数控机床的进给伺服系统是以数控机床的各坐标为控制对象，以机床移动部件的位置和速度为控制量的自动控制系统，又称位置随动系统、进给伺服机构或进给伺服单元。这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。在数控机床中，进给伺服系统是数控装置和机床本体的联系环节，它接收数控系统发出的位移、速度指令，经变换、放大后，由电动机经机械传动机构驱动机床的工作台或溜板沿某一坐标轴运动，通过轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动，从而加工出用户所要求的复杂形状的工件。

作为数控机床的执行机构，进给伺服系统将电力电子器件、控制、驱动及保护等集为一体，并随着数字脉宽调制技术、特种电机材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步，经历了步进、直流、交流的发展历程。在一定意义上，进给伺服系统的静、动态性能，决定了数控机床的精度、稳定性、可靠性和加工效率。因此，研究与开发高性能的进给伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之一。

 

第一节     概述

一、对进给伺服系统的基本要求

数控系统所发出的控制指令，是通过进给伺服系统驱动机械执行部件，最终实现确定的进给运动。进给伺服系统实际上是一种高精度的位置跟踪与定位系统，它的性能决定了数控机床的许多性能。通常对进给伺服系统有如下要求：

1．精度高

为了保证加工出高精度零件，伺服系统必须具有足够高的精度。常用的精度指标是定位精度和零件的综合加工精度：定位精度是指工作台或刀架由某点移到另一点时，指令值与实际移动距离的最大差值；综合加工精度是指最后加工出来的工件尺寸与所要求尺寸的误差。伺服系统要具有较好的静态特性和较高的伺服刚度，才能达到较高的定位精度，以保证机床具有较小的定位误差与重复定位误差(目前进给伺服系统的分辨率可达1 或0.1 ，甚至0.01 )。同时伺服系统还要具有较好的动态性能，以保证机床具有较高的轮廓跟随精度。影响伺服系统工作精度的参数很多，关系也很复杂，因数控装置的精度完全能满足机床的精度要求，故机床本身精度，尤其是伺服传动机构和伺服执行机构的精度是影响伺服系统工作精度的主要因素。

2．快速响应特性好，无超调

为了提高生产率和保证加工质量，在启、制动时，要求加、减速加速度足够大，以缩短伺服系统的过渡过程时间（一般电动机的速度从零变到最高转速，或从最高转速降至零的时间小于200 ms），减小轮廓过渡误差。一般说来，系统增益大，时间常数小，响应快，但是加大系统增益将增大超调量，延长调节时间，使过渡过程性能指数下降，甚至造成系统不稳定；若减小系统增益，又会增加稳态误差。这就要求伺服系统要能快速响应，但又不能超调，否则将形成过切，影响加工质量。所以应当适当选择系统增益，以便获得合理的响应速度。同时，当负载突变时，要求速度的恢复时间也要短，且不能有振荡，这样才能得到光滑的加工表面。

3．调速范围宽

调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比，即

 

式中， 为调速范围， 和 分别为生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速，一般都指额定负载时的转速(对于少数负载很轻的机械，也可以是实际负载时的转速)。

在数控机床中，往往加工刀具、被加工材质以及零件加工要求不同，为保证在任何情况下都能得到最佳切削条件，就要求进给驱动必须具有足够宽的调速范围。目前对一般的数控机床而言，伺服系统在承担全部工作负载的情况下，工作进给速度范围可达 (调速范围1:2000)；为了保证精确定位，伺服系统的低速趋近速度为0.1mm/min；为了缩短辅助时间快速移动速度可高达15m/min（例如XHK760型立式加工中心的工作进给速度范围为 ~ ，快速进给速度为10m/min），如此宽的调速范围是伺服系统设计的一个难题。因多坐标联动的数控机床合成进给速度保持常数，是保证表面粗糙度的重要条件，故为保证较高的轮廓精度，机床各坐标方向的运动速度也要配合适当，这是对数控系统和伺服系统提出的共同要求。

4．低速大扭矩

根据机床的加工特点，经常在低速进行重切削，即在低速时进给驱动要有大的转矩输出，这就要求动力源尽量靠近机床的执行机构，从而可缩短进给驱动的传动链，使传动装置的机械部分结构简化，系统刚性增加，从而也使传动装置的动态质量和中间传动的运动精度得到提高。

