第七章 數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)

第七章數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)第一頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D7-1伺服系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)圖第二頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日第二節(jié)伺服系統(tǒng)的基本性能指標(biāo)的要求及分類一、對(duì)性能指標(biāo)的要求

（1）控制精度高伺服系統(tǒng)的控制精度是指反映出輸出量的精度程度，當(dāng)然最終還要看機(jī)床的精度，對(duì)定位精度和輪廓加工精度要求都比較高，對(duì)一般切削加工的數(shù)控機(jī)床定位精度一般為0.1～0.001mm，對(duì)于高精度高速切削及高檔磨床其精度要求達(dá)到0.1μm，控制精度不得低于機(jī)床的總體精度。一般總體機(jī)床精度為0.01mm對(duì)控制精度不得低于0.005mm較為合適。（2）穩(wěn)定性好穩(wěn)定性是指系統(tǒng)受外界干擾要小，在外界干擾作用下，能在短暫的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)。伺服系統(tǒng)有較強(qiáng)的抗干擾能力，確保進(jìn)給速度的正常工作。（3）快速響應(yīng)快速響應(yīng)是伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)的重要指標(biāo)，它反映了系統(tǒng)在確保精度的前提下的跟蹤速度，穩(wěn)定性是指系統(tǒng)受外界干擾要小，當(dāng)穩(wěn)定輸入發(fā)生跳變時(shí)，系統(tǒng)能在較短的時(shí)間內(nèi)從一個(gè)狀態(tài)過度到新的狀態(tài)，要求伺服系統(tǒng)跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)更快。（4）調(diào)速范圍寬

調(diào)速范圍RN是指生產(chǎn)機(jī)械要求電機(jī)能提供的最高轉(zhuǎn)速nmax和最低轉(zhuǎn)速nmin之比，通常RN=nmax/nmin，式中，nmax和nmin一般都是指額定轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)速。在中、高檔數(shù)控機(jī)床中就要求伺服系統(tǒng)具有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍。目前，最先進(jìn)的水平是，在進(jìn)給速度范圍已可達(dá)到脈沖當(dāng)量為1μm的情況之下，進(jìn)給速度以0～240m/min連續(xù)可調(diào)。但對(duì)于一般中檔數(shù)控機(jī)床而言，要求伺服系統(tǒng)在0～24m/min進(jìn)給速度下都能工作就足夠了。一般來說，對(duì)于要求速度范圍為1:20000的位置控制系統(tǒng)，在總的開環(huán)位第三頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日置增益為20（1/s）時(shí)，只要保證速度單元具有1:1000的調(diào)速范圍就完全可以滿足要求。當(dāng)然，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床中最先進(jìn)水平的速度控制單元的技術(shù)已達(dá)到1:100000的調(diào)速范圍。對(duì)于主軸伺服系統(tǒng)主要是速度及準(zhǔn)?？刂?，它要求1:100～1000范圍內(nèi)的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和1：10以上的恒功率調(diào)速，而且保證足夠大的輸出功率。（5）低速大轉(zhuǎn)矩一般切削加工時(shí)，大切削量均采用低速進(jìn)給，所以要求伺服系統(tǒng)在低速時(shí)要有大的轉(zhuǎn)矩輸出。進(jìn)給伺服控制屬于恒轉(zhuǎn)矩控制，而主軸伺服控制在低速時(shí)為恒轉(zhuǎn)矩控制，在高速時(shí)為恒功率控制，在低速下要減小或消除難以解決的爬行現(xiàn)象及低速振動(dòng)噪音。對(duì)于主軸用的伺服系統(tǒng)有時(shí)可以用一個(gè)的進(jìn)給伺服系統(tǒng)來替代主軸伺服系統(tǒng)，一般為速度控制系統(tǒng)，除上面的一般要求之外，還具有下面的控制功能：1)準(zhǔn)?？刂茷榱俗詣?dòng)換刀，要求主軸能進(jìn)行高精度的準(zhǔn)確位置停止。2)角度分析控制分度有兩種：一是固定的等分角位置控制。二是連續(xù)的任意角度控制。（作特殊加工時(shí)，主軸坐標(biāo)有了進(jìn)給坐標(biāo)的功能，稱為“C”軸控制。）為了滿足對(duì)伺服系統(tǒng)的要求，對(duì)伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件——伺服電機(jī)也相應(yīng)提出高精度、快反映、寬調(diào)速和大轉(zhuǎn)矩的要求，一般具備小慣量大轉(zhuǎn)矩的具體特征。1)

