數(shù)控機(jī)床控制技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

1、數(shù)控機(jī)床控制技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)控機(jī)床的伺服數(shù)控機(jī)床控制技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)5.1 5.1 概述概述 伺服(Servo)，本意為“服從”的含義。數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)（Servo System）通常是指進(jìn)給伺服系統(tǒng)，它是數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床機(jī)械傳動(dòng)部件間的聯(lián)接環(huán)節(jié)，是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，包含機(jī)械傳動(dòng)、電氣驅(qū)動(dòng)、檢測(cè)、自動(dòng)控制方面的內(nèi)容，涉及強(qiáng)電與弱電控制。進(jìn)給伺服系統(tǒng)是以機(jī)床移動(dòng)部件位置為控制量的自動(dòng)控制系統(tǒng)，它根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)插補(bǔ)運(yùn)算生成的位置指令，精確地變換為機(jī)床移動(dòng)部件的位移，直接反映了機(jī)床坐標(biāo)軸跟蹤運(yùn)動(dòng)指令和實(shí)際定位的性能。 5.1.1 5.1.1 伺服系統(tǒng)的組成伺服系統(tǒng)的組成 伺服系統(tǒng)完

2、成機(jī)床移動(dòng)部件（如工作臺(tái)；主軸或刀具進(jìn)給等）的位置和速度控制。它接收計(jì)算機(jī)的插補(bǔ)命令，將插補(bǔ)脈沖轉(zhuǎn)換為機(jī)械位移。伺服系統(tǒng)的性能直接影響數(shù)控機(jī)床的精度和工作臺(tái)的速度等技術(shù)指標(biāo)。 （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0.010.001mm；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(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。 5.1.2 5.1.2 數(shù)控機(jī)床對(duì)伺服系統(tǒng)的要求數(shù)控機(jī)床對(duì)伺服系統(tǒng)的要求 （2）可逆運(yùn)行 在加工過(guò)程中，機(jī)床工作臺(tái)根據(jù)加工

3、軌跡的要求，隨時(shí)都可能實(shí)現(xiàn)正向或反向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)要求在方向變化時(shí)，不應(yīng)有反向間隙和運(yùn)動(dòng)的損失。從能量角度看，應(yīng)該實(shí)現(xiàn)能量的可逆轉(zhuǎn)換，即在加工運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)吸收能量變?yōu)闄C(jī)械能；在制動(dòng)時(shí)應(yīng)把電動(dòng)機(jī)的機(jī)械慣性能量變?yōu)殡娔芑仞伣o電網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)快速制動(dòng)。 （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(guò)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(guò)渡過(guò)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

4、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(guò)渡過(guò)程恢復(fù)時(shí)間要短且無(wú)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(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(wú)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?，F(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(méi)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。

5、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(guò)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(guò)載的條件下工作，這就要求電動(dòng)機(jī)有較強(qiáng)的抗過(guò)載能力。通常要求在數(shù)分鐘內(nèi)過(guò)載46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。 5.2 5.2 位置控制位置控制 位置控制是進(jìn)給伺服系統(tǒng)的重要組成部分，是保證進(jìn)給位置精度的重要環(huán)節(jié)。位置控制按其結(jié)構(gòu)可分為開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制。開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)位置控制比較簡(jiǎn)單，根據(jù)進(jìn)給系統(tǒng)的需要由CNC裝置發(fā)送所需要的脈沖指

6、令便實(shí)現(xiàn)了位置控制。對(duì)閉環(huán)或半閉環(huán)伺服系統(tǒng)，位置控制回路由位置控制、速度控制和位置檢測(cè)三部分組成，如圖5-1所示。 位置變換/速度 電動(dòng)機(jī) 速度調(diào)節(jié)器 速度傳感器 位置傳感器 位置檢測(cè) 速度控制 位置控制 位置比較器 實(shí)際位置 實(shí)際速度 速度比較器 位置變換/速度 位置指令 PC Pf P UP UP UP 圖 5-1 位置控制回路組成 * + 5.2.1 5.2.1 位置比較實(shí)現(xiàn)的方式位置比較實(shí)現(xiàn)的方式 位置控制的作用是將CNC裝置插補(bǔ)出的瞬時(shí)位置指令值PC和檢測(cè)出的位置Pf在位置比較器中進(jìn)行比較，產(chǎn)生位置偏差P，在把P轉(zhuǎn)為瞬時(shí)速度指令電壓UP。 輸入位置比較器中的位置指令有兩類方式脈沖列和

7、數(shù)值指令。 一、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(jiǎn)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(cè)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(cè)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(cè)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5-2所示。 1. 脈沖比較伺服系統(tǒng)組成 圖5-2是以光電編碼器為位置檢測(cè)元件的脈沖比較伺服系統(tǒng)。它主要由下列部分組成： 指令脈沖 比較環(huán)節(jié) 反饋脈沖 脈沖處理 位置檢測(cè) 光柵或光 電編碼器 Pci

8、Pi 圖 5-2 脈沖比較伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 D/A 轉(zhuǎn)換器 伺服放大器 Pi 伺服 電動(dòng)機(jī) 工作臺(tái) Pf (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(cè)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)

9、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?，F(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+=20=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+=210，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

