1、第六章 數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)6.1 概述6.2 開環(huán)控制系統(tǒng)與步進(jìn)電機(jī)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(jī)與調(diào)速系統(tǒng)6.5 交流伺服電機(jī)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(jī)（M）、驅(qū)動信號控制轉(zhuǎn)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(yīng)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(jié)構(gòu)如圖6.1所示。它是一個(gè)三環(huán)結(jié)構(gòu)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(jìn)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(jī)床的動作是由伺服電動機(jī)直接驅(qū)動的，為了保證移動部件的定位精度，對進(jìn)給伺服系統(tǒng)要求定位準(zhǔn)確。一般要求定位精度達(dá)到0.010.001mm；高檔設(shè)備的定位精度要求達(dá)到0.1m以上。速度控制要求在負(fù)載變化時(shí)有較強(qiáng)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(dá)到新的或者恢復(fù)到原來的

3、平衡狀態(tài)，對伺服系統(tǒng)要求有較強(qiáng)的抗干擾能力。穩(wěn)定性是保證數(shù)控機(jī)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(yīng)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(yīng)特性，即要求跟蹤指令信號的響應(yīng)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(shí)間，一般電動機(jī)速度由零到最大，或從最大減少到零，時(shí)間應(yīng)控制在200毫秒以下，甚至少于幾十毫秒，且速度變化不應(yīng)有超調(diào)；另一方面，當(dāng)負(fù)載突變時(shí)，過渡過程恢復(fù)時(shí)間要短且無振蕩，這樣才能達(dá)到光滑的加工表

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

5、可能在過載的條件下工作，這就要求電動機(jī)有較強(qiáng)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(shí)都有較大的慣量，由于要求系統(tǒng)的快速響應(yīng)性能好，因而電動機(jī)的慣量要與移動部件的慣量匹配。通常要求電動機(jī)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(jìn)電機(jī) 絲杠控制器 電機(jī)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(jié)構(gòu)簡單，比較經(jīng)濟(jì)的的控制。開環(huán)控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，比較經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是控制精度和抑制干擾

6、的能力較差，優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)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(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)流行于上世紀(jì)步進(jìn)電機(jī)流行于上世紀(jì)70年代，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡年代，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，除功率驅(qū)動電路之外，其它著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，除功率驅(qū)動電路之外，其它部分均可由軟件實(shí)現(xiàn)，從而進(jìn)一步簡化結(jié)構(gòu)。因此，部分均可由軟件實(shí)現(xiàn)，從而進(jìn)一步簡化結(jié)構(gòu)。因此，這類系統(tǒng)目前仍有相當(dāng)?shù)氖袌?。目前步進(jìn)電機(jī)僅用這類系統(tǒng)目前仍有相當(dāng)?shù)氖袌觥Ｄ壳安竭M(jìn)電機(jī)僅用于小容量、低速、精度要不高

