數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)概述.ppt

6 1概述6 2開環(huán)控制系統(tǒng)與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)系統(tǒng) 6 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(dòng)信號(hào)控制轉(zhuǎn)換電路 電力電子驅(qū)動(dòng)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) 開環(huán)伺服系統(tǒng)閉環(huán)伺服系統(tǒng)半閉環(huán)系統(tǒng) 1 按調(diào)節(jié)理論分類 電液伺服控制系統(tǒng)電氣伺服控制系統(tǒng) 2 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 按被控對(duì)象分類 1 高精度由于數(shù)控機(jī)床的動(dòng)作是由伺服電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的 為了保證移動(dòng)部件的定位精度 對(duì)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 01 0 001mm 高檔設(shè)備的定位精度要求達(dá)到0 1 m以上 速度控制要求在負(fù)載變化時(shí)有較強(qiáng)的抗擾動(dòng)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伺服系統(tǒng)的基本要求 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)到原來的平衡狀態(tài) 對(duì)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 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(hào)的響應(yīng)要快 這就對(duì)伺服系統(tǒng)的動(dòng)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(dòng) 制動(dòng) 加速 減速等動(dòng)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(dòng)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)到光滑的加工表面 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0 30m 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(dòng)機(jī)要有更寬的調(diào)速范圍 對(duì)于主軸電動(dòng)機(jī) 因使用無級(jí)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(dòng)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(dòng)機(jī)與絲杠直聯(lián) 沒有降速齒輪 這就要求進(jìn)給電動(dòng)機(jī)能輸出較大的轉(zhuǎn)矩 對(duì)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 6 較強(qiáng)的過載能力由于電動(dòng)機(jī)加減速時(shí)要求有很快的響應(yīng)速度 而使電動(dòng)機(jī)可能在過載的條件下工作 這就要求電動(dòng)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4 6倍而不損壞 7 慣性匹配移動(dòng)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(dòng)機(jī)的慣量要與移動(dòng)部件的慣量匹配 通常要求電動(dòng)機(jī)的慣量不小于移動(dòng)部件慣量 6 2開環(huán)控制系統(tǒng)與步進(jìn)電機(jī) 6 2 1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的能力較差 且對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的變動(dòng)敏感 6 2 2步進(jìn)電機(jī) 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(dòng)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 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 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)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(dòng) 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(dòng) 對(duì)步進(jìn)電機(jī)施加一個(gè)電脈沖信號(hào)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 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 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 轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動(dòng)方向 在無脈沖輸入時(shí) 步進(jìn)電機(jī)在繞組電源激勵(lì)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) 步進(jìn)電機(jī)的分類 按運(yùn)動(dòng)方式分 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 直線運(yùn)動(dòng)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) 按相數(shù)分 三相 四相 五相 六相 八相等 按使用頻率分 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(dòng)裝置也不完全一樣 1 三相單三拍 A相繞組通電 B C相不通電 氣隙產(chǎn)生以A A為軸線的磁場 而磁力線總是力圖從磁阻最小的路徑通過 故電動(dòng)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)子必然轉(zhuǎn)到左圖所示位置 1 3齒與A A 極對(duì)齊 三相 指三相步進(jìn)電機(jī) 單 指每次只能一相繞組通電 三拍 指通電三次完成一個(gè)通電循環(huán) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理 