1)最低進(jìn)給速度到最高進(jìn)給速度范圍都能穩(wěn)定運(yùn)行平滑過度。2)

2)進(jìn)給電機(jī)應(yīng)具有大的較長(zhǎng)時(shí)間的過載能力，一般能過載4-5倍左右，持續(xù)時(shí)間達(dá)10。分鐘以上，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要小3)

3)

滿足快速響應(yīng)的要求，一般進(jìn)給伺服電機(jī)做成細(xì)長(zhǎng)，高檔進(jìn)給具備400rad/s2以上的加速度，保證電機(jī)在0.2s以內(nèi)從靜止起動(dòng)到1500rad/min。4)電機(jī)應(yīng)能承受頻繁的起動(dòng)制動(dòng)和反轉(zhuǎn)，20次/min以上。

第四頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日二、伺服系統(tǒng)的分類

1.按調(diào)節(jié)理論分類1)

1)開環(huán)伺服系統(tǒng)開環(huán)伺服系統(tǒng)即無位置反饋的系統(tǒng)，其驅(qū)動(dòng)元件主要是功率步進(jìn)電機(jī)或電液脈沖馬達(dá)，這兩種驅(qū)動(dòng)元件不用位置檢測(cè)元件實(shí)現(xiàn)定位，而是靠驅(qū)動(dòng)裝置本身，轉(zhuǎn)過的角度正比于指令脈沖的個(gè)數(shù)，運(yùn)動(dòng)速度由進(jìn)給脈沖的頻率決定。2)

2)

閉環(huán)伺服系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)實(shí)際上是誤差控制的隨動(dòng)系統(tǒng)，數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的誤差是CNC輸出的位置當(dāng)指令和機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)實(shí)際位置的差值。閉環(huán)系統(tǒng)具備位置檢測(cè)裝置，該裝置測(cè)出實(shí)際直線位移成實(shí)際角位移，并將測(cè)量值反饋給伺服控制系統(tǒng)給定量進(jìn)行比較，求得誤差。作為下一環(huán)節(jié)的輸入并進(jìn)行控制，構(gòu)成閉環(huán)位置控制。由于閉環(huán)伺服系統(tǒng)是反饋控制，反饋測(cè)量裝置精度高，所以系統(tǒng)傳動(dòng)鏈的誤差可得到補(bǔ)償從而大大提高了跟隨精度和定位精度。目前閉環(huán)系統(tǒng)的分辨率多為1μm定位精度可達(dá)±0.01～±0.05mm，高精度系統(tǒng)分辨率可達(dá)0.1μm。

3)半閉環(huán)系統(tǒng)

位置檢測(cè)元件裝在進(jìn)給電機(jī)軸上，從電機(jī)軸到實(shí)際位移一般為機(jī)械傳動(dòng)不用檢測(cè)，這個(gè)機(jī)械傳動(dòng)鏈的誤差一般可看以固定不變的可以用加工程序來補(bǔ)償（如間隙等），一般地半閉環(huán)系統(tǒng)的精度低于閉環(huán)系統(tǒng)。

對(duì)于伺服系統(tǒng)的電控部分來說半閉環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的控制原理上是一樣的，只是閉環(huán)系統(tǒng)環(huán)內(nèi)包括較多的機(jī)械傳動(dòng)部件，傳動(dòng)誤差均可被補(bǔ)償，理論上精度可以達(dá)到很高，而半閉環(huán)往復(fù)還不能全部消除傳動(dòng)鏈造成的誤差，但由于半閉環(huán)比閉環(huán)調(diào)整容易，因此目前使用半閉環(huán)系統(tǒng)較多，只在具備性能穩(wěn)定，使用過程溫差變化不大的高精度數(shù)控機(jī)床上才使用全閉環(huán)伺服系統(tǒng)。