5．稳定性好

稳定性是伺服系统能否正常工作的前提，特别要求数控机床在低速进给情况下不产生爬行现象，并要求负载变化而不产生共振。稳定性与系统的惯性、刚性、阻尼及增益等有关，应适当选择上述各项参数，以达到最佳工作性能。对数控机床伺服系统，影响机床加工过程的伺服特性是稳态特性，而影响稳态特性的两个重要参数是系统增益和伺服刚度。

二、进给伺服系统的基本组成

数控进给伺服系统按有无反馈检测元件分为开环、闭环和半闭环三种类型，这三种类型的伺服系统的基本组成不完全相同，但不管是哪种类型，执行元件及其驱动控制单元都必不可少。驱动控制单元的作用是将进给指令转化为执行元件所需要的信号形式，执行元件则将该信号转化为相应的机械位移。

开环伺服系统由驱动控制单元、执行元件和传动装置组成。通常，执行元件选用步进电动机。由于系统不对输出进行检测，因此执行元件对系统的特性具有重要影响。

闭环和半闭环伺服系统的基本组成如图3–1所示，由比较环节、驱动控制单元、执行元件、传动装置和反馈检测元件组成。反馈检测元件分为速度反馈和位置反馈两类，闭环伺服系统采用位置反馈元件对工作台的实际位置检测后反馈给比较环节(半闭环伺服系统检测反馈伺服电机或滚珠丝杠上的转角位移，间接保证工作台的位移)，比较环节将指令信号和反馈信号进行比较，以两者的差值作为伺服系统的跟随误差，经驱动控制单元驱动控制执行元件带动工作台运动。

 

图3–1闭环和半闭环伺服系统的基本组成

三、进给伺服系统的分类

    1．按控制方式和有无检测反馈环节分类

    按控制方式和有无检测反馈环节可以将伺服系统分为开环、半闭环和闭环伺服系统三类。

(1) 开环控制系统

采用步进电机驱动的开环伺服系统如图3–2所示。开环控制系统是指不带位置反馈装置的控制方式，由功率型步进电动机作为驱动元件的控制系统是典型的开环控制系统。数控装置根据所要求的运动速度和位移量，向环形分配器和功率放大电路输出—定频率和数量的脉冲，不断改变步进电动机各相绕组的供电状态，使相应坐标轴的步进电动机转过相应的角位移，再经过机械传动链，实现运动部件的直线移动或转动。运动部件的速度与位移量是由输入脉冲的频率和脉冲数所决定。开环控制系统具有结构简单、调试维修方便和价格低廉等优点；缺点是精度较低，通常输出扭矩值的大小受到了限制，而且当输入较高的脉冲频率时，容易产生失步，难以实现运动部件的快速控制。一般开环控制系统适用于中、小型经济型数控机床，以及普通机床的数控化改造。近年来，随着高精度步进电动机特别是混合式步进电动机的应用，以及PWM技术及微步驱动、超微步驱动技术的发展，步进伺服系统的高频出力与低频振荡得到极大的改善，开环控制数控机床的精度和性能也大为提高。

 

图3–2 采用步进电机驱动的开环伺服系统的示意图

(2) 闭环、半闭环控制系统

闭环伺服系统的结构如图3–3所示，它带有直线位置检测装置，可直接对工作台（或溜板）的实际位移量进行检测，加工过程中，将速度反馈信号送到速度控制电路，将工作台（或溜板）实际位移量反馈给位置比较电路，与数控装置发出的位移指令值进行比较，用比较后的误差信号作为控制量去控制工作台（或溜板）的运动，直到误差等于零为止。常用的伺服驱动元件为直流或交流伺服电动机。闭环控制可以消除包括工作台（或溜板）传动链在内的传动误差，因而定位精度高、调节速度快。但由于机床工作台（或溜板）惯量大，对系统的稳定性会带来不利影响，使系统的调试、维修困难，且控制系统复杂成本高，故一般应用在高精度数控机床上。

 

图3–3 闭环伺服系统的示意图

半闭环伺服系统的结构如图3–4所示，它与闭环控制系统的区别在于检测反馈信号不是来自安装在工作台（或溜板）上的直线位移测量元件，而是来自安装在电机轴端或丝杠上的角位移测量元件。半闭环伺服系统通过测量电机转角或丝杆转角推算出工作台的位移量，并将此值与指令值进行比较，用差值来进行控制。从图3–4中可以看出，由于工作台未包括在控制回路中，因而称半闭环控制。这种控制方式排除了惯量很大的机床工作台部分，使整个系统的稳定性得以保证，目前已普遍将角位移检测元件与伺服电机做成一个部件，使系统结构简单、调试和维护也易于掌握。半闭环控制数控机床的性能介于开环和闭环控制数控机床之间，即精度比开环高，比闭环低，调试比闭环方便，因而得到广泛的应用。