同理 B相通電時(shí) 轉(zhuǎn)子會(huì)轉(zhuǎn)過30 角 2 4齒和B B 磁極軸線對(duì)齊 當(dāng)C相通電時(shí) 轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過30 角 1 3齒和C C磁極軸線對(duì)齊 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 所以稱為三相單三拍工作方式 按A B C A 的順序給三相繞組輪流通電 轉(zhuǎn)子便一步一步轉(zhuǎn)動(dòng)起來 每一拍轉(zhuǎn)過30 步距角 每個(gè)通電循環(huán)周期 3拍 磁場在空間旋轉(zhuǎn)了360 而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過90 一個(gè)齒距角 2 三相六拍 按A AB B BC C CA的順序給三相繞組輪流通電 這種方式可以獲得更精確的控制特性 A相通電 轉(zhuǎn)子1 3齒與A A 對(duì)齊 A B相同時(shí)通電 A A 磁極拉住1 3齒 B B 磁極拉住2 4齒 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過15 到達(dá)左圖所示位置 B相通電 轉(zhuǎn)子2 4齒與B B 對(duì)齊 又轉(zhuǎn)過15 B C相同時(shí)通電 C C磁極拉住1 3齒 B B 磁極拉住2 4齒 轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過15 三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的一個(gè)通電循環(huán)周期如下 A AB B BC C CA 每個(gè)循環(huán)周期分為六拍 每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過15 步距角 一個(gè)通電循環(huán)周期 6拍 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過90 齒距角 與單三拍相比 六拍驅(qū)動(dòng)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 3 三相雙三拍 按AB BC CA的順序給三相繞組輪流通電 每拍有兩相繞組同時(shí)通電 與單三拍方式相似 雙三拍驅(qū)動(dòng)時(shí)每個(gè)通電循環(huán)周期也分為三拍 每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過30 步距角 一個(gè)通電循環(huán)周期 3拍 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過90 齒距角 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) 其大小可用下式計(jì)算 360 Zm Z 轉(zhuǎn)子齒數(shù)m一運(yùn)行拍數(shù) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo) 1 步距角2 最大靜轉(zhuǎn)矩3 空載啟動(dòng)頻率4 啟動(dòng)矩頻特性5 空載運(yùn)行頻率 步進(jìn)電機(jī)開環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 要解決的主要問題 動(dòng)力計(jì)算 傳動(dòng)計(jì)算 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)或選擇傳動(dòng)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(dòng)齒輪齒數(shù)t 螺距 mm 脈沖當(dāng)量 mm 傳動(dòng)比選擇 為了湊脈沖當(dāng)量 mm 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(duì)齒輪傳動(dòng)副 那么 傳動(dòng)比i Z1 Z2與 t之間有如下關(guān)系 步距角 脈沖當(dāng)量 t 絲杠導(dǎo)程 例1 0 01mm t 1 5mm 1 2 進(jìn)給速度F 一般步進(jìn)電機(jī) 若 0 01mm則 若 0 001mm則 因此 當(dāng)fmax一定時(shí) Fmax與 成正比 故我們?cè)谡劦讲竭M(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 下的 否則是沒有意義的 提高步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)傳動(dòng)精度的措施 影響步進(jìn)電機(jī)開環(huán)系統(tǒng)傳動(dòng)精度的因素 步進(jìn)電機(jī)的步距角精度 機(jī)械傳動(dòng)部件的精度 絲桿等機(jī)械傳動(dòng)部件 支承的傳動(dòng)間隙 傳動(dòng)件和支承件的變形 提高步進(jìn)電機(jī)開環(huán)系統(tǒng)傳動(dòng)精度的措施適當(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 傳動(dòng)間隙補(bǔ)償在整個(gè)行程范圍內(nèi)測量傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)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(dòng)時(shí) 數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)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 方法 首先測量出進(jìn)給絲杠螺距誤差曲線 規(guī)律 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 例2設(shè)X Y工作臺(tái)由步進(jìn)電機(jī)直接經(jīng)絲桿螺母副驅(qū)動(dòng) 絲桿螺距為5mm 步進(jìn)電機(jī)步距角為150 工作方式三相六拍 工作臺(tái)最大行程為400mm 求 1 脈沖當(dāng)量 2 微機(jī)發(fā)出的脈沖總數(shù)是多少 2 計(jì)算脈沖數(shù)n 由n L 工作臺(tái)最大行程 所以 脈沖數(shù)為 n L 400 0 02083 19200步 解 1 由計(jì)算脈沖當(dāng)量 360 L0 已知 L0 5mm 150求脈沖當(dāng)量 計(jì)算 5 360 1 5 0 02083 mm 6 3閉環(huán)伺服系統(tǒng)與與反饋比較形式 6 3 1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 直接檢測目標(biāo)的運(yùn)動(dòng) 