7、的場合，如經(jīng)濟(jì)型數(shù)于小容量、低速、精度要不高的場合，如經(jīng)濟(jì)型數(shù)控設(shè)備、打印機(jī)、繪圖機(jī)等計(jì)算機(jī)的外部設(shè)備?？卦O(shè)備、打印機(jī)、繪圖機(jī)等計(jì)算機(jī)的外部設(shè)備。11 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為機(jī)械角位移的電磁機(jī)械裝置。由于所用電源是脈沖電源，所以也稱為脈沖馬達(dá)。 步進(jìn)電機(jī)和一般電機(jī)不同，一般電機(jī)通電后連續(xù)轉(zhuǎn)動，而步進(jìn)電機(jī)則隨輸入的脈沖按節(jié)拍一步一步地轉(zhuǎn)動。對步進(jìn)電機(jī)施加一個(gè)電脈沖信號時(shí)，步進(jìn)電機(jī)就旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角度，稱為一步。每一步所轉(zhuǎn)過的角度叫做步距角。 12 步進(jìn)電機(jī)的角位移量和輸入的脈沖數(shù)成正比。在時(shí)間上步進(jìn)電機(jī)的角位移量和輸入的脈沖數(shù)成正比。在時(shí)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(jī)繞組通因此，只需要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電機(jī)繞組通電相序，便可以獲得所需要的轉(zhuǎn)角電相序，便可以獲得所需要的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動方向轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動方向。 在無脈沖輸入時(shí)，步進(jìn)電機(jī)在繞組電源激勵下，氣隙在無脈沖輸入時(shí)，步進(jìn)電機(jī)在繞組電源激勵下，氣隙磁場能使轉(zhuǎn)子保持原有的位置而處于定位狀態(tài)。磁場能使轉(zhuǎn)子保持原有的位置而處于定位狀態(tài)。13步進(jìn)電機(jī)的分類步進(jìn)電機(jī)的分類按運(yùn)動方式分：按運(yùn)動方式分： 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動、直線運(yùn)動式步進(jìn)電機(jī)；旋轉(zhuǎn)運(yùn)動、直線運(yùn)動式步進(jìn)電機(jī)；按工作原理分：反應(yīng)式（磁阻式）、電磁式、永磁式；按工作原理分：反應(yīng)式（磁阻式）、電磁式、永磁式；按結(jié)構(gòu)分：單段式（徑向

9、式）、多段式（軸向式）；按結(jié)構(gòu)分：單段式（徑向式）、多段式（軸向式）；按使用場合分：功率步進(jìn)電機(jī)和控制步進(jìn)電機(jī)；按使用場合分：功率步進(jìn)電機(jī)和控制步進(jìn)電機(jī)；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(jìn)電機(jī)；高頻率和低頻步進(jìn)電機(jī)； 不同的步進(jìn)電機(jī)，其工作原理、驅(qū)動裝置也不完全一樣。不同的步進(jìn)電機(jī)，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(jī)轉(zhuǎn)子受到一個(gè)反應(yīng)轉(zhuǎn)過，故電動機(jī)轉(zhuǎn)子受到一個(gè)反應(yīng)轉(zhuǎn)矩，在此轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子必然矩，在此轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子必然轉(zhuǎn)到左圖所示位置：轉(zhuǎn)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(jìn)電機(jī)；指三相步進(jìn)電機(jī)；“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(gè)通電循環(huán)。指通電三次完成一個(gè)通電循環(huán)。步進(jìn)電動機(jī)的工作原理步進(jìn)電動機(jī)的工作原理15CABBCA3412同理，同理，B相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)過相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)過30 角，角，2、4齒和齒和B、B 磁極軸線對齊；當(dāng)磁極軸線對齊；當(dāng)C相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)

11、過再轉(zhuǎn)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(gè)繞組依次通電一次為一個(gè)循環(huán)這種工作方式下，三個(gè)繞組依次通電一次為一個(gè)循環(huán)周期，一個(gè)循環(huán)周期包括三個(gè)工作脈沖，所以稱為三相單周期，一個(gè)循環(huán)周期包括三個(gè)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(zhuǎn)子便一步一步轉(zhuǎn)動起來。每一拍轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)子便一步一步轉(zhuǎn)動起來。每一拍轉(zhuǎn)過30( (步距角步距角) )，每，每個(gè)通電循環(huán)周期個(gè)通電循環(huán)周期( (3拍拍) )磁場在空間旋轉(zhuǎn)了磁場在空間旋轉(zhuǎn)了360而轉(zhuǎn)子而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)過90(

12、 (一個(gè)齒距角一個(gè)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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子1 1、3 3齒與齒與A、A 對齊。對齊。 A、B相同時(shí)通電，相同時(shí)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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過過15 ，到達(dá)左圖到達(dá)左圖所示位置。所示位置。18CABBCA3412 B B 相通電，相通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子2、4齒與齒與B、B 對齊對齊, ,又轉(zhuǎn)又轉(zhuǎn)過過15 。3412CABBCA