 

图3–4 半闭环伺服系统的示意图

    按反馈比较控制方式的不同，闭环、半闭环伺服系统又可分为以下几种：

    1) 数字脉冲比较伺服系统

    数字脉冲比较伺服系统是将数控装置发出的数字(或脉冲)指令信号与检测装置测得的以数字(或脉冲)形式表示的反馈信号直接进行比较，获得位置误差，实现控制。数字脉冲比较伺服系统结构简单，容易实现，工作稳定，在一般数控伺服系统中应用十分普遍。

2) 鉴相式伺服系统

    在鉴相式伺服系统中，位置检测装置采用相位工作方式，指令信号与反馈信号都变成某个载波的相位，然后通过两者相位的比较，获得实际位置与指令位置的偏差，实现闭环、半闭环控制。鉴相式伺服系统适用于感应式检测元件(如旋转变压器、感应同步器)的工作状态，可得到满意的精度。此外，由于载波频率高，响应快，抗干扰性强，更适用于连续控制的伺服系统。

    3) 鉴幅式伺服系统

    鉴幅式伺服系统是以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值，并以此信号作为位置反馈信号，一般还要将此幅值信号转换成数字信号才与指令数字信号进行比较，从而获得位置偏差信号构成闭环、半闭环控制系统。

4) CNC数字伺服系统

CNC数字伺服系统是用于高精度CNC机床上的伺服系统，它与前面介绍的伺服系统相比，具有精度高、稳定性好等优点。由于计算机的引入，用软件代替了大量的硬件，使得硬件线路与其他伺服系统相比要简单些。此外，还可用计算机对伺服系统进行最优控制、自适应控制、前瞻控制等，可将整个系统的性能和效益显著提高。

2．按执行元件的类别分类

按执行元件的类别可以将进给伺服系统分为步进伺服系统、直流伺服系统、交流伺服系统和直线伺服系统。

   （1）步进伺服系统

    步进伺服系统是一种用脉冲信号进行控制，并将脉冲信号转换成相应的角位移的控制系统，其角位移与脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率可调节电动机的转速；如果停机后某些绕组仍保持通电状态，则系统还具有自锁能力；此外步进电动机每转一周都有固定的步数，如500步、1000步、50 000步等，从理论上讲其步距误差不会累计。

    步进伺服系统结构简单，符合系统数字化发展需要，但精度差、能耗高、速度低，且其功率越大移动速度越低，特别是步进伺服系统易于失步，故主要用于速度与精度要求不高的经济型数控机床及旧设备改造中。但近年发展起来的PWM驱动、微步驱动、超微步驱动和混合伺服技术，使得步进电动机的高、低频特性得到了很大的提高，特别是随着智能超微步驱动技术的发展，步进伺服系统的性能将提高到一个新的水平。

    （2）直流伺服系统

    直流伺服系统的工作原理是建立在电磁力定律基础上的，与电磁转矩相关的是互相独立的两个变量主磁通与电枢电流，它们分别控制励磁电流与电枢电流，可方便地进行转矩与转速控制。另一方面从控制角度看，直流伺服系统的控制是一个单输入单输出的单变量控制系统，经典控制理论完全适用于这种系统，因此，直流伺服系统控制简单，调速性能优异，在数控机床的进给驱动中曾占据着主导地位。

    然而，从实际运行考虑，直流伺服电动机引入了机械换向装置，其成本高，故障多，维护困难，经常因碳刷产生的火花而影响生产，并对其他设备产生电磁干扰。另外，机械换向器的换向能力，限制了电动机的容量和速度；电动机的电枢在转子上，使得电动机效率低，散热差；为了改善换向能力，减小电枢的漏感，转子变得短粗，影响了系统的动态性能。

    （3）交流伺服系统

    针对直流电动机的缺陷，如果将其做“里翻外”的处理，即把电枢绕组装在定子上，转子为永磁部分，由转子轴上的编码器测出磁极位置，就构成了永磁无刷电动机，同时随着矢量控制方法的实用化，使交流伺服系统具有良好的伺服特性，其宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能，使其动、静态特性可完全与直流伺服系统相媲美，同时可实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动的要求。

