第 6 章 数控机床驱动系统与检测技术

6.1 开环步进驱动系统6.2 半闭环、闭环伺服驱动系统6.3 主轴驱动系统与变频器6.4 数控机床检测技术本章要点

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6.1 开环步进驱动系统 一、步进电动机的种类及其工作原理

步进电动机按照结构可分为反应式步进电动机、混合式步进电动机和 永磁式步进电动机。

1. 反应式步进电动机（图 6-1 工作原理图） 2. 混合式步进电动机（图 6-5 、 6-6 工作原理图）

二、步进电动机的特性 （一）静特性 - 静态矩角特性 （二）动特性 步进电动机运行时总是在电气和机械过渡过程中进行的，因此对它

的动特性有很高的要求，步进电动机的动特性直接影响到系统的快速反应以及工作的可靠性。

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图 6-1 反应式步进电机工作原理

电机定子有 6 极，每个极装有控制绕组，每两个相对的极组成一相。转子是四个分布均匀的齿上面有绕组。通电时转子按 30° 转过，使转子和定子反复循环对齐，使电机按一定的角度转动。

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图 6-2 三相六拍工作示意图

三相电机按 U-UV-V-VW-W-WU-U 或者U-UW-W-WV-V-VU-U 的通电顺序这种方式工作时，定子三相绕组须经过六次切换才能完成一个一个循环，故称为“六拍”而且在通电时，有时是单个绕组接通，有时是两个绕组同时接通，因此称为“三相六拍”。

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图 6-5 转子磁钢产生的磁通回路

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图 6-6 混合式步进电动机剖面图

图中，每相绕组绕在8 个定子磁极中的第 4个极上，按照 U-V-U-V-U 时序通电，步进电动机就能沿逆时针方向连续旋转，反之，电动机沿顺时针方向旋转。

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6.1 开环步进驱动系统 1. 矩频特性

步进电动机的最大动态转矩和脉冲频率的关系称为矩频特性。

2. 工作频率步进电动机的工作频率是指电动机按指令的要求进行

正常工作的最大脉冲频率。步进电动机的工作频率通常分为启动频率，制动频率

和连续工作频率。对同样的负载转矩来说，正、反向的启动频率和制动频率一样，而连续工作频率要高。

步进电动机的启动频率是指它在一定的负载转矩下能够不失步启动的最高频率。

步进电动机的连续工作频率 f 是指步进电动机启动后当控制脉冲连续发出时，能不失步运行的最高频率。

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6.1 开环步进驱动系统 三、步进电动机的开环控制

步进电动机是采用脉冲控制方式工作的，只有按一定的规律对各相绕组轮流通电，步进电机才能够实现转动，因此需要脉冲分配、脉冲产生和插补运算等功能。

1. 步进电动机的控制系统步进电机控制系统负责提供脉冲数量，提供脉冲

频率，提供各相励磁线圈通电顺序的变化。步进电机控制系统通过接口电路与驱动模块相连。

接口电路必须具有以下功能。 （ 1 ）电压隔离功能 （ 2 ）信息传递功能 （ 3 ）产生工作所需的控制信息 （ 4 ）产生工作所需的不同频率

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6.1 开环步进驱动系统 2. 步进电动机的驱动电源设计

步进电机驱动电源的主要作用是对控制系统发出的控制脉冲进行功率放大，以使步进电机获得足够大的功率驱动负载运行。

步进电动机的驱动电源多种多样，按供电方式来分，有单压供电和双压供电。

（ 1 ）单电压驱动电源基本形式如图 6-12

（ 2 ）双电压驱动电源双电压驱动电源采用两套电源给电动机绕组供电，高

电压的作用是使步进电机绕组电流迅速提高，使绕组电流建立时的上升沿变陡，低电压的作用是维持绕组电流。图 6-13 为高压定时控制驱动电源

（ 3 ）调频调压驱动电源调频调压驱动电源的基本原理：当步进电机在低频运

行时，供电电压降低，当运行高频段时，供电电压升高。即供电电压随着步进电机转速增加而升高。这样，既解决了低频振荡问题，也保证了高频运行时的输出转矩。 返回 上页 下页