13、 B、C相同時(shí)通電，相同時(shí)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(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)齒，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過過15 。19 三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的一個(gè)通電循環(huán)周三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的一個(gè)通電循環(huán)周期如下：期如下：AAB B BC C CA，每個(gè)循每個(gè)循環(huán)周期分為六拍。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過環(huán)周期分為六拍。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過15 （步距角），（步距角），一一個(gè)通電循環(huán)周期個(gè)通電循環(huán)周期( (6拍拍) )轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過90 ( (齒距角齒距角) )。 與單三拍相比，六拍驅(qū)動方式的步進(jìn)角更與單三拍相比，六拍驅(qū)動方式的步進(jìn)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(shí)通電電。每拍有兩相繞組同時(shí)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(shí)每個(gè)通電與單三拍方式相似，雙三拍驅(qū)動時(shí)每個(gè)通電循循環(huán)周期也分為三拍。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過環(huán)周期也分為三拍。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過30 ( (步距角步距角) )，一一個(gè)通電循環(huán)周期個(gè)通電循環(huán)周期( (3拍拍) )轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子齒從上述可知，步距角的大小與通電方式和轉(zhuǎn)子齒數(shù)有關(guān)，其大小

15、可用下式計(jì)算：數(shù)有關(guān)，其大小可用下式計(jì)算： 360(Zm)Z轉(zhuǎn)子齒數(shù)轉(zhuǎn)子齒數(shù) m一運(yùn)行拍數(shù)一運(yùn)行拍數(shù)22步進(jìn)電動機(jī)的主要性能指標(biāo)步進(jìn)電動機(jī)的主要性能指標(biāo)1.1.步距角步距角2.2.最大靜轉(zhuǎn)矩最大靜轉(zhuǎn)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(yùn)行頻率空載運(yùn)行頻率2324步進(jìn)電機(jī)開環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要解決的主要問題要解決的主要問題：動力計(jì)算動力計(jì)算 傳動計(jì)算傳動計(jì)算 驅(qū)動電路設(shè)計(jì)或選擇驅(qū)動電路設(shè)計(jì)或選擇 傳動計(jì)算選擇合適的參數(shù)以滿足脈沖當(dāng)量和進(jìn)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(dāng)量（mm）步進(jìn)

16、電機(jī)Z1Z2 tf， 25傳動比選擇：傳動比選擇： 為了湊脈沖當(dāng)量為了湊脈沖當(dāng)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(jìn)電機(jī)與絲桿之間，要增加一對齒輪傳動副，那么，步進(jìn)電機(jī)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(guān)系：之間有如下關(guān)系： 步距角，步距角， 脈沖當(dāng)量，脈沖當(dāng)量， t絲杠導(dǎo)程。絲杠導(dǎo)程。360ti 26 例例1： = 0.01mm, t = 1.5 mm, = 1.2步進(jìn)電機(jī)Z1Z2 tf， 5 . 0)01. 0360/()5 . 12 . 1 (i27進(jìn)給速度進(jìn)給速度F： 一般步進(jìn)電機(jī)一般步進(jìn)電機(jī)： 若：若：

17、=0.01 mm 則：則： 若：若：=0.001mm 則：則： 因此，當(dāng)因此，當(dāng)fmax一定時(shí)，一定時(shí)，F(xiàn)max與與成正比，故我們在談成正比，故我們在談到步進(jìn)電機(jī)開環(huán)系統(tǒng)的最高速度時(shí)，都應(yīng)指明是在多大到步進(jìn)電機(jī)開環(huán)系統(tǒng)的最高速度時(shí)，都應(yīng)指明是在多大的脈沖當(dāng)量的脈沖當(dāng)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(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)傳動精度的措施提高步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)傳動精度的措施 影響步進(jìn)電機(jī)開環(huán)系統(tǒng)傳動精度的因素：影響步進(jìn)電機(jī)開環(huán)系統(tǒng)傳動精度的因素： 步進(jìn)電機(jī)的步距角精

