數(shù)控機床伺服系統(tǒng)概述

1、第六章 數(shù)控機床伺服系統(tǒng)6.1 概述6.2 開環(huán)控制系統(tǒng)與步進電機驅(qū)動電路6.3 閉環(huán)伺服系統(tǒng)與反饋比較形式6.4 直流伺服電機與調(diào)速系統(tǒng)6.5 交流伺服電機與主軸驅(qū)動系統(tǒng)16.1 概述6.1.1 伺服系統(tǒng)的分類 數(shù)控伺服系統(tǒng)由伺服電機（M）、驅(qū)動信號控制轉換電路、電力電子驅(qū)動放大模塊、電流調(diào)解單元、速度調(diào)解單元、位置調(diào)解單元和相應的檢測裝置（如光電脈沖編碼器G）等組成。一般閉環(huán)伺服系統(tǒng)的結構如圖6.1所示。它是一個三環(huán)結構系統(tǒng)，其中，外環(huán)是位置環(huán)，中環(huán)是速度環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。2 開環(huán)伺服系統(tǒng) 閉環(huán)伺服系統(tǒng) 半閉環(huán)系統(tǒng) （1 1）按調(diào)節(jié)理論分類）按調(diào)節(jié)理論分類3 電液伺服控制系統(tǒng) 電氣伺服控制

2、系統(tǒng)（2 2）按使用的執(zhí)行元件分類）按使用的執(zhí)行元件分類 進給伺服系統(tǒng) 主軸伺服系統(tǒng)（3 3）按被控對象分類）按被控對象分類4 （1）高精度 由于數(shù)控機床的動作是由伺服電動機直接驅(qū)動的，為了保證移動部件的定位精度，對進給伺服系統(tǒng)要求定位準確。一般要求定位精度達到0.010.001mm；高檔設備的定位精度要求達到0.1m以上。速度控制要求在負載變化時有較強的抗擾動能力，以保證速度恒定。這樣才能在輪廓加工中保證有較好的加工精度。 6.1.2 6.1.2 伺服系統(tǒng)的基本要求伺服系統(tǒng)的基本要求 5 （2）穩(wěn)定性好 穩(wěn)定性是指系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調(diào)節(jié)過程后，達到新的或者恢復到原來的

3、平衡狀態(tài)，對伺服系統(tǒng)要求有較強的抗干擾能力。穩(wěn)定性是保證數(shù)控機床正常工作的條件，直接影響數(shù)控加工的精度和表面粗糙度。6 （3）響應快速 為了提高生產(chǎn)率，保證加工精度要求伺服系統(tǒng)有良好的快速響應特性，即要求跟蹤指令信號的響應要快。這就對伺服系統(tǒng)的動態(tài)性能提出了兩方面的要求：一方面，在伺服系統(tǒng)處于頻繁地起動、制動、加速、減速等動態(tài)過程中，為了提高生產(chǎn)效率和保證加工質(zhì)量，要求加、減速度足夠大，以縮短過渡過程時間，一般電動機速度由零到最大，或從最大減少到零，時間應控制在200毫秒以下，甚至少于幾十毫秒，且速度變化不應有超調(diào)；另一方面，當負載突變時，過渡過程恢復時間要短且無振蕩，這樣才能達到光滑的加工表

4、面。 7 （4）調(diào)速范圍寬 目前數(shù)控機床一般要求進給伺服系統(tǒng)的調(diào)速范圍是030m/min，有的已達到240m/min。除去滾珠絲杠和降速齒輪的降速作用。伺服電動機要有更寬的調(diào)速范圍。對于主軸電動機，因使用無級調(diào)速，要求有（1:100）（1:1000）范圍內(nèi)的恒轉矩調(diào)速以及1:10以上的恒功率調(diào)速。 （5）低速大轉矩 機床在低速切削時，切深和進給都較大，要求主軸電動機輸出轉矩較大?，F(xiàn)代的數(shù)控機床，通常是伺服電動機與絲杠直聯(lián)，沒有降速齒輪，這就要求進給電動機能輸出較大的轉矩。對于數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)主要是速度和位置控制。 8 （6）較強的過載能力 由于電動機加減速時要求有很快的響應速度，而使電動機

5、可能在過載的條件下工作，這就要求電動機有較強的抗過載能力。通常要求在數(shù)分鐘內(nèi)過載46倍而不損壞。 （7）慣性匹配 移動部件加速和降速時都有較大的慣量，由于要求系統(tǒng)的快速響應性能好，因而電動機的慣量要與移動部件的慣量匹配。通常要求電動機的慣量不小于移動部件慣量。 96.2 開環(huán)控制系統(tǒng)與步進電機 絲杠控制器 電機驅(qū)動器動力源工作臺6.2.1 6.2.1 開環(huán)控制系統(tǒng)的組成開環(huán)控制系統(tǒng)的組成 開環(huán)控制系統(tǒng)不存在反饋環(huán)節(jié)，系統(tǒng)輸出只受輸入開環(huán)控制系統(tǒng)不存在反饋環(huán)節(jié)，系統(tǒng)輸出只受輸入的控制。開環(huán)控制系統(tǒng)具有結構簡單，比較經(jīng)濟的的控制。開環(huán)控制系統(tǒng)具有結構簡單，比較經(jīng)濟的優(yōu)點，其缺點是控制精度和抑制干擾

