Transcript 3）步进电机

第３章 数控机床的伺服驱动系统
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3．1
3．2
3．3
3．4
学习目标
伺服驱动系统概述
步进电动机及控制系统
直流伺服电动机及控制系统
交流伺服电动机及控制系统
本章小结
思考题
学习目标

掌握数控机床伺服驱动系统的组成、工作原理及特点，掌
握对不同电动机的控制方法。
图3.1伺服系统结构图
图3.2三相反应式步进电机结构原理图
图3.4反应式步进电机工作原理示意图
图3.3三段式反应式步进电机的结构原理
图3.5永磁感应子式步进电机结构示意图
图3.6静态矩角特性
图3.7 90BF001步进电机的启动频矩特性
图3.8 90BF001步进电机的运行频矩特性
图3.9 CH250管脚图和三相六拍接线图
图3.10两坐标伺服系统工作原理图
图3.11 软环形分配器的程序流程框图
图3.12程序流程框图
图3.13单电压驱动电路原理图
图3.14高低压驱动电路原理图
图3.15斩波驱动电路原理图
图3.16三种电路的波形
图3.17直流电机的机械特性
图3.18永磁直流伺服电机工作曲线
I连续工作区II间断工作区III瞬时加速区
图3.19负载—工作周期曲线
图3.20三相桥式反并联整流电路
图3.21双环调速系统工作原理图
图3.22 H型脉冲功率放大器工作原理图
图3.23 H型双极性工作方式电压和电
枢电流波形
图3.24微机PWM驱动系统的原理框图
图3.25永磁交流伺服电机结构示意图

1定子2转子3定子三相绕组4编码器5出线盒
图3.26永磁式交流同步伺服电机的
工作原理图
图3.27交流伺服电机工作曲线

I连续工作区II断续工作区
图3.28 单相逆变电路
图3.29双极性SPWM通用型主回路
（三相逆变电路）
图3.30载波（三角波）调制波
（正弦波）形成原理图
图3.31变频控制原理图
3．1 伺服驱动系统概述
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3.1.1伺服驱动系统概念
3.1.2对伺服系统的基本要求
3.1.3伺服系统的分类
3.1.4伺服系统的组成和工作原理
3.1.1伺服驱动系统概念
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数控机床伺服系统：以机床移动部件的位
置和速度为控制量的自动控制系统，又称
随动系统、拖动系统或伺服机构。
伺服系统分类：位置伺服（工作台的位置
和主轴的位置及起始角度）和速度伺服
（工作台电动机转动的速度）。
3.1.2对伺服系统的基本要求
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对伺服系统的基本要求
1、精度高
2、稳定性好
3、快速响应
4、调速范围宽
5、低速大转矩
6、对伺服电机的要求
3.1.3伺服系统的分类
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1、按调节理论分类
开环伺服系统 闭环伺服系统 半闭环系统
2、按使用驱动元件分类 电液伺服系统 电气伺服系统
3、按使用直流伺服电机和交流伺服电机分类
直流伺服系统 交流伺服系统
4、按进给驱动和主轴驱动分类
进给伺服系统 主轴伺服系统
5、按反馈比较控制方式分类
脉冲、数字比较伺服系统 相位比较伺服系统 幅值比
较伺服系统 全数字伺服系统
3.1.4伺服系统的组成和工作原理
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数控机床伺服系统组成：由速度环和位置环所组成 ，如图
3.1所示。
速度环由速度控制单元、伺服电动机和速度检测装置组成。
位置环是由位置控制模块、速度控制单元、位置检测及反
馈控制等各部分组成。
伺服系统工作原理：接收插补程序生成的进给脉冲或进给
位移量，（接受反馈信号），经变换和放大，转化为移动
部件的位移。
3．2 步进电动机及控制系统
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3.2.1步进电机结构原理和分类
3.2.2步进电机驱动控制
3.2.1步进电机结构原理和分类
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1、步进电机的分类
2、步进电机的工作原理
3、反应式步进电机主要技术性能指标
1、步进电机的分类
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（1）按运动方式来分
旋转运动、直线运动、平面运动和滚切运动式步进电机
（2）按工作原理来分
反应式（磁阻式）、电磁式、永磁式、永磁感应子式步进电机
（3）按使用场合来分
功率步进电机和控制步进电机
（4）按结构来分
单段式（径向式）、多段式（轴向式）、印刷绕组式。
（5）按相数来分
三相、四相、五相、六相等。
（6）按使用频率来分
高频步进电机和低频步进电机
2、步进电机的工作原理
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1）反应式步进电动机（VR）
2）永磁式步进电机
3）永磁感应子式步进电机
1）反应式步进电动机
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（1）反应式步进电动机（VR）工作原理
（2）反应式步进电机的特点
（1）反应式步进电动机工作原理
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反应式步进电机叫可变磁阻式步进电机，简称步进电动机。
反应式步进电机种类：单段式（径向式）多段式（轴向式）
结构：单段式结构如图3.2所示，多段式如图3.3、图3.4所示。
单段式和多段式结构的制造工艺较复杂，适用于相数多的步
进电机。目前大多数采用单段式结构，若相数较多时，也有
采用径向、轴向分相相结合的混合式结构。
反应式步进电机的工作原理：磁力线力图走磁阻最小的路径，
从而产生反应力矩；带动转子转动。
定子绕组的供电方式：
单三拍供电方式： A-B-C-A--双三拍工作方式： AB-BC-CA-AB-如图3.4所示
（2）反应式步进电机的特点
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a、步进电机的控制十分方便
b、气隙小
c、步距角小
d、励磁电流较大
e、电机的内部阻尼较小
f、带惯性负载能力差，尤其是在高速时容易失步
g、断电后无定位转矩
2）永磁式步进电机
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（1）永磁式步进电机的结构
（2）永磁式步进电机的特点
（1）永磁式步进电机的结构
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永磁感应子式步进电机结构，如图3.5所示。
由定子和转子组成。
永磁式步进电机的转子或定子的某一方具
有永久磁钢，另一方由软磁材料制成。绕
组轮流通电，建立的磁场与永久磁钢的恒
定磁场相互作用产生转矩，使用转子旋转。
（2）永磁式步进电机的特点
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a、步距角大。一般步距角为150、22.50、300、450、900等。
这是因为在一个圆周上能形成的极对数受到极弧尺寸的限
制，不能太多，所以它的步距角不能太小。
b、控制功率小，效率高。
c、内阻尼较大，单步振荡时间短。
d、断电后具有一定的定位转矩。
3）永磁感应子式步进电机
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（1）永磁感应子式步进电机结构

