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云南CY集团有限公司（原云南机床厂）始建于1961年，是中国机械工业重点骨干企业，国有控股机械制造大型企业，拥有自营进出口权，是中国西部地区规模大的车床制造厂，年生产各式车床3500台以上。10年来产品一直保持三分之二出口，产品远销北美、欧洲、澳洲、南非、北非、中东以及东南亚等77个国家和地区，连续7年出口创汇保持1000～1300万美元，在中国机床行业出口业绩中一直保持地位。在国内和国际市场上有完备的分销网络及备品、备件、技术支持等售前售后服务体系。
该公司主导产品是CY系列卧式车床、数控车床、高速精密车床、大孔径车床、仿型车床。近几年大力发展了#20～#20mm全系列全功能数控车床，其主要产品被评为优质产品，数控机床被评为全国用户满意度。产品已形成了5大类、234种规格，集机、电、液，高、中、低档兼容，规格齐全的产品阵容，产品广泛适用于机械、汽车、石化、兵器、纺织、船舶、航空、航天等多种行业需要。
该公司生产的机床主轴电机功率从5.5KW—15KW不等，电机为4极变频电机，所有主轴电机均采用变频调速代替原老式机床的齿轮变速箱，变频器能在机床的调速范围内做到无级调速，其调速范围远远高于原变速箱，可以根据所切削加工的对象任意调整主轴转速，现以7.5KW为列，对其调速过程进行说明。
从上图可以看出，其主轴转速从0-3000转，1000r/min以下电机的输出功率随着转速的下降而下降，1000-3000r/min为恒功率输出，电机转速4500r/min，根据电机转速公式n=60f（1-s）/2p，所选电机为4极电机，在忽略转差率s的情况下，要求变频器输出的高频率达150HZ。变频器在50HZ—150HZ之间为恒功率调速，在50HZ以下电机的输出功率成线性降低。
现在市场上通用的变频器基本都能满足该调速要求，但云机生产的变频器主要以出口为主，面向全球市场，需考虑配套产品的可靠性、品牌性、和国际影响力等因数，经过长时间的考察决定选用美国罗克韦尔旗下AB公司生产的PowerFlex40变频器。
PowerFlex40变频器设计紧奏、节省空间，给用户提供了强大的电机速度控制功能，这样的设计是为满足全球OEM和终用户对灵活性、节省空间和使用方便的要求。该变频器拥有150%过载可持续60s和200%过载可持续3s的过载保护能力，其PWM频率可调节到16kHz，保证了电机运行时的低噪音。
由于机床主轴的加减速比较频繁且加减速时间短，变频器内部制动电阻难以消耗掉制动过程中所产生的能量，故设置了外部制动电阻，其电阻值为60欧，1千瓦，变频器本身已经内置制动单元。在变频器运行前将电机参数写入相应参数组，设置变频器为开环矢量控制，外部电阻制动，运行的高频率200HZ，设置加减速时间为1秒，变频器停止方式设为斜坡停止，参数设置完成后投入运行，但在停机过程中经常发生故障代码为F5的故障，该故障为加减速禁止，直流母线电压超高，参照说明把减速时间设为3秒该故障代码继续出现，通过计算分析外部制动电阻值和功率都足够胜任制动需求，再仔细阅读变频器说明书，发现A082参数动态电阻的暂载率为5%，该参数是为了保护变频器内部制动电阻过热的默认值，由于已经采用外部制动电阻，可以将该值放大，将其设为20%，故障现象不在发生，再将减速时间设置为1秒，该故障代码也不再发生，
当变频器工作在60HZ-90HZ时电机噪声增大，且伴有机械震动，大于90HZ时此现象消失。初步分析可能是因为该频率段和电机有机械和电气上的不匹配，再参照说明书，发现参数A127电机自整定没有进行设置，将电机负载脱开，进行电机自整定，该过程变频器会自动读取电机参数，以建立和电机匹配的控制模型，通过自整定后电机运行噪音大大减小，为了使变频器的输出波形更加平滑，将载波频率设置为6K（默认为4K，高为16K），此时电机运行非常平稳，噪声基本消失，云机对此非常满意。准备在以后的使用中全部选用该款变频器，以增强国际竞争力。