第五頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日2.按使用的驅(qū)動(dòng)元件分類

1）電液系統(tǒng)

電液系統(tǒng)的執(zhí)行元件為液壓元件，其前一級(jí)為電氣元件，驅(qū)動(dòng)元件為液動(dòng)機(jī)和液壓缸，常用的有電液脈沖馬達(dá)和電液伺服馬達(dá)。電液脈沖馬達(dá)驅(qū)動(dòng)力矩大，但制造成體高、壽命不太長(zhǎng)，所以只是在具有特殊要求時(shí)，才采用電液伺服系統(tǒng)。2）電氣伺服系統(tǒng)電氣伺服系統(tǒng)全部采用電子器件和電機(jī)部件，隨著電子工業(yè)的發(fā)展，制）造成本越來越低，可靠性越來越高。電氣伺服系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)元件主要有步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)。3、按執(zhí)行電機(jī)類型分類

1)

1）

直流伺服系統(tǒng)

直流伺服系統(tǒng)常用的伺服電機(jī)有小慣量直流伺服電機(jī)和永磁直流伺服電機(jī)。永磁直流伺服電機(jī)能在較大過載轉(zhuǎn)矩下長(zhǎng)時(shí)間工作以及電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量較大，能直接與絲杠相連而不需中間傳動(dòng)位置。此外，它還有一個(gè)特點(diǎn)是可在低速下運(yùn)轉(zhuǎn)，如能在1r/min甚至在0.1/min下平穩(wěn)地運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，這種直流伺服系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床上獲得了廣泛的運(yùn)用。永磁直流伺服電機(jī)的缺點(diǎn)是有電刷，限制了轉(zhuǎn)速的提高，一般額定轉(zhuǎn)速為1000~1500r/min，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格較貴。2）交流伺服系統(tǒng)交流伺服系統(tǒng)使用交流異步伺服電機(jī)和永磁同步伺服電機(jī)，交流伺服電機(jī)沒有電刷換向器，維護(hù)保養(yǎng)簡(jiǎn)單且轉(zhuǎn)子慣量較有直流電機(jī)小，使得動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，另外在同樣體積下，交流電機(jī)的輸出功率可比直流電機(jī)提高50%左右，交流電機(jī)的容量可以比直流電機(jī)造得大，達(dá)到更高的電壓和轉(zhuǎn)速。

第六頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日4.驅(qū)動(dòng)軸分類

1）進(jìn)給伺服系統(tǒng)

它包括速度控制環(huán)和位置控制環(huán)。進(jìn)給伺服系統(tǒng)完成各坐標(biāo)軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，快速響應(yīng)好，精度高，具有定位和輪廓跟蹤功能，是數(shù)控機(jī)床中要求最高的伺服控制。2）主軸伺服系統(tǒng)一般的主軸控制只是一個(gè)速度控制系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，提供切削過程中任意轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)矩和功率，對(duì)于具有準(zhǔn)?？刂频闹鬏S與進(jìn)給伺服系統(tǒng)一樣，有時(shí)就用進(jìn)給伺服系統(tǒng)來替代主軸伺服系統(tǒng)。

5.按反饋量的方式分類

1)

1）脈沖、數(shù)字比較伺服系統(tǒng)該系統(tǒng)是閉環(huán)伺服系統(tǒng)中的一種控制方式，它是將數(shù)控裝置發(fā)出的數(shù)字（或脈沖）指令信號(hào)與檢測(cè)裝置測(cè)得的以數(shù)字（或脈沖）形式表示的反饋信號(hào)直接進(jìn)行比較，以產(chǎn)生位置誤差，達(dá)到閉環(huán)控制。脈沖、數(shù)字比較伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)、整機(jī)控制穩(wěn)定，在一般數(shù)控伺服系統(tǒng)中應(yīng)用十分普遍。