6、的能力較差，優(yōu)點，其缺點是控制精度和抑制干擾的能力較差，且對系統(tǒng)參數(shù)的變動敏感。且對系統(tǒng)參數(shù)的變動敏感。106.2.2 步進電機步進電機 步進電機流行于上世紀步進電機流行于上世紀70年代，該系統(tǒng)結構簡年代，該系統(tǒng)結構簡單、控制容易、維修方便，且控制為全數(shù)字化。隨單、控制容易、維修方便，且控制為全數(shù)字化。隨著計算機技術的發(fā)展，除功率驅(qū)動電路之外，其它著計算機技術的發(fā)展，除功率驅(qū)動電路之外，其它部分均可由軟件實現(xiàn)，從而進一步簡化結構。因此，部分均可由軟件實現(xiàn)，從而進一步簡化結構。因此，這類系統(tǒng)目前仍有相當?shù)氖袌?。目前步進電機僅用這類系統(tǒng)目前仍有相當?shù)氖袌?。目前步進電機僅用于小容量、低速、精度要不高

7、的場合，如經(jīng)濟型數(shù)于小容量、低速、精度要不高的場合，如經(jīng)濟型數(shù)控設備、打印機、繪圖機等計算機的外部設備?？卦O備、打印機、繪圖機等計算機的外部設備。11 步進電機是一種將電脈沖信號轉化為機械角位移的電磁機械裝置。由于所用電源是脈沖電源，所以也稱為脈沖馬達。 步進電機和一般電機不同，一般電機通電后連續(xù)轉動，而步進電機則隨輸入的脈沖按節(jié)拍一步一步地轉動。對步進電機施加一個電脈沖信號時，步進電機就旋轉一個固定的角度，稱為一步。每一步所轉過的角度叫做步距角。 12 步進電機的角位移量和輸入的脈沖數(shù)成正比。在時間上步進電機的角位移量和輸入的脈沖數(shù)成正比。在時間上與輸入的脈沖同步。與輸入的脈沖同步。 因此，

8、只需要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電機繞組通因此，只需要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電機繞組通電相序，便可以獲得所需要的轉角電相序，便可以獲得所需要的轉角、轉速及轉動方向轉速及轉動方向。 在無脈沖輸入時，步進電機在繞組電源激勵下，氣隙在無脈沖輸入時，步進電機在繞組電源激勵下，氣隙磁場能使轉子保持原有的位置而處于定位狀態(tài)。磁場能使轉子保持原有的位置而處于定位狀態(tài)。13步進電機的分類步進電機的分類按運動方式分：按運動方式分： 旋轉運動、直線運動式步進電機；旋轉運動、直線運動式步進電機；按工作原理分：反應式（磁阻式）、電磁式、永磁式；按工作原理分：反應式（磁阻式）、電磁式、永磁式；按結構分：單段式（徑向

9、式）、多段式（軸向式）；按結構分：單段式（徑向式）、多段式（軸向式）；按使用場合分：功率步進電機和控制步進電機；按使用場合分：功率步進電機和控制步進電機；按相數(shù)分：三相、四相、五相、六相、八相等；按相數(shù)分：三相、四相、五相、六相、八相等；按使用頻率分：按使用頻率分： 高頻率和低頻步進電機；高頻率和低頻步進電機； 不同的步進電機，其工作原理、驅(qū)動裝置也不完全一樣。不同的步進電機，其工作原理、驅(qū)動裝置也不完全一樣。14CABBCA3412 A相繞組通電，相繞組通電，B、C相不通電。相不通電。氣隙產(chǎn)生以氣隙產(chǎn)生以A-AA-A為軸線的磁場，而磁為軸線的磁場，而磁力線總是力圖從磁阻最小的路徑通力線總是力

10、圖從磁阻最小的路徑通過，故電動機轉子受到一個反應轉過，故電動機轉子受到一個反應轉矩，在此轉矩的作用下，轉子必然矩，在此轉矩的作用下，轉子必然轉到左圖所示位置：轉到左圖所示位置：1、3齒與齒與A、A極對齊。極對齊?！叭嗳唷敝溉嗖竭M電機；指三相步進電機；“單單”指每次只能一相繞組指每次只能一相繞組通電；通電；“三拍三拍”指通電三次完成一個通電循環(huán)。指通電三次完成一個通電循環(huán)。步進電動機的工作原理步進電動機的工作原理15CABBCA3412同理，同理，B相通電時，轉子會轉過相通電時，轉子會轉過30 角，角，2、4齒和齒和B、B 磁極軸線對齊；當磁極軸線對齊；當C相通電時，轉子相通電時，轉子再轉

11、過再轉過30 角，角，1、3齒和齒和C、C磁極軸線對齊。磁極軸線對齊。1C342CABBA16這種工作方式下，三個繞組依次通電一次為一個循環(huán)這種工作方式下，三個繞組依次通電一次為一個循環(huán)周期，一個循環(huán)周期包括三個工作脈沖，所以稱為三相單周期，一個循環(huán)周期包括三個工作脈沖，所以稱為三相單三拍工作方式。三拍工作方式。 按按AB C A 的順序給三相繞組輪流通電，的順序給三相繞組輪流通電，轉子便一步一步轉動起來。每一拍轉過轉子便一步一步轉動起來。每一拍轉過30( (步距角步距角) )，每，每個通電循環(huán)周期個通電循環(huán)周期( (3拍拍) )磁場在空間旋轉了磁場在空間旋轉了360而轉子而轉子轉過轉過90(

12、 (一個齒距角一個齒距角) )。 按按AAB B BC C CA的順序給三相繞組輪的順序給三相繞組輪流通電。流通電。這種方式可以獲得更精確的控制特性。這種方式可以獲得更精確的控制特性。17CABBCA3412CABBCA3412 A相通電，相通電，轉子轉子1 1、3 3齒與齒與A、A 對齊。對齊。 A、B相同時通電，相同時通電，A、A 磁極拉住磁極拉住1、3齒，齒，B、B 磁極拉住磁極拉住2、4齒，齒，轉子轉轉子轉過過15 ，到達左圖到達左圖所示位置。所示位置。18CABBCA3412 B B 相通電，相通電，轉子轉子2、4齒與齒與B、B 對齊對齊, ,又轉又轉過過15 。3412CABBCA