18、度；步進(jìn)電機(jī)的步距角精度； 機(jī)械傳動部件的精度；機(jī)械傳動部件的精度； 絲桿等機(jī)械傳動部件、支承的傳動間隙；絲桿等機(jī)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(jìn)電機(jī)開環(huán)系統(tǒng)傳動精度的措施提高步進(jìn)電機(jī)開環(huán)系統(tǒng)傳動精度的措施 適當(dāng)提高系統(tǒng)組成環(huán)節(jié)的精度；適當(dāng)提高系統(tǒng)組成環(huán)節(jié)的精度； 采取各種精度補(bǔ)償措施。采取各種精度補(bǔ)償措施。29傳動間隙補(bǔ)償傳動間隙補(bǔ)償 在整個(gè)行程范圍內(nèi)測量傳動機(jī)構(gòu)傳動間隙，取其平均值存在整個(gè)行程范圍內(nèi)測量傳動機(jī)構(gòu)傳動間隙，取其平均值存放在數(shù)控系統(tǒng)中的間隙補(bǔ)償單元，當(dāng)進(jìn)給系統(tǒng)反向運(yùn)動時(shí)，數(shù)放在數(shù)控系統(tǒng)中的間隙補(bǔ)償單元，當(dāng)進(jìn)給系統(tǒng)反向運(yùn)動時(shí)，數(shù)

19、控系統(tǒng)自動將補(bǔ)償值加到進(jìn)給指令中，從而達(dá)到補(bǔ)償目的?？叵到y(tǒng)自動將補(bǔ)償值加到進(jìn)給指令中，從而達(dá)到補(bǔ)償目的。 螺距誤差補(bǔ)償螺距誤差補(bǔ)償 利用計(jì)算機(jī)的運(yùn)算處理能力，可以補(bǔ)償滾珠絲杠的螺距累積利用計(jì)算機(jī)的運(yùn)算處理能力，可以補(bǔ)償滾珠絲杠的螺距累積誤差，以提高進(jìn)給位移精度。誤差，以提高進(jìn)給位移精度。 方法：首先測量出進(jìn)給絲杠螺距誤差曲線方法：首先測量出進(jìn)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(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償：硬件補(bǔ)償、軟件補(bǔ)償。用下列兩種方法實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償：硬件補(bǔ)償、軟件補(bǔ)償。30例例2 設(shè)設(shè)X-Y 工作臺由步進(jìn)電機(jī)直接經(jīng)絲桿螺母副驅(qū)工作臺由步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)步距角為，步進(jìn)電機(jī)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(dāng)量；）脈沖當(dāng)量；（2）微機(jī)發(fā)出的脈沖總數(shù)是多少？）微機(jī)發(fā)出的脈沖總數(shù)是多少？31(2)計(jì)算脈沖數(shù)計(jì)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(jì)算脈沖當(dāng)量）由計(jì)算脈沖當(dāng)量：360 L0已知， L0=5mm， =150求脈沖當(dāng)量求脈沖當(dāng)量 計(jì)算計(jì)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(jìn)給系統(tǒng)閉環(huán)與半閉環(huán)伺服進(jìn)給系統(tǒng) 在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，傳感器安裝在控制目標(biāo)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(biāo)部件上，直接檢測目標(biāo)的運(yùn)動，并將目標(biāo)的有關(guān)信息反饋到控制器，由控制器進(jìn)測目標(biāo)的運(yùn)動，并將目標(biāo)的有關(guān)信息反饋到控制器，由控制器進(jìn)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(fù)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(fù)雜性，且增益選擇不當(dāng)時(shí)可能會導(dǎo)致系