2）相位比較伺服系統(tǒng)在相位比較伺服系統(tǒng)中，給定量與反饋量都變成某個(gè)載波的相位通過檢相器作兩者相位比較，獲得實(shí)際位置與給定位置的偏差，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。相位伺服系統(tǒng)對(duì)于感應(yīng)式檢測(cè)元件如旋轉(zhuǎn)變壓器，感應(yīng)同步器較適用。1)3）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)的幅值大小來反映位移量。系統(tǒng)工作時(shí)要將此幅值信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后給定數(shù)字信號(hào)進(jìn)行比較，從而獲得位置偏差信號(hào)構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。在現(xiàn)代數(shù)控中相位比較和幅值比較系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上和安裝維護(hù)上都比脈沖、數(shù)字比較系統(tǒng)復(fù)雜和要求高，在一般情況下脈沖、數(shù)字比較伺服系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，而相位比較系統(tǒng)又比幅值比較系統(tǒng)應(yīng)用的多。

第七頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日第三節(jié)用步進(jìn)電機(jī)工作開環(huán)伺服系統(tǒng)一、步進(jìn)電機(jī)簡(jiǎn)介

步進(jìn)電機(jī)是較早實(shí)用的典型的機(jī)電一體化元件組件。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)本體、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器和控制器構(gòu)成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)不可分割的三大部分。1.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有自身的特點(diǎn)，歸納起來有：1）可以用數(shù)字信號(hào)直接進(jìn)行開環(huán)控制，整個(gè)系統(tǒng)造價(jià)低。2）位移與輸入脈沖信號(hào)樹相對(duì)應(yīng)，步距誤差不長(zhǎng)期積累，可以組成結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單而又具有一定精度的開環(huán)控制系統(tǒng)，也可以在要求高精度時(shí)組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。3）無刷，電動(dòng)機(jī)本體部件少，可靠性高。4）易于起動(dòng)，停止，正反轉(zhuǎn)及變轉(zhuǎn)。5）停止時(shí)，可以通電自鎖。6）速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，同時(shí)用一臺(tái)控制器控制幾步電動(dòng)機(jī)，可使它們完全同步運(yùn)行。7）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶慣性負(fù)載能力差。8）由于存在失步和低頻共振，因此步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的加減方法根據(jù)利應(yīng)用狀態(tài)的不同而復(fù)雜化。第八頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日2.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的常用術(shù)語(yǔ)

1）步距角

指每給一個(gè)電脈沖信號(hào)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子所應(yīng)轉(zhuǎn)過的角度的理論值。步距角

θb=公式360°/（m·zr·K），式中zr——轉(zhuǎn)子齒數(shù)，m1——運(yùn)行拍數(shù)，通常等于相數(shù)或相數(shù)的整數(shù)倍，即m1=km，m－電動(dòng)機(jī)相數(shù)，K通電方式。2）齒距角相鄰兩齒中心線間的夾角，通常定子和轉(zhuǎn)子具有相同的齒距角。3）零位或初始穩(wěn)定平衡位置指不變繞組通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子在理想空載狀態(tài)下的平衡位置。4）失調(diào)角失調(diào)角是指轉(zhuǎn)子偏離理論平衡點(diǎn)的角度。5）矩角特性矩角特性是指不改變各相繞組的通電狀態(tài)，即一相或幾相繞組同時(shí)通以直流電流時(shí)，電磁矩與失調(diào)角的關(guān)系，即T=f(θ)。

6）最大靜轉(zhuǎn)矩矩角特性上轉(zhuǎn)矩最大值Tk稱為最大靜轉(zhuǎn)矩7）最大靜轉(zhuǎn)矩特性繞組電流改變時(shí)，最大靜轉(zhuǎn)矩與相應(yīng)電流的關(guān)系Tk=f(I)為最大轉(zhuǎn)矩特性。8）誤差步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的誤差有兩種：一是最大步矩誤差，是指電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)一周內(nèi)相鄰兩步之間最大步矩和理想步矩角的差值，用理想布局的百分?jǐn)?shù)表示；二是最大累計(jì)誤差，是指任意位置開始經(jīng)過任意步之間，角位移誤差的最大值。9）響應(yīng)頻率在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以任意運(yùn)動(dòng)而不丟步，最大頻率稱為響應(yīng)頻率，通常用起動(dòng)頻率fs來作為衡量的指標(biāo)。它是指在一定的負(fù)載下直接起動(dòng)而不失步的極限頻率，稱為極限起動(dòng)頻率或突跳頻率。