13、 B、C相同時通電，相同時通電，C 、C 磁極拉住磁極拉住1、3齒，齒，B、B 磁極拉住磁極拉住2、4齒，轉子再轉齒，轉子再轉過過15 。19 三相反應式步進電動機的一個通電循環(huán)周三相反應式步進電動機的一個通電循環(huán)周期如下：期如下：AAB B BC C CA，每個循每個循環(huán)周期分為六拍。每拍轉子轉過環(huán)周期分為六拍。每拍轉子轉過15 （步距角），（步距角），一一個通電循環(huán)周期個通電循環(huán)周期( (6拍拍) )轉子轉過轉子轉過90 ( (齒距角齒距角) )。 與單三拍相比，六拍驅(qū)動方式的步進角更與單三拍相比，六拍驅(qū)動方式的步進角更小，更適用于需要精確定位的控制系統(tǒng)中。小，更適用于需要精確定位的控制系

14、統(tǒng)中。 按按AB BC CA的順序給三相繞組輪流通的順序給三相繞組輪流通電。每拍有兩相繞組同時通電電。每拍有兩相繞組同時通電。20AB通電通電CABBCA3412BC通電通電3412CABBCACA通電通電CABBCA3412 與單三拍方式相似，雙三拍驅(qū)動時每個通電與單三拍方式相似，雙三拍驅(qū)動時每個通電循循環(huán)周期也分為三拍。每拍轉子轉過環(huán)周期也分為三拍。每拍轉子轉過30 ( (步距角步距角) )，一一個通電循環(huán)周期個通電循環(huán)周期( (3拍拍) )轉子轉過轉子轉過90 ( (齒距角齒距角) )。21從上述可知，步距角的大小與通電方式和轉子齒從上述可知，步距角的大小與通電方式和轉子齒數(shù)有關，其大小

15、可用下式計算：數(shù)有關，其大小可用下式計算： 360(Zm)Z轉子齒數(shù)轉子齒數(shù) m一運行拍數(shù)一運行拍數(shù)22步進電動機的主要性能指標步進電動機的主要性能指標1.1.步距角步距角2.2.最大靜轉矩最大靜轉矩3.3.空載啟動頻率空載啟動頻率4.4.啟動矩頻特性啟動矩頻特性5.5.空載運行頻率空載運行頻率2324步進電機開環(huán)系統(tǒng)設計要解決的主要問題要解決的主要問題：動力計算動力計算 傳動計算傳動計算 驅(qū)動電路設計或選擇驅(qū)動電路設計或選擇 傳動計算選擇合適的參數(shù)以滿足脈沖當量和進給速度F的要求。 圖中：f 脈沖頻率（HZ ） 步距角 （度） Z1、Z2 傳動齒輪齒數(shù) t 螺距(mm) 脈沖當量（mm）步進

16、電機Z1Z2 tf， 25傳動比選擇：傳動比選擇： 為了湊脈沖當量為了湊脈沖當量 mm，也為了增大傳遞的扭矩，在，也為了增大傳遞的扭矩，在步進電機與絲桿之間，要增加一對齒輪傳動副，那么，步進電機與絲桿之間，要增加一對齒輪傳動副，那么，傳動比傳動比 i=Z1/Z2與與、 、t之間有如下關系：之間有如下關系： 步距角，步距角， 脈沖當量，脈沖當量， t絲杠導程。絲杠導程。360ti 26 例例1： = 0.01mm, t = 1.5 mm, = 1.2步進電機Z1Z2 tf， 5 . 0)01. 0360/()5 . 12 . 1 (i27進給速度進給速度F： 一般步進電機一般步進電機： 若：若：

17、=0.01 mm 則：則： 若：若：=0.001mm 則：則： 因此，當因此，當fmax一定時，一定時，F(xiàn)max與與成正比，故我們在談成正比，故我們在談到步進電機開環(huán)系統(tǒng)的最高速度時，都應指明是在多大到步進電機開環(huán)系統(tǒng)的最高速度時，都應指明是在多大的脈沖當量的脈沖當量下的下的,否則是沒有意義的。否則是沒有意義的。minmmf60Fminmaxmm96004800Fminmaxmm960480FZH160008000fmax28提高步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng)傳動精度的措施提高步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng)傳動精度的措施 影響步進電機開環(huán)系統(tǒng)傳動精度的因素：影響步進電機開環(huán)系統(tǒng)傳動精度的因素： 步進電機的步距角精

18、度；步進電機的步距角精度； 機械傳動部件的精度；機械傳動部件的精度； 絲桿等機械傳動部件、支承的傳動間隙；絲桿等機械傳動部件、支承的傳動間隙； 傳動件和支承件的變形。傳動件和支承件的變形。 提高步進電機開環(huán)系統(tǒng)傳動精度的措施提高步進電機開環(huán)系統(tǒng)傳動精度的措施 適當提高系統(tǒng)組成環(huán)節(jié)的精度；適當提高系統(tǒng)組成環(huán)節(jié)的精度； 采取各種精度補償措施。采取各種精度補償措施。29傳動間隙補償傳動間隙補償 在整個行程范圍內(nèi)測量傳動機構傳動間隙，取其平均值存在整個行程范圍內(nèi)測量傳動機構傳動間隙，取其平均值存放在數(shù)控系統(tǒng)中的間隙補償單元，當進給系統(tǒng)反向運動時，數(shù)放在數(shù)控系統(tǒng)中的間隙補償單元，當進給系統(tǒng)反向運動時，數(shù)