（2）永磁感应子式步进电机的特点
（1）永磁感应子式步进电机结构
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永磁感应子式步进电机，从它的磁路内含有永久磁钢这点
看，可以说它是永磁式步进电机。但因其结构的不同，使
其作用原理以及性能方面，都与永磁式步进电机有明显的
区别。从定子或转子的导磁体来看，又像反应式步进电机。
它好像是反应式和永磁式步进电机的结合，所以常称其为
混合式步进电机。
永磁感应子式步进电机的典型结构如图3.5所示。它的定子
结构与反应式步进电机基本相同，即分成若干极，极上有
齿和控制线圈。转子由环形磁钢及两段铁心组成，环形磁
钢在转子的中部，轴抽充磁，两段铁心分别装在磁钢的两
端，转子铁心上也有像反应式步进电机那样的齿，但两段
铁心上的小齿相互错开半个齿距，定转子齿的齿距通常相
同
（2）永磁感应子式步进电机的特点
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a、控制功率小，效率高。
b、步距角小。
c、运行频率高（几十千赫），用于数控系统中可
将脉冲当量设计得很小，提高了系统的控制精度。
d、在相同输出转矩情况下，外径相对较小。
e、断电后具有一定的定位转矩。
f、永磁易去磁，则会有振荡点和失步区。
永磁感应子式步进电机是步进电机的最新发展。
近年来国外步进电机的生产厂家相继推出它的系
列化产品，具有较好的发展趋势。
3、反应式步进电机主要技术性能指标
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（1）步距角
（2）最大静转矩TJmax
（3）空载起动（突跳）频率fq（步/s）
（4）启动矩频特性
（5）空载运行频率fmax（步/s）
（6）运行矩频特性
（1）步距角

