数控机床伺服系统概述

第六章 数控机床伺服系统6.1 概述6.2 开环控制系统与步进电机驱动电路6.3 闭环伺服系统与反馈比较形式6.4 直流伺服电机与调速系统6.5 交流伺服电机与主轴驱动系统16.1 概述6.1.1 伺服系统的分类 数控伺服系统由伺服电机（M）、驱动信号控制转换电路、电力电子驱动放大模块、电流调解单元、速度调解单元、位置调解单元和相应的检测装置（如光电脉冲编码器G）等组成。一般闭环伺服系统的结构如图6.1所示。它是一个三环结构系统，其中，外环是位置环，中环是速度环，内环为电流环。2 开环伺服系统 闭环伺服系统 半闭环系统（1 1）按调节理论分类）按调节理论分类3 电液伺服控制系统 电气伺服控制系统（2 2）按使用的执行元件分类）按使用的执行元件分类 进给伺服系统 主轴伺服系统（3 3）按被控对象分类）按被控对象分类4 （1）高精度 由于数控机床的动作是由伺服电动机直接驱动的，为了保证移动部件的定位精度，对进给伺服系统要求定位准确。一般要求定位精度达到0.010.001mm；高档设备的定位精度要求达到0.1m以上。速度控制要求在负载变化时有较强的抗扰动能力，以保证速度恒定。这样才能在轮廓加工中保证有较好的加工精度。6.1.2 6.1.2 伺服系统的基本要求伺服系统的基本要求 5 （2）稳定性好 稳定性是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态，对伺服系统要求有较强的抗干扰能力。稳定性是保证数控机床正常工作的条件，直接影响数控加工的精度和表面粗糙度。6 （3）响应快速 为了提高生产率，保证加工精度要求伺服系统有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快。这就对伺服系统的动态性能提出了两方面的要求：一方面，在伺服系统处于频繁地起动、制动、加速、减速等动态过程中，为了提高生产效率和保证加工质量，要求加、减速度足够大，以缩短过渡过程时间，一般电动机速度由零到最大，或从最大减少到零，时间应控制在200毫秒以下，甚至少于几十毫秒，且速度变化不应有超调；另一方面，当负载突变时，过渡过程恢复时间要短且无振荡，这样才能达到光滑的加工表面。7 （4）调速范围宽 目前数控机床一般要求进给伺服系统的调速范围是030m/min，有的已达到240m/min。除去滚珠丝杠和降速齿轮的降速作用。伺服电动机要有更宽的调速范围。对于主轴电动机，因使用无级调速，要求有（1:100）（1:1000）范围内的恒转矩调速以及1:10以上的恒功率调速。（5）低速大转矩 机床在低速切削时，切深和进给都较大，要求主轴电动机输出转矩较大。现代的数控机床，通常是伺服电动机与丝杠直联，没有降速齿轮，这就要求进给电动机能输出较大的转矩。对于数控机床进给伺服系统主要是速度和位置控制。8 （6）较强的过载能力 由于电动机加减速时要求有很快的响应速度，而使电动机可能在过载的条件下工作，这就要求电动机有较强的抗过载能力。通常要求在数分钟内过载46倍而不损坏。（7）惯性匹配 移动部件加速和降速时都有较大的惯量，由于要求系统的快速响应性能好，因而电动机的惯量要与移动部件的惯量匹配。通常要求电动机的惯量不小于移动部件惯量。96.2 开环控制系统与步进电机 丝杠控制器 电机驱动器动力源工作台6.2.1 6.2.1 开环控制系统的组成开环控制系统的组成 开环控制系统不存在反馈环节，系统输出只受输入开环控制系统不存在反馈环节，系统输出只受输入的控制。开环控制系统具有结构简单，比较经济的的控制。开环控制系统具有结构简单，比较经济的优点，其缺点是控制精度和抑制干扰的能力较差，优点，其缺点是控制精度和抑制干扰的能力较差，且对系统参数的变动敏感。且对系统参数的变动敏感。106.2.2 步进电机步进电机 步进电机流行于上世纪步进电机流行于上世纪70年代，该系统结构简年代，该系统结构简单、控制容易、维修方便，且控制为全数字化。随单、控制容易、维修方便，且控制为全数字化。随着计算机技术的发展，除功率驱动电路之外，其它着计算机技术的发展，除功率驱动电路之外，其它部分均可由软件实现，从而进一步简化结构。因此，部分均可由软件实现，从而进一步简化结构。因此，这类系统目前仍有相当的市场。目前步进电机仅用这类系统目前仍有相当的市场。目前步进电机仅用于小容量、低速、精度要不高的场合，如经济型数于小容量、低速、精度要不高的场合，如经济型数控设备、打印机、绘图机等计算机的外部设备。控设备、打印机、绘图机等计算机的外部设备。11 步进电机是一种将电脉冲信号转化为机械角位移的电磁机械装置。由于所用电源是脉冲电源，所以也称为脉冲马达。