19、控系統(tǒng)自動將補償值加到進給指令中，從而達到補償目的。控系統(tǒng)自動將補償值加到進給指令中，從而達到補償目的。 螺距誤差補償螺距誤差補償 利用計算機的運算處理能力，可以補償滾珠絲杠的螺距累積利用計算機的運算處理能力，可以補償滾珠絲杠的螺距累積誤差，以提高進給位移精度。誤差，以提高進給位移精度。 方法：首先測量出進給絲杠螺距誤差曲線方法：首先測量出進給絲杠螺距誤差曲線(規(guī)律規(guī)律)，然后可采，然后可采用下列兩種方法實現(xiàn)誤差補償：硬件補償、軟件補償。用下列兩種方法實現(xiàn)誤差補償：硬件補償、軟件補償。30例例2 設設X-Y 工作臺由步進電機直接經(jīng)絲桿螺母副驅(qū)工作臺由步進電機直接經(jīng)絲桿螺母副驅(qū)動，絲桿螺距為動，

20、絲桿螺距為5mm，步進電機步距角為，步進電機步距角為150，工作，工作方式三相六拍，工作臺最大行程為方式三相六拍，工作臺最大行程為400mm，求：，求：（1）脈沖當量；）脈沖當量；（2）微機發(fā)出的脈沖總數(shù)是多少？）微機發(fā)出的脈沖總數(shù)是多少？31(2)計算脈沖數(shù)計算脈沖數(shù)n，由 n =L=L( (工作臺最大行程）工作臺最大行程）所以，脈沖數(shù)為所以，脈沖數(shù)為： n = =L/ L/ 400/0.0208319200400/0.0208319200步步解： （1）由計算脈沖當量）由計算脈沖當量：360 L0已知， L0=5mm， =150求脈沖當量求脈沖當量 計算計算 5/360 5/360 1.5

21、=0.02083(mm)326.3 閉環(huán)伺服系統(tǒng)與與反饋比較形式6.3.1 6.3.1 閉環(huán)與半閉環(huán)伺服進給系統(tǒng)閉環(huán)與半閉環(huán)伺服進給系統(tǒng) 在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，傳感器安裝在控制目標部件上，直接檢在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，傳感器安裝在控制目標部件上，直接檢測目標的運動，并將目標的有關信息反饋到控制器，由控制器進測目標的運動，并將目標的有關信息反饋到控制器，由控制器進行反饋控制。具有反饋環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)具有抑制干擾的能力，控行反饋控制。具有反饋環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)具有抑制干擾的能力，控制精度較高；但是反饋環(huán)節(jié)的引入增加了系統(tǒng)的復雜性，且增益制精度較高；但是反饋環(huán)節(jié)的引入增加了系統(tǒng)的復雜性，且增益選擇不當時可能會導致系

22、統(tǒng)不穩(wěn)定。選擇不當時可能會導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。 絲杠控制器 電機驅(qū)動器動力源工作臺傳感器336.3 閉環(huán)伺服系統(tǒng)與與反饋比較形式6.3.1 6.3.1 閉環(huán)與半閉環(huán)伺服進給系統(tǒng)閉環(huán)與半閉環(huán)伺服進給系統(tǒng) 在半閉環(huán)控制系統(tǒng)中，傳感器安裝在中間部件上，在半閉環(huán)控制系統(tǒng)中，傳感器安裝在中間部件上，控制系統(tǒng)根據(jù)檢測到的中間部件的狀態(tài)參數(shù)推知控制控制系統(tǒng)根據(jù)檢測到的中間部件的狀態(tài)參數(shù)推知控制目標部件的工作狀態(tài)，從而對控制目標部件的工作狀目標部件的工作狀態(tài)，從而對控制目標部件的工作狀態(tài)進行調(diào)整，使之滿足要求。態(tài)進行調(diào)整，使之滿足要求。 絲杠控制器 電機驅(qū)動器動力源工作臺編碼盤346.3.2 數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)

23、 在進給伺服系統(tǒng)中，脈沖比較伺服系統(tǒng)應用比較普遍。這是因為該系統(tǒng)結構較為簡單，易于實現(xiàn)數(shù)字化的閉環(huán)位置控制。脈沖比較伺服系統(tǒng)的檢測元件可以是光電脈沖編碼器或光柵。但普遍采用光電編碼器作為位置檢測元件，以半閉環(huán)形式構成伺服系統(tǒng)。 脈沖比較伺服系統(tǒng)是將位置指令脈沖與檢測元件反饋脈沖在比較器進行比較，得到位置偏差脈沖信號。伺服系統(tǒng)根據(jù)這一偏差信號去驅(qū)動電動機，原理框圖如圖6-2所示。 35 2. 脈沖比較伺服系統(tǒng)組成 圖6-2是以光電編碼器為位置檢測元件的脈沖比較伺服系統(tǒng)。它主要由下列部分組成： 36 (1) 由計算機數(shù)控制裝置提供指令的脈沖。 (2) 反映機床工作臺實際位置的位置檢測器。 (3)

24、完成指令信號與反饋信號相比較的比較器。 (4) 將比較器輸出數(shù)字信號轉變成伺服電動機模擬控制 信號的數(shù)/模轉換器。 (5) 執(zhí)行元件（伺服電動機）。 37 2.脈沖比較伺服系統(tǒng)的工作原理 當數(shù)控系統(tǒng)要求工作臺向一個方向進給時，經(jīng)插補運算得到一系列進給脈沖作為指令脈沖，其數(shù)量代表了工作臺的指令進給量，頻率代表了工作臺的進給速度，方向代表了工作臺的進給方向。以增量式光電編碼器為例，當光電編碼器與伺服電動機及滾珠絲杠直聯(lián)時，隨著伺服電動機的轉動，產(chǎn)生序列脈沖輸出，脈沖的頻率將隨著轉速的快慢而升降?，F(xiàn)設工作臺處于靜止狀態(tài)。 38 （1）指令脈沖PC=0，這時反饋脈沖Pf=0，則Pe=0，則伺服電動機的