    目前，数控机床进给伺服系统主要采用永磁同步交流伺服系统，有以下三种类型：模拟形式、数字形式和软件形式。模拟伺服用途单一，只接收模拟信号；数字伺服可实现一机多用，如做速度、力矩、位置控制，可接收模拟指令和脉冲指令，各种参数均以数字方式设定，稳定性好，具有较丰富的自诊断、报警功能；软件伺服是基于微处理器的全数字伺服系统，它将各种控制方式和不同规格、功率的伺服电机的监控程序以软件实现，使用时可由用户设定代码与相关的数据自动进入工作状态，配有数字接口，改变工作方式、更换电动机规格时，只需重设代码即可，故也称为万能伺服。

    交流伺服系统已占据了机床进给伺服系统的主导地位，并随着新技术的发展而不断完善，具体体现在以下三个方面：一是系统功率驱动装置中的电力电子器件不断向高频化方向发展，智能化功率模块得到普及与应用；二是基于微处理器嵌入式平台技术的成熟，将促进先进控制算法的应用；三是网络化制造模式的推广及现场总线技术的成熟，将使基于网络的伺服控制成为可能。

    （4）直线伺服系统

直线伺服系统采用的是一种直接驱动方式（Direct Drive），是高速高精数控机床的理想驱动模式，与传统的旋转传动方式相比，最大特点是取消了电动机到工作台间的一切机械中间传动环节，即把机床进给传动链的长度缩短为零。这种“零传动”方式，带来了旋转驱动方式无法达到的性能指标，如加速度可达3g以上，为传统驱动装置的10～20倍，进给速度是传统的4～5倍，因此直线伺服受到机床厂家的重视，技术发展迅速。在2001年欧洲机床展上，有几十家公司展出直线电动机驱动的高速机床，其中尤以德国DMG公司与日本MAZAK公司最具代表性。2000年DMG公司已有28种机型采用直线电动机驱动，年产1500多台，约占总产量的1/3。而MAZAK公司也推出基于直线伺服系统的超音速加工中心，主轴最高转速80000r/min，快速移动速度500m/min，加速度6g。所有这些，都预示着以直线电动机驱动为代表的第二代高速机床，将取代以高速滚珠丝杠驱动为代表的第一代高速机床，并在使用中逐步占据主导地位。

从电动机的工作原理来讲，直线电动机有直流、交流、步进、永磁、电磁、同步和异步等多种方式；而从结构来讲，又有动圈式、动铁式、平板型和圆筒型等形式。目前应用到数控机床上的主要有高精度、高频率响应、小行程直线电动机和高精度、大推力、长行程直线电动机两类。

此外，按驱动方式分类，可将伺服系统分为液压伺服驱动系统、电气伺服驱动系统和气压伺服驱动系统；按控制信号分类，可将伺服系统分为数字伺服系统、模拟伺服系统和数字模拟混合伺服系统等。

进给伺服系统作为数控机床的重要功能部件，其特性一直是影响系统加工性能的重要指标，围绕进给伺服系统动、静态特性的提高，近年来发展了多种伺服驱动技术。伺服驱动元件(伺服电动机)为数控伺服系统的重要组成部分，是速度和轨迹控制的执行元件，伺服系统的设计、调试与选用的电机及其特性有密切关系，直接影响伺服系统的静、动态品质。在数控机床中常用的驱动元件有直流伺服电机、交流伺服电机、步进电机和直线电机等。直流伺服电机具有良好的调速性能，在20世纪70年代、80年代的数控系统中得到了广泛的应用；交流伺服电机由于结构和控制原理的发展，性能大大提高，从20世纪80年代末开始逐渐取代直流伺服电机，是目前主要使用的电机；步进电机应用在轻载、负荷变动不大以及经济型数控系统中；直线电机是一种很有发展前途的特种电机，主要应用在高速、高精度的进给伺服系统中，可以预见随着超高速切削、超精密加工、网络制造等先进制造技术的发展，具有网络接口的全数字伺服系统、直线电动机等将成为数控机床行业的关注的热点，并成为进给伺服系统的发展方向。

 

第二节     步进伺服驱动控制

步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的电磁机械装置，由于所用电源是脉冲电源，所以也称为脉冲马达。步进电动机是一种特殊的电动机，一般电动机通电后连续旋转，而步进电动机则跟随输人脉冲按节拍一步一步地转动。每施加一个电脉冲信号，步进电动机就旋转一个固定的角度，称为一步，每一步所转过的角度叫做步距角。步进电动机的角位移量和输人脉冲的个数成正比，在时间上与输人脉冲同步，因此，只需控制输人脉冲的数量、频率及电动机绕组通电相序，便可获得所需的转角、转速及旋转方向。无脉冲输入时，在绕组电源激励下，气隙磁场能使转子保持原有位置而处于定位状态。