10、+=22=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(guò)程與正向時(shí)相同，只是Pe0，工作臺(tái)反向進(jìn)給。 脈沖分離電路的作用是：在加、減脈沖先后分別到來(lái)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(lái)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。 當(dāng)采用絕對(duì)式編碼器時(shí)，通常情況下，先將位置檢測(cè)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)P

11、e。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5-3所示。 Pf+ 脈沖分離電路 可逆計(jì)數(shù)器 Pe Pf- Pc+ Pc- 圖 5-3 脈沖比較器框圖 PC+、PC-和Pf+、Pf-的加、減定義見(jiàn)表5-1。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(dòng)指令+Pf+正向位置反饋PC-反向運(yùn)動(dòng)指令Pf-反向位置反饋表5-1 PC、Pf的定義 1 1 1 1 1 A2 A1 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A13 A12 A11 A10 R R C C Pf- Pc+ Pf+ Pc- D D D D D CP CP CP CP CP CP Q Q Q Q Q Q

12、 B B A RD RD A Q0 Q7 +Vcc +Vcc +Vcc +Vcc 加 減 可逆計(jì)數(shù)器 圖 5-4 脈沖比較器 SOUT S S 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5-4為一脈沖比較器，其工作原理是 、 4、 5、 8、 9為或非門； 2、 3、 6、 7為觸發(fā)器； 12為8位移位寄存器； 10、 11為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器； 13為可逆計(jì)數(shù)器。當(dāng)PC與Pf不同時(shí)輸出時(shí)，在和 5中同一時(shí)刻只有一路有脈沖輸出， 9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) 、 2、 3、

13、4輸出，使可逆計(jì)數(shù)器 13做加法計(jì)數(shù)。 1AAAAAAAAAAAAAA1AAAAA 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(cè)元件測(cè)得代表工作臺(tái)位置的正向反脈沖Pf+，該脈沖經(jīng) 5、 6、 7、 8輸出，使可逆計(jì)數(shù)器 13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(shuō)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(guò)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(guò)程和正向進(jìn)給相同。 AAAAA 但也有可能出

14、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(jìng)爭(zhēng)”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 、 5的輸出同時(shí)為0，使 9輸出為1，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 10、 11有脈沖輸出。 10輸出的負(fù)脈沖同時(shí)封鎖 3和 7，使指令脈沖和反饋脈沖不能通過(guò) 3和 7而進(jìn)入可逆計(jì)數(shù)器。 1AAAAAAAAAA 11的正脈沖輸出分成兩路，先經(jīng) 4輸出到可逆計(jì)數(shù)器做加法計(jì)數(shù)，再經(jīng) 12延時(shí)四個(gè)時(shí)針周期（由時(shí)鐘脈沖PC產(chǎn)生）通過(guò) 8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

15、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。 AAAA5.1.2 相位比較伺服系統(tǒng) 一、相位比較伺服系統(tǒng)組成 相位比較伺服系統(tǒng)的檢測(cè)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5-5所示。它主要由以下部分組成。 f0 放大 整形 濾波 勵(lì)磁 電路 脈沖一相 位變換器 鑒相器 基準(zhǔn)脈沖 發(fā)生器 基準(zhǔn)相位 脈沖 P0 指令相位

16、脈沖 PC fc+ fc- sin cos ud 圖 5-5 相位比較控制原理框圖 實(shí)際相位脈沖 Pf （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(lái)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(cè)工作臺(tái)位移的位置檢測(cè)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

17、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(cè)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(wèn)題，即怎樣形成指令相位脈沖和實(shí)際相位脈沖 。 sin()sin(2/ )dmmukUtkUtX2/XfP（51） 二、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(guò)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(guò)對(duì)指令脈沖Pc+、PC-的加、減，再通過(guò)分頻產(chǎn)生相位超前或滯

18、后于 的指令相位脈沖 。 0P0P00PcP 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(guò)鑒相器即能獲得 超前 ，還是 超前 ，或兩者相等。如(圖5-6)所示為Pc+=2時(shí)的相位比較波形圖。cPcfP 1.當(dāng)無(wú)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(wú)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5-6a所示。f0P0c0cffcc0f00 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

19、 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5-6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5-6c所示。 c0f0f0cf0 鑒相器 基準(zhǔn)脈沖 f0 基準(zhǔn)相位0 指令相位0 實(shí)際相位f 0 =cf ud f f PC+=0 工作臺(tái)靜止(16 分頻) PC+=2 工作臺(tái)仍靜止 +1 +1 (a) (b) 圖5-6 相位比較波形圖（一）0 f0 0 ud c f PC+=2 Pf+=2 工作臺(tái)運(yùn)動(dòng) P

20、C+=2 Pf+=2 工作臺(tái)至指令位置 (a) (b) (d) (c) 圖5-6 相位比較波形圖（二） 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5-6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。 f0cf0c0f0 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

21、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=0.001 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。 三、脈沖調(diào)相器 脈沖調(diào)相器是將脈沖

22、數(shù)量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)相位的裝置。圖5-7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(guò)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) 。 sintcos tcP S 鑒相器 濾波 放大 濾波 脈沖調(diào)相器 指令脈沖 分頻器 2 （調(diào)相分頻通道） 分頻器 1 （基準(zhǔn)分頻通道） 感應(yīng)同步器 脈沖加減器 基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器 f0 NE US UC PS PC