25、速度給定為零，工作臺繼續(xù)保持靜止不動。 （2）現(xiàn)有正向指令PC+=2，可逆計數(shù)器加2，在工作臺尚未移動之前，反饋脈沖Pf+=0，可逆計數(shù)器輸出Pe=Pc+Pf+=20=2，經(jīng)轉換，速度指令為正，伺服電動機正轉，工作臺正向進給。 （3）工作臺正向運動，即有反饋脈沖Pf+產(chǎn)生，當Pf+時，可逆計數(shù)器減，此時Pe=Pc+Pf+=210，伺服電動機仍正轉，工作臺繼續(xù)正向進給。 （4）當Pf+=2時，Pe=Pc+Pf+=22=0，則速度指令為零，伺服電動機停轉，工作臺停止在位置指令所要求的位置。 39 當指令脈沖為反向PC-時，控制過程與正向時相同，只是Pe0，工作臺反向進給。 當采用絕對式編碼器時，通

26、常情況下，先將位置檢測的代碼反饋信號經(jīng)數(shù)碼數(shù)字轉換，變成數(shù)字脈沖信號，再進行脈沖比較。 40 3. 脈沖比較器 (1)脈沖比較器概述 脈沖比較伺服系統(tǒng)是將PC的脈沖符號與Pf的脈沖符號相比較，得到脈沖偏差信號Pe。比較器為由加減可逆計數(shù)器組成的數(shù)字脈沖比較器，其組成框圖如圖6-3所示。 41 PC+、PC-和Pf+、Pf-的加、減定義見表6-1。位置指令含義運算位置反饋含義可逆計數(shù)器運算PC+正向運動指令+Pf+正向位置反饋PC-反向運動指令Pf-反向位置反饋表6-1 PC、Pf的定義 42 脈沖分離電路的作用是：在加、減脈沖脈沖分離電路的作用是：在加、減脈沖先后分別到來時，各自按預定的要求經(jīng)

27、加法先后分別到來時，各自按預定的要求經(jīng)加法計數(shù)端或減法計數(shù)端進入可逆計數(shù)器。若加、計數(shù)端或減法計數(shù)端進入可逆計數(shù)器。若加、減脈沖同時到來時，則由該電路保證先作加減脈沖同時到來時，則由該電路保證先作加法計數(shù)，然后再作減法計數(shù)，這樣可保證兩法計數(shù)，然后再作減法計數(shù)，這樣可保證兩路計數(shù)脈沖均不會丟失。路計數(shù)脈沖均不會丟失。43 在脈沖比較伺服系統(tǒng)中，只有實現(xiàn)指令脈沖PC和反饋脈沖Pf的比較后，才能得出位置的偏差值Pi，所以系統(tǒng)需要脈沖比較器。圖6-4為一脈沖比較器，其工作原理是 A1、A4、A5、A8、A9為或非門；A2、A3、A6、A7為觸發(fā)器；A12為8位移位寄存器；A10、A11為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

28、；A13為可逆計數(shù)器。當PC+與PC-不同時輸出時，在A1和A5中同一時刻只有一路有脈沖輸出，A9輸出始終是低電平。如此時工作臺要做正向進給，正向指令脈沖Pc+出現(xiàn)，該脈沖經(jīng)A1、A2、A3、A4輸出，使可逆計數(shù)器A13做加法計數(shù)。 4445 可逆計數(shù)器的內(nèi)容由0變?yōu)檎龜?shù)，其輸出經(jīng)轉換和放大后，使伺服電動機帶動工作臺正向移動。工作臺移動后，位置檢測元件測得代表工作臺位置的正向反饋脈沖Pf+，該脈沖經(jīng)A5、A6、A7、A8輸出，使可逆計數(shù)器A13做減法計數(shù)。此時，可逆計數(shù)器的內(nèi)容就是Pc+和Pf+的偏差值Pe。當可逆計數(shù)器的內(nèi)容變?yōu)?時，說明偏差值Pe=0，即工作臺的實際位置等于指令要求的位移，

29、進給過程結束。反向進給時，反向指令脈沖PC-使可逆計數(shù)器做減法計數(shù)，反向反饋脈沖Pf-使可逆計數(shù)器做加法計數(shù)，其他過程和正向進給相同。 46 但也有可能出現(xiàn)指令脈沖和反饋脈沖同時輸入的情況。如出現(xiàn)這種情況，為防止可逆計數(shù)器內(nèi)部操作因脈沖的“競爭”而產(chǎn)生誤操作，影響脈沖比較的可靠性，在指令脈沖和反饋脈沖進入可逆計數(shù)器之前，要進行脈沖分離。如脈沖比較器輸入端同時出現(xiàn)指令脈沖和反饋脈沖，則A1、A5的輸出同時為0，使A9輸出為1，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器A10、A11有脈沖輸出。A10輸出的負脈沖同時封鎖A3和A7，使指令脈沖和反饋脈沖不能通過A3和A7而進入可逆計數(shù)器。 47 A11的正脈沖輸出分成兩路，先經(jīng)