22、統(tǒng)不穩(wěn)定。選擇不當(dāng)時(shí)可能會導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。 絲杠控制器 電機(jī)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(jìn)給系統(tǒng)閉環(huán)與半閉環(huán)伺服進(jìn)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(biāo)部件的工作狀態(tài)，從而對控制目標(biāo)部件的工作狀目標(biāo)部件的工作狀態(tài)，從而對控制目標(biāo)部件的工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，使之滿足要求。態(tài)進(jìn)行調(diào)整，使之滿足要求。 絲杠控制器 電機(jī)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(jìn)給伺服系統(tǒng)中，脈沖比較伺服系統(tǒng)應(yīng)用比較普遍。這是因?yàn)樵撓到y(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡單，易于實(shí)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(gòu)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(jìn)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(jī)，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(jì)算機(jī)數(shù)控制裝置提供指令的脈沖。 (2) 反映機(jī)床工作臺實(shí)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(zhuǎn)變成伺服電動機(jī)模擬控制 信號的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。 (5) 執(zhí)行元件（伺服電動機(jī)）。 37 2.脈沖比較伺服系統(tǒng)的工作原理 當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)要求工作臺向一個(gè)方向進(jìn)給時(shí)，經(jīng)插補(bǔ)運(yùn)算得到一系列進(jìn)給脈沖作為指令脈沖，其數(shù)量代表了工作臺的指令進(jìn)給量，頻率代表了工作臺的進(jìn)給速度，方向代表了工作臺的進(jìn)給方向。以增量式光電編碼器為例，當(dāng)光電編碼器與伺服電動機(jī)及滾珠絲杠直聯(lián)時(shí)，隨著伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生序列脈沖輸出，脈沖的頻率將隨著轉(zhuǎn)速的快慢而升降。現(xiàn)設(shè)工作臺處于靜止?fàn)顟B(tài)。 38 （1）指令脈沖PC=0，這時(shí)反饋脈沖Pf=0，則Pe=0，則伺服電動機(jī)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(jì)數(shù)器加2，在工作臺尚未移動之前，反饋脈沖Pf+=0，可逆計(jì)數(shù)器輸出Pe=Pc+Pf+=20=2，經(jīng)轉(zhuǎn)換，速度指令為正，伺服電動機(jī)正轉(zhuǎn)，工作臺正向進(jìn)給。 （3）工作臺正向運(yùn)動，即有反饋脈沖Pf+產(chǎn)生，當(dāng)Pf+時(shí)，可逆計(jì)數(shù)器減，此時(shí)Pe=Pc+Pf+=210，伺服電動機(jī)仍正轉(zhuǎn)，工作臺繼續(xù)正向進(jìn)給。 （4）當(dāng)Pf+=2時(shí)，Pe=Pc+Pf+=22=0，則速度指令為零，伺服電動機(jī)停轉(zhuǎn)，工作臺停止在位置指令所要求的位置。 39 當(dāng)指令脈沖為反向PC-時(shí)，控制過程與正向時(shí)相同，只是Pe0，工作臺反向進(jìn)給。 當(dāng)采用絕對式編碼器時(shí)，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(zhuǎn)換，變成數(shù)字脈沖信號，再進(jìn)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(jì)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(yùn)算位置反饋含義可逆計(jì)數(shù)器運(yùn)算PC+正向運(yùn)動指令+Pf+正向位置反饋PC-反向運(yùn)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(shí)，各自按預(yù)定的要求經(jīng)