23、cP P 定 尺 滑 尺 PCi 圖 5-7 脈沖調(diào)相器工作原理 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

24、 1，其波形如圖5-8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N1N個(gè)基準(zhǔn)脈沖，即輸出還沒(méi)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5-8所示。 標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)器 X 計(jì)數(shù)器 基準(zhǔn)信號(hào) X 計(jì)數(shù)器信號(hào) 1=PC+/N360 X 計(jì)數(shù)器信號(hào) 基準(zhǔn)信號(hào) PC+/N360 增加PC+/N360以前 增加PC+/N360以后 圖 5-8 輸入 PC+前后的波形變化 f0 N N PC+ (a) (b) (c) 標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)器 X 計(jì)數(shù)器

25、f0 N N PC- X 計(jì)數(shù)器信號(hào) 基準(zhǔn)信號(hào) 1=PC-/N360 抵消PC-以前 抵消PC-以后 圖 5-9 輸入 PC-前后的波形變化 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(guò)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5-10所示。 、 是由基準(zhǔn)脈沖發(fā)生器發(fā)出的在相位錯(cuò)開(kāi)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(méi)有指令脈沖時(shí)，與非門開(kāi)，A脈沖由此通過(guò)。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)

26、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(kāi)，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 BABA 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5-10 脈沖加減器 （一）1 1 +1 A B PC PC+ Q3 Q4 Q2 Q1 輸出 （b）波形圖 圖5-10 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5-11為半加

27、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，信號(hào)來(lái)到時(shí)，信號(hào)還沒(méi)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。 D 四、鑒相器SABABABBAAB 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(jiàn)圖5-10。從圖中可以

28、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?？梢酝ㄟ^(guò)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。 BABAABAB 信號(hào)是超前還是滯后信號(hào)，可借助于NE端來(lái)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5-10b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。 ADDABABDBDADABADBDA 指令信號(hào) 位

29、置信號(hào) A A A A B B B B A A B B S S NE NE (b) + Q Q Q D D D CP CP CP PC Pf Pf PC (a) 圖 5-11 半加器鑒相線路及波形圖 二、 幅值比較伺服系統(tǒng) 幅值比較伺服系統(tǒng)是以位置檢測(cè)信號(hào)的幅值變化來(lái)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(cè)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(cè)元件。幅值比較伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的過(guò)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

30、圖5-12是采用感應(yīng)同步器作為位置檢測(cè)元件的幅值比較控制系統(tǒng)。它主要由以下部分組成： 指令脈沖 反饋脈沖 e Pci 圖 5-12 幅值比較伺服系統(tǒng)原理框圖 D/A 轉(zhuǎn)換器 伺服 電動(dòng)機(jī) 工作臺(tái) Pf 伺服 放大器 電壓頻率 變換器 鑒幅器 勵(lì)磁電路 位臺(tái)檢測(cè) 元件 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(cè)工作臺(tái)位移的位置檢測(cè)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

31、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(guò)改變角的大小來(lái)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。 sinsinSmUUtcossinCmUUtmU（52） （53） 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(shì)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(shì)幅值。 00sin()sinsinmmeKUtEt（54） 若 ，則定尺繞組電動(dòng)勢(shì)幅值E0m0。利用這個(gè)原理，要測(cè)量定尺

32、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(cè)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(guò)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(cè)的電動(dòng)勢(shì)即可。這項(xiàng)工作由鑒幅器來(lái)完成。為了實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，電動(dòng)勢(shì)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(guò)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(cè)定尺繞組的電動(dòng)勢(shì)幅值為0，由電壓頻率變換電路得到反饋

33、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(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PC0時(shí)，工作臺(tái)仍保持靜止?fàn)顟B(tài)，和均沒(méi)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(hào)。 0CP 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(shì)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

34、得位置偏差Pe=PCPf；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=PCPf0，則工作臺(tái)還沒(méi)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=PCPf=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(shì)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(cè)、比較及控制過(guò)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

35、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(cè)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 LS R1 R2 R R e0 A1 A2 S1 S2 UF UE SL 圖 5-13 鑒定幅器原理圖 低通濾波器 低通濾波器 D 圖5-13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(shì)，由式e0=E0msint可知，e0是交變電動(dòng)勢(shì)。該信號(hào)首先通過(guò)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(guò)運(yùn)算放大器將

36、信號(hào) 放大。然后，由互為反向的開(kāi)關(guān)信號(hào)SL和 實(shí)現(xiàn)通道的通斷控制，其開(kāi)關(guān)頻率與輸入信號(hào)相同。由圖5-14a可見(jiàn)，在e0信號(hào)的0區(qū)間，SL=1，使S1接通，e0信號(hào)經(jīng) 、S1，到達(dá)低通濾波器的輸入端UE；e0信號(hào)的2區(qū)間， =1，使S1接通，e0信號(hào)經(jīng)A1、反向器A2、 S2，到達(dá)低通濾波器的輸入端UE。 1ASL1ASL 工作臺(tái)做正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于反向器A2的作用，使e0負(fù)半周也變成正半周信號(hào)。這樣在UE處得到了一單向脈動(dòng)的直流信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)低通濾波器后，鑒幅器輸出信號(hào)為一平滑的直流信號(hào)UF。從圖中可見(jiàn)，由于UF是UE的平均值，它的大小與e0信號(hào)的電動(dòng)勢(shì)幅值E0m直接有關(guān)。E0m增大，UF也跟著

