第3章数控机床伺服系统3.1数控机床伺服系统的组成及分类3.1.2数控机床对伺服系统的要求3.1.3数控机床伺服系统的分类2）闭环伺服系统（见图3-3）3）半闭环伺服系统（见图3-4）2.按使用的伺服电机分类2）直流伺服系统3）交流伺服系统3.按进给驱动和主轴驱动分类1）脉冲、数字比较伺服系统（见图3-5）2）相位比较伺服系统（见图3-6）3）幅值比较伺服系统（见图3-7）4）全数字伺服系统3.2步进伺服系统电动机定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍。此时电动机转子转过的空间角度称为步距角。上述通电方式称为三相单三拍。所谓“单”，是指每次通电时，只有一相绕组通电；所谓“三拍”，是指经过三次切换绕组的通电状态为一个循环，第四拍通电时就重复第一拍通电的情况。显然，在这种通电方式时，三相步进电动机的步距角应为30o。在数控机床中通常采用的是小步距角的步进电动机。图3-9所示的结构是最常见的一种小步距角的三相反应式步进电动机。图3-10所示为步进电动机的展开图。3.2.2步进电机的特性及选用1）当定、转子齿（槽）的中心线重合时（图3-12左图），失调角θ=0，电磁转矩T=0；2）当定子槽中心线与转子齿的中心线重合时（图3-12中图），则失调角θ=±π，这时由于相邻两定子齿对这个转子齿的拉力相同，方向相反，所以同样有电磁转矩T=0；3）当定子槽中心线与转子齿的中心线错开1/4齿距时（图3-12右图），则θ=±π/2，此时转矩最大，称为最大静态转矩，其方向是使转子趋向θ=0的位置，其大小与通电状态及绕组内电流的值有关。2.最大启动转矩3.步进电机的连续运转4.矩频特性5.工作频率6.步进电机的选用假若要求：在切削进给时的转矩为Te，最大切削进给速度为υe，在快速进给时的转矩为Tk，最大快进速度为υk。3.2.3步进电机的驱动电源1.环形分配器环形分配器，又称为环形脉冲分配器或环分器，分为硬件环分器和软件环分器两种。(2)软件环形配器2.功率驱动电路功率驱动电路的控制方式很多，最早采用的是单电压驱动电路，接着出现的是高低压切换驱动电路，后来又出现了恒流斩波电路、调频调压电路以及细分电路等。所采用功率半导体元件是大功率的GTR、功率场效应晶体管MOSFET或可关断晶闸管。（2）高低压驱动电源。（3）恒流斩波驱动电路3.3直流伺服系统2.低速大扭矩宽调速电动机3.永磁直流伺服电动机工作原理1）电动机转矩平衡方程式2）电动机电压平衡方程式令：3.3.3直流伺服电机的调速方法3.3.4直流伺服电机的调速控制系统晶闸管的整流电路有许多种，在数控机床中最常用是三相桥式反并联可逆电路。如图3-25所示的就是三相桥式反并联可逆电路。三相全控桥式电路的电压波形如图3-26所示。2）具有转速负反馈的晶闸管单闭环调速系统3）晶闸管供电转速电流双闭环直流调速系统2.晶体管直流脉宽（PWM）调速系统2）晶体管直流脉宽（PulseWidthModulation,PWM）调速系统有式（3-8）知：改变ton和toff即可改变转速，但这必须有相的装置才能实现。图3-32所示的即为一种PWM驱动装置系统原理框图。图3-333.4交流伺服系统2.永磁式交流伺服电动机转子由多块永久磁铁2和铁心1组成，如图3-37所示。此种结构气隙磁密较高，极数较多。2）工作原理永磁式交流同步伺服电机的转速一转矩曲线如图3-39所示。曲线分为连续工作区和断续工作区两部分。3.交流主轴电机3.4.2交流伺服电机的调速方法3.4.3交流变频调速系统几个基本概念2.交—直—交变频器2）电流型交—直—交变频器2.脉宽调制（PWM）变频器3.正弦波脉宽调制（SPWM）变频器SPWM波形可采用模拟电路、以“调制”的方法来实现。SPWM调制是用脉冲宽度不等的一系列矩形波脉冲去逼近一个所需要的电压信号，它是利用三角波电压与正弦参考电压相比较，以确定各分段矩形脉冲的宽度。三角波调制原理如图3-45所示。要获得三相SPWM脉宽调制波形，则需要三个互成120o的控制电压UA、UB和UC分别与同一三角波比较，获得三路互成120o的SPWM脉宽调制波UOA、UOB、UOC，如图3-46所示为三相SPWM波的调制原理。SPWM是一种比较完善的调制方法，根据逆变器开关元件的工作方式可分为单极性和双极性。如图3-47所示的为三相电压型SPWM变频器的主回路。该回路由左侧的桥式整流电路和右侧的逆变器电路两部分组成，逆变器是其核心。三相逆变电路由6只具有单向导电性的大功率开关管VT1—VT6组成。每只功率开关上反并联一只续流二极管，即图中的VD1—VD6，来自控制电路的SPWM波形作为基极控制电压，加在各功率晶体管的基极上。6只功率开关管每隔60o电角度导通一只，相邻两只的功率开关导通时间相差120o，一个周期共换向6次，