30、A4輸出到可逆計數(shù)器做加法計數(shù)，再經(jīng)A12延時四個時針周期（由時鐘脈沖PC產(chǎn)生）通過A8輸出到可逆計數(shù)器做減法計數(shù)。由于脈沖比較器具有脈沖分離功能，所以在指令脈沖和反饋脈沖不同時出現(xiàn)時，脈沖比較器進行正常的脈沖信號比較。即使指令脈沖和反饋脈沖同時出現(xiàn)，也由硬件邏輯電路保證，先做加法計數(shù)，后做減法計數(shù)，保證了兩路的脈沖不會丟失。 486.3.3 相位比較伺服系統(tǒng) 1.相位比較伺服系統(tǒng)組成 相位比較伺服系統(tǒng)的檢測元件可以是旋轉變壓器、感應同步器或磁柵等。其特點是將位置指令脈沖和反饋脈沖都變成某個載波脈沖的相位，在鑒相器中進行相位比較，得到實際相位與給定位置相位的相位差 。原理框圖如圖6-5所示。它

31、主要由以下部分組成。 4950 （1）能輸出一系列具有一定頻率的脈沖信號，為伺服系統(tǒng)提供一個相位比較基準的基準信號發(fā)生器。 （2）將來自計算機數(shù)控裝置的進給脈沖轉變?yōu)橄辔蛔兓盘柕拿}沖調(diào)相器。 （3）檢測工作臺位移的位置檢測元件（感應同步器）。 （4）將控制信號與反饋信號進行比較，輸出與相位差成正比電壓信號的鑒相器。 （5）將鑒相器輸出的電壓信號進行功率和電壓放大的伺服放大器。 51 （6）實現(xiàn)電信號到機械位移轉換的執(zhí)行元件。 根據(jù)感應同步器工作在相位工作方式時有 其中， 。相位比較的實質(zhì)不是脈沖數(shù)量上的比較，而是脈沖相位之間的比較，如超前或滯后多少。實現(xiàn)相位比較的比較器為鑒相器。 由于旋轉變

32、壓器，感應同步器和磁柵等檢測信號為電壓模擬信號，同時這些裝置還有勵磁信號，故相位比較首先要解決信號處理問題，即怎樣形成指令相位脈沖和實際相位脈沖 。 sin()sin(2/ )dmmukUtkUtX2/XfP522.相位比較伺服系統(tǒng)的工作原理 脈沖相位變換器又稱脈沖調(diào)相器，作用有兩個：一是通過對基準脈沖進行分頻，產(chǎn)生基準相位脈沖 ，由該脈沖形成的正、余弦勵磁繞組的勵磁電壓頻率與 頻率相同，感應電壓ud的相位 隨著工作臺的移動，相對于基準相位 有超前或滯后；二是通過對指令脈沖Pc+、PC-的加、減，再通過分頻產(chǎn)生相位超前或滯后于 的指令相位脈沖 。 0P0P00PcP53 由于指令相位脈沖 的相

33、位 和實際相位脈沖 的相位 均以基準相位脈沖 的相位 為基準，因此， 和 通過鑒相器即能獲得 超前 ，還是 超前 ，或兩者相等。如(圖6-6)所示為Pc+=2時的相位比較波形圖。cPcfP (1)當無進給指令時，即Pc+=0，工作臺靜止，指令脈沖的相位 與基準脈沖相位 同相位，同時因工作臺靜止無反饋，故實際相位 也與基準脈沖相位 同相位，經(jīng)鑒相器 ，則速度控制信號為零，伺服電動機不轉，工作臺仍靜止，如圖6-6a所示。f0P0ccffcc0f00f54 (2)有正向進給指令，Pc+=2，在指令獲得瞬時，工作臺仍靜止，此時，指令脈沖的相位 超前基準相位 ，但實際位置相位 保持不變，經(jīng)鑒相器 ，速度

34、控制信號大于零，伺服電動機正轉，工作臺正向移動，如圖6-6b所示。 (3)隨著工作臺的正向移動，有反饋信號產(chǎn)生，由此產(chǎn)生的實際相位 超前基準相位 ，但 仍超前 ，經(jīng)鑒相器 ，速度控制信號仍大于零，伺服電動機正轉，工作臺仍正向移動，如圖6-6c所示。 c0f0f0cf055圖6-6 相位比較波形圖56圖6-6 相位比較波形圖57 (4)隨著工作臺的繼續(xù)正向移動，實際相位 超前基準相位 的數(shù)值增加，當 時，經(jīng)鑒相器 ，速度控制信號為零，伺服電動機停轉，工作臺停止在指令所要求的位置上，如圖6-6d所示。 當進給為反向指令時，相位比較同正向進給類似。所不同的是指令脈沖相對于基準脈沖為減脈沖，故指令相位

35、 相對于基準相位 滯后，同時，實際相位 相對于基準相位 也為滯后，經(jīng)鑒相器比較后所得的速度指令信號為負，伺服電動機反轉，工作臺移動至指令位置。 f0cf0c0f058 鑒相器的輸出信號通常為脈寬調(diào)制波，需經(jīng)低通濾波器去高次諧波，變換為平滑的電壓信號，作為速度控制信號，同時，鑒相器還必須對超前和滯后做出判別，使得速度控制信號Up在正向指令為正，在反向指令為負。 至于一個脈沖相當于多少相位增量，取決于脈沖相位變換器中的分頻系數(shù)N和脈沖當量。如感應同步器一個節(jié)距=2mm（相當360電角度），脈沖當量=0.001 mm/脈沖，則相位增量為/360=0.001/2360=0.18/脈沖，即一個脈沖相當于