第九頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日10）運(yùn)行頻率

指在額定負(fù)載下使頻率連續(xù)上升時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能不失步運(yùn)行的極限頻率。11）起動(dòng)矩頻特性負(fù)載慣量一定時(shí)，起動(dòng)頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系稱為起動(dòng)矩頻特性，也稱牽入特性。12）運(yùn)行矩頻特性在負(fù)載慣量一定時(shí)運(yùn)行頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系稱為矩頻特性，又稱牽出特性。13）慣頻特性在負(fù)載力矩一定時(shí)，頻率和負(fù)載慣量之間的關(guān)系，稱為慣頻特性。慣頻特性分為起動(dòng)慣頻特性和運(yùn)行慣頻特性。14）單步響應(yīng)單步響應(yīng)是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在帶電不動(dòng)的情況下，改變一次脈沖電壓，轉(zhuǎn)子由起動(dòng)到停止的運(yùn)動(dòng)軌跡。

二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能除與電動(dòng)機(jī)自身的性能有關(guān)外，還與驅(qū)動(dòng)器有很大關(guān)系。因此，對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)研究是CNC系統(tǒng)開發(fā)中的重要工作。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的框圖如圖7-2所示，一般由環(huán)形分配器（簡(jiǎn)稱環(huán)分），信號(hào)處理級(jí)，推動(dòng)級(jí)，驅(qū)動(dòng)級(jí)等各部分組成，用于功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器還有多種保護(hù)路線。

環(huán)形分配器是把單個(gè)走步信號(hào)換成步進(jìn)電機(jī)的控制信號(hào)。如三相六拍分配信號(hào)，五相十拍分配信號(hào)等，環(huán)形分配器可以由硬件完成，也可以由軟件來完成，用硬件完成的稱為硬環(huán)分，用軟件完成的稱為軟環(huán)分。從環(huán)形分配器輸出的各相導(dǎo)通或截止的信號(hào)送入信號(hào)處理級(jí)。信號(hào)處理是實(shí)現(xiàn)信號(hào)必要的轉(zhuǎn)換，合成等功能，產(chǎn)生斬波，抑制等特殊功能的信號(hào)，從而產(chǎn)生特殊功能的驅(qū)動(dòng)。在實(shí)際應(yīng)用中信號(hào)處理級(jí)還與各種保護(hù)電路各種控制電路組合，形成較高可靠性的驅(qū)動(dòng)輸出。

第十頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D7-2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的框圖圖7-3高低壓驅(qū)動(dòng)原理圖第十一頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日推動(dòng)級(jí)的作用是將較小的信號(hào)加以放大，變成足以推動(dòng)驅(qū)動(dòng)級(jí)輸入的較大信號(hào)。推動(dòng)級(jí)還承擔(dān)電平轉(zhuǎn)換的作用。保護(hù)級(jí)的作用是保護(hù)驅(qū)動(dòng)級(jí)功率器件，通常可以作電流保護(hù)，過熱保護(hù)，過壓保護(hù)，欠壓保護(hù)等。

1．高低壓驅(qū)動(dòng)

高低壓驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)思想是，在導(dǎo)前沿用高電壓供電來提高電流的前沿上升率，而在前沿過后用低電壓來維持繞組的電流。

高低壓驅(qū)動(dòng)的原理線路如圖7-3所示，主回路由高壓管TH電動(dòng)機(jī)繞組，低壓管TL串聯(lián)而成，UH加高壓，UL加低壓，電動(dòng)機(jī)繞組回路不串電阻。

