数控机床常用驱动元件

    （一）步进电机

步进电机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的转换装置，是开环伺服系统的执行元件。步进电机在接通电源后并不转动，仅当有脉冲输入时，转子才转过一个固定的角度，其角位移量与输入脉冲个数成正比，在时间上也与输入脉冲同步。当无脉冲时，转子保持原有位置不变而处于定位状态。

    步进电机按其输出扭矩大小，可分为快速步进电机和功率步进电机；按其励磁相数可分为三相、四相、五相、六相甚至八相步进电机等；按其工作原理又分为励磁式和反应式步进电机。

图8-16 步进电机的驱动电路框图。

    变频信号源是一个频率从几赫兹到几万赫兹的频率连续可调的脉冲信号发生器，它按照运行指令把不同频率的脉冲输送到脉冲分配器，对步进电动机实行各种运行状态的控制。脉冲分配器接受输入脉冲和方向指令，向功率驱动器供给控制信号。脉冲分配器输出的脉冲经功率放大器放大后而驱动步进电机工作。

（二）直流伺服电机

由于步进电动机构成的开环伺服系统的一些技术性能不能满足数控机床的使用要求，而且其性能的提高也受到了很大限制。因此，20世纪60年代初期出现了小惯量直流伺服电机，70年代初出现了大惯量直流伺服电机（又称宽调速电动机）。目前许多数控机床采用大惯量直流伺服电动机组成闭环或半闭环伺服系统。

1．小惯量直流伺服电机

小惯量直流伺服电动机是为了提高伺服系统的快速响应特性而研制的，它由一般的直流电机演变而来，但其转子与一般的直流电机的转子不同：一是它的转子长而直径小；二是它的转子是光滑无槽的铁心，线圈直接用绝缘粘合剂粘在铁心表面上。因而这种电机的转动惯量比小，具有机械时间常数小、响应快、动态特性好、低速运转平稳等优点。但因为这种电机转子的惯量小，因而过载能力低。再有这种电机转子惯量比机床移动部件的惯量小，两者之间须使用齿轮减速才能很好地匹配，从而增加了传动链误差。这种伺服电机在早期的数控机床上得到了广泛应用。

    2．宽调速直流伺服电机

    宽调速直流伺服电机是在维持一般直流电机转动惯量不变的前提下，通过提高转矩来改善其特性，具体措施是：1）增加定子磁极对数，并采用轿顽力强的永磁材料；2）在同样的转子外径和电枢电流的情况下，增加转子上的槽数和槽的截面积。从而提高了电机的瞬时加速力矩，改善了其动态响应能力。因此这种电机具有动态响应好、过载能力强、转矩大、调速范围宽、低速时输出转矩大等优点，可直接与丝杠相连，提高机床的进给传动精度。目前在各种直线伺服电机中，宽调速直流伺服电机是应用最广的一种。不过这种电机的价格较贵，结构复杂，维修也较麻烦。

    （三）交流伺服电机

    尽管直流伺服电机具有优良的调速性能，但由于它的电刷和换向器易磨损，换向有时会产生火花，使电机的最高转速受到限制，且直流伺服电机结构复杂、成本较高，因而在使用上受到一定限制。交流伺服电机无电刷，结构简单、维修方便，输出功率大，调速范围广，在数控机床上的应用日益广泛，在某些场合下已取代了直流伺服电机。

    交流伺服电机可分为同步交流伺服电机和异步交流伺服电机两大类。异步交流伺服电机所采用的电流有三相和单相两种。同步交流伺服电机的磁势源可以是电磁式、永磁式和反应式等多种，在数控机床进给伺服系统中多采用永磁式同步伺服电机。