伺服驱动装置

8.2.1 进给伺服系统的组成和工作原理

数控机床的进给伺服系统由伺服驱动电路、伺服驱动装置、机械传动机构及执行部件组成。它的作用是，接收数控系统发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动电路作转换和放大后，经伺服驱动装置（直流、交流伺服电机、功率步进电机、电液脉冲马达等）和机械传动机构，驱动机床的刀架、工作台、主轴头架等执行部件实现工作进给和快速运动。数控机床的进给伺服系统与一般机床的进给系统有本质差别，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，以及几个执行部件按一定规律运动所合成的运动轨迹。数控进给伺服系统按有无位置检测和反馈进行分类，有开环伺服系统和闭环伺服系统两种。

开环伺服系统由步进电机及其驱动线路等组成，如图8-2所示。每向步进电机输入一个脉冲，步进电机就旋转一个步距角θ，步进电机的旋转速度取决于指令

图8-2 开环伺服系统示意图

脉冲的频率f。经齿轮副和滚珠丝杠螺旋副传动，使机床刀架或工作台移动一个脉冲当量Q（mm／脉冲）。脉冲当量Q的计算如下：

位移量S的大小由指令脉冲数N决定，即S=N×Q。由于系统中没有位置检测器及反馈线路，因此开环系统的精度较低，但由于结构简单、易于调整，在精度不太高的场合仍得到较广泛的应用，如机床改造等。这种系统的定位精度一般可达到±0.02mm，脉冲当量Q=0.01mm／脉冲，最高进给速度一般在6m／min以下。开环伺服系统在一些普通机床的数控改造以及对精度要求较低的场合，如在电脑绣花机、绘图仪等中得到了广泛应用。

闭环伺服系统由伺服电机、检测装置、比较电路、伺服放大系统等部分组成，如图8-3所示。它根据来自检测装置的反馈信号与指令信号比较的结果，控制速度和位置。高精度或大型机床直接从安装在工作台等移动部件上的检测装置中取得反馈信号，从而实现精度较高的反馈控制。但这种测量装置的价格较高，安装及调整都比较复杂且不易保养；部分数控机床检测反馈信号是从伺服电机轴或滚珠丝杠上取得的，又称半闭环伺服系统。半闭环系统中的转角测量比较容易实现，但由于后继传动链传动误差的影响，测量补偿精度比闭环系统差。半闭环系统由于系统简单而且调整方便，现在已广泛地应用在数控机床上。

图8-3 闭环伺服系统示意

8.2.2 步进电机驱动系统

8.2.2.1 步进电机的工作原理

步进电机的种类很多，但其工作原理都是通过被励磁的定子的电磁力吸引转子偏转输出转矩。因此，它理论依据就是电磁作用原理。现以三相反应式步进电机为例加以说明。

图8-4所示是反应式三相步进电机的工作原理图。定子上有3对磁极，分成A、B、C三相，每对磁极上绕有激磁绕组，并且电流产生的磁场方向一致。转子无绕组，它是由带齿的铁芯做成的。当定子绕组按顺序轮流通电时，A、B和C 3对磁极依次产生磁场，并每次对转子的某一对齿产生电磁转矩，使它转动。每当转子的某一对齿的中心线与定子磁极的中心对齐时，磁阻最小，转矩为零。按一定方式切换定子绕组各相电流，使转子按一定方向一步步转动。步进电机每个脉冲转过的角度称为步距角。

图8-4 反应式三相步进电机的工作原理

设A相通电，则转子的1、3两齿被磁极A产生的电磁转矩吸引转动，当1、3齿与A对齐时，转动停止；此时，B相通电，A相断电，磁极B又把距它最近的一对齿2、4吸引转动，转子按逆时针方向转过30°；接着C相通电，B相断电，转子2逆时针旋转30°。依此类推，定子按A→B→C→A……顺序通电，转子就一步步地按逆时针方向转动，每步转30°。若改变通电顺序，按A→C→B→A……顺序通电，步进电机就按顺时针方向转动，同样每步转30°。这种控制方式称为单三拍方式。由于每次只有一相绕组通电，在切换瞬间电机失去自锁转矩，容易失步。此外，只有一相绕组通电吸引转子，易在平衡位置附近产生振荡。因此实际中不采用单三拍控制方式，而是采用双三拍控制方式，即通电顺序按AB→BC→CA→AB……（逆时针方向）或AC→CB→BA→AC……（顺时针方向）进行。由于双三拍控制方式每次有两相绕组通电，而且切换时总保持一相绕组通电，所以工作较稳定。如果通电顺序按A→AB→B→BC→C→CA→A……进行，就是三相六拍控制方式，每切换一次，步进电机按逆时针方向转过15°。同样，若按A→AC→C→CB→B→BA→A……顺序通电，步进电机每步按顺时针方向转15°。三相六拍控制方式比单三拍控制方式步距角小一半，同样在切换时保持一相绕组通电，工作稳定；与双三拍相比增大了稳定区，故在实践中常采用这种控制方式。