低壓管的輸入信號(hào)，來自環(huán)形分配器，其脈寬由環(huán)分輸出決定。當(dāng)IL為高電平時(shí)該相導(dǎo)通；為低電平時(shí)，該相截止。IH是由IL的前沿經(jīng)微分再經(jīng)整形獲得，形成脈沖寬度工作頻率變化的定寬脈沖，一般將高壓脈寬整定為1～3ms，設(shè)IH的脈寬為tH，IL的脈寬為tL，在相繞組導(dǎo)通的過程中，在前沿開始的tH時(shí)間內(nèi)，由于高低壓輸入信號(hào)同時(shí)有效，使高低壓管同時(shí)導(dǎo)通電流的通路如圖7-4(a)所示，繞組電流由高壓電源供給。此時(shí)，機(jī)能組電流有很陡的前沿，并迅速形成上沖，見圖7-4（b）所示，當(dāng)tH過后高壓管轉(zhuǎn)為截止?fàn)顟B(tài)，低壓電源開始供電，TL繼續(xù)處于導(dǎo)通狀態(tài)，電流路徑如圖7-5(a)所示，由于繞組很小，又不串電阻，所以低壓電源只需數(shù)伏就可以提供較大的電流，其波形如圖7-5（b）所示。在低頻工作時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)反電勢(shì)較小，繞組電流在tH時(shí)間內(nèi)幾乎完全由高電壓的大小來決定。因?yàn)閁H電壓很高，繞組回路電阻很小所以繞組電流上升很快，能超過和繞組的額定電流，但tH時(shí)間過后，高壓立即關(guān)閉，電流在低壓回路迅速下降，直到變?yōu)橛傻蛪弘娫此鶝Q定的繞組電流大小，波形見圖7-6（a）所示。雖然剛開始電流上沖很多，但占整個(gè)導(dǎo)通時(shí)間tL的比例很小，即tL>>tH，因此繞組電流的平均值仍在額定值附近。

第十二頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D7-4高壓電流路徑及電流波形第十三頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D7-5低壓導(dǎo)通時(shí)電流路徑及波形第十四頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日當(dāng)運(yùn)行頻率繼續(xù)升高時(shí)，tL﹤tH，此時(shí)，前級(jí)的信號(hào)處理中使tH跟蹤tL的寬度，保持tH=tL，實(shí)際上要跟蹤tL壓縮tH的脈寬，使電路一直處于高壓供電狀態(tài)。電流波形如圖7-6（c）。

在tL時(shí)間過后，繞組電流進(jìn)入續(xù)流狀態(tài)，續(xù)流回路如圖7-7所示。電流將經(jīng)DL電動(dòng)機(jī)繞組DH泄放，磁場(chǎng)的能量將回饋給高壓電源，這樣既達(dá)到了縮短泄放時(shí)間，又節(jié)約了電能作用?？焖傩狗艑?duì)提高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高頻效益是有利的。

由于這種驅(qū)動(dòng)線路在低頻時(shí)繞組電流有較大的上沖，所以低頻時(shí)電動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲較大，還存在低頻共振。圖7-8給出一種高低壓驅(qū)動(dòng)的實(shí)用線路，圖中只給出了一相的電路。

以一相為例，當(dāng)A相繞組信號(hào)分成兩路去處理，設(shè)A=1時(shí)一路經(jīng)推動(dòng)級(jí)三極管T，去推動(dòng)達(dá)林頓大功率晶體管T2，使T2導(dǎo)通，另一路經(jīng)單穩(wěn)態(tài)電路形成高壓定寬信號(hào)，再經(jīng)過兩極反相器推動(dòng)管T2（NPN）和T3（PNP）來推動(dòng)大功率達(dá)林晶體管TH。在高壓脈寬的作用期間，TL、TH均為導(dǎo)通，繞組由高壓UH供電，當(dāng)高壓脈寬tH過去后，只有tL導(dǎo)通，繞組由電流經(jīng)DL、DH泄放后變零，完成一次勵(lì)磁過程。高壓脈寬由Rf、Cf決定，脈寬tH=0.45RfCf圖中TL、TH選BU14A，高壓取80V，低壓取6V，可以用于驅(qū)動(dòng)110機(jī)座號(hào)的三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。

第十五頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D7-6頻率不同時(shí)各種電流波形圖7-7續(xù)流回路第十六頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D7-8高低壓驅(qū)動(dòng)實(shí)用線路第十七頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日三、斬波恒流驅(qū)動(dòng)