37、增大，所以的大小實(shí)際上反映了和 之間相位差的大小。UF越大，和 之間相位差越大。另外，從圖5-14中可以看出，站柜臺(tái)正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，輸出端UF為正值；工作臺(tái)反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，輸出端UF為負(fù)值。 正向運(yùn)動(dòng) （） 反向運(yùn)動(dòng) （） 2 t t t t SL LS (a)鑒幅器輸出波形 e0 UE UF O O O /2 3/2 2 （b）數(shù)字正、余弦勵(lì)磁信號(hào) 2 2 O O U U U U U1 U2 圖 5-14 幅值比較控制波形 3.電壓頻率變換器 電壓頻率變換器的作用是將鑒幅器輸出的電壓UF變換成相應(yīng)的脈沖序列，并且脈沖序列的頻率與UF電壓的高低成正比。由于電壓UF是雙極性的，UF電壓經(jīng)極性處理電路后，

38、使Un成為UF的絕對(duì)值，且始終大于0。壓控振蕩器（VCO）將輸入的單極性直流電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)頻率的脈沖輸出。壓控振蕩器（VCO）它輸出的脈沖頻率與控制電壓成正比關(guān)系。 4.脈沖調(diào)寬式勵(lì)磁信號(hào) 感應(yīng)同步器滑尺繞組的勵(lì)磁可采用模擬量勵(lì)磁式和脈沖調(diào)寬式。由于模擬量勵(lì)磁方式易受外界干擾而影響精度，所以比較多地采用脈沖調(diào)寬式勵(lì)磁方式。脈沖寬度調(diào)制實(shí)際上是用控制矩形波脈寬的方法來(lái)等效地實(shí)現(xiàn)正弦波勵(lì)磁，其波形如圖5-14b所示。 若滑尺上的兩勵(lì)磁繞組加以矩形波勵(lì)磁信號(hào)。則兩勵(lì)磁繞組信號(hào)U1和U2為： 10AUA 20AUA 式中 A矩形波的幅值 正弦波勵(lì)磁中的電氣角，在此為影響矩形波寬度的參數(shù)。 其中U1的脈

39、寬為2 ，U2的脈寬為2 。如用傅立葉級(jí)數(shù)對(duì)U1和U2進(jìn)行展開(kāi)，并消去高次諧波，則U1和U2信號(hào)的基波分量為： 1( )sinsinmf tUt2( )cossinmf tUt（55） （56） 可以看出，設(shè)法消除高次諧波的影響后，用脈寬調(diào)制的矩形波勵(lì)磁與正弦波勵(lì)磁在幅值工作方式下工作的功能完全相當(dāng)。因此，可將對(duì)電氣角的控制轉(zhuǎn)變對(duì)脈沖寬度的控制。在數(shù)字電路中，對(duì)脈沖寬度的控制比較準(zhǔn)確和容易實(shí)現(xiàn)。 圖5-15是脈沖調(diào)寬矩形脈沖發(fā)生器原理圖，其中脈沖加減器和兩個(gè)分頻系數(shù)相同的分頻器用于實(shí)現(xiàn)數(shù)字移相，計(jì)數(shù)觸發(fā)脈沖 和 的頻率是在時(shí)鐘脈沖的基礎(chǔ)上，按位置反饋脈沖Pf和電壓頻率變換器輸出信號(hào)US的狀態(tài)進(jìn)

40、行加減的。每個(gè)分頻器有兩路相差90的電角度的溢出脈沖輸出，通過(guò)組合邏輯進(jìn)行調(diào)寬脈沖的波形合成。 CPCP CP 分頻器 1 分頻器 2 圖 5-15 脈沖調(diào)寬矩形脈沖發(fā)生器原理圖 脈 沖 加 減 器 組合 邏輯 功率 驅(qū)動(dòng) 正弦 繞組 余弦 繞組 /CP /CP U1 U2 A B P US sin2 cos1 sin1 cos2 當(dāng)無(wú)實(shí)際值脈沖時(shí)，時(shí)鐘脈沖CP直接加于分頻器，分頻結(jié)果輸出為參考信號(hào)。此時(shí)產(chǎn)生的勵(lì)磁信號(hào)為sin0和cos0。當(dāng)工作臺(tái)移動(dòng)時(shí)，滑尺和定尺有位置偏差，產(chǎn)生反饋脈沖Pf。根據(jù)運(yùn)動(dòng)方向信號(hào)Ux，使兩分頻器中一個(gè)做加，一個(gè)做減，于是產(chǎn)生向前移相信號(hào)A和向后移相信號(hào)B。經(jīng)過(guò)組

41、合邏輯門，產(chǎn)生信號(hào)sin1和sin2、cos1和cos2。再經(jīng)輸出門將這些信號(hào)合成，產(chǎn)生調(diào)制波U1和U2。加于滑尺的相應(yīng)繞組上。 5.2.2 5.2.2 速度控制信號(hào)的實(shí)現(xiàn)的方式速度控制信號(hào)的實(shí)現(xiàn)的方式 經(jīng)位置控制的脈沖比較、相位比較或幅值比較獲得的位置偏差均以脈沖的形式存在，該位置偏差經(jīng)一定的轉(zhuǎn)換后，形成速度控制信號(hào)，數(shù)控系統(tǒng)一般輸出的速度控制信號(hào)為模擬電壓10+10V，作為伺服驅(qū)動(dòng)裝置的控制信號(hào)。該信號(hào)通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)。速度控制信號(hào)的大小與伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比；速度控制信號(hào)的正、負(fù)決定了伺服電動(dòng)機(jī)的正、反轉(zhuǎn)。從位置偏差到速度控制信號(hào)的形成如圖5-16所示。 速度指令VC=位

