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半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在现代CNC机床中得到
了广泛应用。
图2-3 半闭环伺服系统
全闭环数控系统。全闭环数控系统的位置采样点如图2-4的虚线所示，直接对运动部件的实际位置进行检测。
从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。 由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。
该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等[4]。
图 2-4 全闭环伺服系
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第三章 伺服驱动系统方案的选择
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。数控机床中常用的驱动元件—伺服电机：
1）直流伺服电机（调速性能良好） 2）交流伺服电机（主要使用的电机） 3）步进电机（适于轻载、负荷变动不大）
4）直线电机（高速、高精度）
电机控制系统按照驱动电机的类型主要分为直流传动系统和交流传动系统以及步进电机伺服驱动系统。在70年代直流伺服电机己经实用化了，在各类机电一体化产品中，大量使用着各种结构的直流伺服电动机。传统直流电动机采用的是机械式换向且存在电刷，使其在应用过程中面临着以下一些难以克服的缺点: 1）维护工作量大、维护成本高；
2) 使用寿命短、可靠性低；
3) 结构复杂、体积大、转动惯量大、响应速度慢；
4) 易对其它设备产生干扰、现场环境适应能力差；
从而极大地限制了其在高精度、高性能要求的伺服驱动场合的应用。而交流传动系统的执行机构一般采用感应电机和同步电机。感应电动机，特别是鼠笼型异步电动机一直是传统驱动系统的执行元件，其结构简单、价格便宜、效率较高，但存在着散热和参数容易波动等问题。感应式异步伺服电动机制造容易、价格低，不需要特殊维护。但控制上采用矢量变换控制，因而系统比较复杂。转子电阻随温度变化而影响磁场定向的准确性。同时，低速运行时发热比较严重，而低速运行又往往是机床进给机构经常所处的运行状态。 这种类型的交流伺服系统容易进行弱磁控制， 实现高速运行，这是一个显著的特点。在交流伺服系统的发展初期，感应式异步电动机交流伺服系统曾一度得到发展和应用，但由于存在上述一些问题，这种系统在机床的进给机构驱动中并未得到普遍的应用。 与感应电机相比，由于永磁同步电机具有结构简单、体积小、效率高、功率因数高、转矩电流比高、转动惯量低、易于散热及维护保养等优点特别是随着永磁材料价格的下降、
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材料磁性能的提高，以及新型永磁材料的出现，在中小功率、高精度、高可靠性、宽调速范围的伺服系统中以永磁同步电机作为执行机构是越来越多，其应用领域逐步推广，尤其在航空、航大、数控机床、加工中心、机器人等场合已获得广泛的应用。而步进电机的伺服系统随着新材料、新技术的发展及电子技术和计算机的应用, 步进电动机及驱动器的研制和发展进入了新阶段。步进电机除了结构简单、使用维护方便、工作可靠, 在精度高等特点。还有下列优点:步距值不受各种干扰因素的影响。转子运动的速度主要取决于脉冲信号的频率。转子运动的总位移量则取决于总的脉冲信号数。 误差不积累。步进电动机每走一步所转过的角度与理论步距值之间总有一定的误差, 走任意步数以后, 也总有一定的误差。但每转一圈的累积误差为零, 所以步距的误差不积累。控制性能好。起动、转向及其他任何运行方式的改变, 都在少数脉冲内完成。在一定的频率范围内运行时, 任何运行方式都不会丢一步的。 由于步进电动机有上述特点和优点而广泛应用在机械、治金、电力、纺织、电信、电子、仪表、化工、轻工、办公自动化设备、医疗、印刷以及航空航天、船舶、兵器、核工业等国防工业等领域。
综上所述，步进电机的伺服驱动系统和交流伺服驱动系统都在各个领域有着很强大的占有空间，面对市场的需求以及伺服系统的发展，步进电机和交流伺服电机有着个字的特点，但哪种伺服系统能够更优越的应用在数控机床中。下面通过两种驱动系统的比较来进行伺服驱动系统的选择。
3-1步进电机工作原理
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。由于所用的电源是脉冲电源，所以又称为脉冲马达。步进电机用于与控制脉冲组成的开环系统中。
步进电机是一种特殊的电动机，一般电动机通电后连续旋转，但步进电动机却是跟随输入脉冲按节拍一步一步地转动。
步进电动机的转动，是由电动机绕组的脉冲电流控制的，也就是说由指令脉冲决定的。
指令脉冲数决定它的转动步数，即角位移的大小，对步进电动机施加一个电脉冲信号时，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称为步距角；指令脉冲频率决定它的转动速度。只要改变指令脉冲频率，就可以使步进电动机的旋转
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速度在很宽的范围内连续调节。改变绕组的通电顺序，就可以改变它的旋转方向。在无脉冲输入时，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。
目前，我国使用的步进电机多为反应式步进电机。通常步进电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。
反应式步进电机在定子的每个磁极上面向转子的部分，均匀分布着 5个小
齿，齿槽等宽，齿间夹角为9度。 转子上没有绕组，只有均匀分布的40个齿，其大小和间距与定子上的完全相同，并与之相差1/3齿距。如图3-1所示。
步进电机的工作原理实际上是电磁
铁的作用原理。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进
驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的，同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。 现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。现以三相反应式步进电动机图示3-2为例说明。
当A相通电时，电动机铁芯AA方向产一磁通，在磁拉力作用下，转子1、3齿与A相磁极对齐。2、4两齿与B、C两磁极相对错开30°。
当B相通电时，电动机铁芯BB方向产生磁通，在磁拉力作用下，转子沿逆时针方向旋转30°，转子2、4齿与B相磁极对齐1、3两齿与A、C两磁极相对错开30°。
当C相通电时，电动机铁芯CC方向产生磁通，在磁拉力作用下，转子没逆时针方
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向旋转，转子1、3齿与C相磁极对齐。2、4两齿与A、B两磁极相对错开30°。
电示意图
图3-2 步进电机的通
若按A-B-C-A通电相序连续通电，则步进电机就连续地沿逆时针方向旋转，每换接一次通电相序，步进电机沿逆时针方向转过30°，即步距角为30°。反之则为顺时针方向旋转。
若通电脉冲的次序为A、 B、 C、A?，则不难推出，转子将以顺时针方向一步步地旋转。这样，用不同的脉冲通入次序方式就可以实观对步进电动机的控制。
脉冲的数量控制电机的转角；脉冲的频率控制机的转速；脉冲的通入次序控制电机的方向。定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍。上述的通电方式称为三相单三拍。所谓“单”是指每次只有一相绕组通电；所谓“三拍”是指经过三次切换控制绕组的通电状态为一个循环。若通电脉冲次序为AB、BC、CA、AB?，每次两相同时通电，此为三相双三拍，若按A、AB、B、BC、C、AB?此方式为三相六拍。
步进电机的主要特性。步进机通过一个电脉冲转子转过的角度,称为步距角，符号
[5]
α，步进电机输出的角位移量α与输入的指令脉冲数Ｋ成正比，在时间上与输入的脉冲同步；而步进电机的转速ｎ与指令脉冲频率ｆ成正比。
在步进电机负载能力允许的情况下，这种线性关系不会因为负载的变化等因素而变化，所以可以在较宽的范围内，通过对指令脉冲频率和数量的控制，实现对机床运动速度和位置的控制。步进电机的步距角是反映步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过的角度。它取决于电机结构和控制方式。步距角α可由下式计算：
a=360°ZN式中：Z是转子的齿数；N一个周期的运行拍数。若步进电动机通电的脉冲频率为f，则步进电动机的转速ns公式为：
ns?60f10 ?r/min?ZN