定控制精度，也是）。它决定控制精度，也是决定步进式伺服系统脉冲当量的重要参数；决定步进式伺服系统脉冲当量的重要参数；决定步进式伺服系统脉冲当量的重要参数；决定步进式伺服系统脉冲当量的重要参数；静态步距角误差静态步距角误差静态步距角误差静态步距角误差 ：以单脉冲输入时，实际步距角与理论以单脉冲输入时，实际步距角与理论以单脉冲输入时，实际步距角与理论以单脉冲输入时，实际步距角与理论步距角之差；步距角之差；步距角之差；步距角之差；失调角与静态转矩失调角与静态转矩失调角与静态转矩失调角与静态转矩 ：当步进电机不改变通电状态、转子处当步进电机不改变通电状态、转子处当步进电机不改变通电状态、转子处当步进电机不改变通电状态、转子处于不动状态下，在电动机轴上加一个负载转矩，使转子按一于不动状态下，在电动机轴上加一个负载转矩，使转子按一于不动状态下，在电动机轴上加一个负载转矩，使转子按一于不动状态下，在电动机轴上加一个负载转矩，使转子按一定方向转过一个角度定方向转过一个角度定方向转过一个角度定方向转过一个角度e e e e，该角度称为，该角度称为，该角度称为，该角度称为失调角失调角；这时转子受；这时转子受；这时转子受；这时转子受到的电磁转矩到的电磁转矩到的电磁转矩到的电磁转矩T T T T称为称为称为称为静态转矩静态转矩。7.2.2 7.2.2 步进电机的主要性能指标步进电机的主要性能指标步进电机的静态转矩步进电机的静态转矩步进电机的静态转矩步进电机的静态转矩T T T T与失调角与失调角与失调角与失调角e e e e：步进电机为空载即步进电机为空载即步进电机为空载即步进电机为空载即T=0T=0T=0T=0，转子在失调角，转子在失调角，转子在失调角，转子在失调角e=0e=0e=0e=0处稳定，此时通处稳定，此时通处稳定，此时通处稳定，此时通电相的定子齿与转子齿对齐；在静态运行情况下，如有外力电相的定子齿与转子齿对齐；在静态运行情况下，如有外力电相的定子齿与转子齿对齐；在静态运行情况下，如有外力电相的定子齿与转子齿对齐；在静态运行情况下，如有外力使转子齿偏离定子齿，在使转子齿偏离定子齿，在使转子齿偏离定子齿，在使转子齿偏离定子齿，在-180-180-180-180 e 180e 180e 180e 180范围内，则在范围内，则在范围内，则在范围内，则在外力消除后，转子在静转矩的作用下仍能回到原来的稳定平外力消除后，转子在静转矩的作用下仍能回到原来的稳定平外力消除后，转子在静转矩的作用下仍能回到原来的稳定平外力消除后，转子在静转矩的作用下仍能回到原来的稳定平衡位置，故称衡位置，故称衡位置，故称衡位置，故称-180-180-180-180 e 180e 180e 180e 180为静稳定区；当为静稳定区；当为静稳定区；当为静稳定区；当e e e e=180=180=180=180时，转子齿左右两边所受的磁拉力相等而相互抵消，时，转子齿左右两边所受的磁拉力相等而相互抵消，时，转子齿左右两边所受的磁拉力相等而相互抵消，时，转子齿左右两边所受的磁拉力相等而相互抵消，暂时有静转矩暂时有静转矩暂时有静转矩暂时有静转矩T=0T=0T=0T=0，称为不稳定平衡点。，称为不稳定平衡点。，称为不稳定平衡点。，称为不稳定平衡点。7.2.2 7.2.2 步进电机的主要性能指标步进电机的主要性能指标距角特性和最大静态转距距角特性和最大静态转距距角特性和最大静态转距距角特性和最大静态转距T Tjmax；矩角特性：矩角特性：矩角特性：矩角特性：步进电机的静转矩步进电机的静转矩步进电机的静转矩步进电机的静转矩T T与失调角与失调角与失调角与失调角e e e e 之间的关系。