步进电机和一般电机不同，一般电机通电后连续转动，而步进电机则随输入的脉冲按节拍一步一步地转动。对步进电机施加一个电脉冲信号时，步进电机就旋转一个固定的角度，称为一步。每一步所转过的角度叫做步距角。12 步进电机的角位移量和输入的脉冲数成正比。在时间上步进电机的角位移量和输入的脉冲数成正比。在时间上与输入的脉冲同步。与输入的脉冲同步。因此，只需要控制输入脉冲的数量、频率及电机绕组通因此，只需要控制输入脉冲的数量、频率及电机绕组通电相序，便可以获得所需要的转角电相序，便可以获得所需要的转角、转速及转动方向转速及转动方向。在无脉冲输入时，步进电机在绕组电源激励下，气隙在无脉冲输入时，步进电机在绕组电源激励下，气隙磁场能使转子保持原有的位置而处于定位状态。磁场能使转子保持原有的位置而处于定位状态。13步进电机的分类步进电机的分类按运动方式分：按运动方式分：旋转运动、直线运动式步进电机；旋转运动、直线运动式步进电机；按工作原理分：反应式（磁阻式）、电磁式、永磁式；按工作原理分：反应式（磁阻式）、电磁式、永磁式；按结构分：单段式（径向式）、多段式（轴向式）；按结构分：单段式（径向式）、多段式（轴向式）；按使用场合分：功率步进电机和控制步进电机；按使用场合分：功率步进电机和控制步进电机；按相数分：三相、四相、五相、六相、八相等；按相数分：三相、四相、五相、六相、八相等；按使用频率分：按使用频率分：高频率和低频步进电机；高频率和低频步进电机；不同的步进电机，其工作原理、驱动装置也不完全一样。不同的步进电机，其工作原理、驱动装置也不完全一样。14CABBCA3412 A相绕组通电，相绕组通电，B、C相不通电。相不通电。气隙产生以气隙产生以A-AA-A为轴线的磁场，而磁为轴线的磁场，而磁力线总是力图从磁阻最小的路径通力线总是力图从磁阻最小的路径通过，故电动机转子受到一个反应转过，故电动机转子受到一个反应转矩，在此转矩的作用下，转子必然矩，在此转矩的作用下，转子必然转到左图所示位置：转到左图所示位置：1、3齿与齿与A、A极对齐。极对齐。“三相三相”指三相步进电机；指三相步进电机；“单单”指每次只能一相绕组指每次只能一相绕组通电；通电；“三拍三拍”指通电三次完成一个通电循环。指通电三次完成一个通电循环。步进电动机的工作原理步进电动机的工作原理15CABBCA3412同理，同理，B相通电时，转子会转过相通电时，转子会转过30 角，角，2、4齿和齿和B、B 磁极轴线对齐；当磁极轴线对齐；当C相通电时，转子相通电时，转子再转过再转过30 角，角，1、3齿和齿和C、C磁极轴线对齐。磁极轴线对齐。1C342CABBA16这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为一个循环这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为一个循环周期，一个循环周期包括三个工作脉冲，所以称为三相单周期，一个循环周期包括三个工作脉冲，所以称为三相单三拍工作方式。三拍工作方式。按按AB C A 的顺序给三相绕组轮流通电，的顺序给三相绕组轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转过转子便一步一步转动起来。每一拍转过30(步距角步距角)，每，每个通电循环周期个通电循环周期(3拍拍)磁场在空间旋转了磁场在空间旋转了360而转子而转子转过转过90(一个齿距角一个齿距角)。按按AAB B BC C CA的顺序给三相绕组轮的顺序给三相绕组轮流通电。流通电。这种方式可以获得更精确的控制特性。这种方式可以获得更精确的控制特性。17CABBCA3412CABBCA3412 A相通电，相通电，转子转子1 1、3 3齿与齿与A、A 对齐。对齐。A、B相同时通电，相同时通电，A、A 磁极拉住磁极拉住1、3齿，齿，B、B 磁极拉住磁极拉住2、4齿，齿，转子转转子转过过15，到达左图到达左图所示位置。所示位置。18CABBCA3412 B B 相通电，相通电，转子转子2、4齿与齿与B、B 对齐对齐,又转又转过过15。3412CABBCA B、C相同时通电，相同时通电，C、C 磁极拉住磁极拉住1、3齿，齿，B、B 磁极拉住磁极拉住2、4齿，转子再转齿，转子再转过过15。19 三相反应式步进电动机的一个通电循环周三相反应式步进电动机的一个通电循环周期如下：期如下：AAB B BC C CA，每个循每个循环周期分为六拍。每拍转子转过环周期分为六拍。每拍转子转过15（步距角），（步距角），一一个通电循环周期个通电循环周期(6拍拍)转子转过转子转过90 (齿距角齿距角)。