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(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定 6 3閉環(huán)伺服系統(tǒng)與與反饋比較形式 6 3 1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 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(duì)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 6 3 2數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)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(hào) 伺服系統(tǒng)根據(jù)這一偏差信號(hào)去驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī) 原理框圖如圖6 2所示 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 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(tái)實(shí)際位置的位置檢測器 3 完成指令信號(hào)與反饋信號(hào)相比較的比較器 4 將比較器輸出數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)變成伺服電動(dòng)機(jī)模擬控制信號(hào)的數(shù) 模轉(zhuǎn)換器 5 執(zhí)行元件 伺服電動(dòng)機(jī) 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(tái)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(tái)的指令進(jìn)給量 頻率代表了工作臺(tái)的進(jìn)給速度 方向代表了工作臺(tái)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(dòng)機(jī)及滾珠絲杠直聯(lián)時(shí) 隨著伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng) 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(tái)處于靜止?fàn)顟B(tài) 1 指令脈沖PC 0 這時(shí)反饋脈沖Pf 0 則Pe 0 則伺服電動(dòng)機(jī)的速度給定為零 工作臺(tái)繼續(xù)保持靜止不動(dòng) 2 現(xiàn)有正向指令PC 2 可逆計(jì)數(shù)器加2 在工作臺(tái)尚未移動(dòng)之前 反饋脈沖Pf 0 可逆計(jì)數(shù)器輸出Pe Pc Pf 2 0 2 經(jīng)轉(zhuǎn)換 速度指令為正 伺服電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn) 工作臺(tái)正向進(jìn)給 3 工作臺(tái)正向運(yùn)動(dòng) 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 2 1 0 伺服電動(dòng)機(jī)仍正轉(zhuǎn) 工作臺(tái)繼續(xù)正向進(jìn)給 4 當(dāng)Pf 2時(shí) Pe Pc Pf 2 2 0 則速度指令為零 伺服電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn) 工作臺(tái)停止在位置指令所要求的位置 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Pe 0 工作臺(tái)反向進(jìn)給 當(dāng)采用絕對(duì)式編碼器時(shí) 通常情況下 先將位置檢測的代碼反饋信號(hào)經(jīng)數(shù)碼 數(shù)字轉(zhuǎn)換 變成數(shù)字脈沖信號(hào) 再進(jìn)行脈沖比較 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(hào)與Pf的脈沖符號(hào)相比較 得到脈沖偏差信號(hào)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 PC PC 和Pf Pf 的加 減定義見表6 1 表6 1PC Pf的定義 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)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 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) 這樣可保證兩路計(jì)數(shù)脈沖均不會(huì)丟失 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 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(tái)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) 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(dòng)機(jī)帶動(dòng)工作臺(tái)正向移動(dòng) 工作臺(tái)移動(dòng)后 位置檢測元件測得代表工作臺(tái)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(tái)的實(shí)際位置等于指令要求的位移 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 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 A11的正脈沖輸出分成兩路 先經(jīng)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(hào)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(huì)丟失 6 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 它主要由以下部分組成 1 能輸出一系列具有一定頻率的脈沖信號(hào) 為伺服系統(tǒng)提供一個(gè)相位比較基準(zhǔn)的基準(zhǔn)信號(hào)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?hào)的脈沖調(diào)相器 3 檢測工作臺(tái)位移的位置檢測元件 感應(yīng)同步器 4 將控制信號(hào)與反饋信號(hào)進(jìn)行比較 輸出與相位差成正比電壓信號(hào)的鑒相器 5 將鑒相器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行功率和電壓放大的伺服放大器 6 