图 6-12 晶体管单电压驱动电源

其中 Ucp 是步进电机控制脉冲信号的通断。

W 是步进电机的一相绕组。 VD 是绪流二极管 C 为电容，用来提高绕组脉

冲电流的前沿。

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图 6-13 高压定时控制驱动电源

Ug— 高压电源电压 Ud— 低压电源电压 Vg— 高压控制晶体管 Vd— 低压控制晶体管 VD1—绪流二极管 VD2—阻断二极管 采用高低压供电的驱动

电源，绕组电流的建立和消失比较快，从而改善了步进电机的高频性能。

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6.2 半闭环、闭环伺服驱动系统 一、直流（ DC ）伺服电动机及其特性

1. 直流伺服电机的特性及选用 直流伺服电机通过电刷和换向器产生的整流作用，使磁场磁动

势和电枢电流磁动势正交，从而产生转矩。 直流伺服电机特点：较高的响应速度、精度和频率，控制特性

优良。 20世纪 60年代—研制出小惯量直流伺服电机 20世纪 70年代—研制成功大惯量直流伺服电机，特点是：励

磁便于调整，易于安排补偿绕组和换向极，成本低。 其结构如图 6-15

2. 直流伺服电动机与驱动 目前常用的有晶体管脉宽调制驱动和晶阀管直流调速驱动 晶阀管直流调速驱动通过调节触发装置控制晶阀管的触发延迟

角来改变整流电压。 脉宽调制直流调速驱动原理图如 6-16

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图 6-15 直流伺服电机

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6.2 半闭环、闭环伺服驱动系统 二、交流 (AC) 伺服电机及其特性

其基本原理是检测 SM型（如图 6-18 ）和 IM型的气隙磁场的大小和方向，用电力电子交换器代替整流子和电刷，并通过与气隙磁场方向相同的磁化电流和与气隙磁场方向垂直的有效电流来控制其主磁通量和转矩。

交流电机矢量控制的原理 交流伺服系统的工作原理：

插补器发出的脉冲经位置控制回路发出速度指令，比较器中与检测器来的信号相与之后，经放大器送出转矩指令M，至矢量处理电路。另一方面，检测器的输出信号也被送到矢量处理电路中的转交回转电路，将电动机的回转位置 θr变化，经放大冰与电动机回路的电流检测信号比较之后，经脉宽调制电路放大后，控制三相桥式晶体管电路，使交流伺服电机按规定的转速旋转，并输出所需转矩值。

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6-18 同步（ SM)型伺服电动机控制框图

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6.3 主轴驱动系统与变频器 一、数控机床对主轴驱动的要求

数控机床的主轴驱动和进给驱动有很大的差别。早期的数控机床上多采用直流主轴驱动系统，随着微处理器技术和大功率晶体管技术的进展，交流驱动系统开始使用。目前，交流主轴驱动已经达到直流驱动系统的水平。

二、交流主轴驱动 1. 交流主轴驱动特点：交流伺服电机有隆型异步电机和永磁式同

步异步电机，通常采用异步电动机进行矢量控制，其结构有三相绕组定子和有笼条的转子组成。

2. 交流主轴电机的性能 ; 在基本速度以下为恒转矩区域，基本速度以上为恒功率区域。

3. 新型主轴电机结构（ 1 ） 输出转换型交流主轴电动机（ 2 ） 液体冷却主轴电动机（图 6-24 ）（ 3 ） 内装式主轴电动机（图 6-25 ）（ 4 ） 交流主轴电动机控制单元（图 6-26 ，图 6-

27 ） 返回 上页 下页

图 6-24 液体冷却主轴电动机

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图 6-25 内装式主轴电动机

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交流主轴电动机控制单元

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6.3 主轴驱动系统与变频器 三、变频器

（一） 变频器的分类与特点 变频器的基本分类 交 -交变频器与交 -直 -交变频器的结构对比（图 6-28） 交 -直 -交电压型变频器的主电路结构形式。（图 2-29） 交 -直 -交电流型变频器的主电路结构形式。（ 6-30）

数控机床中常用的变频器（二） 脉宽调制型变频器（ PWM ）（图 3-31 ）特点：

1. 主电路只有一个可控的功率环节，结构简化2. 整流侧使用了不可控整流器，电网功率因数与逆变器电压无

关。3. 调频调压在同一环节中实现，变频器的动态响应加快。4. 通过对 PWM控制方式的控制，能有效抑制和消除低次谐波，

实现接近正弦形的输出交流电压波形。

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图 6-28 两种类型的变频器

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图 2-29 交 - 直 -交电压型变频器的主电路结构形式