与单三拍相比，六拍驱动方式的步进角更与单三拍相比，六拍驱动方式的步进角更小，更适用于需要精确定位的控制系统中。小，更适用于需要精确定位的控制系统中。按按AB BC CA的顺序给三相绕组轮流通的顺序给三相绕组轮流通电。每拍有两相绕组同时通电电。每拍有两相绕组同时通电。20AB通电通电CABBCA3412BC通电通电3412CABBCACA通电通电CABBCA3412 与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电循循环周期也分为三拍。每拍转子转过环周期也分为三拍。每拍转子转过30 (步距角步距角)，一一个通电循环周期个通电循环周期(3拍拍)转子转过转子转过90(齿距角齿距角)。21从上述可知，步距角的大小与通电方式和转子齿从上述可知，步距角的大小与通电方式和转子齿数有关，其大小可用下式计算：数有关，其大小可用下式计算：360(Zm)Z转子齿数转子齿数 m一运行拍数一运行拍数22步进电动机的主要性能指标步进电动机的主要性能指标1.1.步距角步距角2.2.最大静转矩最大静转矩3.3.空载启动频率空载启动频率4.4.启动矩频特性启动矩频特性5.5.空载运行频率空载运行频率2324步进电机开环系统设计要解决的主要问题要解决的主要问题：动力计算动力计算 传动计算传动计算 驱动电路设计或选择驱动电路设计或选择 传动计算选择合适的参数以满足脉冲当量和进给速度F的要求。图中：f 脉冲频率（HZ）步距角（度）Z1、Z2 传动齿轮齿数 t 螺距(mm)脉冲当量（mm）步进电机Z1Z2 tf，25传动比选择：传动比选择：为了凑脉冲当量为了凑脉冲当量 mm，也为了增大传递的扭矩，在，也为了增大传递的扭矩，在步进电机与丝杆之间，要增加一对齿轮传动副，那么，步进电机与丝杆之间，要增加一对齿轮传动副，那么，传动比传动比 i=Z1/Z2与与、t之间有如下关系：之间有如下关系：步距角，步距角，脉冲当量，脉冲当量，t丝杠导程。丝杠导程。360ti 26 例例1：=0.01mm,t=1.5 mm,=1.2步进电机Z1Z2 tf，5.0)01.0360/()5.12.1(i27进给速度进给速度F：一般步进电机一般步进电机：若：若：=0.01 mm 则：则：若：若：=0.001mm 则：则：因此，当因此，当fmax一定时，一定时，Fmax与与成正比，故我们在谈成正比，故我们在谈到步进电机开环系统的最高速度时，都应指明是在多大到步进电机开环系统的最高速度时，都应指明是在多大的脉冲当量的脉冲当量下的下的,否则是没有意义的。否则是没有意义的。minmmf60Fminmaxmm96004800Fminmaxmm960480FZH160008000fmax28提高步进电机开环伺服系统传动精度的措施提高步进电机开环伺服系统传动精度的措施 影响步进电机开环系统传动精度的因素：影响步进电机开环系统传动精度的因素：步进电机的步距角精度；步进电机的步距角精度；机械传动部件的精度；机械传动部件的精度；丝杆等机械传动部件、支承的传动间隙；丝杆等机械传动部件、支承的传动间隙；传动件和支承件的变形。传动件和支承件的变形。提高步进电机开环系统传动精度的措施提高步进电机开环系统传动精度的措施 适当提高系统组成环节的精度；适当提高系统组成环节的精度；采取各种精度补偿措施。采取各种精度补偿措施。29传动间隙补偿传动间隙补偿 在整个行程范围内测量传动机构传动间隙，取其平均值存在整个行程范围内测量传动机构传动间隙，取其平均值存放在数控系统中的间隙补偿单元，当进给系统反向运动时，数放在数控系统中的间隙补偿单元，当进给系统反向运动时，数控系统自动将补偿值加到进给指令中，从而达到补偿目的。控系统自动将补偿值加到进给指令中，从而达到补偿目的。螺距误差补偿螺距误差补偿 利用计算机的运算处理能力，可以补偿滚珠丝杠的螺距累积利用计算机的运算处理能力，可以补偿滚珠丝杠的螺距累积误差，以提高进给位移精度。误差，以提高进给位移精度。方法：首先测量出进给丝杠螺距误差曲线方法：首先测量出进给丝杠螺距误差曲线(规律规律)，然后可采，然后可采用下列两种方法实现误差补偿：硬件补偿、软件补偿。用下列两种方法实现误差补偿：硬件补偿、软件补偿。30例例2 设设X-Y 工作台由步进电机直接经丝杆螺母副驱工作台由步进电机直接经丝杆螺母副驱动，丝杆螺距为动，丝杆螺距为5mm，步进电机步距角为，步进电机步距角为150，工作，工作方式三相六拍，工作台最大行程为方式三相六拍，工作台最大行程为400mm，求：，求：（1）脉冲当量；）脉冲当量；（2）微机发出的脉冲总数是多少？）微机发出的脉冲总数是多少？