从以上情况来看，推广过程中只要注意客户的具体要求和变频器的一些参数设置，PF40变频器在机床行业是完全可以胜任的。
是一种同步电机，其结构同其它电机一样，由定子和转子组成，定子为激磁场，其激磁磁场为脉冲式，即磁场以一定频率步进式旋转，转子则随磁场一步一步前进。步进电机主要有反应式、电磁式、永磁式几种。下面以反应式步进电机为例，来讨论其工作原理：
步进电机由转子和定子两部分组成。转子和定子均由带齿的硅钢片叠成。定子上有绕组分为若干相，每相磁极上有极齿。当某相定子绕组通以直流电压激磁后，便吸引转子，使转子上的齿与该相定子的齿对齐，令转子转动一定的角度，依次向定子绕组轮流激磁，会使转子连续旋转。
步进电机的定子可以做成三、四、五、六相甚至于做成八相，各相绕组可在定子上径向排列，也可在定子的轴向上分段排列。
下面的flash为步进电机的工作原理动画演示，所选示例为单定子径向分相式反应步进电机的断面图。转子上有均匀分布的40个齿，没有绕组。a、b、c三相定子每相两极，每极上有5个齿，与转子一样齿间夹角均为9°。如果a相通电则转子齿与a相极齿对齐，这时在b相两极下定子齿与转子齿中心线并不对齐，而是转子齿中心线较定子齿中心线反时针方向落后1/3齿距，即3°。c相下，转子齿超前6°。当通电状态由a相变为b相时，转子顺时针方向转过3°，c相通电再转3°。步距角为
双拍通电激磁，即按a-ab-b-bc-c-ca-a……的顺序通电激磁，则步距角为
一般而言
（1）
式中：m——绕组相数；
z——转子齿数，单拍通电kp＝1，双拍通电kp＝2。如果按上述的方向通电，则步进电机将反时针方向旋转。
图1所示为五相五定子轴向分应式步进电机。定子和转子都分为5段，呈轴向布置。其上均有16个齿，故齿距为22.5°，各相定子彼此径向错开1/5个齿的齿距（也可以由五段转子彼此径向错开1/5齿距）。如果按a-b-c-d-e-a……的五相五拍通电，步距角为
如果按ab-abc-bc-bcd-cd-cde-de-dea-ea-eab-ab……的十拍通电，则步距角为2.25°。
图1 五相五定子轴向分应式步进电机
图2（a）为160bf02型六相功率步进电机，电机的转子有40个齿，不分段由硅钢片叠成。步距角可以是1.5°或0.75°。电机的定子如图（b）所示由硅钢片叠成分为三段，每段有8个磁极，单数极属于同一相，双数极属于另一相，极齿的齿夹角也是360°/40＝9°，每段上的两相磁极的极齿彼此便错开4.5°。三段定子装入机壳内时，三段上的记号槽相互径向错开120°，三段上三个均布键槽对齐，在键槽中用键固定。这样装配后，段与段之间的极齿便错开1.5°，如果段的两相为a、d相，则第二段为b、e相，第三段为c、f相。功率步进电机的输出转矩大，绕组上的电流大。结构上采用径向与轴向分相相结合的形式，径向尺寸小，惯性小，散热好，没有磁漏。
图2 160bf02型六相功率步进电机
反应式原理由于反应式步进电机工作原理比较简单。下面先叙述三应式步进电机原理。
1、结构：电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。0、1/3て、2/3て,(相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示)，即a与齿1相对齐，b与齿2向右错开1/3て，c与齿3向右错开2/3て，a'与齿5相对齐，(a'就是a，齿5就是齿1)下面是定转子的展开图：
