通过控制脉冲宽度，将直流电压转换为一定频率的方波电压，改变输出直流平均电压的自动调速系统。常见的脉冲编码器作为检测设备PWM直流伺服系统的框图如图5-3所示。
图5-3?PWM直流伺服系统原理图
数控装置CPU通过数值积分器发出的指令信号DDA(即插补器)转换后，输出一系列均匀脉冲。为了使实际机床位置的分辨率与指令脉冲相对应，电机通常需要在系统中使用指令倍乘器CMR，倍频/分频变换指令脉冲。将指令脉冲与位置反馈脉冲的差异送到误差寄存器ER；误差寄存器的输出和位置增益(G)、偏移值补偿(D)运算合成后，送到脉宽调制器(PWM)脉宽调制。被调制的脉冲经过D/A变换器作为速度控制单元转换为模拟电压(V)的指令电压VCMD输出。
电机旋转后，脉冲编码器(PC)脉冲通过断线检查器发出(BL)确认无信号断线后，送到相机(DG)，识别电机的旋转方向。鉴相器的输出分为路，一路经过F/V变换器将反馈脉冲转换为测速电压(TSA)，输送速度控制单元与VCMD比较指令，实现速度闭环控制。另一路输出到检测倍乘器DMR，作为位置环的位置反馈输入，经倍乘后送至比较器。
设置不同的CMR与DMR该值可以将指令脉冲的运动量与实际机床的每个脉冲运动量一致，使控制系统适用于各种场合，步进电机。
（1）步进电机的分类
按其运动方式分为旋转式、直线式、平面式
滚切运动。
根据其励磁相数，可分为三相、四相、五相、六相甚至八相
步进电机等；
3.按使用场合分：有功率步进电机和控制步进电机；
4.按其工作原理分为磁电式、反应式(磁阻式)
感应步进电机等；
按使用频率分为高频步进电机和低频步进电机；
按结构分为单段式(径向式)、多段式(轴向式)等。
步进电机的结构：
步进电机分为定子和转子两部分，以图1所示的反应三相步进电机为例。定子上有六个磁极，每个磁极上有励磁绕组，每个相对的两个磁极形成一个相，分为A、B、C三相。转子无绕组，由带齿的铁心制成。步进电机按电磁吸引原理工作。当定子绕组按顺序轮流通电时，A、B、C三对磁极依次产生磁场，每次对转子的某一对齿产生电磁引力，吸引它，使转子逐步旋转。当转子对齿的中心线与定子磁极中心线对齐时，磁阻最小，扭矩为零。如果控制线在一定方向上不断切换定子绕组的各相电流，则转子在一定方向上不断旋转。步进电机每次转动的角度称为步距角。
（2）步进电机的工作原理
虽然步进电机种类繁多，但其基本原理本质是一致的。以三相反应步进电机为例，说明其工作原理：步进电机定子上有三对磁极，分别称为A相，B相和C相。转子上有等距齿(假设转子上有四个齿，两个齿之间的夹角(齿距角)为900)。当A加上电脉冲时，转子1和3齿被磁极A产生的电磁引力吸引，使1和3齿与A相磁极对齐。然后B相通电，A断电时，磁极B吸引了最近的一对齿2和4，使转子逆时针旋转30o。
依次类推，定子按A→B→C→A顺序通电，转子按逆时针逐步旋转，每步旋转30次o。若改变通电顺序，按A→C→B→A使定子绕组通电，步进电机顺时针旋转，每步30o。这种控制方法叫三相单三拍，单是指每次只有一相绕组通电，三拍是指每三次换成一个循环。由于每次只有一相绕组通电，在切换时会失去自锁扭矩，容易失步，另外，只有一相绕组通电，容易在平衡位置附近产生振荡，GM25-370CA，稳定性差，实际应用中不采用单三拍。
采用三相双三拍控制模式，即通电顺序AB→BC→CA→AB(逆时针)或AC→CB→BA→AC(顺时针方向)，步距角仍为300。由于双三拍控制每次有两相绕组通电，切换时总是保持一相绕组通电，因此工作相对稳定。如果按A→AB→B→BC→C→CA→A顺序通电，即A相先通电，然后A相继续通电，B再通电，即A、B两者同时通电，然后A相断电，B相保持通电状态，使用B、C两相通电，依次类推，每次切换，步进电机逆时针转15°。如通电顺序改为A→AC→C→CB→B→BA→A，步进电机以步距角15°顺时针旋转。这种控制方法是三相六拍，比三相三拍小一半，所以精度更高，转换过程中总是保证绕组通电，工作稳定，所以广泛使用。
步进电机的实际应用如图1所示，转子铁芯和定子磁极上有齿距相等的小齿，齿数要有一定比例的配合。
（2）步进电机的主要性能指标
1.??步距角和步距误差
步距角与步进电机相数、通电方式及电机转子齿数的关系如下：
式中?步进电机的步距角；
m?电机相数；Z?转子齿数；
K?相邻两次通电相数相同的系数，K＝1；
两次相邻通电相数不同，K＝2。