31(2)计算脉冲数计算脉冲数n，由 n =L=L(工作台最大行程）工作台最大行程）所以，脉冲数为所以，脉冲数为：n=L/L/400/0.0208319200400/0.0208319200步步解：（1）由计算脉冲当量）由计算脉冲当量：360 L0已知，L0=5mm，=150求脉冲当量求脉冲当量 计算计算 5/360 5/360 1.5=0.02083(mm)326.3 闭环伺服系统与与反馈比较形式6.3.1 6.3.1 闭环与半闭环伺服进给系统闭环与半闭环伺服进给系统 在闭环控制系统中，传感器安装在控制目标部件上，直接检在闭环控制系统中，传感器安装在控制目标部件上，直接检测目标的运动，并将目标的有关信息反馈到控制器，由控制器进测目标的运动，并将目标的有关信息反馈到控制器，由控制器进行反馈控制。具有反馈环节的控制系统具有抑制干扰的能力，控行反馈控制。具有反馈环节的控制系统具有抑制干扰的能力，控制精度较高；但是反馈环节的引入增加了系统的复杂性，且增益制精度较高；但是反馈环节的引入增加了系统的复杂性，且增益选择不当时可能会导致系统不稳定。选择不当时可能会导致系统不稳定。丝杠控制器 电机驱动器动力源工作台传感器336.3 闭环伺服系统与与反馈比较形式6.3.1 6.3.1 闭环与半闭环伺服进给系统闭环与半闭环伺服进给系统 在半闭环控制系统中，传感器安装在中间部件上，在半闭环控制系统中，传感器安装在中间部件上，控制系统根据检测到的中间部件的状态参数推知控制控制系统根据检测到的中间部件的状态参数推知控制目标部件的工作状态，从而对控制目标部件的工作状目标部件的工作状态，从而对控制目标部件的工作状态进行调整，使之满足要求。态进行调整，使之满足要求。丝杠控制器 电机驱动器动力源工作台编码盘346.3.2 数字脉冲比较伺服系统 在进给伺服系统中，脉冲比较伺服系统应用比较普遍。这是因为该系统结构较为简单，易于实现数字化的闭环位置控制。脉冲比较伺服系统的检测元件可以是光电脉冲编码器或光栅。但普遍采用光电编码器作为位置检测元件，以半闭环形式构成伺服系统。脉冲比较伺服系统是将位置指令脉冲与检测元件反馈脉冲在比较器进行比较，得到位置偏差脉冲信号。伺服系统根据这一偏差信号去驱动电动机，原理框图如图6-2所示。35 2.脉冲比较伺服系统组成 图6-2是以光电编码器为位置检测元件的脉冲比较伺服系统。它主要由下列部分组成：36 (1)由计算机数控制装置提供指令的脉冲。(2)反映机床工作台实际位置的位置检测器。(3)完成指令信号与反馈信号相比较的比较器。(4)将比较器输出数字信号转变成伺服电动机模拟控制 信号的数/模转换器。(5)执行元件（伺服电动机）。37 2.脉冲比较伺服系统的工作原理 当数控系统要求工作台向一个方向进给时，经插补运算得到一系列进给脉冲作为指令脉冲，其数量代表了工作台的指令进给量，频率代表了工作台的进给速度，方向代表了工作台的进给方向。以增量式光电编码器为例，当光电编码器与伺服电动机及滚珠丝杠直联时，随着伺服电动机的转动，产生序列脉冲输出，脉冲的频率将随着转速的快慢而升降。现设工作台处于静止状态。38 （1）指令脉冲PC=0，这时反馈脉冲Pf=0，则Pe=0，则伺服电动机的速度给定为零，工作台继续保持静止不动。（2）现有正向指令PC+=2，可逆计数器加2，在工作台尚未移动之前，反馈脉冲Pf+=0，可逆计数器输出Pe=Pc+Pf+=20=2，经转换，速度指令为正，伺服电动机正转，工作台正向进给。（3）工作台正向运动，即有反馈脉冲Pf+产生，当Pf+时，可逆计数器减，此时Pe=Pc+Pf+=210，伺服电动机仍正转，工作台继续正向进给。（4）当Pf+=2时，Pe=Pc+Pf+=22=0，则速度指令为零，伺服电动机停转，工作台停止在位置指令所要求的位置。39 当指令脉冲为反向PC-时，控制过程与正向时相同，只是Pe0，工作台反向进给。当采用绝对式编码器时，通常情况下，先将位置检测的代码反馈信号经数码数字转换，变成数字脉冲信号，再进行脉冲比较。40 3.脉冲比较器 (1)脉冲比较器概述 脉冲比较伺服系统是将PC的脉冲符号与Pf的脉冲符号相比较，得到脉冲偏差信号Pe。比较器为由加减可逆计数器组成的数字脉冲比较器，其组成框图如图6-3所示。41 PC+、PC-和Pf+、Pf-的加、减定义见表6-1。位置指令含义运算位置反馈含义可逆计数器运算PC+正向运动指令+Pf+正向位置反馈PC-反向运动指令Pf-反向位置反馈表6-1 PC、Pf的定义 42 脉冲分离电路的作用是：在加、减脉冲脉冲分离电路的作用是：在加、减脉冲先后分别到来时，各自按预定的要求经加法先后分别到来时，各自按预定的要求经加法计数端或减法计数端进入可逆计数器。