3.2
电动机驱动系统的形式

电动机驱动系统主要由电动机驱动装置、电动机、传动机构和检测元件及反馈电路等部分组成。其中电动机驱动装置的主要作用是接收数控系统发出的指令，经过功率放大后，驱动电动机的转动。电动机转速的大小由数控指令来控制。电动机可以是步进电动机、直流伺服电动机，也可以是交流伺服电动机。采用步进电动机时，通常是开环控制。传动机构包括减速装置和滚珠丝杠等。若采用直线电动机作为执行元件，则传动机构与电动机是一体的。反馈电路包括速度反馈和位置反馈，检测元件有旋转变压器、光电编码器、光栅等。

电动机驱动系统包括开环控制和闭环控制两类，开环控制与闭环控制的主要区别为是否采用了位置和速度检测反馈元件组成反馈系统。

开环电动机驱动系统中没有测量装置。数控装置根据程序所要求的进给速度、方向和位移量输出一定频率和数量的进给指令脉冲，经驱动电路放大后，每一个进给指令脉冲驱动功率步进电动机旋转一个步距角，经减速齿轮、丝杠螺母副转化成工作台的当量直线位移。开环控制一般采用步进电动机作为驱动元件，如图3-1所示。由于它没有位置和速度反馈控制回路，这简化了线路，设备投资低，调试维修都很方便，但它的进给速度和精度都较低，一般应用于经济型数控机床及普通的机床改造。

闭环电动机驱动系统一般采用伺服电动机作为驱动元件，其结构如图3-2所示。闭环方式直接从机床的移动部件上获取位置的实际移动值。数控装置将位移指令与位置检测装置（如光栅尺、直线感应同步器等）测得的实际位置反馈信号进行比较，根据其差值与指令进给位移的要求，按照一定的规律转换后，随时对驱动电动机的转速进行校正，使工作台的实际位移量与指令位移量一致，因此其检测精度不受机械传动精度的影响。因闭环环路包括了机械传动机构，它的闭环动态特性不仅与传动部件的刚性、惯性有关，而且还取决于阻尼、油的黏度、滑动面摩擦系数等因素。这些因素对动态特性的影响在不同条件下还会发生变化，这给位置闭环控制的调整和稳定带来了困难，导致调整闭环环路时必须要降低位置增益，这又会对跟随误差与轮廓加工误差产生不利影响。所以采用闭环方式时必须增大机床的刚性，改善滑动面的摩擦特性，减小传动间隙，这样才有可能提高位置增益。闭环方式主要应用在精度要求较高的大型数控机床上。闭环进给伺服系统进给速度快、精度高，是数控机床的发展方向。

半闭环控制一般将检测元件安装在伺服电动机的非输出轴端。伺服电动机角位移通过滚珠丝杠等机械传动机构转换为数控机床工作台的直线或角位移，其结构如图3-3所示。半闭环位置检测方式通过安装在电动机轴上的位置检测元件控制电动机的角位移，然后通过滚珠丝杠等传动机构，将电动机的角位移转换为工作台的直线位移。传动链上有规律的误差还可以由数控装置加以补偿，进一步提高精度，因此半闭环控制在精度要求适中的中、小型数控机床上得到了广泛的应用。半闭环方式的优点是它的闭环环路短，因而系统容易达到较高的位置增益，不发生振荡现象，它的快速性也好，动态精度高，传动机构的非线性因素对系统的影响小。但如果传动机构的误差过大或误差不确定，则数控系统难以补偿。由传动机构的扭曲变形所引起的弹性变形与负载力矩有关，故无法补偿。由制造与安装所引起的重复定位误差以及由于环境温度与丝杠温度的变化所引起的丝杠、螺距误差也不能补偿。

半闭环的电动机驱动系统的速度低于闭环数控机床，高于开环数控机床，由于机械制造水平的提高及速度检测元件和丝杠螺距精度的提高，半闭环数控机床已能达到相当高的进给精度。大多数的机床厂家采用了半闭环数控系统。

值得注意的是，用于速度反馈的检测元件（如编码器、光栅盘等）一般安装在电动机上，用于位置反馈的检测元件则根据闭环的方式不同而安装在电动机或机床上；在半闭环控制时速度反馈和位置反馈的检测元件一般共用电动机上的光电编码器，对于全闭环控制则分别采用各自独立的检测元件。 HCgDVOZaS1KXTjj9RgtJzGKNCe/6Bs+PXrLNsZU8O++N4JVPry3pRu0cWAG/T+NH