步进电机有两个步距角，通常是1.2/0.6、1.5/0.75、1.8/0.9、3/1.5度等，小功率无刷电机。步距误差是指转子每一步实际转动的角度与理论步距角之间的差值。连续走若干步时，上述步距误差的累积值称为步距的累积误差。步进电机转动后，将重复上转的稳定位置，即步进电机的步距累积误差将以一转为周期重复。
步距角与步进电机相数、通电方式及电机转子齿数的关系如下：
式中?步进电机的步距角；
m?电机相数；Z?转子齿数；
K?相邻两次通电相数相同的系数，K＝1；
两次相邻通电相数不同，K＝2。
步进电机有两个步距角，通常是1.2/0.6、1.5/0.75、1.8/0.9、3/1.5度等。步距误差是指步进电机运行时，转子每一步实际转过的角度与理论步距角之差值。上述步距误差的累积值称为步距累积误差。步进电机转动后，将重复上转的稳定位置，即步进电机的步距累积误差将以一转为周期重复。
3???最大启动转矩
图6为三相单三拍矩角特征曲线，图中A、B它们是相邻A相和B相的静态矩角特性曲线，其交点对应的转矩是步进电机的最大启动转矩。如果步进电机的负载转矩超过此值，则无法启动步进电机。其值越大,permanentmagnetDCmotors，承载能力越强。
4.启动频率
空载时，步进电机从静态状态突然启动，进入正常运行的最高频率，称为启动频率或跳跃频率。如果步进电机的指令脉冲频率大于启动频率，则无法正常工作。步进电机在负载（特别是惯性负载）下的启动频率低于空载。此外，随着负载的增加（在允许范围内），启动频率将进一步降低。
5.连续运行频率
步进电机启动后，其运行速度可根据指令脉冲频率连续上升而不丢失的最高工作频率称为连续运行频率。它的价值远大于启动频率，这也与电机负载的性质和大小有很大关系。它随着负载的增加而下降，因为它不需要克服惯性扭矩。它代表了步进电机的最高速度。目前，世界上最高值可达7万r／min。
6.矩频特性及动态转矩
矩频特性是描述步进电机连续稳定运行时输出扭矩与连续运行频率之间的关系（见图7）。每个频率对应的扭矩称为动态扭矩。当步进电机正常运行时，如果输入脉冲频率逐渐增加，电机驱动的负载扭矩将逐渐下降。在使用时，必须考虑动态扭矩随连续运行频率的增加而下降的特点。
(3)步进电机的驱动
根据步进电机的工作原理，我们知道步进电机的角位移与指令脉冲的数量成正比，旋转方向与通电方向有关。因此，步进电机的驱动电路必须能够控制步进电机各相励磁绕组电信号的通电变化频率、频率和通电顺序。该工作由脉冲分配器和功率放大器完成。
脉冲分配器:电机相应的励磁绕组通电或通过脉冲指令按一定顺序导通或截止功率放大器断电装置称为脉冲分配器，也称为环形分配器。它由门电路、触发器等基本逻辑元件组成。步进电机的正转和反转由方向指令控制。步进电机的角度和速度由指令脉冲的频率和数量决定。脉冲分配可以通过硬件或软件来实现。
四、开环控制步进伺服系统的工作原理
1.控制工作台位移
数控装置发出N个脉冲。驱动线路放大后，步进电机定子绕组的通电状态发生N次变化。如果一个脉冲使步进电机转动的角度为α，步进电机转动的角位移Φ＝Nα，位移量通过减速齿轮、螺钉和螺母转换为工作台L，即进给脉冲数决定了工作台的直线位移L。
2.控制工作台进给速度
数控装置发出的进给脉冲频率为f，驱动控制线控制步进电机定子绕组的通电和断电状态的电平信号变化频率。定子绕组的通电状态变化频率决定了步进电机的速度。减速齿轮、螺钉和螺母后，反映在工作台的进给速度上V，进给脉冲的频率决定了工作台的进给速度。
3.控制工作台运动方向
改变步进电机输入脉冲信号的循环顺序方向，就可改变定子绕组中电流的通断循环顺序，从而使步进电机实现正转和反转，相应的工作台进给方向就被改变。
2.调制正弦脉宽(SPWM)变压变频器
UR?整流器六个二级管桥式整流器通常用于固定电压不可控整流器结构将交流
变为直流，电压幅值不变。为逆变器供电。
UI?逆变器大功率晶体管常用于六个功率开关装置。其控制极(大功率
率晶体管GTR为基极)输入由基准正弦波(速度指令)转换
)与三角波叠加SPWM调制波(等幅、不等宽矩形脉冲)
波)，使这些大功率晶体管按照一定的规则引导和截止，输出一系列功率
可变频变压等幅等于正弦交流电的不等宽矩形脉冲电压
波，即功率级SPWM电压，使电机旋转。
还可以使用功率开关装置：可关闭晶闸管GT、功率场效应晶
体管MOSFET、绝缘门极晶体管IGBT等。
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