若加、计数端或减法计数端进入可逆计数器。若加、减脉冲同时到来时，则由该电路保证先作加减脉冲同时到来时，则由该电路保证先作加法计数，然后再作减法计数，这样可保证两法计数，然后再作减法计数，这样可保证两路计数脉冲均不会丢失。路计数脉冲均不会丢失。43 在脉冲比较伺服系统中，只有实现指令脉冲PC和反馈脉冲Pf的比较后，才能得出位置的偏差值Pi，所以系统需要脉冲比较器。图6-4为一脉冲比较器，其工作原理是 A1、A4、A5、A8、A9为或非门；A2、A3、A6、A7为触发器；A12为8位移位寄存器；A10、A11为单稳态触发器；A13为可逆计数器。当PC+与PC-不同时输出时，在A1和A5中同一时刻只有一路有脉冲输出，A9输出始终是低电平。如此时工作台要做正向进给，正向指令脉冲Pc+出现，该脉冲经A1、A2、A3、A4输出，使可逆计数器A13做加法计数。4445 可逆计数器的内容由0变为正数，其输出经转换和放大后，使伺服电动机带动工作台正向移动。工作台移动后，位置检测元件测得代表工作台位置的正向反馈脉冲Pf+，该脉冲经A5、A6、A7、A8输出，使可逆计数器A13做减法计数。此时，可逆计数器的内容就是Pc+和Pf+的偏差值Pe。当可逆计数器的内容变为0时，说明偏差值Pe=0，即工作台的实际位置等于指令要求的位移，进给过程结束。反向进给时，反向指令脉冲PC-使可逆计数器做减法计数，反向反馈脉冲Pf-使可逆计数器做加法计数，其他过程和正向进给相同。46 但也有可能出现指令脉冲和反馈脉冲同时输入的情况。如出现这种情况，为防止可逆计数器内部操作因脉冲的“竞争”而产生误操作，影响脉冲比较的可靠性，在指令脉冲和反馈脉冲进入可逆计数器之前，要进行脉冲分离。如脉冲比较器输入端同时出现指令脉冲和反馈脉冲，则A1、A5的输出同时为0，使A9输出为1，单稳态触发器A10、A11有脉冲输出。A10输出的负脉冲同时封锁A3和A7，使指令脉冲和反馈脉冲不能通过A3和A7而进入可逆计数器。47 A11的正脉冲输出分成两路，先经A4输出到可逆计数器做加法计数，再经A12延时四个时针周期（由时钟脉冲PC产生）通过A8输出到可逆计数器做减法计数。由于脉冲比较器具有脉冲分离功能，所以在指令脉冲和反馈脉冲不同时出现时，脉冲比较器进行正常的脉冲信号比较。即使指令脉冲和反馈脉冲同时出现，也由硬件逻辑电路保证，先做加法计数，后做减法计数，保证了两路的脉冲不会丢失。486.3.3 相位比较伺服系统 1.相位比较伺服系统组成 相位比较伺服系统的检测元件可以是旋转变压器、感应同步器或磁栅等。其特点是将位置指令脉冲和反馈脉冲都变成某个载波脉冲的相位，在鉴相器中进行相位比较，得到实际相位与给定位置相位的相位差。原理框图如图6-5所示。它主要由以下部分组成。4950 （1）能输出一系列具有一定频率的脉冲信号，为伺服系统提供一个相位比较基准的基准信号发生器。（2）将来自计算机数控装置的进给脉冲转变为相位变化信号的脉冲调相器。（3）检测工作台位移的位置检测元件（感应同步器）。（4）将控制信号与反馈信号进行比较，输出与相位差成正比电压信号的鉴相器。（5）将鉴相器输出的电压信号进行功率和电压放大的伺服放大器。51 （6）实现电信号到机械位移转换的执行元件。根据感应同步器工作在相位工作方式时有 其中，。相位比较的实质不是脉冲数量上的比较，而是脉冲相位之间的比较，如超前或滞后多少。实现相位比较的比较器为鉴相器。由于旋转变压器，感应同步器和磁栅等检测信号为电压模拟信号，同时这些装置还有励磁信号，故相位比较首先要解决信号处理问题，即怎样形成指令相位脉冲和实际相位脉冲 。sin()sin(2/)dmmukUtkUtX2/XfP522.相位比较伺服系统的工作原理 脉冲相位变换器又称脉冲调相器，作用有两个：一是通过对基准脉冲进行分频，产生基准相位脉冲 ，由该脉冲形成的正、余弦励磁绕组的励磁电压频率与 频率相同，感应电压ud的相位 随着工作台的移动，相对于基准相位 有超前或滞后；二是通过对指令脉冲Pc+、PC-的加、减，再通过分频产生相位超前或滞后于 的指令相位脉冲 。0P0P00PcP53 由于指令相位脉冲 的相位 和实际相位脉冲 的相位 均以基准相位脉冲 的相位 为基准，因此，和 通过鉴相器即能获得 超前 ，还是 超前 ，或两者相等。如(图6-6)所示为Pc+=2时的相位比较波形图。cPcfP (1)当无进给指令时，即Pc+=0，工作台静止，指令脉冲的相位 与基准脉冲相位 同相位，同时因工作台静止无反馈，故实际相位 也与基准脉冲相位 同相位，经鉴相器 ，则速度控制信号为零，伺服电动机不转，工作台仍静止，如图6-6a所示。