步进式伺服驱动系统是典型的开环控制系统。在此系统中，执行元件是步进电机。它受驱动控制线路的控制，将代表进给脉冲的电平信号直接变换为具有一定方向、大小和速度的机械转角位移，并通过齿轮和丝杠带动工作台移动。由于该系统没有反馈检测环节，它的精度较差，速度也受到步进电机性能的限制。但它的结构和控制简单、容易调整，故在速度和精度要求不太高的场合具有一定的使用价值。
一、 步进电机的种类、结构及工作原理
1.步进电机的种类
步进电机的分类方式很多，常见的分类方式有按产生力矩的原理、按输出力矩的大小以及按定子和转子的数量进行分类等。根据不同的分类方式，可将步进电机分为多种类型，如表5--1所示。
表5-1 步进电机的分类
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分 类 方 式 |
具 体 类 型 |
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按力矩产生的原理 |
（1）反应式：转子无绕组，由被激磁的定子绕组产生反应力矩实现步进运行
（2）激磁式：定、转子均有激磁绕组（或转子用永久磁钢），由电磁力矩实现步进运行 |
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按输出力矩大小 |
（1）伺服式：输出力矩在百分之几之几至十分之几（N·m）只能驱动较小的负载，要与液压扭矩放大器配用，才能驱动机床工作台等较大的负载
（2）功率式：输出力矩在5-50 N·m以上，可以直接驱动机床工作台等较大的负载 |
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按定子数 |
（1）单定子式（2）双定子式（3）三定子式（4）多定子式 |
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按各相绕组分布 |
（1）径向分布式：电机各相按圆周依次排列
（2）轴向分布式：电机各相按轴向依次排列 |
2.步进电机的结构
目前，我国使用的步进电机多为反应式步进电机。在反应式步进电机中，有轴向分相和径向分相两种，如表5--1所述。
图5--2是一典型的单定子、径向分相、反应式伺服步进电机的结构原理图。它与普通电机一样，分为定子和转子两部分，其中定子又分为定子铁心和定子绕组。定子铁心由电工钢片叠压而成，其形状如图中所示。定子绕组是绕置在定子铁心6个均匀分布的齿上的线圈，在直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起，构成一相控制绕组。图5--2所示的步进电机可构成三相控制绕组，故也称三相步进电机。若任一相绕组通电，便形成一组定子磁极，其方向即图中所示的NS极。在定子的每个磁极上，即定子铁心上的每个齿上又开了5个小齿，齿槽等宽，齿间夹角为9°，转子上没有绕组，只有均匀分布的40个小齿，齿槽也是等宽的，齿间夹角也是9°，与磁极上的小齿一致。此外，三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开  齿距，如图5--3所示。当A相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时，B相磁极上的齿刚好超前(或滞后)转子齿 齿距角，C相磁极齿超前(或滞后)转子齿  齿距角。
图5-2 单定子径向分相反应式伺服
步进电机结构原理图
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图 5-3 步进电机的齿距
图5--4是一个五定子、轴向分相、反应式伺服步进电机的结构原理图。从图中可以看出，步进电机的定子和转子在轴向分为五段，每一段都形成独立的一相定子铁心、定子绕组和转子，图5--5所示的是其中的一段。各段定子铁心形如内齿轮，由硅钢片叠成。转子形如外齿轮，也由硅钢片制成。各段定子上的齿在圆周方向均匀分布，彼此之间错开  齿距，其转子齿彼此不错位。当设置在定子铁心环形槽内的定子绕组通电时，形成一相环形绕组，构成图中所示的磁力线。
除上面介绍的两种形式的反应式步进电机之外，常见的步进电机还有永磁式步进电机和永磁反应式步进电机，它们的结构虽不相同，但工作原理相同。
3.步进电机的工作原理
步进电机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。图5--6是一种最简单的反应式步进电机，下面以它为例来说明步进电机的工作原理。