高低壓驅(qū)動(dòng)的目的，就是要使導(dǎo)通相不論在鎖定低頻或高頻工作時(shí)，都保持額定值。斬波恒流驅(qū)動(dòng)方式可較好地解決這一問題。圖7-9畫出斬波恒流驅(qū)動(dòng)的電路原理圖。電機(jī)繞組回路與高低壓驅(qū)動(dòng)器不同的是，低壓管放射極串聯(lián)一個(gè)大功率、小電阻值的電阻接地，電動(dòng)機(jī)繞組的電流經(jīng)這個(gè)小電阻通地，小電阻的壓降與電動(dòng)機(jī)繞組電流成正比，所以這個(gè)電阻稱為取樣電阻，F(xiàn)1、F2、F4為非門，F(xiàn)3為與非門，控制TH和TL兩個(gè)晶體管的導(dǎo)通和截止。由環(huán)形分配器分配來的相繞組導(dǎo)通脈沖，接至A點(diǎn)，其波形如圖7-10（a）所示，送到F1、F2，通過F2直接開通晶體管TL，與非門F3除環(huán)形分配器來的信號(hào)外，還有一段信號(hào)來自比較器。比較器的兩個(gè)輸入端，其正輸入接給定電平，負(fù)輸入端接來自取樣電阻的電壓信號(hào)。導(dǎo)通脈沖到來之前，由邏輯電路可知，輸出低電平，TH和TL都截止，取樣電阻中無電流流過，反饋到比較器的輸入信號(hào)為零，比較器輸出為高電平，見圖7-10（d）。當(dāng)環(huán)形分配器輸出導(dǎo)通信號(hào)時(shí)，高電平使F1、F3輸出為0，F(xiàn)2、F4輸出為1，使TH和TL兩管導(dǎo)通。高電壓經(jīng)TH向電動(dòng)機(jī)的繞組供電，電路回路如圖7-11(a)所示，由于電動(dòng)機(jī)繞組有較大的的電感，所以電流成指數(shù)上升，但所加電壓較高，所以電流上升較快。取樣電阻上的電壓代表了電流的大小。當(dāng)電流超過所設(shè)定值時(shí)，比較器輸入的取樣電壓超過給定電壓，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出變低電平從而F3輸出高電平，F(xiàn)4輸出低電平，關(guān)斷高壓管TH，此時(shí)，磁場(chǎng)能量將使繞組電流按原來的方向繼續(xù)流動(dòng)，經(jīng)由低壓管TL取樣電阻，地線，二極管D1構(gòu)成的續(xù)流回路消耗磁場(chǎng)的能量，見圖7-11（b）。此時(shí)電流將按指數(shù)曲線衰減，逐漸下降。當(dāng)取樣電阻上得到是電壓小于給定電壓時(shí)，比較器又翻轉(zhuǎn)回去，F(xiàn)4高電平，打開高壓管，電源又開始向繞組供電，電流又會(huì)上升。如此反復(fù)，電動(dòng)機(jī)繞組是電流就穩(wěn)定在由給定電平所決定的數(shù)值上，形成小小的鋸齒波，如圖7-11（c）。

第十八頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D7-9斬波恒流驅(qū)動(dòng)原理圖第十九頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D7-10各點(diǎn)波形圖第二十頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D7-11供電及續(xù)流時(shí)電流路徑第二十一頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日