36、0.18的相位移，因此需要將一個節(jié)距分成2000等份，即分頻系數(shù)N=2000（0.182000=360）。 在感應同步器中，相位角 與直線位移X成正比，當采用旋轉變壓器時，相位角 即為角位移本身。 593.脈沖調(diào)相器 脈沖調(diào)相器是將脈沖數(shù)量轉換成相應相位的裝置。圖6-7為脈沖調(diào)相器的工作原理框圖，該系統(tǒng)分為基準分頻通道和調(diào)相分頻通道兩部分。由基準脈沖信號發(fā)生器產(chǎn)生的基準脈沖信號f0分成兩路。一路輸入基準分頻通道，通過分頻、分相和濾波電路得到兩相勵磁信號 和 ，并經(jīng)功放后加于感應同步器滑尺的sin繞組和cos繞組作為勵磁，它們與基準信號有確定的相位關系。另一路輸入調(diào)相分頻通道，和指令脈沖一起作用

37、，產(chǎn)生指令相位信號 。 sintcos tcP6061 脈沖調(diào)相器的工作原理如下：回路中有標準計數(shù)器和X計數(shù)器，兩計數(shù)器的分頻數(shù)相同。在基準脈沖信號觸發(fā)標準計數(shù)器和X計數(shù)器之前，先向X計數(shù)器輸入一定數(shù)量的指令脈沖PC+。當基準脈沖信號觸發(fā)兩計數(shù)器后，兩計數(shù)器輸出的信號頻率相同，但相位卻不同。由于標準計數(shù)器是N分頻，所以N個基準脈沖會使標準計數(shù)器的輸出變化一個周期，即360。X計數(shù)器輸入端同樣接收到N個基準脈沖，但由于先前X計數(shù)器已接收了PC個正指令脈沖，實際上X計數(shù)器接收了N+PC個脈沖，所以它的輸出在變化到360后，又變化了 1=（PC/N）360，即X計數(shù)器的相位超前了標準計數(shù)器 1，其波

38、形如圖6-8所示。 62 實際工作中，輸入指令脈沖是在基準脈沖觸發(fā)兩計數(shù)器的同時進行的。若指令脈沖為PC+，則標準計數(shù)器在接收到N1N個基準脈沖，即輸出還沒有到達一個周期時，X計數(shù)器已經(jīng)接收了N1+PC=N個脈沖，完成了一個周期。結果使X計數(shù)器的相位比較標準計數(shù)器超前了（ 1= PC+/N360），如圖6-8所示。 636465 利用標準計數(shù)器和X計數(shù)器實現(xiàn)數(shù)量到相位的變換時，必須使基準脈沖在向兩計數(shù)器輸入的過程中，能加入一定的指令脈沖。這個功能由脈沖加減器完成，如圖6-10所示。 、 是由基準脈沖發(fā)生器發(fā)出的在相位錯開180的同頻率信號， 是主頻率，經(jīng)與非門輸出，作為計數(shù)器的基準脈沖。 是指

39、令脈沖的同步信號。當沒有指令脈沖時，與非門開，A脈沖由此通過。當輸入一個PC指令脈沖時，觸發(fā)器 1的Q1變?yōu)?，觸發(fā)器2的Q2也變?yōu)?，由于 為0，封住了與非門，所以扣除了一個 序列脈沖。當輸入一個PC+指令脈沖時，觸發(fā)器C3的Q3變?yōu)?，觸發(fā)器C4的Q4也變?yōu)?。 出現(xiàn)脈沖時，Q4和B端均為1，與非門打開，脈沖進入最后的輸出端。由于 、錯相180，所以使 序列脈沖中插入一個 序列脈沖 。 ABABC2QBA BABA66 1Q 輸出 J J K K K K Q1 Q2 Q4 Q3 J J C1 C2 C4 C3 & & 2Q 3Q 4Q A B PC+ PC （a） 原理圖 圖6-10 脈沖

40、加減器 （一）671 1 +1 A B PC PC+ Q3 Q4 Q2 Q1 輸出 （b）波形圖 圖6-10 脈沖加減器 （二）68 為了將指令信號與反饋信號進行相位比較，需要應用鑒相器。圖6-11為半加器鑒相線路及波形圖，指令信號和位置信號分別經(jīng)觸發(fā)器 進入半加器。半加器輸出的邏輯函數(shù)為 。式中為指令信號的二分之一分頻，為位置信號的二分之一分頻。若 、 信號相位相同，則或門兩輸入端同時為0，S=0。如 信號超前 信號相位，A信號來到時，B信號還沒有出現(xiàn)。此時， =1， =0，上與門輸出為1，下與門輸出為0，或門輸出端S=1。 D4.鑒相器SABABABBAAB69 信號也出現(xiàn)時， =1， =

41、1，使兩與門輸出均為0，或門輸出端S=0。由于 信號相位超前， =0時，仍有 =1，使上與門輸出為0，下與門輸出為1，或門輸出端又有S=1，直到和都為0，或門又為S=0。有關信號的波形圖見圖6-10。從圖中可以看出，S信號是一個周期的方波脈沖，它的波脈寬度與 、 兩信號的相位差 成正比?？梢酝ㄟ^低通濾波的方法取出它的直流分量，作為相位差 的電平指示。越大，S端輸出方波的平均電壓越大。 BABAABAB70 信號是超前還是滯后信號，可借助于NE端來判斷。輸出端為NE的觸發(fā)器 由下降沿觸發(fā)。當接于 端的 信號超前于 信號時， 領先于 從1變?yōu)?， 觸發(fā)器由 信號的下降沿觸發(fā)時， 端的 信號已為0，