2、旋转：如a相通电，b，c相不通电时，由于磁场作用，齿1与a对齐，(转子不受任何力以下均同)。如b相通电，a，c相不通电时，齿2应与b对齐，此时转子向右移过1/3て，此时齿3与c偏移为1/3て，齿4与a偏移(て-1/3て)=2/3て。如c相通电，a，b相不通电，齿3应与c对齐，此时转子又向右移过1/3て，此时齿4与a偏移为1/3て对齐。如a相通电，b，c相不通电，齿4与a对齐，转子又向右移过1/3て这样经过a、b、c、a分别通电状态，齿4(即齿1前一齿)移到a相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按a，b，c，a……通电，电机就每步(每脉冲)1/3て,向右旋转。如按a，c，b，a……通电，电机就反转。电机的位置和速度由导电次数(脉冲数)和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用a-ab-b-bc-c-ca-a这种导电状态，这样将原来每步1/3て改变为1/6て。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3て变为1/12て，1/24て，这就是电机细分驱动的基本理论依据。不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。
3、力矩：电机一旦通电，在定转子间将产生磁场(磁通量ф)当转子与定子错开一定角度产生力f与(dф/dθ)成正比
其磁通量ф=br*s br为磁密，s为导磁面积 f与l*d*br成正比 l为铁芯有效长度，d为转子直径br=n·i/rn·i为励磁绕阻安匝数(电流乘匝数)r为磁阻。力矩=力*半径力矩与电机有效体积*安匝数*磁密成正比(只考虑线性状态)电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，亦然
当系统精度要求较高或负载较大时，开环伺服系统往往满足不了要求，这时应采用闭环或半闭环控制的伺服系统。
从控制原理上讲，闭环控制与半闭环控制是一样的，都要对系统输出进行实时检测和反馈，并根据偏差对系统实施控制。
两者的区别仅在于检测信号位置的不同，导致设计、制造的难易程度不同及工作性能的不同，但两者的设计与分析方法是基本上一致的。
一、系统方案设计
(一)闭环或半闭环控制方案的确定
当系统精度要求很高时，应采用闭环控制方案。
闭环伺服系统结构复杂，设计难度大，成本高，尤其是机械系统的动态性能难于提高，系统稳定性难于保证。除非精度要求很高时，一般应采用半闭环控制方案。目前大多数和工业机器人中的伺服系统都采用半闭环控制。
(二)执行元件的选择
直流伺服、交流伺服电动机或伺服阀控制的液压伺服马达作为执行元件。
(三)检测反馈元件的选择
常用的位置检测传感器有旋转变压器、感应同步器、码盘、光电脉冲编码器、光栅尺、磁尺等。
①被测量为直线位移，应选尺状的直线位移传感器，如光栅尺、磁尺、直线感应同步器等。
②被测量为角位移，应选圆形的角位移传感器，如光电脉冲编码器、圆感应同步器、旋转变压器、码盘等。
在位置伺服系统中，为了获得良好的性能，往往还要对执行元件的速度进行反馈控制，还要选用速度传感器。交、直流伺服电动机常用的速度传感器为测速发电机。目前在半闭环伺服系统中，也常采用光电脉冲编码器，既测量电动机的角位移，又通过计时而获得速度。
(四)机械系统与控制系统方案的确定
机械传动与执行机构在结构形式上与开环控制的伺服系统基本一样，即由执行元件通过减速器和滚动丝杠螺母机构，驱动工作台运动。
控制系统方案的确定：
主要包括执行元件控制方式的确定和系统伺服控制方式的确定。
对于直流伺服电动机，应确定是采用晶体管脉宽调制(pwm)控制，还是采用晶闸管(可控硅)放大器驱动控制。对于交流伺服电动机，应确定是采用矢量控制，还是采用幅值、相位或幅相控制。
伺服系统的控制方式有模拟控制和数字控制，每种控制方式又有多种不同的控制算法。
还应确定是采用软件伺服控制，还是采用硬件伺服控制，以便据此选择相应的计算机。
二、系统性能分析
(一)系统的数学模型
(二)数学模型的简化
1.简化成一阶系统
假如系统中各环节都是理想的，没有惯性，没有阻尼，刚性为无穷大。
k值大的伺服系统称为硬伺服或高增益系统，k值小的称为软伺服或低增益系统。
2.简化成二阶系统