27、加法先后分別到來時(shí)，各自按預(yù)定的要求經(jīng)加法計(jì)數(shù)端或減法計(jì)數(shù)端進(jìn)入可逆計(jì)數(shù)器。若加、計(jì)數(shù)端或減法計(jì)數(shù)端進(jìn)入可逆計(jì)數(shù)器。若加、減脈沖同時(shí)到來時(shí)，則由該電路保證先作加減脈沖同時(shí)到來時(shí)，則由該電路保證先作加法計(jì)數(shù)，然后再作減法計(jì)數(shù)，這樣可保證兩法計(jì)數(shù)，然后再作減法計(jì)數(shù)，這樣可保證兩路計(jì)數(shù)脈沖均不會丟失。路計(jì)數(shù)脈沖均不會丟失。43 在脈沖比較伺服系統(tǒng)中，只有實(shí)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(jì)數(shù)器。當(dāng)PC+與PC-不同時(shí)輸出時(shí)，在A1和A5中同一時(shí)刻只有一路有脈沖輸出，A9輸出始終是低電平。如此時(shí)工作臺要做正向進(jìn)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(jì)數(shù)器A13做加法計(jì)數(shù)。 4445 可逆計(jì)數(shù)器的內(nèi)容由0變?yōu)檎龜?shù)，其輸出經(jīng)轉(zhuǎn)換和放大后，使伺服電動機(jī)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(jì)數(shù)器A13做減法計(jì)數(shù)。此時(shí)，可逆計(jì)數(shù)器的內(nèi)容就是Pc+和Pf+的偏差值Pe。當(dāng)可逆計(jì)數(shù)器的內(nèi)容變?yōu)?時(shí)，說明偏差值Pe=0，即工作臺的實(shí)際位置等于指令要求的位移，

29、進(jìn)給過程結(jié)束。反向進(jìn)給時(shí)，反向指令脈沖PC-使可逆計(jì)數(shù)器做減法計(jì)數(shù)，反向反饋脈沖Pf-使可逆計(jì)數(shù)器做加法計(jì)數(shù)，其他過程和正向進(jìn)給相同。 46 但也有可能出現(xiàn)指令脈沖和反饋脈沖同時(shí)輸入的情況。如出現(xiàn)這種情況，為防止可逆計(jì)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(jìn)入可逆計(jì)數(shù)器之前，要進(jìn)行脈沖分離。如脈沖比較器輸入端同時(shí)出現(xiàn)指令脈沖和反饋脈沖，則A1、A5的輸出同時(shí)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(fù)脈沖同時(shí)封鎖A3和A7，使指令脈沖和反饋脈沖不能通過A3和A7而進(jìn)入可逆計(jì)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(jì)數(shù)器做加法計(jì)數(shù)，再經(jīng)A12延時(shí)四個(gè)時(shí)針周期（由時(shí)鐘脈沖PC產(chǎn)生）通過A8輸出到可逆計(jì)數(shù)器做減法計(jì)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(shí)出現(xiàn)時(shí)，脈沖比較器進(jìn)行正常的脈沖信號比較。即使指令脈沖和反饋脈沖同時(shí)出現(xiàn)，也由硬件邏輯電路保證，先做加法計(jì)數(shù)，后做減法計(jì)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(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器或磁柵等。其特點(diǎn)是將位置指令脈沖和反饋脈沖都變成某個(gè)載波脈沖的相位，在鑒相器中進(jìn)行相位比較，得到實(shí)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(gè)相位比較基準(zhǔn)的基準(zhǔn)信號發(fā)生器。 （2）將來自計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置的進(jìn)給脈沖轉(zhuǎn)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(yīng)同步器）。 （4）將控制信號與反饋信號進(jìn)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(jìn)行功率和電壓放大的伺服放大器。 51 （6）實(shí)現(xiàn)電信號到機(jī)械位移轉(zhuǎn)換的執(zhí)行元件。 根據(jù)感應(yīng)同步器工作在相位工作方式時(shí)有 其中， 。相位比較的實(shí)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(shí)現(xiàn)相位比較的比較器為鑒相器。 由于旋轉(zhuǎn)變