步进电机每步的转角称为步距角，其计算公式如下



360 0
( )
ZmK
m步进电机相数，Z转子齿数，K控制方式系数，是拍数与
相数的比例系数。
每种电机给出两种步距角，彼此相差一倍。大步距角指控
制供电拍数与相数相等进的步距角；小步距角系指拍数是
相数两倍时的步距角
（2）最大静转矩TJmax

当步进电机不改变通电状态时，转子处于不动状态，即静
态。如果在电机轴上外加一个负载转矩，使转子按一定方
向转过一个角度称为失调角。定子、转子间的电磁转矩随
失调角变化情况如图3.6（a）所示。描述静态时电磁转矩
T与之间关系的曲线称为矩角特性如图3.6 （b）。矩角特
性上的电磁转距最大值称为最大静态转矩TJmax在静态稳定
区内，当外加转矩去除时，转子在电磁转矩作用下，仍能
回到稳定平衡点位置。
（3）空载起动（突跳）频率


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步进电机在空载时由静止突然启动，进入不丢步的正常运
行的最高频率，称为启动频率或突跳频率。
启动频率要比连续运行频率低得多，这是因为步进电机启
动时，既要克服负载力矩，又要克服运转部分的惯性矩，
电机的负担比连续运转时重。
步进电机带负载（尤其是惯性负载）的启动频率比空载的
启动频率要低。
（4）启动矩频特性

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当步进电机带着一定的负载转矩启动时，作用在电机轴上
的加速转矩为电磁转矩与负载转矩之差。负载转矩越大，
加速转矩就越小，电机就不易转起来，只有当每步有较长
的加速时间（采用较低的脉冲频率）时，电机才能启动。
因此，其启动频率随着负载的增加而下降。
描述步进电机启动频率与负载力矩的关系曲线称作启动矩
频特性，如图3.7所示。
（5）空载运行频率



步进电机在空载启动后，能不丢步连续运行的最高脉冲重
复频率称作运行频率fmax。
fmax远大于fq，因为运行频率受转动惯量的影响比启动时
大为减小，步进电机在高速下启动或高速下制动，需要采
用自动升降速的控制。
运行频率fmax因所带负载的性质和大小而异，与驱动电源
也有很大关系。
（6）运行矩频特性

运行矩频特性T=f（F）是描述步进电机连续稳定运行时，
输出转矩与连续运行频率之间的关系，如图3.8所示。它是
衡量步进电机运转时承载能力的动态性能指标。该特性上
每一频率所对应的转矩称为动态转矩。从图3.8可以看出，
随着连续运行频率的上升，输出转矩下降，承载能力下降。
原因是，频率越高，电机绕组的感抗（XL=2πfL）越大，
使绕组中的电流波形变坏，幅值变小，从而使输出力矩下
降。
3.2.2步进电机驱动控制


1、对驱动电源的要求
2、驱动电源
1、对驱动电源的要求
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对驱动电源的基本要求如下：
1）电源的相数、通电方式、电压、电流应与步进电机的
基本参数相适应。
2）能满足步进电机启动频率和运行频率的要求。
3）工作可靠，抗干扰能力强。
4）成本低，效率高，安装和维护方便。
2、驱动电源
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驱动电源通常由环形分配器和功率放大器组成。
1）环形分配器
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2）功率驱动器
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1）环形分配器
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环形分配器的主要功能：是将数控装置的插补脉冲，按步
进电机所要求的规律分配给步进电机驱动电源的各相输入
端，以控制励磁绕组的导通或关断。同时由于电机有正反
转要求，所以环形分配器的输出是周期性的又是可逆的。
硬件环形分配器的种类：专用集成芯片或通用可编程逻辑
器件组成的环形分配器。
CH250是三相反应式步进电机环形分配器专用集成电路芯
片，管脚图和三相六拍工作时的接线图如图3.9所示。
以两坐标步进电动机伺服进给如图3.10所示为例，设计三
相反应式步进电动机的软环形分配器的软环形分配器的程
序设计流程框图如图3.11所示．
2）功率驱动器
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功率驱动器或称功率放大电路。由于功放电路中的负载为
步进电机的绕组，是感性负载，与一般功放不同点就由由
此而产生，主要是较大电感影响快速性，感应电势带来的
功率管保护等问题。
功率驱动器的种类：
（1）单电压驱动电路
（2）高低压驱动电路
（3）斩波驱动电路
（4）调频调压电路
（5）细分驱动电路
（1）单电压驱动电路