之间的关系。之间的关系。之间的关系。矩角特性上的电矩角特性上的电矩角特性上的电矩角特性上的电磁转矩的最大值磁转矩的最大值磁转矩的最大值磁转矩的最大值称为称为称为称为最大静态转最大静态转最大静态转最大静态转矩矩矩矩 T T T Tjmaxjmaxjmaxjmax.7.2.2 7.2.2 步进电机的主要性能指标步进电机的主要性能指标启动矩频特性启动矩频特性启动矩频特性启动矩频特性 ：描述步进电机起动频率与负载力矩的关系曲线称为启描述步进电机起动频率与负载力矩的关系曲线称为启描述步进电机起动频率与负载力矩的关系曲线称为启描述步进电机起动频率与负载力矩的关系曲线称为启动矩频特性。它随着负载的增加而下降；动矩频特性。它随着负载的增加而下降；动矩频特性。它随着负载的增加而下降；动矩频特性。它随着负载的增加而下降；空载启动频率或突跳频率空载启动频率或突跳频率空载启动频率或突跳频率空载启动频率或突跳频率fq fq fq fq：空载时，步进电机由静止突然启动，并空载时，步进电机由静止突然启动，并空载时，步进电机由静止突然启动，并空载时，步进电机由静止突然启动，并进入不失步的正常运行所允许的最高频率。步进电机的起动频率要比它进入不失步的正常运行所允许的最高频率。步进电机的起动频率要比它进入不失步的正常运行所允许的最高频率。步进电机的起动频率要比它进入不失步的正常运行所允许的最高频率。步进电机的起动频率要比它的空载起动频率低，要比连续运行频率低很多；的空载起动频率低，要比连续运行频率低很多；的空载起动频率低，要比连续运行频率低很多；的空载起动频率低，要比连续运行频率低很多；连续运行的最高工作频率：连续运行的最高工作频率：连续运行的最高工作频率：连续运行的最高工作频率：步进电机连续运行时，保证不丢步运行的极步进电机连续运行时，保证不丢步运行的极步进电机连续运行时，保证不丢步运行的极步进电机连续运行时，保证不丢步运行的极限频率，它决定了步进电机的最高转速；限频率，它决定了步进电机的最高转速；限频率，它决定了步进电机的最高转速；限频率，它决定了步进电机的最高转速；运行矩频特性：运行矩频特性：运行矩频特性：运行矩频特性：描述步进电机连续稳定运行时，输出转矩描述步进电机连续稳定运行时，输出转矩描述步进电机连续稳定运行时，输出转矩描述步进电机连续稳定运行时，输出转矩T T T T与连续运行与连续运行与连续运行与连续运行频率频率频率频率f f f f之间的关系。之间的关系。之间的关系。之间的关系。一般步进电机的输出转矩一般步进电机的输出转矩T T随着运行频率随着运行频率f f的升高而的升高而下降，它是步进电机运转时承载能力的动态指标下降，它是步进电机运转时承载能力的动态指标。7.2.3 7.2.3 步进电机的驱动和控制技术步进电机的驱动和控制技术功率功率功率功率放大放大放大放大器器器器环形环形环形环形分配分配分配分配器器器器加减加减加减加减速电速电速电速电路路路路脉冲脉冲脉冲脉冲混合混合混合混合电路电路电路电路加减加减加减加减脉冲脉冲脉冲脉冲分配分配分配分配电路电路电路电路进给进给进给进给脉冲脉冲脉冲脉冲至步进至步进至步进至步进电机绕组电机绕组电机绕组电机绕组 步进电机的驱动线路通常由脉冲混合电路、加减脉冲步进电机的驱动线路通常由脉冲混合电路、加减脉冲步进电机的驱动线路通常由脉冲混合电路、加减脉冲步进电机的驱动线路通常由脉冲混合电路、加减脉冲分配电路、加减速电路、环形分配器（脉冲分配器）和功分配电路、加减速电路、环形分配器（脉冲分配器）和功分配电路、加减速电路、环形分配器（脉冲分配器）和功分配电路、加减速电路、环形分配