32、壓器，感應(yīng)同步器和磁柵等檢測信號為電壓模擬信號，同時(shí)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(shí)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(gè)：一是通過對基準(zhǔn)脈沖進(jìn)行分頻，產(chǎn)生基準(zhǔn)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(yīng)電壓ud的相位 隨著工作臺的移動，相對于基準(zhǔn)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(shí)際相位脈沖 的相位 均以基準(zhǔn)相位脈沖 的相位 為基準(zhǔn)，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(shí)的相位比較波形圖。cPcfP (1)當(dāng)無進(jìn)給指令時(shí)，即Pc+=0，工作臺靜止，指令脈沖的相位 與基準(zhǔn)脈沖相位 同相位，同時(shí)因工作臺靜止無反饋，故實(shí)際相位 也與基準(zhǔn)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(jī)不轉(zhuǎn)，工作臺仍靜止，如圖6-6a所示。f0P0ccffcc0f00f54 (2)有正向進(jìn)給指令，Pc+=2，在指令獲得瞬時(shí)，工作臺仍靜止，此時(shí)，指令脈沖的相位 超前基準(zhǔn)相位 ，但實(shí)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(jī)正轉(zhuǎn)，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(shí)際相位 超前基準(zhǔn)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(jī)正轉(zhuǎn)，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(shí)際相位 超前基準(zhǔn)相位 的數(shù)值增加，當(dāng) 時(shí)，經(jīng)鑒相器 ，速度控制信號為零，伺服電動機(jī)停轉(zhuǎn)，工作臺停止在指令所要求的位置上，如圖6-6d所示。 當(dāng)進(jìn)給為反向指令時(shí)，相位比較同正向進(jìn)給類似。所不同的是指令脈沖相對于基準(zhǔn)脈沖為減脈沖，故指令相位

35、 相對于基準(zhǔn)相位 滯后，同時(shí)，實(shí)際相位 相對于基準(zhǔn)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(fù)，伺服電動機(jī)反轉(zhuǎn)，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(shí)，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(fù)。 至于一個(gè)脈沖相當(dāng)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(dāng)量。如感應(yīng)同步器一個(gè)節(jié)距=2mm（相當(dāng)360電角度），脈沖當(dāng)量=0.001 mm/脈沖，則相位增量為/360=0.001/2360=0.18/脈沖，即一個(gè)脈沖相當(dāng)于

36、0.18的相位移，因此需要將一個(gè)節(jié)距分成2000等份，即分頻系數(shù)N=2000（0.182000=360）。 在感應(yīng)同步器中，相位角 與直線位移X成正比，當(dāng)采用旋轉(zhuǎn)變壓器時(shí)，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(zhuǎn)換成相應(yīng)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(zhǔn)分頻通道和調(diào)相分頻通道兩部分。由基準(zhǔn)脈沖信號發(fā)生器產(chǎn)生的基準(zhǔn)脈沖信號f0分成兩路。一路輸入基準(zhǔn)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(yīng)同步器滑尺的sin繞組和cos繞組作為勵磁，它們與基準(zhǔn)信號有確定的相位關(guān)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(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)器和X計(jì)數(shù)器，兩計(jì)數(shù)器的分頻數(shù)相同。在基準(zhǔn)脈沖信號觸發(fā)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)器和X計(jì)數(shù)器之前，先向X計(jì)數(shù)器輸入一定數(shù)量的指令脈沖PC+。當(dāng)基準(zhǔn)脈沖信號觸發(fā)兩計(jì)數(shù)器后，兩計(jì)數(shù)器輸出的信號頻率相同，但相位卻不同。由于標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)器是N分頻，所以N個(gè)基準(zhǔn)脈沖會使標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)器的輸出變化一個(gè)周期，即360。X計(jì)數(shù)器輸入端同樣接收到N個(gè)基準(zhǔn)脈沖，但由于先前X計(jì)數(shù)器已接收了PC個(gè)正指令脈沖，實(shí)際上X計(jì)數(shù)器接收了N+PC個(gè)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(jì)數(shù)器的相位超前了標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)器 1，其波

