西门子6ES7214-1AG40-0XB0技术参数

按调节理论分类

1.开环伺服系统

开环伺服系统即无位置反馈的系统，其驱动元件主要是功率或液压脉冲马达。这两种驱动元件的工作原理的实质是数字脉冲到角度位移的变换，它不用位置检测元件实现定位，而是靠驱动装置本身，转过的角度正比与指令脉冲的个数；运动速度由进给脉冲的频率决定。

开环伺服系统的结构简单，易于控制，但精度差，低速不平稳，告诉扭矩小。一般用于轻载负载变化不大或经济型上。

2.闭环伺服系统

闭环伺服系统是误差控制随动随动系统。数控机床进给系统的误差，是cnc输出的位置指令和机床工作台（或刀架）实际位置的差值。闭环系统运动执行元件不能反映运动的位置，因此需要有位置检测装置。该装置测出实际位移量或者实际所处的位置，并将测量值反馈给cnc装置，与指令进行比较，求得误差，依次构成闭环位置控制。

由于闭环伺服系统是反馈控制，反馈测量装置精度很高，所以系统传动链的误差，环内各元件的误差以及运动中造成的误差都可以得到补偿，从而大大提高了跟随精度和定位精度。

3.半闭环系统

位置检测元件不直接安装在进给坐标的终运动部件上，而是中间经过机械传动部件的位置转换，称为间接测量。亦即坐标运动的传动链有一部分在位置闭环以外，在环外的传动误差没有得到系统的补偿，因而这种伺服系统的精度低于闭环系统。

半闭环和闭环系统的控制结构是一致的，不同点只是闭环系统环内包括较多的机械传动部件，传动误差均可被补偿。理论上精度可以达到很高。但由于受机械变形、温度变化、振动以及其它因素的影响，系统稳定性难以调整。此外，机床运行一段时间后，由于机械传动部件的磨损、变形以及其它因素的改变，容易使系统稳定性改变，精度发生变化。因此，目前使用半闭环系统较多。只在具备传动部件紧密度高、性能稳定、使用过程温差变化不大的高精度数控机床上使用全闭环伺服系统。

按使用直流和交流伺服电机分按使用驱动元件分类

1.电液伺服系统

电液伺服系统的执行元件是液压元件，其前一级为元件。驱动元件为液压机和液压缸，常用的有电液脉冲马达和电液伺服马达。数控机床发展的初期，多数采用电液伺服系统。电液伺服系统具有在低速下可以得到很高的输出力矩，以及刚性好、时间常数小、反映快和速度平稳等优点。然而，液压系统需要油箱、油管等供油系统，体积大。此外，还有噪声、漏油等问题，故从20世纪70年代起逐步被电气伺服系统代替。只是具有特殊要求时才采用电液伺服系统。

2.电气伺服系统

电气伺服系统全部采用器件和电机部件，操作维护方便，可靠性高。电气伺服系统中的驱动元件主要有步进电机和交流伺服电机。它们没有液压系统中的噪声、污染和维修费用高等问题，但反应速度和低速力矩不如液压系统高，现在电机的驱动线路、电机本身的结构都得到很大的改善，性能大大提高，已经在更大的范围取代液压伺服系统。

1.直流伺服系统

直流伺服系统常用的伺服电机有小惯量直流伺服电机和永磁直流伺服电机（也称为大惯量宽调速直流伺服电机）。小惯量伺服电机大限度地减少了电枢的转动惯量，所以能获得好的快速性。小惯量伺服电机一般都设计成有高的额定转速和低的惯量，所以应用时，要经过中间机械传动（如齿轮副）才能与丝杠相连接。

2.交流伺服系统

交流伺服系统使用交流异步伺服电机和永磁同步伺服电机。由于直流伺服电机存在着固有的圈点，使其应用环境受到限制。交流伺服电机没有这些缺点，且转子惯量较直流电机小，使得动态响应好。另外在同体积条件下，交流电机的输出功率可比直流电机提高10％～70％。还有交流电机的容量可以比直流电机造的大，达到更高的转速和电压。

按进给驱动和主轴驱动分类

1.进给伺服系统

进给伺服系统是指一般概念的伺服系统，它包括速度控制环和位置控制环。进给伺服系统完成各坐标轴的进给运动，具有定位和轮廓跟踪功能。

2.主轴伺服系统

严格来说，一般的主轴控制只是一个速度控制系统。主要实现主轴的旋转运动，提供切削过程中的转矩和功率，且保证任意转速的调节，完成在转速范围内的无极变速。具有c轴控制的主轴与进给伺服系统一样，为一般概念的位置伺服控制系统

步进的控制

步进电动机绕组是按一定通电方式工作的，为实现这种轮流通电，需将控制脉冲按规定的通电方式分配到电动机的每相绕组。这种分配既可以用硬件来实现，也可以用软件来实现。实现脉冲分配的硬件逻辑电路称为环行分配器。在计算机数字控制系统中，采用软件实现脉冲分配的方式相应称作软件环分。