實(shí)現(xiàn)電信號(hào)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)變壓器 感應(yīng)同步器和磁柵等檢測信號(hào)為電壓模擬信號(hào) 同時(shí)這些裝置還有勵(lì)磁信號(hào) 故相位比較首先要解決信號(hào)處理問題 即怎樣形成指令相位脈沖和實(shí)際相位脈沖 2 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(duì)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(lì)磁繞組的勵(lì)磁電壓頻率與頻率相同 感應(yīng)電壓ud的相位隨著工作臺(tái)的移動(dòng) 相對(duì)于基準(zhǔn)相位有超前或滯后 二是通過對(duì)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 由于指令相位脈沖的相位和實(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 1 當(dāng)無進(jìn)給指令時(shí) 即Pc 0 工作臺(tái)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(tái)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(hào)為零 伺服電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn) 工作臺(tái)仍靜止 如圖6 6a所示 2 有正向進(jìn)給指令 Pc 2 在指令獲得瞬時(shí) 工作臺(tái)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 速度控制信號(hào)大于零 伺服電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn) 工作臺(tái)正向移動(dòng) 如圖6 6b所示 3 隨著工作臺(tái)的正向移動(dòng) 有反饋信號(hào)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(hào)仍大于零 伺服電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn) 工作臺(tái)仍正向移動(dòng) 如圖6 6c所示 圖6 6相位比較波形圖 圖6 6相位比較波形圖 4 隨著工作臺(tái)的繼續(xù)正向移動(dòng) 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(hào)為零 伺服電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn) 工作臺(tái)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(duì)于基準(zhǔn)脈沖為減脈沖 故指令相位相對(duì)于基準(zhǔn)相位滯后 同時(shí) 實(shí)際相位相對(duì)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(hào)為負(fù) 伺服電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn) 工作臺(tái)移動(dòng)至指令位置 鑒相器的輸出信號(hào)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(hào) 作為速度控制信號(hào) 同時(shí) 鑒相器還必須對(duì)超前和滯后做出判別 使得速度控制信號(hào)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 001mm 脈沖 則相位增量為 360 0 001 2 360 0 18 脈沖 即一個(gè)脈沖相當(dāng)于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 18 2000 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 3 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(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的基準(zhǔn)脈沖信號(hào)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(lì)磁信號(hào)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(lì)磁 它們與基準(zhǔn)信號(hào)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 產(chǎn)生指令相位信號(hào) 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(hào)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(hào)觸發(fā)兩計(jì)數(shù)器后 兩計(jì)數(shù)器輸出的信號(hào)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(huì)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 其波形如圖6 8所示 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N1 N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 N 360 如圖6 8所示 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(hào) 是主頻率 經(jīng)與非門 輸出 作為計(jì)數(shù)器的基準(zhǔn)脈沖 是指令脈沖的同步信號(hào) 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 圖6 10脈沖加減器 一 圖6 10脈沖加減器 二 為了將指令信號(hào)與反饋信號(hào)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(hào)和位置信號(hào)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(hào)的二分之一分頻 為位置信號(hào)的二分之一分頻 若 信號(hào)相位相同 則或門兩輸入端同時(shí)為0 S 0 如信號(hào)超前信號(hào) 相位 A信號(hào)來到時(shí) B信號(hào)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 4 鑒相器 信號(hào)也出現(xiàn)時(shí) 1 1 使兩與門輸出均為0 或門輸出端S 0 由于信號(hào)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(hào)的波形圖見圖6 10 從圖中可以看出 S信號(hào)是一個(gè)周期的方波脈沖 它的波脈寬度與 兩信號(hào)的相位差 成正比 可以通過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 信號(hào)是超前還是滯后信號(hào) 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(hào)超前于信號(hào)時(shí) 領(lǐng)先于從1變?yōu)? 