一、步进电动机的分类、结构及特点

１．步进电动机的分类

步进电动机的种类繁多，有旋转运动的、直线运动的和平面运动的。按作用原理分，步进电机有反应式(磁阻式)、感应子式、永磁式和混合式四大类。按输出功率和使用场合分类，分为功率步进电机和控制步进电机。按定子数目可分为单段定子式(径向式)与多段定子式(轴向式)。按相数可分为两相、三相、四相、五相、六相等。

2．步进电动机的结构及特点

各种步进电机都有定子和转子，但因类型不同，结构也不完全一样。

反应式步进电动机的结构如图3–5所示，它由定子1、定子绕组2和转子3组成。图3–5(a)所示为三相单定子径向分相式反应式步进电动机的结构图，定子上有6个均布的磁极，在直径相对的两个极上的线圈串联，构成了一相控制绕组；每个定子极上均布一定数目的齿，齿槽距相等，转子上无绕组，只有均布一定数目的齿，齿槽等宽。图3–5(b)所示为五相多定子轴向分相式反应式步进电动机的结构图，它的定子轴向排列，定子和转子铁心都成五段，每段一相，依次错开排列，每相是独立的，这就是五相反应式步进电动机。

 

     (a)三相单定子径向分相式               (b)五相多定子轴向分相式

图3–5 反应式步进电动机的结构

1—定子；2—定子绕组；3—转子

感应子式步进电机分为励磁式和永磁式两种。感应子式步进电机的结构与反应式步进电机的结构相似，其定子转子铁心的磁场和齿槽均一样，两者的差别是感应子式步进电机存在轴向恒定磁场。励磁感应子式步进电机是靠转子上的励磁绕组产生轴向磁场；永磁感应子式步进电机的转子由一段环形磁钢(在转子中部)和二段铁心(在环形磁钢的两端)，轴向充磁，建立轴向磁场。轴向磁场可以改善步进电机的动态特性，发展趋势将取代反应式步进电机。

永磁式步进电机的转子为永久磁铁，定子为软磁材料，其上有励磁绕组。该种电机有多种结构形式，常用形式有爪极式和隐极式。爪极式步进电机结构一般采用二相或四相绕组；隐极式步进电机结构与反应式步进电机一样，有二、三、四、五相等多种绕组。

混合式步进电动机的结构和工作原理兼有反应式和永磁式两种电动机的特点，由于转子上有磁钢，因此产生同样大小的转矩，需要的励磁电流大大减小；同时它还具有步距角小，起动和运行频率高，不通电时有定位转矩等优点，在小型、经济型数控机床中被广泛应用。

步进电动机用作执行元件具有以下优点：角位移输出与输入的脉冲数相对应，每转一周都有固定步数，在不丢步的情况下运行，步距误差不会长期积累，同时在负载能力范围内，转速仅与脉冲频率高低有关，不受电源电压波动或负载变化的影响，也不受环境条件如温度、气压、冲击和振动等影响，因而可组成结构简单而精度高的开环控制系统。有的步进电动机在停机后某相绕组保持通电状态，即具有自锁能力，停止迅速，不需外加机械制动装置。此外，步距角能在很大的范围内变化、例如从几分到几十度，适合不同传动装置的要求，且在小步距角的情况下，可以不经减速器而获得低速运行，当采用了速度和位置检测装置后也可用于闭环、半闭环伺服系统中。

二、步进电动机的工作原理、主要参数及特性

1．步进电动机的工作原理

下面以图3–6所示的反应式三相步进电动机为例，来说明步进电动机的工作原理。定子上有6个磁极，分成A、B、C三相，每个磁极上绕有励磁绕组，按串联（或并联）方式联接，使电流产生的磁场方向一致，转子无绕组，它是由带齿的铁心做成的，步进电动机的工作原理与电磁铁相似：当定子绕组按顺序轮流通电时，A、B、C三对磁极就依次产生磁场，每次对转子的某一对齿产生电磁转矩，使它一步步转动。每当转子某一对齿的中心线与定子磁极中心线对齐时，磁阻最小，转矩为零，每次就在此时按一定方向切换定子绕组各相电流，使转子按一定方向一步步转动。

 

