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第四章 数控机床的伺服系统 概述 常用驱动原件 位移测量装置 了解：常用伺服驱动原件工作原理 理解：位移测量装置工作原理 掌握：伺服驱动系统的定义、组成 第四章 数控机床的伺服驱动系统（6学时） 4.1 概 述 4.2 常用驱动元件 4．2．1 步进电机 一、步进电机概述 步进电机及其驱动系统主要用于开环控制系统。它由步进电机驱动电源（又称步进电机驱动器）和步进电机组成。 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环元件。在非超载的情况下，电机的转速、只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变非常的简单。 虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 目前,生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。仅仅处于一种盲目的仿制阶段。这就给用户在产品选型、使用中造成许多麻烦。 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 二、子式步进电机工作原理 （一）反应式步进电机原理 由于反应式步进电机工作原理比较简单。下面三相反应式步进电机原理。 1、结构： 电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。 若采用细分电路，则步距角由下式决定： /细分数 (2) 若步进电机通电的脉冲频率为，则步进电机的转速为 (60f*/360,f 的单位：个/s) 其中： ――步距角 ――步进电机的转速 ――定子励磁绕组的相数 ――转子的齿数 ――通电方式系数，单拍时，k＝1；双拍时，k＝2 3、术语 (1)相数：。常用m表示。 拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A. 步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度（转子齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。 失步： ????? 电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。 失调角： ????? 转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。 最大空载起动频率： ????? 电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。 最大空载的运行频率： ????? 电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。 运行矩频特性： ????? 电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。如下图所示： ?其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。fq：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。 (10)连续运行频率（最高工作频率） fmax: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 三、驱动控制系统组成 ????? 使用、控制步进电机必须由环形脉冲，功率放大等组成的控制系统，其方框图如下： 1、脉冲信号的产生 ????脉冲信号一般由单片机或CPU产生，一般脉冲信号的占空比为0.3-0.4左右，电机转速越高，占空比则越大。 2、信号分配?????感应子式步进电机以二、四相电机为主，二相电机工作方式有二相四拍和二相八拍二种，具体分配如下：二相四拍为,步距角为1.8度；二相八拍为,步距角为0.9度。四相电机工作方式也有二种，四相四拍为AB-BC-CD-DA-AB,步距角为1.8度；四相八拍为AB-B-BC-C-CD-D-AB,(步距角为0.9度）。 3、功率放大 ????功率放大是驱动系统最为重要的部分。步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流（而样本上的电流均为静态电流）。平均电流越大电机力矩越大，要达到平均电流大这就