单电压驱动电路的工作原理如图3.13所示，图3.13中L为步
进电机励磁绕组的电感，Ra为绕组电阻并串接一个电阻Rc，
为了减小回路的时间常数L/（Ra+Rc），电阻Rc并联一电
容C（可提高负载瞬间电流的上升率），从而提高电机的
快速响应能力和启动性能。续流二极管VD和阻容吸收回
路Rc，是功率管VT的保护线路。
单电压驱动电路的优点是线路简单，缺点是电流上升不够
快，高频时带负载能力低。
（2）高低压驱动电路
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
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高低压驱动电路的特点是供给步进电机绕组有两种电压：
一种是高电压U1，由电机参数和晶体管特性决定，一般在
80V至更高范围；
另一种是低电压U2，即步进电机绕组额定电压，一般为几
伏，不超过20V。图3.14为高低压驱动电路的原理图。在
相序输入信号IH、IL到来时，VT1、VT2同时导通，给绕
组加上高压U1，以提高绕组中电流上升率，当电流达到规
定值时VT1、VT2同时导通，（tH脉宽小于tL），则自动
切换到低压的。
电路的优点：是在较宽的频率范围有较大的平均电流，能
产生较大且稳定的平均转矩，其缺点是电流波顶有凹陷，
电路较复杂。
（3）斩波驱动电路
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

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斩波驱动电路的工作原理如图3.15所示
优点：
a、绕组的脉冲电流边沿陡，快速响应好。
b、功耗小，效率高。因为电路无外接电阻，而采样电阻
Re又很小（一般为0.2Ω左右），所以整个系统的功耗下降
很多，相应地提高了效率。
c、输出恒定转矩。由于采样电阻Re的反馈作用，使绕组
中的电流可以恒定在额定的数值上，而且不随步进电机的
转速而变化，从而保证在很大的频率范围内，步进电机都
能输出恒定的转矩。
d、减少了步进电机共振现象的发生。
（4）调频调压电路


调频调压电路：对绕组提供电压与电机运行频率建立直接
关系，即低频时用较低电压供电，高频时用较高电压供电。
电压随频率变化可由不同的方法实现，如分频段来调压、
电压随频率线性地变化等 。
（5）细分驱动电路



细分驱动：将一个步距角细分成若干子步的驱动方法。
工作原理：绕组电流由矩形波供电改为梯形波供电。矩形
波供电时，绕组中的电流基本上是从零值跃到额定值，或
从额定值降至零值。而梯形波供电时，绕组中的电流经若
干个阶梯上升到额定值，或经若干个阶梯下降至零值，也
就是说，在每次输入脉冲切换时，不是将绕组电流全部通
入或切除，而是改变相应绕组中额定电流的一部分。电流
分成多少个台阶，则转子就以同样的个数转一个步距角。
细分驱动的优点：是使步距角减小，运行平稳，提高匀速
性，并能减弱或消除振荡。
3.3直流伺服电动机及控制系统


3.3.1直流伺服电动机结构原理及分类
3.3.2直流伺服电机的控制系统
3.3.1直流伺服电动机结构原理及分类

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1、直流伺服电动机分类
2、直流伺服电机的结构原理及特性
3、永磁直流伺服电机
1、直流伺服电动机分类
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
1）改进型直流电机
2）小惯量直流电机
3）步进电机
4）永磁直流伺服电机
5）无刷直流电机
1）改进型直流电机

电机在结构上与传统的直流电机没有多大区别，只是它设
计的转动惯量小，过载能力强，具有较好的换向性能。它
在静态特性和动态特性方面较普通直流电机有所改善。
2）小惯量直流电机



电机分类：无槽圆柱体电枢结构和带印刷绕组的盘形电枢
结构。
小惯量直流电机最大限度地减少了电枢转动惯量，所以能
获得最好的快速性。
在早期的数控机床上应用这类电机也较多。小惯量直流电
机在数控机床上至今仍有使用。
3）步进电机

如前如述，步进电机制造容易，它所组成的开环系统比较
简单易调。在功能简单的经济型数控机床上仍有使用。另
外，在某些数控机床上也有用作补偿刀具磨损运动以及精
密角位移等方面的驱动 。
4）永磁直流伺服电机