图5--6(a)中，当A相绕组通以直流电流时，根据电磁学原理，便会在AA方向上产生一磁场，在磁场电磁力的作用下，吸引转子，使转子的齿与定子AA磁极上的齿对齐。若A相断电，B相通电，这时新的磁场其电磁力又吸引转子的两极与BB磁极齿对齐，转子沿顺时针转过60°。通常，步进电机绕组的通断电状态每改变一次，其转子转过的角度  称为步距角。因此，图5--6(a)所示步进电机的步距角 等于60°。如果控制线路不停地按A→B→C→A…的顺序控制步进电机绕组的通断电，步进电机的转子便不停地顺时针转动。若通电顺序改为A→C→B→A…，同理，步进电机的转子将逆时针不停地转动。
图5-4 五定子径向分相反应式伺服
步进电机结构原理图
图5-5 一段定子、转子及磁回路
上面所述的这种通电方式称为三相三拍。还有一种三相六拍的通电方式，它的通电顺序是：顺时针为A → AB → B → BC → C → CA → A … ；逆时针为A → AC → C→ CB → B → BA →A…。
若以三相六拍通电方式工作，当A相通电转为A和B同时通电时，转子的磁极将同时受到A相绕组产生的磁场和B相绕组产生的磁场的共同吸引，转子的磁极只好停在A和B两相磁极之间，这时它的步距角 等于30°。当由A和B两相同时通电转为B相通电时，转子磁极再沿顺时针旋转30°，与B相磁极对齐。其余依此类推。采用三相六拍通电方式，可使步距角 缩小一半。
图5—6 步进电机工作原理图
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图5--6(b)中的步进电机，定子仍是A ，B ，C三相，每相两极，但转子不是两个磁极而是四个。当A相通电时，是1和3极与A相的两极对齐，很明显，当A相断电、B相通电时，2和4极将与B相两极对齐。这样，在三相三拍的通电方式中，步距角 等于30°，在三相六拍通电方式中，步距角 则为15°。
综上所述，可以得到如下结论：
(1) 步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转过一个确定的角度，即步进电机的步距角 ；
(2) 改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向随之改变；
(3) 步进电机定子绕组通电状态的改变速度越快，其转子旋转的速度越快，即通电状态的变化频率越高，转子的转速越高；
(4) 步进电机步距角 与定子绕组的相数m、转子的齿数z、通电方式k有关，可用下式表示：
 (5--1)
式中m相m拍时，k=1；m相2m拍时，k=2；依此类推。
对于图5--2所示的单定子、径向分相、反应式伺服步进电机，当它以三相三拍通电方式工作时，其步距角为
若按三相六拍通电方式工作，则步距角为
4.步进电机的主要特性
(1) 步距角。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。它是决定步进伺服系统脉冲当量的重要参数。数控机床中常见的反应式步进电机的步距角一般为。步距角越小，数控机床的控制精度越高。
(2) 矩角特性、最大静态转矩  和启动转矩  。矩角特性是步进电机的一个重要特性，它是指步进电机产生的静态转矩与失调角 的变化规律。
(3) 启动频率  。空载时，步进电机由静止突然启动，并进入不丢步的正常运行所允许的最高频率，称为启动频率或突跳频率。若启动时频率大于突跳频率，步进电机就不能正常启动。空载启动时，步进电机定子绕组通电状态变化的频率不能高于该突跳频率。
(4) 连续运行的最高工作频率  。步进电机连续运行时，它所能接受的，即保证不丢步运行的极限频率，称为最高工作频率。它是决定定子绕组通电状态最高变化频率的参数，它决定了步进电机的最高转速。
(5)加减速特性。步进电机的加减速特性是描述步进电机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加减速过程中，定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系。当要求步进电机启动到大于突跳频率的工作频率时，变化速度必须逐渐上升；同样，从最高工作频率或高于突跳频率的工作频率停止时，变化速度必须逐渐下降。逐渐上升和下降的加速时间、减速时间不能过小，否则会出现失步或超步。我们用加速时间常数Ta和减速时间常数Td来描述步进电机的升速和降速特性，如图5--8所示。
图5-8 加减速特性曲线
二、 步进式伺服驱动系统工作原理
步进式伺服驱动系统主要由步进电机驱动控制线路和步进电机两部分组成，如图5--7所示。驱动控制线路接收来自数控机床控制系统的进给脉冲信号(指令信号)，并把此信号转换为控制步进电机各相定子绕组依此通电、断电的信号，使步进电机运转。步进电机的转子与机床丝杠连在一起，转子带动丝杠转动，丝杠再带动工作台移动。
图 5-7 步进式伺服系统原理框图
下面从步进式伺服系统如何实现对机床工作台移动的移动量、速度和移动方向进行控制三个方面，对其工作原理进行介绍。