硬件环形分配器：

硬件环形分配器需要根据步进电动机的相数和要求的通电方式设计，图为一个三相六拍的环形分配器。

分配器的主体是三个j-k触发器。三个j-k触发器的q输出端分别经各自的功放线路与步进电动机a、b、c三相绕组连接。当qa＝1时，a相绕组通电；qb＝1时，b相绕组通电；qc＝1时，c相绕组通电。w＋△x和w－△x是步进电动机的正反转控制信号。

正转时，各相通电顺序：

a－ab－b－bc－c－ca

反转时，各相通电顺序：

a－ac－c－cb－b－ba

软件环分：

对于不同的计算机和接口器件，软件环分有不同的形式，现以at89c51配置的系统为例加以说明。

1） 由p1口作为驱动电路的接口

控制脉冲经at89c51的并行i/o接口p1口输出到步进电动机各相的功率放大器输入，设p1口的p1.0输出至a相，p1.1输出至b相，p1.2输出至c相。

2）建立环形分配表

为了使电动机按照如前所述顺序通电，首先必须在存储器中建立一个环形分配表，存储器各单元中存放对应绕组通电的顺序数值，当运行时，依次将环形分配表中的数据，也就是对应存储器单元的内容送到p1口，使p1.0、p1.1、p1.2依次送出有关信号，从而使电动机轮流通电。 表为三相六拍环形分配表，k为存储器单元基地址（十六位二进制数），后面所加的数为地址的索引值。

可见，要是电动机正转，只需依次输出表中各单元的内容即可。当输出状态已是表底状态时，则修改索引值使下次输出重新为表首状态。如要使电动机反转，则只需反向依次输出各单元的内容。当输出状态达到表首状态时，则修改指针使下一次输出重新为表底状态。

步进的驱动电路实际上是一种脉冲放大电路，使脉冲具有一定的功率驱动能力。由于功率放大器的输出直接驱动电动机绕组，因此，功率放大电路的性能对步进电动机的运行性能影响很大。对驱动电路要求的核心问题则是如何提高步进电动机的快速性和平稳性。目前，国内经济型步进电动机驱动电路主要有以下几种:

1.单电压限流型驱动电路

图所示是步进电动机一相的驱动电路，l是电动机绕组，晶体管vt可以认为是一个无触点开关，它的理想工作状态应使电流流过绕组l的波形尽可能接近矩形波。但是由于电感线圈中的电流指数规律上升，其时间常数 ，须经过 的时间后才能达到稳态电流。由于步进电动机绕组本身的电阻很小，所以，时间常数很大，从而严重影响电动机的启动频率。为了减小时间常数，在励磁绕组中串以电阻r，这样时间常数 就大大减小，缩短了绕组中电流上升的过度过程，从而提高了工作速度。在电阻r两端并联c，是由于电容上的电压不能突变，在绕组由截止到导通的瞬间，电压全部降落在绕组上，使电流上升更快，所以，电容c又称为加速电容。

v在晶体管vt截止时起续流和保护作用，以防止晶体管截止瞬间绕组产生的反电势造成管子击穿，串联电阻rd使电流下降更快，从而使绕组电流波形后沿变陡。

这种电路的缺点是r上有功率消耗。为了提高快速性，需加大r的阻值，随着阻值的加大，电源电压也势必提高，功率消耗也进一步加大，正因为这样，单电压限流型驱动电路的使用受到了限制。

2.高低压切换型驱动电路

优点：功耗小，启动力矩大，突跳频率和工作频率高。

缺点：大功率管的数量要多用一倍，增加了驱动电源。

高低压切换型驱动电路的后一级如图 (a)所示，相应的电压电流波形图如图(b)所示。这种电路中采用高压和低压两种电压供电，一般高压大于60v，低压为5~20v。v1在vt1和vt2都截止时通过电源和v2为电机绕组提供放电回路。在t1-t2时间内。vt1和vt2均饱和导通，＋80v的高压电源经过vt1和vt2管加到步进电动机的绕组上，使其电流迅速上升，当时间到达t2时，或电流上升到某一数值时，ub2变为低电平，vt2截止，电动机绕组的电流由+12v电源经过vt1管来维持，此时，电流下降到电动机的额定电流，直到t3时ub1也为低电平，vt1管截止，电动机绕组电流下降到0。一般电压ub1由脉冲分配经过几级放大获得，电压ub2由单稳定时或定流装置再经脉冲变压器获得。

3.pwm 型驱动电路

恒频脉宽调制功放电路基本上是把斩波恒流和斩波平滑功放电路的特点集于一身，功能更好。

v1是20khz的方波，它作为各相d触发器的时钟信号cp，以保证各相以同样的频率进行斩波。

v2是步进控制信号。

vref是比较器op的正输入端信号，它用于确定电机绕组电流il 的稳定值。

恒频脉宽调制功率放大电路不但有较好高频特性，而且有效地减少了的噪声，同时还降低了功耗。因此体积也可以减少。但是由于斩波的频率较高，对功放管的要求也稍高。而这种电路的低频振荡也较高