这种电机也叫直流力矩电机或叫大惯量宽调速直流伺服电
机。
由于它能在较大过载转矩下长时间工作以及电机的转子惯
量较前述几种电机都大，因此它能直接与丝杠相连而不需
中间传动装置。而且因无励磁回路损耗，所以它的外形尺
寸比相类似的直流电机小。它还有一个特点是可在低速下
运转，如能在1r/min甚至在0.1r/min下平稳地运转。
这种电机在数控机床上获得了广泛应用。
5）无刷直流电机

这种电机又叫无整流子电机。它没有换向器，是由同步电
机和逆变器组成，而逆变器是由装在转子上的转子位置传
感器控制。因此它实质上是交流调速电机的一种。由于这
种电机的性能达到直流电机的水平，又取消了换向器及电
刷部件，使电机寿命提高了一个数量级。
2、直流伺服电机的结构原理及特性

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直流电机是由磁极（定子）、电枢、转子和电刷（换向片）
三部分组成。
直流电机分类：他激式、永磁式、并激式、串激式和复激
式四种。
数控机床上广泛使用的是永磁式直流伺服电机。
直流电机的工作原理：是建立在电磁力定律基础上的，即
通直流电的转子切割定子磁场的磁力线使转子获得电磁转
矩，产生瞬时旋转，在换向电刷持续完成电流换向的作用
下，维持了电枢的连续转动。
1）直流电机的静态特性
2）直流伺服电机的动态特性
1）直流电机的静态特性


机械特性是静态特性，是稳定运行时带动负载的性能，稳
定运行时，电磁转矩与所带负载转矩相等。
静态特性如图3-17所示
2）直流伺服电机的动态特性


动态特性：在数控机床的进给系统中，电机经常处于过渡
状态工作，以使电机由一种稳定状态过渡到另一种稳定状
态的能力。
电机由直流电能转换来的电磁转矩TM，克服负载转矩后，
其剩余部分用来克服机械惯量，产生加速度，以使电机由
一种稳定状态过渡到另一种稳定状态。
3、永磁直流伺服电机



数控机床上大量使用的是永磁直流伺服电机，即
是直流力矩伺服电机，也叫大惯量宽调速直流伺
服电机。永磁直流伺服电机的工作原理与普通直
流电机相同。它的气隙磁场（主磁通）的建立已
经不是用直流电流励磁的办法，而是用永久磁铁
代替直流电机励磁绕组和磁极铁芯建立主磁通，
从而产生感应电势和电磁转矩。目前采用高稀土
磁性材料永磁。
1）永磁直流伺服电机的性能特点
2）永磁直流伺服电机的特性曲线
1）永磁直流伺服电机的性能特点




（1）低转速大惯量
（2）转矩大
（3）起动力矩大
（4）低速运行平稳，力矩波动小
2）永磁直流伺服电机的特性曲线


（1）转矩------速度特性曲线
（2）负载------工作周期曲线
（1）转矩—速度特性曲线

转矩速度特性曲线又叫做工作曲线，如图3.18所
示。伺服电机的工作区域被温度极限线以及瞬时
换向极限线分成三个区域：I区为连续工作区，在
该区域内可对转矩和转速作任意组合，都可长期
连续工作。II区为断续工作区，此时电机只能根
据负载周期曲线如图3.19所示，决定的通电工作
时间和断电时间做间歇工作。III区为加速和减速
区域，电机只能用作加速或减速，工作一段极短
的时间。
（2）负载——工作周期曲线

该曲线如图3.19所示。负载—工作周期曲线
给出了在满足机械所需转矩，而又确保电
机不过热的情况下，允许电机的工作时间。
因此，这些曲线是由电机温度极限所决定
的。负载—工作周期曲线的使用方法，首
先根据实际负载转矩的要求，求出电机在
该时的过载倍数
3.3.2直流伺服电机的控制系统