42、所以NE端也為0，如圖6-10b所示。當接于 端的 信號滯后于信號時， 領先 從1變?yōu)?， 觸發(fā)器由 信號的下降沿觸發(fā)時， 端的 信號仍為1，所以NE端也為1。 ADDABABDBDADABADBDA71726.3.4 幅值比較伺服系統(tǒng) 幅值比較伺服系統(tǒng)是以位置檢測信號的幅值變化來反映機械位移的大小，并以此作為位置反饋信號，與指令信號進行比較構成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的特點之一是所有的位置檢測元件都工作在幅值工作方式。幅值比較伺服系統(tǒng)常用感應同步器和旋轉變壓器作為位置檢測元件。幅值比較伺服系統(tǒng)實現(xiàn)閉環(huán)控制的過程與相位比較伺服系統(tǒng)相類似。 73 1.幅值比較伺服系統(tǒng)的組成和工作原理 (1) 幅值

43、比較伺服系統(tǒng)的組成 圖6-12是采用感應同步器作為位置檢測元件的幅值比較控制系統(tǒng)。它主要由以下部分組成： 74 完成指令脈沖與反饋脈沖比較的比較器。 將比較器輸出數(shù)字信號轉變成伺服電動機模擬控制信號的數(shù)/模轉換器。 將模擬控制信號進行功率和電壓放大的伺服放大器。 檢測工作臺位移的位置檢測元件。 為感應同步器正、余弦繞組提供信號的勵磁電路。 將定尺的輸出信號轉變?yōu)榉敌盘柕蔫b幅器。 將鑒幅器的直流電壓轉變成反饋脈沖的電壓頻率變換器。 實現(xiàn)電信號到機械位移轉換的執(zhí)行元件。 75 (2) 幅值比較伺服系統(tǒng)的工作原理 當采用幅值工作方式時，感應同步器滑尺正弦繞組和分別輸入頻率相同、幅值成正交關系的勵磁

44、信號：式中 勵磁信號的電壓幅值； 已知的電氣角，系統(tǒng)中可通過改變角的大小來控制滑尺勵磁信號的幅值； 正弦交變勵磁信號的角頻率。 sinsinSmUUtcossinCmUUtmU76 當正弦、余弦繞組的勵磁信號加入后，定尺繞組的感應電動勢為： 式中 K感應系數(shù)； 定尺繞組與滑尺繞組的相對位移角； E0m定尺繞組電動勢幅值。 00sin()sinsinmmeKUtEt77 若 ，則定尺繞組電動勢幅值E0m0。利用這個原理，要測量定尺與滑尺之間移動的位移角 ，可改變勵磁信號 角的設定值，然后，測量E0m的大小，當設定值 變化到使E0m=0，即 時，就間接地通過設定值 獲得了定尺和滑尺之間位移角 的實

45、際值。所以幅值比較伺服系統(tǒng)中，若要獲得 和 之間的關系，只需要檢測的電動勢即可。這項工作由鑒幅器來完成。為了實現(xiàn)閉環(huán)控制，電動勢幅值需經(jīng)電壓頻率變換電路，才能變成相應的數(shù)字脈沖。該數(shù)字脈沖一方面與指令脈沖作比較以獲得位置偏差信號，另一方面作為修改勵磁信號中 的設定輸入，使 跟隨 的變化。 78 幅值比較伺服系統(tǒng)具體的工作過程如下：初始狀態(tài)時工作臺靜止不動，指令脈沖 ， ，經(jīng)鑒幅器檢測定尺繞組的電動勢幅值為0，由電壓頻率變換電路得到反饋脈沖Pf也為0。所以比較器輸出的位置偏差Pe=PCPf=0，伺服電動機速度給定值為0，工作臺繼續(xù)處于靜止狀態(tài)。 當系統(tǒng)接收到正的指令脈沖PC0時，工作臺仍保持靜止

46、狀態(tài)，和均沒有變化，反饋脈沖Pf仍為0。因此，比較器輸出的位置偏差Pe=PCPf0，該偏差是一數(shù)字量，所以在比較器和伺服放大器之間設有數(shù)模轉換器，使其成為伺服系統(tǒng)的速度給定信號。 0CP 79 于是，伺服電動機帶動工作臺正向進給，同步感應器滑尺相對于定尺產(chǎn)生位移。此時定尺和滑尺間的位移角 超前于勵磁信號的電氣角 ，定尺繞組電動勢幅值E0m0，經(jīng)前置放大器、鑒幅器和電壓頻率變換器，轉換成相應的的反饋脈沖Pf。脈沖Pf一方面與指令脈沖作比較，獲得位置偏差Pe=PCPf；另一方面輸入勵磁電路，作為修改勵磁信號電氣角 的設定輸入，使 跟隨 變化。若仍有Pe=PCPf0，則工作臺還沒有指令要求的位置，伺

47、服電動機繼續(xù)帶動工作臺移動，反饋脈沖Pf和勵磁信號電氣角 繼續(xù)變化。直到使位置偏差Pe=PCPf=0，伺服電動機速度給定值0。此時， = ，定尺繞組電動勢幅值E0m=0，工作臺又處于靜止狀態(tài)。 80 若系統(tǒng)接收到負的指令脈沖，整個系統(tǒng)的檢測、比較及控制過程與系統(tǒng)接收到正的指令脈沖類似。只是工作臺向反向進給，定尺與滑尺之間的位移角 滯后于勵磁信號的電氣角 ， ，使 跟隨 變化，直到到達負向指令要求的位置，工作臺又處于靜止狀態(tài)。 從上可以看出，在幅值比較伺服系統(tǒng)中，勵磁信號的電氣角 是由系統(tǒng)設定的，并跟隨工作臺的進給而被動變化的，所以可以利用作為工作臺實際位置的測量值。當工作臺到達進給指令要求的位置并穩(wěn)定后，有 ，數(shù)顯裝置顯示的電氣角 ，實際上就是的位移角 ，即工作臺的位移量。 812.鑒幅器