步进电机的旋转方向和转速，由定子绕组的脉冲电流决定，即由指令脉冲决定。指令脉冲数就是电机的转动步数，即角位移的大小。指令脉冲频率决定它的旋转速度，只要改变指令脉冲频率，就可以使步进电机的旋转速度在很宽范围内连续调节。改变绕组的通电顺序，可以改变它的转向。由此可见，步进电机的控制是十分方便的。采用步进电机驱动的缺点是效率低，驱动惯量负载能力差，作高速运动时容易失步。

8.2.2.2 步进电动机的驱动与控制系统

步进电动机的驱动装置是将变频信号源（微机或数控装置等）送来的脉冲信号及方向信号按要求的配电方式自动地循环供给步进电动机的各相绕组，以驱动步进电动机转子正、反向旋转。变频信号源是可提供从几赫兹到几万赫兹的频率信号且连续可调的脉冲信号发生器。因此，只要控制输入电脉冲的数量及频率就可精确控制步进电动机的转角及转速。驱动装置由环行脉冲分配器、功率放大器等组成，如图8-5所示。

图8-5 步进电机驱动装置

（1）环行脉冲分配器 环行脉冲分配器是用于控制步进电动机的通电方式，使步进电动机绕组的通电顺序按一定规律变化的部件。环行脉冲分配器分为软件环行分配器和硬件环行分配器两种。

（2）功率放大器 又称功率驱动器或功率放大电路。由于来自环行分配器的脉冲电流只有几毫安，而步进电动机的定子绕组需要几安培至几十安培，功率放大器的功能是将来自环行分配器的脉冲电流放大到足以驱动步进电动机旋转。步进电动机所使用的功率放大器有电压型和电流型。电压型有单电压型和双电压型（高低压型）。电流型有恒流驱动型、斩波驱动型等。

8.2.3 直流伺服电机驱动系统

前面介绍的步进电机多用于开环系统，系统精度较低。高精度的数控机床必须采用直流或交流闭环伺服驱动系统。

8.2.3.1 直流伺服电机

直流（DC）伺服电机在20世纪70、80年代的数控机床上占据着主导地位。小惯量直流伺服电动机具有可频繁启动、制动和快速定位与切削的特点。其主要缺点为结构较复杂，电刷和换向器需经常维护。大惯量（宽调速）直流伺服电机具有良好的调速性能、输出转矩大、过载能力强。

（1）小惯量直流电机 小惯量直流电机是由一般直流电机发展而来的。它与一般直流电机有两个主要区别，一个区别是其转子为光滑无槽的铁芯，用绝缘粘合剂直接把线圈粘在铁芯表面，如图8-6（a）所示。另一个区别是转子长而直径小，这是因为电机的转动惯量与转子直径的平方成正比，从减小惯量出发，细长的电枢可以得到较小的惯量。

图8-6 小惯量直流电机

1-B级环氧无纬玻璃丝带　 2-高强度漆包线　 3-层间绝缘　 4-对地绝缘　 5-转子铁芯　 6-转轴　 7-激磁线圈　 8-船形挡风板　 9-机座壳　 10-磁极

小惯量直流电机的定子结构如图8-6（b）所示，采用方形，提高了激磁线圈放置的有效面积，但由于无槽结构，气隙较大，激磁和线圈安匝数较大，故损耗大，发热厉害。为此，在极间安放船型挡风板，增加风压，使之带走较多的热量，并且线圈外不包扎而成赤裸线圈。

（2）大惯量（宽调速）直流电机 小惯量直流电机是通过减少电机转动惯量来改善工作特性的，但正由于其惯量小，机床惯量大，必须经过齿轮传动，而且电刷磨损较快。而宽调速直流电机则是用提高转矩的方法来改善其性能，在闭环伺服系统中应用较广。

宽调速直流电机按激磁方法可分为电激磁和永久磁铁激磁两种。电激磁的特点是，激磁力大小易于调整，便于安排补偿绕组和换向器，所以电机换向性能好，成本低，可在较宽的范围内实现恒转矩调速。永久磁铁激磁一般无换向极和补偿绕组，其换向性能受到一定限制。但由于不需激磁功率，因此效率较高，电机低速时输出扭矩大，温升低，尺寸小，因而永久磁铁激磁结构用得较多。

8.2.4 交流伺服电机驱动系统

从20世纪80年代开始，交流伺服电动机开始引起人们的关注，近年来交流调速有了飞速的发展。交流电动机的可变速驱动系统已数字化，这使得交流电动机的大范围平滑调速成为现实，克服了其原有调速性能差的缺点，使其在调速性能上已可与直流电动机相媲美。同时其结构简单坚固，容易维护，转子的转动惯量可以设计得很小，可以经受高速运转等优点。因此，在当代的数控机床上，交流伺服系统得到了广泛的应用。

交流伺服电动机分为同步伺服电动机和异步式伺服电动机两大类型。同步型交流伺服电动机由变频电源供电时，可方便地获得与频率成正比的可变转速，可得到非常硬的机械特性及宽的调速范围。所以在数控机床的伺服系统中多采用永磁式交流同步型伺服电动机。

图8-7 两种类型的变频器

对交流电动机实现变频调速的装置称为变频器，其功能是将电网电压提供的恒压恒频交流电变换为变压变频的交流电，以对交流电动机实现无级调速。变频器有交-交变频器与交-直-交变频器两大类，如图8-7所示。