图3–6反应式三相步进电动机的工作原理图

当A相通电时，B相和C相都不通电，由于磁通总是沿着磁阻最小的路径通过，使转子的1、3齿与定子A相的两个磁极齿对齐，此时，因转子只受到径向力而无切向力，故转矩为零，转子被锁定在该位置上；随后A相断电，B相通电，转子受电磁力的作用，逆时针旋转 ，使2、4齿与B相磁极齿对齐；若使B相断电，C相通电，转子再转 ，使1、3齿与C转子再转 ，使1、3齿与C相磁极齿对齐；当C相断电，A相再次通电时，2、4齿与A相磁极齿对齐，转子又转过 。依此类推，形成步进式旋转。

2．主要参数及特性

步进电机主要评价参数有步距角、最大静态转矩与输出转矩、起动转矩与频率、最高运行频率等。

(1) 步距角

步进电动机的步距角 是步进电动机绕组的通电状态每改变一次，转子转过的角度，它反映了步进电机的分辨能力，决定步进式伺服系统脉冲当量的重要参数。步距角 一般由定子相数、转子齿数和通电方式决定，即

 

式中，m为步进电机定子相数；z为步进电机转子齿数；k为通电方式，相邻两次通电的相数一样，则k＝1；反之单双相轮流通电，k＝2。

步距角 一般有 ， ， ， ， ， ， ， ， ， 等数十种，其中 ， ， 用得较多。

步距精度是指实测的步距角与理论的步距角之差，也称为步距误差。目前国产控制步进电机的步距精度为 ，精度较高的可达 ，功率步进电机的步距精度为 。

(2) 启动频率

空载时，步进电动机由静止状态突然启动，并进入不丢步的正常运行的最高频率，称为启动频率 或突调频率。加到步进电动机的指令脉冲频率如果大于启动频率，就不能正常工作。步进电动机在带负载(尤其是惯性负载)下的启动频率比空载要低，而且随着负载加大，启动频率会进一步降低。

(3) 连续运行频率

步进电动机起动以后，其运行速度能跟踪指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率，称为连续运行频率 。连续运行频率远大于启动频率，且随着电动机所带负载的性质、大小而异，也与驱动电源有较大关系。

(4) 静态矩角特性

当步进电机不改变通电状态时，转子处在不动状态，如果在电动机轴上加一个负载转矩 (静态转矩)，定子与转子就产生一个角位移 (失调角)，描述静态时静态转矩 与失调角 的关系称为矩角特性，如图3–7(a)所示。该特性上电磁转矩的最大值称为最大静转矩。在静态稳定区内，当外加转矩除去时，转子在电磁转矩作用下仍能回到稳定平衡点位置。

(5) 矩频特性与动态转矩

步进电动机的矩频特性描述的是步进电动机连续稳定运行时输出转矩与频率的关系，如图3–7(b)所示。该特性曲线上每一个频率对应的转矩称为动态转矩，一般情况下，随着运行频率的增高，输出力矩下降，到某一频率后，步进电动机的输出力矩已变得很小，带不动负载或受到一个很小的干扰，步进电动机就会产生振荡、失步或停转。因此，动态转矩的大小直接影响步进电动机的动态性能及带负载的能力。

(6) 加减速特性

步进电动机的加减速特性是描述步进电动机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加减速过程中，定于绕组通电状态的变化频率与时间的关系，如图3–7(c)所示。当要求步进电动机起动到大于突跳频率的工作频率时，变化速度必须逐渐上升；同样从最高工作频率或高于突跳频率的工作频率到停止时，变化速度必须逐渐下降。逐渐上升和逐渐下降的加、减速时间不能过小，否则会产生失步或起步。

 

图3–7步进电动机的工作特性曲线

3．步进电动机的选用

合理地选用步进电动机是相当重要的，通常希望步进电动机的输出转矩大，起动频率和运行频率高，步距误差小，性能价格比高。但是增大转矩与快速运行存在一定矛盾，高性能与低成本存在矛盾，因此实际选用时，必须全面考虑。

首先，应考虑系统的精度和速度的要求。为了提高精度，希望脉冲当量小，但是脉冲当量越小，系统的运行速度越低，故应兼顾精度与速度的要求来选定系统的脉冲当量，在脉冲当量确定以后，就可以此为依据来选择步进电动机的步距角和传动机构的传动比。

步进电动机的步距角从理论上说是固定的，但实际上还是有误差的；另外，负载转矩也将引起步进电动机的定位误差。我们应将步进电动机的步距误差、负载引起的定位误差和传动机构的误差全部考虑在内，使总的误差小于数控机床允许的定位误差。