42、置偏差Pe位置增益KV。 位置增益KV決定了速度對(duì)位置偏差的響應(yīng)程度，它反映了伺服系統(tǒng)的靈敏度。 將速度指令VC轉(zhuǎn)換為速度控制電壓UP的轉(zhuǎn)換電路常采用的脈寬調(diào)制器(PWM)的方法。圖5-17所示為某一具體的PWM電路。 速度控制電壓 UP (VCMD) 位置增益 KV 速度指令 VC 位置偏差 Pe 圖 5-16 速度控制信號(hào)的形成 轉(zhuǎn)換電路 5.2.2.1 速度指令寄存器和粗、精減法計(jì)數(shù)器 圖5-17是位置控制的硬件部分。它由速度指令寄存器，4位粗計(jì)數(shù)器、9位精計(jì)數(shù)器，模擬開(kāi)關(guān)和電壓放大部分組成，它是一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置。由軟件部分計(jì)算出的速度指令值首先送入硬件部分的速度指令寄存器寄存，如前所述

43、，每1/2插補(bǔ)時(shí)間軟件部分計(jì)算一次位置偏移量Di和速度指令值V0i，因此，每4ms速度指令寄存器得到一個(gè)新值。速度指令寄存器有14位，最大指令VC為（ 1）=8191。最高位用作符號(hào)位，08位送往精計(jì)數(shù)器，912位送往精計(jì)數(shù)器。 132 最高位用作符號(hào)位，08位送往精計(jì)數(shù)器，912位送往精計(jì)數(shù)器。精計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)時(shí)鐘頻率是4MHZ最大計(jì)數(shù)值是512，每計(jì)一個(gè)數(shù)的時(shí)間是0.25s，512的計(jì)數(shù)時(shí)間是128s。粗計(jì)數(shù)器時(shí)鐘頻率是125MHZ，每減一個(gè)數(shù)的頻率是8s，最大計(jì)數(shù)值是16，共用128s。因此可知粗、精計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)周期都是128s。為能連續(xù)計(jì)數(shù)，每隔128s，速度指令寄存器必須向兩個(gè)計(jì)數(shù)器同

44、時(shí)送數(shù)一次。在4ms時(shí)間內(nèi)共送數(shù)34次。這樣，脈寬調(diào)制器就可將速度指令寄存器中的速度指令值VC變換成周期等于置數(shù)周期T（128us），而寬度與VC值成正比的調(diào)寬脈沖（包括MPC和MPF）。 數(shù)據(jù)總線 精計(jì)數(shù)器 模擬開(kāi)關(guān) 模擬開(kāi)關(guān) 粗計(jì)數(shù)器 符號(hào)位 送數(shù)電路 地址線 UP速度 指令電壓 912 位 08 位 14 位 SN UREFS UREFC UREFC UREFS UNPF UNPC MPC MPF UREFD 20k 圖 5-17 PWM 電路 30k 7.5k 120k 3.6k 30k 1000Pf 0.04uf 5100Pf A1 A2 + + 速 度 指 令 寄 存 器 WAC1

45、 DEXB012.14 R1 R7 R6 R5 R4 R2 5.2.2.2 模擬開(kāi)關(guān) 圖5-18是模擬開(kāi)關(guān)電路圖。三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電壓5V、2.5 V、0 V分別接到傳輸門A、B、 C的輸入端，三個(gè)門的輸出端連到一起，作為電壓輸出端，三個(gè)門開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)來(lái)自計(jì)數(shù)器和符號(hào)位。若符號(hào)位SN為正，計(jì)數(shù)器的輸出MP也為正，則與非門的輸出為負(fù)，反向器a的輸出為正，A門通，使輸出端NP的電壓為5V。此時(shí)與非門的輸出為正，c的輸出為負(fù)；因MP為正，因而b的輸出為負(fù)，B 、C兩門都關(guān)閉。當(dāng)符號(hào)位SN為負(fù)，計(jì)數(shù)器MP的輸出為正時(shí)，與門的輸出為正與非門的輸出為負(fù)，使C門開(kāi)通，輸出端NP電壓為0V，此時(shí)A、B兩門關(guān)閉。當(dāng)計(jì)