f0P0ccffcc0f00f54 (2)有正向进给指令，Pc+=2，在指令获得瞬时，工作台仍静止，此时，指令脉冲的相位 超前基准相位 ，但实际位置相位 保持不变，经鉴相器 ，速度控制信号大于零，伺服电动机正转，工作台正向移动，如图6-6b所示。(3)随着工作台的正向移动，有反馈信号产生，由此产生的实际相位 超前基准相位 ，但 仍超前 ，经鉴相器 ，速度控制信号仍大于零，伺服电动机正转，工作台仍正向移动，如图6-6c所示。c0f0f0cf055图6-6 相位比较波形图56图6-6 相位比较波形图57 (4)随着工作台的继续正向移动，实际相位 超前基准相位 的数值增加，当 时，经鉴相器 ，速度控制信号为零，伺服电动机停转，工作台停止在指令所要求的位置上，如图6-6d所示。当进给为反向指令时，相位比较同正向进给类似。所不同的是指令脉冲相对于基准脉冲为减脉冲，故指令相位 相对于基准相位 滞后，同时，实际相位 相对于基准相位 也为滞后，经鉴相器比较后所得的速度指令信号为负，伺服电动机反转，工作台移动至指令位置。f0cf0c0f058 鉴相器的输出信号通常为脉宽调制波，需经低通滤波器去高次谐波，变换为平滑的电压信号，作为速度控制信号，同时，鉴相器还必须对超前和滞后做出判别，使得速度控制信号Up在正向指令为正，在反向指令为负。至于一个脉冲相当于多少相位增量，取决于脉冲相位变换器中的分频系数N和脉冲当量。如感应同步器一个节距=2mm（相当360电角度），脉冲当量=0.001 mm/脉冲，则相位增量为/360=0.001/2360=0.18/脉冲，即一个脉冲相当于0.18的相位移，因此需要将一个节距分成2000等份，即分频系数N=2000（0.182000=360）。在感应同步器中，相位角 与直线位移X成正比，当采用旋转变压器时，相位角 即为角位移本身。593.脉冲调相器 脉冲调相器是将脉冲数量转换成相应相位的装置。图6-7为脉冲调相器的工作原理框图，该系统分为基准分频通道和调相分频通道两部分。由基准脉冲信号发生器产生的基准脉冲信号f0分成两路。一路输入基准分频通道，通过分频、分相和滤波电路得到两相励磁信号 和 ，并经功放后加于感应同步器滑尺的sin绕组和cos绕组作为励磁，它们与基准信号有确定的相位关系。另一路输入调相分频通道，和指令脉冲一起作用，产生指令相位信号 。sintcos tcP6061 脉冲调相器的工作原理如下：回路中有标准计数器和X计数器，两计数器的分频数相同。在基准脉冲信号触发标准计数器和X计数器之前，先向X计数器输入一定数量的指令脉冲PC+。当基准脉冲信号触发两计数器后，两计数器输出的信号频率相同，但相位却不同。由于标准计数器是N分频，所以N个基准脉冲会使标准计数器的输出变化一个周期，即360。X计数器输入端同样接收到N个基准脉冲，但由于先前X计数器已接收了PC个正指令脉冲，实际上X计数器接收了N+PC个脉冲，所以它的输出在变化到360后，又变化了 1=（PC/N）360，即X计数器的相位超前了标准计数器 1，其波形如图6-8所示。62 实际工作中，输入指令脉冲是在基准脉冲触发两计数器的同时进行的。若指令脉冲为PC+，则标准计数器在接收到N1N个基准脉冲，即输出还没有到达一个周期时，X计数器已经接收了N1+PC=N个脉冲，完成了一个周期。结果使X计数器的相位比较标准计数器超前了（1=PC+/N360），如图6-8所示。636465 利用标准计数器和X计数器实现数量到相位的变换时，必须使基准脉冲在向两计数器输入的过程中，能加入一定的指令脉冲。这个功能由脉冲加减器完成，如图6-10所示。、是由基准脉冲发生器发出的在相位错开180的同频率信号，是主频率，经与非门输出，作为计数器的基准脉冲。是指令脉冲的同步信号。当没有指令脉冲时，与非门开，A脉冲由此通过。当输入一个PC指令脉冲时，触发器 1的Q1变为1，触发器2的Q2也变为1，由于 为0，封住了与非门，所以扣除了一个 序列脉冲。当输入一个PC+指令脉冲时，触发器C3的Q3变为1，触发器C4的Q4也变为1。出现脉冲时，Q4和B端均为1，与非门打开，脉冲进入最后的输出端。由于 、错相180，所以使 序列脉冲中插入一个 序列脉冲。ABABC2QBA BABA66 1Q 输出 J J K K K K Q1 Q2 Q4 Q3 J J C1 C2 C4 C3&2Q 3Q 4Q A B PC+PC（a）原理图 图6-10 脉冲加减器（一）671 1+1 A B PC PC+Q3 Q4 Q2 Q1 输出（b）波形图 图6-10 脉冲加减器（二）68 为了将指令信号与反馈信号进行相位比较，需要应用鉴相器。