直流电动机的控制系统主要是速度控制单元。
速度控制单元的作用是控制直流伺服电机的转速。
永磁直流伺服电机的调速有三种方法：改变电枢回路电阻
Ra、改变气隙磁通量φ、改变外加电压Ua。
第三种调速方法是广泛应用的调速方法，因为这具有恒转
矩的调速特性、机械性能好、经济性能好等特点。
直流伺服电机的速度控制单元的作用是将转速指令信号
（多为电压值）变为相应的电枢电压值 。
永磁直流伺服电机的速度控制单元多采用晶闸管调速系统
和晶体管脉宽调制调速系统
1、晶闸管调速系统
2、晶体管脉宽调制器式调速系统
1、晶闸管调速系统



永磁直流伺服电机的电枢主回路分为：用三相全
控桥式整流电路，如图3.20所示三相桥式反并联
整流电路。双环调速工作系统如图3.21所示。
原理：通过调节电流和电压的变化来调整。
特点：具有速度外环、电流内环的双环调速系统
具有良好的静态、动态指标，其缺点是：在低速
轻载时，电枢电流出现断续，机械特性变软，总
放大倍数下降，同时动态品质变坏。可采取电枢
电流自适应调节器或者增加一个电压调节内环，
组成三环来解决。
2、晶体管脉宽调制器式调速系统




由于功率晶体管比晶闸管具有更优良的特性，目前功率、
耐压等都已大大提高，所以在中、小功率驱动系统中，已
逐步取代晶闸管。在功率晶体管开关型伺服电机驱动系统
中，目前广泛采用脉冲宽度调制式PWM（Pulse Width
Modulation）驱动系统，数控机床驱动系统也不例外。所
谓脉宽调速，即是利用脉宽调制器对大功率晶体管开关放
大器的开关时间进行控制，将直流电压转换成某一频率的
矩形波电压，加到直流电枢两端，通过对矩形波脉冲宽度
的控制，改变电枢两端的平均电压，从而达到调节电机转
速的目的。PWM控制方式的速度控制单元由脉冲宽度调
制器和脉冲功率放大器两部分组成。
1）脉冲功率放大器（PWM系统的主回路）
2）脉冲宽度调制器（PWM系统的控制回路）
3）PWM驱动系统的主要特点
1）脉冲功率放大器（PWM系统的
主回路）


开关型功率放大器的驱动回路有两种结构型式，一种是H
型（也称桥式），另一种是T型。
H型的电路原理如图如3-22所示。
2）脉冲宽度调制器（PWM系统的
控制回路）