步进电动机有两条重要的特性曲线，即反映起动频率与负载转矩之间关系的曲线和反映转矩与连续运行频率之间关系的曲线。若已知步进电动机的连续运行频率 ，就可以从工作矩频特性曲线中查出转矩 ，这也是转矩的极限值，有时称其为失步转矩，也就是说，若步进电动机以频率 运行，它所拖动的负载转矩必须小于 ，否则就会导致失步。

数控机床的运行可分为两种情况：快速进给和切削进给，这两种情况对转矩和进给速度有不同的要求，我们选用步进电动机时，应注意使其在两种情况下都能满足要求。

三、步进电动机的驱动与控制

1．步进电动机的工作方式

从一相通电换接到另一相通电称为一拍，每拍转子转过一个步距角。按A—B—C—A，顺序通电时，电动机的转子便会按此顺序一步一步地旋转；反之，若按A—C—B—A的顺序通电，则电动机就会反向转动，这种三相依次单相通电的方式，称为三相单三拍式运行，这里的“单”是指每次只有一相绕组通电，“三拍”是指一个循环内换接了三次，即A、B、C三拍。单三拍通电方式每次只有一相控制绕组通电吸引转子，容易使转子在平衡位置附近产生振荡，运行稳定性较差；另外，在切换时一相控制绕组断电而另一相控制绕组开始通电，容易造成失步，因而实际上很少采用这种通电方式。

三相反应式步进电动机也可以按三相双三拍方式运行，即通电方式为AB—BC—CA—AB的顺序，每次有两相绕组同时通电。这种通电方式转子受到的感应力矩大，静态误差小，定位精度高；另外，通电状态转换时始终有一相控制绕组通电，电动机工作稳定，不易失步。

三相六拍通电方式，即通电顺序为A—AB—B—BC—C—CA—A，这种通电方式是单、双相轮流通电，具有双二拍的特点，且通电状态增加一倍，使步距角减小一半。

下表给出了反应式步进电动机的工作方式。

反应式步进电动机的工作方式表

2．步进电动机的控制系统

步进电机由于采用脉冲方式工作，且各相需按一定规律分配脉冲，因此，在步进电机控制系统中，需要脉冲分配逻辑和脉冲产生逻辑；步进电机要求控制驱动系统必须有足够的驱动功率，所以还要求有功率驱动部分；为了保证步进电机不失步地起停，要求控制系统具有升降速控制环节。因此一个较完善的步进电动机驱动控制系统由脉冲混合电路、加减脉冲分配电路、加减速电路、环形分配器和功率放大器组成，如图3–8所示，其中脉冲混合电路、加减脉冲分配电路、加减速电路和环形分配器可用硬件线路来实现，也可用软件来实现。

 

图3–8  步进电动机驱动控制系统框图

(1) 脉冲混合电路

无论是来自于数控系统的插补信号，还是各种类型的误差补偿信号、手动进给信号及手动回原点信号等，其目的是使工作台正向进给或反向进给。首先必须将这些信号混合为使工作台正向进给的“正向进给”信号或使工作台反向进给的“反向进给”信号，由脉冲混合电路来实现此功能。

(2) 加减脉冲分配电路

当机床在进给脉冲的控制下正在沿某一方向进给时，由于各种补偿脉冲的存在，可能还会出现极个别的反向进给脉冲，这些与正在进给方向相反的个别脉冲指令的出现，意味着执行元件即步进电动机正在沿着一个方向旋转时，再向相反的方向旋转极个别几个步距角。一般采用的方法是，从正在进给方向的进给脉冲指令中抵消相同数量的反向补偿脉冲，这也正是加减脉冲分配电路的功能。

(3) 加减速电路

加减速电路又称自动升降速电路。根据步进电动机加减速特性，进入步进电动机定子绕组的电平信号的频率变化要平滑，而且应有一定的时间常数。但由于来自加减脉冲分配电路的进给脉冲频率是有跃变的，因此，为了保证步进电动机能够正常、可靠地工作，此跃变频率必须首先进行缓冲，使之变成符合步进电动机加减速特性的脉冲频率，然后再送入步进电动机的定子绕组，加减速电路就是为此而设置的。

加减速电路的结构原理如图3–9所示，它由同步器、可逆计数器、数模转换电路和Rc变频振荡器四部分组成。同步器的作用是使进给脉冲 和由Rc变频振荡器来的脉冲 不会在同一时刻出现，以防止 和 同时进入可逆计数器，使可逆计数器在同一时刻既作加法又作减法，产生计数错误。Rc变频振荡器的作用是将数模转换器输出的电压信号转换成脉冲信号，脉冲的频率与电压值的大小成正比。数模转换线路的作用是将数字量转换为模拟量。