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图 2-30 交 - 直 -交电压型变频器的结构形式

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图 3-31 PWM交 - 直 -交变频器示意图

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6.3 主轴驱动系统与变频器 （三） 正弦波脉宽调制（ SPWM ）变频器

SPWM变频器属于交 -直 -交静止变频装置，它现将 50Hz 交流电经整流变压器变到所需的电压后，经二极管不控整流和电容滤波，形成恒定直流电压，再送入 6个大功率晶体管构成的逆变器主电路，输出三相频率和电压均可调整的等效于正弦波的脉宽调制波，即可拖动三相异步电动机运转。

SPWM 变频器工作原理 1. SPWM波形和等效正弦波（图 6-32 ） 2. 产生 SPWM波形的原理（图 6-33 ） 3. SPWM 变频器的主电路（图 6-34 ） 4. 用单片微机实现的 SPWM 控制（ 6-35 ）

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图 6-32 SPWM波形和等效正弦波

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图 6-33 三相 SPWM 控制电路原理框图

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图 6-34 SPWM 变频器主电路原理与电动机线电压波形

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图 6-35 单片微机控制的 SPWM 原理图

V/ƒ 变换器 - 电压频率转换器，将 CNC 的速度给定直流电压变成相应的频率脉冲信号。

计数分频器及地址译码 - 一个计数值为 0-359 的计数器。

基准正弦波的形成 - 基准正弦波有三路 EPROM 与D/A 变换器组成。

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6.4 数控机床的检测技术 数控机床对位置检测元件的主要要求

1 ） 工作可靠，抗干扰能力强2 ）满足精度和速度的要求3 ） 零点灵敏度高4 ） 使用维修方便，适应机床的工作环境5 ） 成本低

一、光栅高精度的位置检测元件，精度可达几个微米。1. 光栅的分类2. 光栅的构造与组成（图 6-37 ）3.光栅的基本工作原理4. 光栅的辩向和细分

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图 3-37 光栅位置检测装置组成 光栅由光源、长光栅、短光栅、光电元件、透镜及驱动电路组成。长光栅固定在机床固定部件上，长度相当于工作台移动的全行程，又称为标尺光栅。短光栅安装在机床的运动部件上。

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莫尔条纹和光栅读数头

读数头光源一般由白炽灯发出辐射光线，经过透镜后变成为平行光束，照射光栅尺。光电元件是一种将光强信号转变成电信号的光电转换元件。

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6.4 数控机床的检测技术 3. 光栅的基本工作原理 如果将指示光栅在其自身的平面内转过一个很小的角度。 ,

这样两块光栅的刻度相交 , 则在相交处出现黑色条纹 , 称为莫尔条纹。由于两块光栅的刻线密度相等 ,即栅距ω 相等 , 而产生的莫尔条纹的方向和光栅刻线的方向大致垂直 ,其几何关系如图 6-38 所示。当 θ 很 小时 ,条纹的节距W为

这表明莫尔条纹的节距是光栅距的 1/ θ 倍 , 当标尺光栅移动时 ,莫尔条纹就沿垂直于光 栅移动的方向移动 . 当光栅移动一个栅距ω 时 ,莫尔条纹就相应地移动一个节距 w, 也就是说两者一一对应 . 所以 , 只要读出移过莫尔条纹的数目 , 就可以知道光栅移过 了多少个栅距 , 而栅距在制造光栅时是已知的 ,光栅的移动距离就可以通过电气系统 自动地测量出来 .

W

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6.4 数控机床的检测技术 4. 光栅的辩向和细分 为了提高光栅的分辨率，必须增加其刻线的密度，常采用电

子和机械细分的方法，提高光栅的分辨率，提高测量精度。电子细分又称为倍频细分，常用的是四倍频。图 6-39 是一个利用光栅读数头实现四倍频的方法。

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6.4 数控机床的检测技术 二、旋转变压器 旋转变压器是一种常用的转角检测元件，它结构简单，