图6-11为半加器鉴相线路及波形图，指令信号和位置信号分别经触发器 进入半加器。半加器输出的逻辑函数为 。式中为指令信号的二分之一分频，为位置信号的二分之一分频。若 、信号相位相同，则或门两输入端同时为0，S=0。如 信号超前 信号相位，A信号来到时，B信号还没有出现。此时，=1，=0，上与门输出为1，下与门输出为0，或门输出端S=1。D4.鉴相器SABABABBAAB69 信号也出现时，=1，=1，使两与门输出均为0，或门输出端S=0。由于 信号相位超前，=0时，仍有 =1，使上与门输出为0，下与门输出为1，或门输出端又有S=1，直到和都为0，或门又为S=0。有关信号的波形图见图6-10。从图中可以看出，S信号是一个周期的方波脉冲，它的波脉宽度与 、两信号的相位差 成正比。可以通过低通滤波的方法取出它的直流分量，作为相位差 的电平指示。越大，S端输出方波的平均电压越大。BABAABAB70 信号是超前还是滞后信号，可借助于NE端来判断。输出端为NE的触发器 由下降沿触发。当接于 端的 信号超前于 信号时，领先于 从1变为0，触发器由 信号的下降沿触发时，端的 信号已为0，所以NE端也为0，如图6-10b所示。当接于 端的 信号滞后于信号时，领先 从1变为0，触发器由 信号的下降沿触发时，端的 信号仍为1，所以NE端也为1。ADDABABDBDADABADBDA71726.3.4 幅值比较伺服系统 幅值比较伺服系统是以位置检测信号的幅值变化来反映机械位移的大小，并以此作为位置反馈信号，与指令信号进行比较构成的闭环控制系统。该系统的特点之一是所有的位置检测元件都工作在幅值工作方式。幅值比较伺服系统常用感应同步器和旋转变压器作为位置检测元件。幅值比较伺服系统实现闭环控制的过程与相位比较伺服系统相类似。73 1.幅值比较伺服系统的组成和工作原理 (1)幅值比较伺服系统的组成 图6-12是采用感应同步器作为位置检测元件的幅值比较控制系统。它主要由以下部分组成：74 完成指令脉冲与反馈脉冲比较的比较器。将比较器输出数字信号转变成伺服电动机模拟控制信号的数/模转换器。将模拟控制信号进行功率和电压放大的伺服放大器。检测工作台位移的位置检测元件。为感应同步器正、余弦绕组提供信号的励磁电路。将定尺的输出信号转变为幅值信号的鉴幅器。将鉴幅器的直流电压转变成反馈脉冲的电压频率变换器。实现电信号到机械位移转换的执行元件。75 (2)幅值比较伺服系统的工作原理 当采用幅值工作方式时，感应同步器滑尺正弦绕组和分别输入频率相同、幅值成正交关系的励磁信号：式中 励磁信号的电压幅值；已知的电气角，系统中可通过改变角的大小来控制滑尺励磁信号的幅值；正弦交变励磁信号的角频率。sinsinSmUUtcossinCmUUtmU76 当正弦、余弦绕组的励磁信号加入后，定尺绕组的感应电动势为：式中 K感应系数；定尺绕组与滑尺绕组的相对位移角；E0m定尺绕组电动势幅值。00sin()sinsinmmeKUtEt77 若 ，则定尺绕组电动势幅值E0m0。利用这个原理，要测量定尺与滑尺之间移动的位移角 ，可改变励磁信号 角的设定值，然后，测量E0m的大小，当设定值 变化到使E0m=0，即 时，就间接地通过设定值 获得了定尺和滑尺之间位移角 的实际值。所以幅值比较伺服系统中，若要获得 和 之间的关系，只需要检测的电动势即可。这项工作由鉴幅器来完成。为了实现闭环控制，电动势幅值需经电压频率变换电路，才能变成相应的数字脉冲。该数字脉冲一方面与指令脉冲作比较以获得位置偏差信号，另一方面作为修改励磁信号中 的设定输入，使 跟随 的变化。78 幅值比较伺服系统具体的工作过程如下：初始状态时工作台静止不动，指令脉冲 ，经鉴幅器检测定尺绕组的电动势幅值为0，由电压频率变换电路得到反馈脉冲Pf也为0。所以比较器输出的位置偏差Pe=PCPf=0，伺服电动机速度给定值为0，工作台继续处于静止状态。当系统接收到正的指令脉冲PC0时，工作台仍保持静止状态，和均没有变化，反馈脉冲Pf仍为0。因此，比较器输出的位置偏差Pe=PCPf0，该偏差是一数字量，所以在比较器和伺服放大器之间设有数模转换器，使其成为伺服系统的速度给定信号。0CP 79 于是，伺服电动机带动工作台正向进给，同步感应器滑尺相对于定尺产生位移。此时定尺和滑尺间的位移角 超前于励磁信号的电气角 ，定尺绕组电动势幅值E0m0，经前置放大器、鉴幅器和电压频率变换器，转换成相应的的反馈脉冲Pf。脉冲Pf一方面与指令脉冲作比较，获得位置偏差Pe=PCPf；另一方面输入励磁电路，作为修改励磁信号电气角 的设定输入，使 跟随 变化。若仍有Pe=PCPf0，则工作台还没有指令要求的位置，伺服电动机继续带动工作台移动，反馈脉冲Pf和励磁信号电气角 继续变化。