46、數(shù)器的輸出MP為負(fù)時(shí)，無(wú)論符號(hào)位SN是正還是負(fù)，C門開(kāi)通，A、B兩門關(guān)閉，輸出端NP為2.5V。 圖 5-18 是模擬開(kāi)關(guān)電路圖 調(diào)寬脈沖MP 符號(hào)SN & & 5V 2.5V 0V NP A B C a b c UREFS UREFC MP何時(shí)為正何時(shí)為負(fù)，與計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值大小有關(guān)。粗精計(jì)數(shù)器都是減法計(jì)數(shù)器，從兩個(gè)計(jì)數(shù)器置入數(shù)開(kāi)始計(jì)算，當(dāng)把置入的數(shù)減到零時(shí)計(jì)數(shù)結(jié)束。在置數(shù)周期128s期間內(nèi)，計(jì)數(shù)值減到0以前計(jì)數(shù)器輸出高電平，以后輸出低電平。因而每一個(gè)置數(shù)周期輸出一個(gè)方波。計(jì)數(shù)值越大，計(jì)數(shù)的時(shí)間越長(zhǎng)，方波的正半周越寬。當(dāng)精計(jì)數(shù)器的置數(shù)值為511時(shí)（低9位每位都是二進(jìn)制的1）正半周的寬度等于置數(shù)

47、周期，負(fù)半周為0，當(dāng)粗計(jì)數(shù)器的置數(shù)值為15時(shí)，在全部置數(shù)周期內(nèi)（128s）輸出高電平。 模擬開(kāi)關(guān)的輸出電壓NP與計(jì)數(shù)器的輸出方波相對(duì)應(yīng)：在正半周時(shí)，MP為高電平，根據(jù)符號(hào)位不同，或門打開(kāi)，NP為5 V或0V；負(fù)半周時(shí)，門打開(kāi)，NP為2.5V。因此NP是一個(gè)半波寬隨計(jì)數(shù)值而變化的脈沖。脈沖周期T等于計(jì)數(shù)器的置數(shù)周期。它的直流平均電壓UNP（單位為V）可以表示如下： 作用就是要將不帶符號(hào)的MP變化成反映正、負(fù)速度指令的標(biāo)準(zhǔn)電壓UNP（包括UNPC和UNPF），其波形如圖5-19所示。 MP UNP UNP (SN=0) (SN=1) 0 0 0 2.5V 2.5V 2.5V 5V t t t T

48、圖 5-19 模擬開(kāi)關(guān)輸出波形圖 當(dāng)速度指令為正時(shí)，SN=0 UNP=2.5（1/T）(V) 當(dāng)速度指令為負(fù)時(shí)，SN=1 UNP=2.5（1/T）(V) 其中/T為脈寬占空比，該比值越大，說(shuō)明速度指令越大。 根據(jù)圖5-17，UNP經(jīng)濾波和運(yùn)算放大器A1、A2處理后，設(shè)標(biāo)準(zhǔn)電壓UREFD=2.024 V，則速度控制電壓 UP=10.6254UNPC0.25UNPF(V) （57） （58） （59） （1）當(dāng)正向最高速度指令值VC=+8191時(shí)，占空比/T=1，根據(jù)式（57），UNP=0V，即UNPC=0 V，UNPF=0 V，根據(jù)式（59）UP=10.625 V，這表示伺服電動(dòng)機(jī)獲得最高正向轉(zhuǎn)

49、速。 （2）當(dāng)反向最高速度指令值VC=8191時(shí)，占空比/T= 1，根據(jù)式（58），UNP=5V，即UNPC=5V，UNPF=5V，根據(jù)式（59）UP=10.625 V，這表示伺服電動(dòng)機(jī)獲得最高反向轉(zhuǎn)速。 這樣速度控制電壓VCMD約在10+10 V范圍內(nèi)線性變化，該電壓作為伺服驅(qū)動(dòng)裝置的控制電壓，其大小決定了伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，正、負(fù)號(hào)決定了伺服電動(dòng)機(jī)的正、反轉(zhuǎn)，最終實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)進(jìn)給速度的調(diào)整和正、反向進(jìn)給。 5.2.2.3 數(shù)模轉(zhuǎn)換時(shí)數(shù)字量與模擬電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系 由于粗計(jì)數(shù)器是對(duì)14位的速度指令寄存器中的912位計(jì)數(shù)，因此它每減一個(gè)數(shù)相當(dāng)于精計(jì)數(shù)器減512次計(jì)數(shù)。也就是說(shuō)計(jì)數(shù)器的每次減1，計(jì)數(shù)器使

50、速度指令電壓UP的變化比精計(jì)數(shù)器大512倍。為此在硬件部分采用了兩個(gè)措施。措施1是降低粗計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)頻率。由前述可知：精粗計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)頻率之比是 。措施2是增大放大倍數(shù)，由上面可知的放大倍數(shù)是4，而的放大倍數(shù)是0.25，兩者之比為16。其結(jié)果為3216=512，正好與速度指令寄存器第九位的權(quán)值相同。 432125ZZMHKH5.2.3 5.2.3 位置控制實(shí)例位置控制實(shí)例 進(jìn)給坐標(biāo)軸的位置控制一般采用大規(guī)模專用集成電路位置控制芯片，也可采用通用芯片構(gòu)成位置控制模板。5.2.3.1 位置控制芯片 1. MB8739 MB8739是FANUC公司設(shè)計(jì)的專用位置控制芯片，其結(jié)構(gòu)如圖5-20所示。該芯