工作可靠，对环境条件要求低，信号输出幅值大，抗干扰性强，因此，被广泛的用在数控机床上。

1. 旋转变压器的结构 旋转变压器分为定子和转子两大部分，定子绕组通过固

定在壳体上的接线板直接引出。转子绕组有两种不同的引出方式，根据引出方式的不同可将旋转变压器分为有刷式和无刷式两种。图 6-42 为无刷式旋转变压器。

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图 6-42 无刷式旋转变压器结构示意图

它由旋转变压器本体和附加变压器组成。附加变压器的一、二测铁心圈均做成环形，分别固定在定子和转子上，在径向留有一定的间隙，旋转变压器本体的转子绕组和附加变压器的二次侧线圈连在一起，旋转变压器转子在定子中回转，转子上的电信号通过电磁耦合，经附加变压器的一次侧线圈间接的输出。

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6.4 数控机床的检测技术2. 旋转变压器的工作原理旋转变压器定子绕组通励磁电压时，产生感应电动势。设钉子绕组的励磁电压为

um— 励磁电压的幅值ω— 励磁电压的角频率另外励磁电压产生一个脉动磁场，依时间按正弦规律变化，在空间上方向是固定的。

Θ--- 定子和转子之间的夹角n— 电压比

wtsinuu m

wtuu m sin

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6.4 数控机床的检测技术 三、光电盘和编码盘 1. 光电盘 光电盘是一种最简单的光电式转交测量元件。如图 6-44 所示。

光电盘装在回转轴上，轴的另一端装有传动齿轮或连轴器，使光电盘 和被测对象以相同速度回转。

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6.4 数控机床的检测技术 2. 编码盘 编码盘是把被

测转角直接转化成相应代码的检测元件。编码盘有光电式、接触式和电磁式三种。目前应用比较多的是光电式编码盘，如图6-45 。

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6.4 数控机床的检测技术 四、磁尺 磁尺是用电磁信号来计量磁波数目的监测方法，可用于长度和角度的位移测量。磁尺有平面型、圆轴型和回转型三种类型。

（一）结构

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6.4 数控机床的检测技术 （二）磁尺的工作原理 磁尺作为检测元件，根据

对磁头上拾磁绕组中感应电动势的不同处理方法，可做成鉴相式工作状态和鉴幅式工作状态两种。无论哪一种工作状态都必须设置两个或者两组间隙为

的拾磁磁头。

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6.4 数控机床的检测技术 五、感应同步器 感应同步器是一种电磁式高精度位置检测元件，按

其结构特点一般可分为直线式和旋转式两种。前者用于直线位移的测量，后者用于角位移的测量。感应同步器的具有检测精度高、抗干扰性强、寿命长、维护方便、成本低、受环境温度和湿度影响小、工艺性能好等优点。广泛应用于数控车床。

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6.4 数控机床的检测技术 1. 结构

无论是直线式还是旋转式，它们的制造方法都是相同的，以直线感应同步器为例，如图 6-50 所示，由定尺和滑尺组成。定尺和滑尺均用绝缘粘合剂将铜箔粘合在基板上。用和制造印刷电路板相同的腐蚀方法，制成节距一般为 2mm 的方齿形绕组。

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6.4 数控机床的检测技术 2.安装 感应同步器的定尺和滑尺通过尺座分别安装在机

床的两个相对运动的部件（如工作台和床身）上，当工作台移动时，滑尺在定尺上移动，滑尺和定尺要用防护罩罩住，防止铁屑等污物落到上边影响正常工作。由于感应同步器的测量精度很高，故安装精度也要求很高。特别是定尺安装面应与导轨平行，否则会使定尺和滑尺之间发生间隙变化，影响测量精度。

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6.4 数控机床的检测技术 3. 工作原理 感应同步器的绕组分布如图

6-51 所示。滑尺上分布着两个励磁绕组，分别称为正弦绕组和余弦绕组。

它们在空间上相差 1/4节距，每个节距相当与绕组的分布周期，一般为 2mm ，用 2 表示。

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6.4 数控机床的检测技术 图 6-52 所示为滑尺绕组相

对于定尺绕组处于不同位置时，定尺绕组中感应电动势的变化情况。 A 点表示滑尺绕组与定子绕组重合，这是定子绕组中的电动势最大。如果滑尺相对于定尺从 A点逐渐向右平行移动，感应电动势就逐渐减小，在两绕组错开正好 1/4节距的 B点感应电动势为 0 。

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