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第五节 伺服驱动与控制;一、概 述;开环伺服系统—— 系统中信号流向是单向的，只有指令信号的前向控制通道，没有检测反馈控制通道，执行元件主要采用步进电动机。 CNC装置的插补结果以各坐标轴进给指令脉冲的形式输出。 驱动器的功能是将进给指令脉冲按一定规律分配给步进电动机各相绕组并进行功率放大，而后驱动步进电动机转动。 机械传动机构将步进电动机的转动转换为执行部件的坐标运动。 执行部件运动的位移和速度，取决于步进电动机的转角和转速，并分别与进给指令脉冲的个数成和频率正比。 工作时驱动电路、步进电动机和机械传动机构都会引起执行部件的位移误差。由于没有位移检测反馈环节，这些误差无法得到补偿和消除。 优点是结构简单、运行稳定，成本低、使用和维护方便；缺点是精度低、低速不平稳、高速扭矩小；主要用于轻载、负载变化不大或经济型数控机床上。;闭环伺服系统—— 闭环和半闭环伺服系统是按误差控制的随动系统。包括三个控制环，外环是位置环，中环是速度环，内环为电流环。 控制量是CNC装置插补输出的指令位移和执行部件实际位移的。 由位移检测装置测出各坐标轴的实际位移量，并反馈给位置比较器与指令位移进行比较，求得误差。 经位置调节器引入调节特性后，输出指令速度与检测反馈的实际速度相比较，得到速度误差送入速度环。 由速度环(其内部有电流环)对速度误差进一步变换和功率放大后，驱动伺服电动机转动。 通过机械传动机构使执行件向消除误差的方向运动，直到误差为零。 ;二、开环伺服系统;2．步进电动机的主要特性 步距角和静态步距误差 是指步进电动机绕组通电状态改变一次（对应每给一个指令脉冲），转子理论上应转过的角度。步距角α，有 m定子相数；z 转子齿数；k通电系数，m相m拍，k=1，m相2m 拍，k=2。 数控机床使用的步进电动机α小，常见的有3°/1.5°、1.5°/0.75°。 静态步距误差是指其实际步距角与理论步距角之差。步进电动机静态步距角误差通常在±10′以内。 ; 最高工作频率 指步进电动机启动以后，在连续运行时所能接受的最高指令脉冲频率。最高工作频率远大于最高启动频率。 运行矩频特性 描述步进电动机在连续运行时，输出转矩与连续运行频率之间的关系。是衡量步进电动机连续运行时承载能力的动态指标。 上述步进电动机的后四项主要特性均与驱动电源有很大关系。 3．步进电动机的类型 按相数分——主要有三、四、五、六相等几种。相数越多，步距角越小。采用多相通电，可以提高步进电机的矩频特性。 按结构分——有径向分相式和轴向分相式两种。径向分相步进电动机的各相分布在定子圆周的不同区间；轴向分相步进电动机的转子和定子沿轴线分为多段，一段为一相，每段只有一个绕组。 按工作原理分——有反应式、永磁式和永磁感应子式。数控机床上常用的是反应式和永磁感应子式。 永磁式步进电动机的转子具有永久磁钢，转子的永久磁场和定子的励磁磁场相互作用产生吸引力，从而产生转矩。转子和定子的吸引力大，转矩也大。定子绕组一般为两相，定子和转子没有小齿，因此步距角比较大。 永磁感应子式，也称混合式，其定子铁心与转子制有小齿，转子由永久磁钢和铁心组合而成，它既可以像反应式步进电动机那样做成小步距角，又有永磁式步进电动机那样大的转矩。;（二）步进电动机驱动器 步进电动机驱动器由环形脉冲分配器和功率放大器组成。 1．环形脉冲分配器 必须按一定的顺序给绕组通电，才能保证步进电动机正常工作。环形脉冲分配器就是将CNC装置插补输出的进给指令脉冲，按要求的绕组通电方式和顺序分配给各绕组，作为绕组通电的控制脉冲。 环形脉冲分配器的功能可由硬件电路实现，也可由软件实现。 采用软件实现时，CNC装置输出接口的一位对应步进电动机绕组的一相，通过对输出接口置“1”和清“0”来实现脉冲的输出。脉冲分配规律则通过软件逻辑实现。 采用硬件电路实现时，主要是用专用的集成环形脉冲分配器。集成环形脉冲分配器集成度高、功能强、可靠性好、可编程。如：用于三相步进电动机控制的CH250集成环形脉冲分配器。 一般还要在启动和停止阶段进行加减速控制。加减速控制可作为环形脉冲分配器的一部分，一般在环形脉冲分配前进行。可由软件实现，也可以由硬件电路实现。;2．功率放大器 从环形脉冲分配器输出的控制脉冲信号功率很小，必须经功率放大器放大后，才能驱动步进电动机运转。功率放大器有电压型和电流型。电压型又有单电压型、双电压型，电流型有恒流型、斩波恒流型等。 采用脉冲变压器TI组成的高低压功率放大器电路。 当输入端为低电平时，晶体管VTl、VT2