觸發(fā)器由信號(hào)的下降沿觸發(fā)時(shí) 端的信號(hào)已為0 所以NE端也為0 如圖6 10b所示 當(dāng)接于端的信號(hào)滯后于信號(hào)時(shí) 領(lǐng)先從1變?yōu)? 觸發(fā)器由信號(hào)的下降沿觸發(fā)時(shí) 端的信號(hào)仍為1 所以NE端也為1 6 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(hào)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(hào) 與指令信號(hào)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 1 幅值比較伺服系統(tǒng)的組成和工作原理 1 幅值比較伺服系統(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 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(hào)轉(zhuǎn)變成伺服電動(dòng)機(jī)模擬控制信號(hào)的數(shù) 模轉(zhuǎn)換器 將模擬控制信號(hào)進(jìn)行功率和電壓放大的伺服放大器 檢測工作臺(tái)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(hào)的勵(lì)磁電路 將定尺的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榉敌盘?hào)的鑒幅器 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(hào)到機(jī)械位移轉(zhuǎn)換的執(zhí)行元件 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(lì)磁信號(hào) 式中 勵(lì)磁信號(hào)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(lì)磁信號(hào)的幅值 正弦交變勵(lì)磁信號(hào)的角頻率 當(dāng)正弦 余弦繞組的勵(lì)磁信號(hào)加入后 定尺繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢為 式中K 感應(yīng)系數(shù) 定尺繞組與滑尺繞組的相對(duì)位移角 E0m 定尺繞組電動(dòng)勢幅值 若 則定尺繞組電動(dòng)勢幅值E0m 0 利用這個(gè)原理 要測量定尺與滑尺之間移動(dòng)的位移角 可改變勵(lì)磁信號(hào)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)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(dòng)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(dòng)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(hào) 另一方面作為修改勵(lì)磁信號(hào)中的設(shè)定輸入 使跟隨的變化 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(tái)靜止不動(dòng) 指令脈沖 經(jīng)鑒幅器檢測定尺繞組的電動(dòng)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 PC Pf 0 伺服電動(dòng)機(jī)速度給定值為0 工作臺(tái)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PC 0時(shí) 工作臺(tái)仍保持靜止?fàn)顟B(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 PC Pf 0 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(hào) 于是 伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)工作臺(tái)正向進(jìn)給 同步感應(yīng)器滑尺相對(duì)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(lì)磁信號(hào)的電氣角 定尺繞組電動(dòng)勢幅值E0m 0 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 PC Pf 另一方面輸入勵(lì)磁電路 作為修改勵(lì)磁信號(hào)電氣角的設(shè)定輸入 使跟隨變化 若仍有Pe PC Pf 0 則工作臺(tái)還沒有指令要求的位置 伺服電動(dòng)機(jī)繼續(xù)帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng) 反饋脈沖Pf和勵(lì)磁信號(hào)電氣角繼續(xù)變化 直到使位置偏差Pe PC Pf 0 伺服電動(dòng)機(jī)速度給定值0 此時(shí) 定尺繞組電動(dòng)勢幅值E0m 0 工作臺(tái)又處于靜止?fàn)顟B(tài) 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(tái)向反向進(jìn)給 定尺與滑尺之間的位移角滯后于勵(lì)磁信號(hào)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(tái)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(lì)磁信號(hào)的電氣角是由系統(tǒng)設(shè)定的 并跟隨工作臺(tái)的進(jìn)給而被動(dòng)變化的 所以可以利用作為工作臺(tái)實(shí)際位置的測量值 當(dāng)工作臺(tái)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(tái)的位移量 2 鑒幅器 圖6 13為鑒幅器原理圖 輸入端的e0是感應(yīng)同步器定尺繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢 由式e0 E0msin t可知 e0是交變電動(dòng)勢 該信號(hào)首先通過低通濾波器 濾去交變信號(hào)中的高次諧波和干擾信號(hào) 獲得較為理想的正弦波形 通過運(yùn)算放大器將信號(hào)放大 然后 由互為反向的開關(guān)信號(hào)SL和實(shí)現(xiàn)通道的通斷控制 其開關(guān)頻率與輸入信號(hào)相同 由圖5 14