51、片適用的位置檢測(cè)裝置為增量式的光柵或光電編碼器。在圖中，與伺服電動(dòng)機(jī)同軸聯(lián)接的光電編碼器產(chǎn)生一系列脈沖，該脈沖經(jīng)接收器反饋到MB8739，其中，PA、PB為相位差90的序列脈沖，PC為零標(biāo)志脈沖。 圖 5-20 MB8739 組成的位置控制框圖 位置增益 漂移補(bǔ)償 伺服驅(qū) 動(dòng)單元 誤差 寄存器 參考 計(jì)數(shù)器 接收器 鑒相器 地 址 譯 碼 器 DDA PWM D/A F/V DMR TSA、TSB PA、PB、PC A0A5 D6D7 MB8739 PG SM VCMD FCMD CCMD REF CMR MB8739包括位置測(cè)量與反饋全部線路，集成度非常高，其結(jié)構(gòu)主要包括以下幾個(gè)部分： (1

52、) DDA插補(bǔ)器 該插補(bǔ)器作為粗、精二級(jí)插補(bǔ)結(jié)構(gòu)的第二級(jí)精插補(bǔ)，即細(xì)插補(bǔ)，它的輸入是上一級(jí)軟件插補(bǔ)及一個(gè)插補(bǔ)周期的進(jìn)給信息，即粗插補(bǔ)數(shù)據(jù)。 (2) 誤差寄存器 實(shí)現(xiàn)指令位置與實(shí)際位置的比較，并寄存比較后的誤差Pe，實(shí)際上是采用可逆計(jì)數(shù)器的脈沖比較。位置指令PC來(lái)自DDA插補(bǔ)器，位置反饋值Pf來(lái)自鑒相器，即Pe=PCPf。 (3) 位置增益 將位置偏差乘以位置增益KV，獲得速度指令值VC。位置增益KV決定了速度對(duì)位置偏差的響應(yīng)程度，它反映了伺服系統(tǒng)的靈敏度和穩(wěn)定性，是位置控制的很重要的一個(gè)伺服參數(shù)，可根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)要求來(lái)設(shè)定。 (4) 漂移補(bǔ)償 伺服系統(tǒng)經(jīng)常受到漂移的干擾，即在無(wú)速度輸出時(shí)，坐標(biāo)軸

53、可能發(fā)生移動(dòng)，從而影響機(jī)床的精度。漂移補(bǔ)償?shù)淖饔镁褪钱?dāng)漂移達(dá)到一定程度時(shí)，自動(dòng)予以補(bǔ)償。 (5) 速度指令脈寬調(diào)制PWM 其作用就是將速度指令調(diào)制成某一固定頻率，寬度與位置偏差成正比的矩形波脈沖，輸出粗誤差指令CCMD和精誤差指令FCMD。 (6) 鑒相器 其作用就是處理光電編碼器的反饋信號(hào)，通過(guò)辨向和倍頻獲得表示運(yùn)動(dòng)方向的一系列脈沖。一方面作為位置反饋脈沖，另一方面經(jīng)頻率電壓變換（F/V）形成速度反饋模擬電壓TSA、TSB，其大小與轉(zhuǎn)速成正比，正、負(fù)由鑒相器對(duì)PA、PB脈沖的相位進(jìn)行辨向獲得。 (7) 參考計(jì)數(shù)器 機(jī)床各坐標(biāo)軸回參考點(diǎn)時(shí)，通過(guò)參考計(jì)數(shù)器對(duì)零標(biāo)志脈沖PC進(jìn)行計(jì)數(shù)，產(chǎn)生參考點(diǎn)信號(hào)

54、REF，又稱柵格信號(hào)。 (8) 地址譯碼器 控制芯片內(nèi)部各數(shù)據(jù)和寄存器的地址選擇。 (9) CMR和DMR CMR是指令脈沖倍率，DMR為檢測(cè)脈沖倍率，它們的數(shù)值由軟件設(shè)定。設(shè)置的目的是為了在比較器中進(jìn)行比較的指令脈沖和反饋脈沖的當(dāng)量相符。設(shè)光電編碼器的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為N，指令脈沖當(dāng)量為，滾珠絲杠螺距為t，則CMR=N/tDMR 在MB8739中，經(jīng)PWM調(diào)制后形成正速度指令FCMD和CCMD，通過(guò)D/A生成速度控制電壓VCMD，相當(dāng)于前述的UP，作為伺服驅(qū)動(dòng)裝置的速度控制信號(hào)，控制伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向。 2. MB8720 圖 5-21 MB8720 組成位置控制框圖 位置 指令值 位置偏差增

55、 量寄存器Pe PWM 速度指令 值寄存器 D/A 伺服驅(qū) 動(dòng)裝置 插補(bǔ) 增量 實(shí)際位置值 實(shí)際位置 計(jì)數(shù)器 sin、cos 信號(hào)發(fā)生器 sin cos F/V MB8720 VCMD SM TG 旋轉(zhuǎn)變壓器 感應(yīng)電壓 sin cos TSA 位置 檢測(cè) 電路 PC PC / PC / Pf Pf Pf Pe Vc 偏移補(bǔ)償 位置增益 MB8720也是FANUC公司專用位置控制芯片。該芯片適配的位置檢測(cè)裝置為工作在幅值方式下的旋轉(zhuǎn)變壓器或感應(yīng)同步器，其位置控制如圖5-21所示。 1. 位置控制的軟件處理 在數(shù)控系統(tǒng)伺服中斷期間，系統(tǒng)每隔4ms定時(shí)地從MB8720中的實(shí)際位置計(jì)數(shù)器中采集實(shí)際位置