 

图3–9 加减速电路的原理框图

(4) 环形分配器

环形分配器的作用是把来自于加减速电路的一系列进给脉冲指令转换成控制步进电动机定子绕组通、断电的电平信号，电平信号状态的改变次数及顺序与进给脉冲的数量及方向相对应，如对于三相三拍步进电动机，若“l”表示通电，“0”表示断电，A、B、C是其三相定子绕组，则经环形分配器后，每来一个进给脉冲指令，A、B、C应按(100) — (010) — (001) — (100)，……的顺序改变一次。

环形分配器有硬件环形分配器和软件环形分配器两种形式。硬件环形分配器是由触发器和门电路构成的硬件逻辑线路。现在市场上已经有集成度高、抗干扰性强的PMOS和CMOS环形分配器芯片供选用，也可以用计算机软件实现脉冲序列分配的软件环形分配器。

(5) 功率放大器

功率放大器又称功率驱动器或功率放大电路。从环形分配器来的进给控制信号的电流只有几毫安，而步进电动机的定子绕组需要几安培电流，因此，需要功率放大器将来自环形分配器的脉冲电流放大到足以驱动步进电动机旋转。由于步进电动机绕组是感性负载，因此，步进电动机的功率放大器又有其特殊性，如较大的电感影响快速性、感应电动势带来的功率管保护等问题。

步进电动机所使用的功率放大器有电流型和电压型。电流型有恒流驱动型、斩波驱动型等；电压型有单电压型和双电压型(高低压型)。

下面介绍两种电压型功率放大器：单电压供电功放器和双电压供电功放器。

1) 单电压供电功放器

一种典型的单电压供电功放电路如图3–10所示，步进电动机的每一相绕组都有一套这样的电路。电路由两级射极跟随器和一级功率反相器组成。第一级射极跟随器VT₁主要起隔离作用，使功率放大器对环形分配器的影响减小，第二级射极跟随器VT₂管处于放大区，用以改善功放器的动态特性。另外射极跟随器的输出阻抗较低，可使加到功率管VT₃的脉冲前沿较好。

 

图3–10 单电压供电功放电路

当环形分配器的输出端 为高电平时，VT₃饱和导通，步进电动机 相绕组 中的电流从零开始按指数规律上升到稳态值。当 端为低电平时，VT₁、VT₂处于小电流放大状态，VT₂的射极电位，也就是VT₃的基极电位不可能使VT₃导通，绕组 断电。此时，由于绕组的电感存在，将在绕组两端产生很大的感应电动势，它和电源电压一起加到VT₃管上，将造成过压击穿。因此，绕组 并联有续流二极管VD₁，VT₃的集电极与发射极之间并联 吸收回路以保护功率管VT₃不被损坏。在绕组 上串联电阻 用以限流和减小供电回路的时间常数，并联加速电容 用以提高绕组的瞬间过压，这样可使绕组 中的电流上升速度提高，从而提高起动频率。但是串入电阻 后，无功功耗增大。为保持稳态电流，相应的驱动电压较无串接电阻时也要大为提高，对晶体管的耐压要求更高，为了克服上述缺点，出现了双电压供电电路。

2) 双电压供电功放器

双电压供电功率放大器又称高低电压供电功放器，高低压供电定时切换电路的工作原理如图3–11所示。该电路包括功率放大级(由功率管 、 组成)、前置放大器和单稳延时电路。二极管VD_d用来隔离高低压，VD_g和 是高压放电回路。高压导通时间由单稳延时电路整定，通常为100~600 ，对功率步进电动机可达几千微秒。

 

  a)原理方框图                                   b)波形图

图3–11 双电压供电功率放大器

当环形分配器输出高电平时，两只功率放大管 、 同时导通，电动机绕组以+80 V电压供电，绕组电流技 的时间常数向电流稳定值 上升，当达到单稳延时时间时， 管截止，改由+12V供电，维持绕组额定电流。若高低压之比为 ，则电流上升率也提高 倍，上升时间明显减小。当低压断开时，电感L中储能通过 、VD_g及 和 构成的回路放电，放电电流的稳态值为 ，因此也加快了放电过程。这种供电电路由于加快了绕组电流的上升和下降过程，故有利于提高步进电动机的起动频率和最高连续工作频率。由于额定电流是由低压维持的，只需较小的限流电阻，所以功耗大为减小。