直到使位置偏差Pe=PCPf=0，伺服电动机速度给定值0。此时，=，定尺绕组电动势幅值E0m=0，工作台又处于静止状态。80 若系统接收到负的指令脉冲，整个系统的检测、比较及控制过程与系统接收到正的指令脉冲类似。只是工作台向反向进给，定尺与滑尺之间的位移角 滞后于励磁信号的电气角 ，使 跟随 变化，直到到达负向指令要求的位置，工作台又处于静止状态。从上可以看出，在幅值比较伺服系统中，励磁信号的电气角 是由系统设定的，并跟随工作台的进给而被动变化的，所以可以利用作为工作台实际位置的测量值。当工作台到达进给指令要求的位置并稳定后，有 ，数显装置显示的电气角 ，实际上就是的位移角 ，即工作台的位移量。812.鉴幅器 82 图6-13为鉴幅器原理图。输入端的e0是感应同步器定尺绕组的感应电动势，由式e0=E0msint可知，e0是交变电动势。该信号首先通过低通滤波器，滤去交变信号中的高次谐波和干扰信号，获得较为理想的正弦波形。通过运算放大器将信号 放大。然后，由互为反向的开关信号SL和 实现通道的通断控制，其开关频率与输入信号相同。由图5-14a可见，在e0信号的0区间，SL=1，使S1接通，e0信号经 、S1，到达低通滤波器的输入端UE；e0信号的2区间，=1，使S1接通，e0信号经A1、反向器A2、S2，到达低通滤波器的输入端UE。1ASL1ASL83 工作台做正向运动时，由于反向器A2的作用，使e0负半周也变成正半周信号。这样在UE处得到了一单向脉动的直流信号。该信号经低通滤波器后，鉴幅器输出信号为一平滑的直流信号UF。从图中可见，由于UF是UE的平均值，它的大小与e0信号的电动势幅值E0m直接有关。E0m增大，UF也跟着增大，所以的大小实际上反映了和 之间相位差的大小。UF越大，和 之间相位差越大。另外，从图6-14中可以看出，站柜台正向运动时，输出端UF为正值；工作台反向运动时，输出端UF为负值。8485 3.电压频率变换器 电压频率变换器的作用是将鉴幅器输出的电压UF变换成相应的脉冲序列，并且脉冲序列的频率与UF电压的高低成正比。由于电压UF是双极性的，UF电压经极性处理电路后，使Un成为UF的绝对值，且始终大于0。压控振荡器（VCO）将输入的单极性直流电压转换成相应频率的脉冲输出。压控振荡器（VCO）它输出的脉冲频率与控制电压成正比关系。86 4.脉冲调宽式励磁信号 感应同步器滑尺绕组的励磁可采用模拟量励磁式和脉冲调宽式。由于模拟量励磁方式易受外界干扰而影响精度，所以比较多地采用脉冲调宽式励磁方式。脉冲宽度调制实际上是用控制矩形波脉宽的方法来等效地实现正弦波励磁，其波形如图5-14b所示。若滑尺上的两励磁绕组加以矩形波励磁信号。则两励磁绕组信号U1和U2为：10AUA 20AUA87 式中 A矩形波的幅值 正弦波励磁中的电气角，在此为影响矩形波宽度的参数。其中U1的脉宽为2 ，U2的脉宽为2 。如用傅立叶级数对U1和U2进行展开，并消去高次谐波，则U1和U2信号的基波分量为：1()sinsinmf tUt2()cossinmf tUt88 可以看出，设法消除高次谐波的影响后，用脉宽调制的矩形波励磁与正弦波励磁在幅值工作方式下工作的功能完全相当。因此，可将对电气角的控制转变对脉冲宽度的控制。在数字电路中，对脉冲宽度的控制比较准确和容易实现。图6-15是脉冲调宽矩形脉冲发生器原理图，其中脉冲加减器和两个分频系数相同的分频器用于实现数字移相，计数触发脉冲 和 的频率是在时钟脉冲的基础上，按位置反馈脉冲Pf和电压频率变换器输出信号US的状态进行加减的。每个分频器有两路相差90的电角度的溢出脉冲输出，通过组合逻辑进行调宽脉冲的波形合成。CPCP89 CP 分频器 1 分频器 2 图 5-15 脉冲调宽矩形脉冲发生器原理图 脉 冲 加 减 器 组合 逻辑 功率 驱动 正弦 绕组 余弦 绕组/CP/CP U1 U2 A B P US sin2 cos1 sin1 cos2 90 当无实际值脉冲时，时钟脉冲CP直接加于分频器，分频结果输出为参考信号。此时产生的励磁信号为sin0和cos0。当工作台移动时，滑尺和定尺有位置偏差，产生反馈脉冲Pf。根据运动方向信号Ux，使两分频器中一个做加，一个做减，于是产生向前移相信号A和向后移相信号B。经过组合逻辑门，产生信号sin1和sin2、cos1和cos2。再经输出门将这些信号合成，产生调制波U1和U2。加于滑尺的相应绕组上。91谢谢观看/欢迎下载BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES.BY FAITH I BY FAITH