当机械系统的刚度非常大，惯性非常小，其固有频率远远大于伺服电动机固有频率时，伺服系统的动态特性就主要取决于伺服电动机速度环的动态特性。
采用大惯量直流伺服电动机的中小型伺服系统和半闭环控制的伺服系统大多数都属于这种情况。
3.简化成三阶系统
当机械系统固有频率远低于伺服电动机固有频率时，伺服系统的动态特性主要取决于机械系统，则系统可简化成三阶系统。
属于这种情况的有：
小惯量直流伺服电动机的中小型伺服系统或大惯量直流伺服电动机的大型伺服系统
(三)系统稳定性及快速响应性分析
利用数学模型对系统性能进行分析，找出系统各参数对系统性能的影响关系，以便在设计时合理选择各参数。
1.一阶系统分析
如取位置传感器的比例系数kp＝1
2.二阶系统分析
3.三阶系统分析
比例、积分环节的对数幅频及相频特性表达式为：
振荡环节的对数幅频及相频特性表达式为：
(四)系统精度分析
系统在稳定状态下，其输出位移与输入指令信号之间的稳态误差δ为：
式中：
δ1—与系统的构成环节及输入信号形式有关的误差，称为跟踪误差；
δ2—由负载扰动所引起的稳态误差。
1.跟踪误差
位置伺服系统属于i型系统。
系统在跟踪阶跃输入时的跟踪误差δ1＝0mm；
在跟踪等速斜坡输入时，其跟踪误差为
式中：
v—输入的速度指令(mm/s)；
k—系统的开环增益(s-1)。
2.负载扰动所引起的误差
对于i型系统，由负载扰动所引起的稳态误差δ2(mm)可用下式计算
式中：
k3－机械系统的转换系数(mm/rad)， k3＝p/(2πi) ；
tl－折算到电动机轴上的干扰转矩(n·m)；
kr－系统伺服刚度或称力增益(n·m/rad)，它定义为干扰转矩t1与由tl引起的电动机输出角位移的误差之比；
kd是伺服电动机的内阻尼系数，可直接由电动机样本查得。
三、系统参数设计
(一)系统开环增益k
通常情况下，k值在8～50s-1范围内选取，具体取值大小还应根据系统控制方式、执行元件类型、工作台质量及导轨阻尼特性等来确定。
对于点位直线控制的数控机床伺服进给系统，k值常取为8—15s-1，对于连续控制的数控机床伺服进给系统，k值常取为25s-1左右。
在闭环位置伺服系统中，通常都采用速度负反馈回路，系统的开环增益为：
在无速度反馈信号时，系统的开环增益为：
低增益伺服系统在运动时开环增益比较低，但在静止状态时，由于速度负反馈回路不起作用，相当于具有较高的开环增益。低增益伺服系统并不影响其启动时的快速响应性和制动时的定位精度。
采用的伺服系统还常通过变开环增益的方法来改善系统性能。
在系统响应的开始阶段，采用较高的开环增益，使系统响应加快，曲线上升变陡；
在系统响应接近稳态值时，减小开环增益，使系统平稳、无超调、快速地趋近于稳态值。
(二)系统阻尼比ξ
对于二阶系统，当系统允许的大超调量mp＝(25～1.5)%时，ξ可在0.4～0.8范围内选取。
影响系统阻尼比ξ的主要因素是导轨阻尼比。
增加系统阻尼比措施：
对滚动导轨预加载荷，加设阻尼器等，或通过降低系统开环增益及采用速度负反馈回路的方法来增加阻尼比。
(三)系统固有频率ωn
提高固有频率有利于改善系统稳定性和快速响应性，减小各种因素引起的误差，提高抗干扰能力，但固有频率的提高往往受系统结构、成本等条件限制。一般情况下，主要按系统稳定性要求来确定各环节的固有频率。
对于三阶系统，为保证其稳定性
若要保证系统具有大于10db的幅值稳定裕度，则要求
一般情况下，伺服系统中各环节的固有频率都应满足如下要求：
1)机械系统的固有频率应高于驱动系统的固有频率2～3倍
2)位置环以外的其它机械部件的固有频率应比位置环内各部件的固有频率高2～3倍。
3)如在位置环内还有速度环，则速度环的幅频交界频率应高于系统截止频率ωc，驱动系统的固有频率应高于速度环的幅频交界频率。
4)系统工作频率范围内不应包含有各环节的固有频率，以免在扰动影响下发生共振。
5)各环节的固有频率应相互错开一定距离，以免振动耦合。