1.工作台位移量的控制
数控机床控制系统发出的  个进给脉冲，经驱动线路之后，变成控制步进电机定子绕组通电、断电的电平信号变化次数 ，使步进电机定子绕组的通电状态变化 次。由步进电机工作原理可知，定子绕组通电状态的变化次数 决定了步进电机的角位移  ,  ( 即步距角)。该角位移经丝杠、螺母之后转变为工作台的位移量  ，  (t为螺距)。即进给脉冲的数量 →定子绕组通电状态变化次数 →步进电机的转角 →工作台位移量 。
2.工作台进给速度的控制
机床控制系统发出的进给脉冲的频率  ，经驱动控制线路之后，表现为控制步进电机定子绕组通电、断电的电平信号变化频率，也就是定子绕组通电状态变化频率。而定子绕组通电状态的变化频率 决定了步进电机转子的转速ω。该转子转速ω经丝杠螺母转换之后，体现为工作台的进给速度v。即进给脉冲的频率 →定子绕组通电状态的变化频率 →步进电机的转速ω→工作台的进给速度v。
3.工作台运动方向的控制
当控制系统发出的进给脉冲是正向时，经驱动控制线路，使步进电机的定子各绕组按一定的顺序依次通电、断电；当进给脉冲是负向时，驱动控制线路则使定子各绕组按与进给脉冲是正向时相反的顺序通电、断电。由步进电机的工作原理可知，通过步进电机定子绕组通电顺序的改变，可以实现对步进电机正转或反转的控制，从而实现对工作台的进给方向的控制。
综上所述，在开环步进式伺服系统中，输入的进给脉冲的数量、频率、方向，经驱动控制线路和步进电机，转换为工作台的位移量、进给速度和进给方向，从而实现对位移的控制。
三、 步进电机的驱动控制线路
根据步进式伺服系统的工作原理，步进电机驱动控制线路的功能是，将具有一定频率 、一定数量N和方向的进给脉冲转换成控制步进电机各相定子绕组通断电的电平信号。电平信号的变化频率、变化次数和通断电顺序与进给指令脉冲的频率、数量和方向对应。为了能够实现该功能，一个较完整的步进电机的驱动控制线路应包括脉冲混合电路、加减脉冲分配电路、加减速电路、环形分配器和功率放大器(见图5--8)，并应能接收和处理各种类型的进给指令控制信号如自动进给信号、手动信号和补偿信号等。脉冲混合电路、加减脉冲分配电路、加减速电路和环形分配器可用硬件线路来实现，也可用软件来实现。
图 5-8 驱动控制线路框图
四、 提高步进式伺服驱动系统精度的措施
步进式伺服驱动系统是一个开环系统，在此系统中，步进电机的质量、机械传动部分的结构和质量以及控制电路的完善与否，均影响到系统的工作精度。要提高系统的工作精度，应从这几个方面考虑：如改善步进电机的性能，减少步距角；采用精密传动副，减少传动链中传动间隙等。但这些因素往往由于结构和工艺的关系而受到一定的限制。为此，需要从控制方法上采取一些措施，弥补其不足。
1.细分线路
所谓细分线路，是把步进电机的一步再分得细一些。如十细分线路，将原来输入一个进给脉冲步进电机走一步变为输入10个脉冲才走一步。换句话说，采用十细分线路后，在进给速度不变的情况下，可使脉冲当量缩小到原来的  。
若无细分，定子绕组的电流是由零跃升到额定值的，相应的角位移如图5--15(a)所示。采用细分后，定子绕组的电流要经过若干小步的变化，才能达到额定值，相应的角位移如图5--15(b)所示。
图5-15 细分前后一步角位移波形图
（a） 无细分 （b） 细分后
2.齿隙补偿
齿隙补偿又称反向间隙补偿。机械传动链在改变转向时，由于齿隙的存在，会引起步进电机的空走，而无工作台的实际移动。在开环伺服系统中，这种齿隙误差对于机床加工精度具有很大的影响，必须加以补偿。齿隙补偿的原理是：先测出齿隙的大小，设为  ；在加工过程中，每当检测到工作台的进给方向改变时，在改变后的方向增加 个进给脉冲指令，用以克服因步进电机的空走而造成的齿隙误差。
3.螺距误差补偿
在步进式开环伺服驱动系统中，丝杠的螺距积累误差直接影响着工作台的位移精度，若想提高开环伺服驱动系统的精度，就必须予以补偿。补偿原理如图5--16所示。通过对丝杠的螺距进行实测，得到丝杠全程的误差分布曲线。误差有正有负，当误差为正时，表明实际的移动距离大于理论的移动距离，应该采用扣除进给脉冲指令的方式进行误差的补偿，使步进电机少走一步；当误差为负时，表明实际的移动距离小于理论的移动距离，应该采取增加进给脉冲指令的方式进行误差的补偿，使步进电机多走一步。具体的做法是：
(1) 安置两个补偿杆分别负责正误差和负误差的补偿；
(2) 在两个补偿杆上，根据丝杠全程的误差分布情况及如上所述螺距误差的补偿原理，设置补偿开关或挡块；
(3) 当机床工作台移动时，安装在机床上的微动开关每与挡块接触一次，就发出一个误差补偿信号，对螺距误差进行补偿，以消除螺距的积累误差。
图5-16 螺距误差补偿原理
曲线1—理想的移动（没有螺距误差） 曲线2—实际的移动（有螺距的误差）
曲线3—补偿前的误差曲线 曲线4—补偿后的误差曲线 |