脉冲宽度调制器：将电压信号（代表速度）转换为脉冲宽
度的调节变换装置。
分类：以锯齿波作为调制信号的脉冲宽度调制器、以三角
波作调制信号的脉冲宽度调制器和数字脉冲宽度调制器。
数字脉冲宽度调制器可用硬件（定时器/计数器）、硬件
加软件（定时器产生中断）或软件来实现。
微机PWM驱动系统采用的是数字脉冲宽度调制器。
工作原理：微机输出脉宽控制信号经驱动器放大，驱动
PWM主回路中的功率晶体管开关。开关频率及脉冲宽度
都可采用软件形式的数字宽度调制器来调节。计算机同时
采样速度反馈信号，并利用软件对速度和位置进行调节。
原理如图3.24所示，
3）PWM驱动系统的主要特点
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1、电机损耗和噪声小
晶体管开关频率很高，远比转子能跟随的频率高，也即避
开了机械的共振。由于开关频率高，使得电枢电流仅靠电
枢电感或附加较小的电抗器便可连续，所以电机损耗、发
热小。
2、系统动态特性好，响应频带宽
PWM控制方式的速度控制单元与较小惯量的电机相匹配
时，可以充分发挥系统的性能，从而获得很宽的频带。频
带越宽，伺服系统校正瞬态负载扰动的能力就越高。
3、低速时电流脉动和转速脉动都很小，稳速精度高。
4、功率晶体管工作在开关状态，其损耗小，电源利用率
高，并且控制方便。
5、相响应快。PWM控制方式，具有四象限的运行能力，
即电动机既能驱动负载，也能制动。
3.4交流伺服电动机及控制系统
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1、交流伺服电机的类型和特点
2、永磁式交流伺服电机工作原理、性能和发展方向
3、交流伺服电机的调速
4、PWM型变频器
1、交流伺服电机的类型和特点
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交流伺服电机分类：反应式（磁阻式）、电磁式、永磁式、
永磁感应子式电机。
交流电机的特点：感应电机结构简单，它与同容量的直流
电机相比，重量轻1/2，价格仅为直流电机的1/30它的缺点
是不能经济地实现范围较广的平滑调速，必须从电网吸收
滞后的励磁电流，因而会使电网功率因数变坏。所以进给
运动一般不用这种电机，而是把它用在主轴驱动系统中。
2）永磁式交流伺服电机工作原理、性能
和发展方向
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永磁式交流伺服电机工作原理
永磁式交流伺服电机性能
永磁式交流伺服电机发展方向
永磁式交流伺服电机工作原理
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永磁交流伺服电机组成：由定子、转子和检测元件三部分。
结构原理如图3.25所示。定子具有齿槽，内有三相绕组，
形状与普通感应电机的定子相同。
工作原理：当定子三相绕组通上交流电后，就产生一个旋
转磁场，该旋转磁场以同步转速ns转，如图3.26所示。根
据磁极的同性相斥，异性相吸的原理，定子旋转磁极就要
与转子的永久磁场磁极互相吸引住，并带着转子一起旋转。
永磁式交流伺服电机性能
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交流伺服电机的性能同直流伺服电机一样，也用特性曲线
和数据表来表示。当然，最主要的是转矩---速度特性曲线，
如图3.27所示。在连续工作区，速度和转矩的任何组合，
都可连续工作。但连续工作区的划分受到一定条件的限制。
连续工作区划定的条件有二个：一是供给电机的电流是理
想的正弦波，二是电机工作在某一特定温度下。断续工作
区的极限，一般受到电机的供电限制，交流伺服电机的机
械特性比直流伺服电机的机械特性要硬。另外，断续工作
区的范围更大，尤其在高速区，这有利于提高电机的加、
减速能力。
永磁式交流伺服电机发展方向
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过去的变频器采用的功率开关元件是晶闸管，利用相控原
理进行控制。这种方法产生电压谐波分量大，功率因数差，
转矩脉动大，动态响应慢。
现在变频调速大量采用PWM型变频器，它是采用脉宽调
制原理和新型电力电子器件（GTR、IGBT和VMOS FET），
克服或改善了相控原理中的一些缺点。
PWM型变频器发展很快，出现了许多调制方法，SPWM、
DMPWM、NPWM、矢量角PWM、最佳开关角PWM、电
流跟踪PWM等十余种。
3、交流伺服电机的调速
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交流电机调速种类很多，有相位控制、变压变频控制、滑
差频率控制、PWM控制、矢量变换控制、磁场控制等。
应用最多的是变频调速。
变频调速的主要环节是能为交流电机提供变频电源的变频
器。
变频器可分为交—直—交变频器和交—交变频器两大类。
4、PWM型变频器
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调制原理：就是在一个周期内，用一系列等幅但不等宽的
（即脉冲的持续时间不等）脉冲来模拟输出的正弦电压波
形，调制原理如图3.30所示 。
变频器主控电路如图3.28、3.29所示
工作原理：调制过程主要包括分频器，正弦波产生环节，
三角波产生环节和比较环节。由比较环节产生调制的矩形
脉冲。矩形脉冲信号经整形放大后加于逆变器的晶体管基
极，从而将交流电源经整流后的直流电压变为按调制信号
控制的可变频率可变电压（VVW）的交流电压，达到交
流伺服电机调速的目的。变频控制原理如图3.31所示。
本章小结
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本章对数控机床的伺服驱动系统的要求、
组成、工作原理及特点进行了介绍。针对
不同的电动机及其控制方法进行了详尽的
分析。
思考题
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1、数控机床对进给驱动系统有什么要求？
2、步进电动机有什么优缺点？适用于什么场合？
3、实现步进电动机控制脉冲的环形分配器有哪些方法？
4、步进电动机功率驱动电路有哪些种类？各有何优缺点？
5、常见的直流伺服电机有哪些种类？
6、实现直流电机速度控制有哪些方法？
7、常见的交流伺服电机有哪些种类？
8、实现交流电机速度控制有哪些方法？
9、说明直流伺服电机的可控硅调速和晶体管调速电路有
何不同？说明这两种调速方法的优缺点？
10、相位伺服系统和幅值伺服系统有何不同？