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

39、令脈沖的同步信號。當(dāng)沒有指令脈沖時(shí)，與非門開，A脈沖由此通過。當(dāng)輸入一個(gè)PC指令脈沖時(shí)，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(gè) 序列脈沖。當(dāng)輸入一個(gè)PC+指令脈沖時(shí)，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(shí)，Q4和B端均為1，與非門打開，脈沖進(jìn)入最后的輸出端。由于 、錯(cuò)相180，所以使 序列脈沖中插入一個(gè) 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(jìn)行相位比較，需要應(yīng)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(jìn)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(shí)為0，S=0。如 信號超前 信號相位，A信號來到時(shí)，B信號還沒有出現(xiàn)。此時(shí)， =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(shí)， =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(shí)，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(guān)信號的波形圖見圖6-10。從圖中可以看出，S信號是一個(gè)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(dāng)接于 端的 信號超前于 信號時(shí)， 領(lǐng)先于 從1變?yōu)?， 觸發(fā)器由 信號的下降沿觸發(fā)時(shí)， 端的 信號已為0，

42、所以NE端也為0，如圖6-10b所示。當(dāng)接于 端的 信號滯后于信號時(shí)， 領(lǐng)先 從1變?yōu)?， 觸發(fā)器由 信號的下降沿觸發(fā)時(shí)， 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(jī)械位移的大小，并以此作為位置反饋信號，與指令信號進(jìn)行比較構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的特點(diǎn)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(yīng)同步器和旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置檢測元件。幅值比較伺服系統(tǒng)實(shí)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(yīng)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(zhuǎn)變成伺服電動機(jī)模擬控制信號的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。 將模擬控制信號進(jìn)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(yīng)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(zhuǎn)變?yōu)榉敌盘柕蔫b幅器。 將鑒幅器的直流電壓轉(zhuǎn)變成反饋脈沖的電壓頻率變換器。 實(shí)現(xiàn)電信號到機(jī)械位移轉(zhuǎn)換的執(zhí)行元件。 75 (2) 幅值比較伺服系統(tǒng)的工作原理 當(dāng)采用幅值工作方式時(shí)，感應(yīng)同步器滑尺正弦繞組和分別輸入頻率相同、幅值成正交關(guān)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(dāng)正弦、余弦繞組的勵磁信號加入后，定尺繞組的感應(yīng)電動勢為： 式中 K感應(yīng)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(gè)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(shè)定值，然后，測量E0m的大小，當(dāng)設(shè)定值 變化到使E0m=0，即 時(shí)，就間接地通過設(shè)定值 獲得了定尺和滑尺之間位移角 的實(shí)

45、際值。所以幅值比較伺服系統(tǒng)中，若要獲得 和 之間的關(guān)系，只需要檢測的電動勢即可。這項(xiàng)工作由鑒幅器來完成。為了實(shí)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(yīng)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(shè)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(shí)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(jī)速度給定值為0，工作臺繼續(xù)處于靜止?fàn)顟B(tài)。 當(dāng)系統(tǒng)接收到正的指令脈沖PC0時(shí)，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(shè)有數(shù)模轉(zhuǎn)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(jī)帶動工作臺正向進(jìn)給，同步感應(yīng)器滑尺相對于定尺產(chǎn)生位移。此時(shí)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(zhuǎn)換成相應(yīng)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(shè)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(jī)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(jī)速度給定值0。此時(shí)， = ，定尺繞組電動勢幅值E0m=0，工作臺又處于靜止?fàn)顟B(tài)。 80 若系統(tǒng)接收到負(fù)的指令脈沖，整個(gè)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(jìn)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(dá)負(fù)向指令要求的位置，工作臺又處于靜止?fàn)顟B(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(shè)定的，并跟隨工作臺的進(jìn)給而被動變化的，所以可以利用作為工作臺實(shí)際位置的測量值。當(dāng)工作臺到達(dá)進(jìn)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(shí)際上就是的位移角 ，即工作臺的位移量。 812.鑒幅器