56、增量Pf（在4ms內(nèi)所移動(dòng)的實(shí)際位移，按脈沖當(dāng)量換算后所得的數(shù)字量），原實(shí)際位置為 ，則新的實(shí)際位置值為/fffPPP/fP 同樣，插補(bǔ)周期每8ms內(nèi)的位置指令增量為PC，位置指令值為，則新的位置指令值為 式中系數(shù)1/2是因?yàn)?ms插補(bǔ)的進(jìn)給量是由兩次4ms的位置控制中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)的。位置偏差Pe為 其中 為原位置偏差，Pe為位置偏差增量。位置偏差增量Pe乘以位置增益及偏移補(bǔ)償后得到速度指令值VC送MB8720。 /1/2CcCPPP/(1/2)()eCfcCffPPPPPPP/(1/2)cfCfeePPPPPP/eP 2. 位置控制的硬件處理 在MB8720中，數(shù)字量的速度指令值經(jīng)PWM調(diào)制輸出

57、再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換得到速度控制電壓VCMD。 同時(shí)，旋轉(zhuǎn)變壓器或感應(yīng)同步器的感應(yīng)電壓經(jīng)位置檢測(cè)電路中的鑒幅器、絕對(duì)值處理和方向辨別及F/V變換后得到相應(yīng)的頻率脈沖送MB8720。在MB8720中，該脈沖一方面作為計(jì)數(shù)脈沖送入實(shí)際位置計(jì)數(shù)器，另一方面至sin、cos信號(hào)發(fā)生器，使sin、cos勵(lì)磁電壓的電氣設(shè)定角始終跟隨感應(yīng)電壓中的相位角。MB8720輸出的sin、cos信號(hào)經(jīng)過(guò)位置檢測(cè)電路中的濾波、放大后加到旋轉(zhuǎn)變壓器或感應(yīng)同步器中的正、余弦勵(lì)磁繞組上。 5.2.3.2 位置控制模板 數(shù)控系統(tǒng)采用位置控制模板的方案很普遍，圖5-22為采用位置控制模板的CNC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。 圖 5-22 位置控制模

58、板 CNC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 跟隨誤差 計(jì)數(shù)器 位置控制 輸出組件 伺服速度單元 位置檢測(cè)組件 速度測(cè)量元件 位置測(cè)量元件 CPU SM 位置控制功能由軟件和硬件兩部分共同實(shí)現(xiàn)。軟件負(fù)責(zé)計(jì)算位置跟隨誤差和進(jìn)給速度指令的數(shù)值；硬件由位置控制輸出組件和位置測(cè)量組件組成。 位置控制輸出組件的作用是將數(shù)控系統(tǒng)以數(shù)字形式輸出的跟隨誤差轉(zhuǎn)換為伺服驅(qū)動(dòng)所需的速度電壓信號(hào)。位置輸出組件一般包括D/A轉(zhuǎn)換和放大兩個(gè)環(huán)節(jié)。位置輸出組件中的D/A由緩沖計(jì)數(shù)器、二進(jìn)制計(jì)數(shù)器、數(shù)值檢出器、方向控制線路和比較放大器五個(gè)部分組成，以脈寬調(diào)制（PWM）的形式輸出模擬電壓。 位置測(cè)量組件的作用是對(duì)位置反饋信號(hào)進(jìn)行整形、放大辨向，必

59、要時(shí)進(jìn)行倍頻處理，輸出脈沖至跟隨誤差計(jì)數(shù)器進(jìn)行位置比較。 西門子數(shù)控系統(tǒng)所有的位置控制模板，如MS230、MS250和MS300等都是一些典型產(chǎn)品。圖5-23所示為SINUMERIK810數(shù)控系統(tǒng)位控模板（又稱測(cè)量模塊）接口示意圖。 圖5-23中，X141伺服輸出端的17、4端子，5、18端子及25、12端子分別是第1軸、第2軸和第3軸（可定義為X軸、Y軸、Z軸或主軸）的速度控制電壓，該電壓為直流模擬電壓1010V；1、14端子，21、8端子和9、22端子分別為第1軸、第2軸和第3軸的伺服驅(qū)動(dòng)“使能”（Enable）信號(hào)。所謂“使能”就是伺服驅(qū)動(dòng)條件，如潤(rùn)滑、壓力、電磁制動(dòng)釋放等條件是否滿足，

60、該信號(hào)為直流24V控制電壓輸出。 在圖5-23中，增量式光電編碼器或光柵輸出信號(hào) 和 、 和 、 和 的定義及作用可參見(jiàn)第三章第二節(jié)光電編碼器 和 ， 和 ， 和 信號(hào)。1aU1aU2aU2aU 位控模塊通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)總線與其他模塊進(jìn)行信息傳遞，位置控制功能由軟件和硬件兩部分共同實(shí)現(xiàn)。軟件負(fù)責(zé)位置偏差的計(jì)算以形成速度控制指令，硬件由位置控制輸出組件和位置測(cè)量組件組成。在位置控制輸出組件中，速度控制指令通過(guò)PWM調(diào)制和濾波放大，由伺服輸出口X141輸出速度控制電壓至伺服驅(qū)動(dòng)裝置。在位置測(cè)量組件中，由X111、X121、X131端輸入的位置檢測(cè)信號(hào)，經(jīng)辨向、倍頻及零標(biāo)志計(jì)數(shù)等處理，作為實(shí)際位置值再由