當(dāng)環(huán)形分配器輸出低電平時(shí)，高低壓管都截止，此時(shí)繞組的續(xù)流與高低壓時(shí)相同，經(jīng)D1、D2向電源泄放。泄放回路的特點(diǎn)與高低壓驅(qū)動(dòng)時(shí)基本相同。斬波恒流驅(qū)動(dòng)中，由于驅(qū)動(dòng)電壓較高，所以電流上升很快，當(dāng)?shù)竭_(dá)所需的數(shù)值時(shí)，由于取樣電阻反饋控制作用，繞組電流可以恒定在確定的數(shù)值上，而且不隨電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速而變化，從而保證在很大的頻率范圍內(nèi)電動(dòng)機(jī)都能輸出恒定轉(zhuǎn)矩。圖7-10（e）可見，在環(huán)形分配器中所給出的相繞組導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)，電源電壓并不是一直向繞組供電，而只是一個(gè)個(gè)的窄脈沖，總的輸入能量是各脈沖時(shí)間的電壓與電流乘積積分的總和。與其他的驅(qū)動(dòng)方式比較，取自電源的能量大幅度下降。因此，這種驅(qū)動(dòng)器有很高的效率。這種驅(qū)動(dòng)器的另一優(yōu)點(diǎn)是減少電動(dòng)機(jī)共振現(xiàn)象的發(fā)生。由于電動(dòng)機(jī)共振的基本原因是能量過剩，而斬波恒流驅(qū)動(dòng)輸入的能量是自動(dòng)隨著繞組電流調(diào)節(jié)，能量過剩時(shí)續(xù)流時(shí)間長(zhǎng)，而供電時(shí)間減小，因此可減小能量的積聚。斬波恒流驅(qū)動(dòng)存在其自身的特點(diǎn)，主要表現(xiàn)為：1）高頻響應(yīng)快；2）輸出轉(zhuǎn)矩均勻；3）共振現(xiàn)象基本消除；4）線路工作可靠。

第二十二頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日第四節(jié)

直流伺服系統(tǒng)電機(jī)與速度控制單元

直流伺服電機(jī)作為直流伺服系統(tǒng)的一個(gè)執(zhí)行元件，直流伺服系統(tǒng)能夠控制機(jī)床進(jìn)給速度和位置，直流伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一般為三閉環(huán)控制：電樞電流閉環(huán)，速度閉環(huán)與位置閉環(huán)，如圖7-12所示電流反饋一般采用取樣電阻、霍爾電路傳感器等。

圖7-12直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)第二十三頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日

因?yàn)橹绷魉欧姍C(jī)容易調(diào)速，尤其是他勵(lì)直流伺服電機(jī)具有較硬的機(jī)械特性，所以直流伺服系統(tǒng)自70年代以來，在數(shù)控機(jī)床中得到了廣泛的應(yīng)用。在現(xiàn)代數(shù)控中，極大部分的直流伺服電機(jī)采用永磁直流伺服電機(jī)。永磁直流伺服電機(jī)具有如下優(yōu)點(diǎn)

1）能承受的峰值電流和過載倍數(shù)高；2）具有大的轉(zhuǎn)矩/慣量比、快速性好；3）低速時(shí)輸出力矩大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大；這種電機(jī)可以和機(jī)床的進(jìn)給絲桿直接相連，省去了齒輪等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，且避免了齒隙造成的振動(dòng)和噪聲，以及齒隙誤差。低速運(yùn)行平穩(wěn)。4）啟動(dòng)力矩大；5）調(diào)速范圍大；6）與高性能的速度控制單元組成速度控制系統(tǒng)時(shí)，調(diào)速范圍超過1：1000。7）具有高精度的檢測(cè)元件。8）使電機(jī)能平滑旋轉(zhuǎn)和穩(wěn)定工作，使整個(gè)伺服系統(tǒng)具有良好的低速剛度和高的動(dòng)態(tài)性能，伺服精度高。它的主要缺點(diǎn)是：轉(zhuǎn)子溫度升高，會(huì)影響機(jī)床的精度；轉(zhuǎn)子慣量大，又要快速性好，需增大電源裝置和增強(qiáng)機(jī)械傳動(dòng)鏈的剛度。第二十四頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日直流伺服系統(tǒng)中控制單元也是一個(gè)主要部分，其形式不止一種，敘述如下：

一、脈寬調(diào)制器式控制單元

在功率晶體管開關(guān)型伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中目前廣泛采用脈沖寬度調(diào)制式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，數(shù)控機(jī)床驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也不例外。所謂脈寬調(diào)速，即是利用脈寬調(diào)制器對(duì)大功率晶體管開關(guān)放大器的開關(guān)時(shí)間進(jìn)行控制，將直流電壓轉(zhuǎn)換成某一頻率的矩形波電壓，加到直流電機(jī)的電樞兩端，通過對(duì)矩形波脈沖寬度的控制，改變電樞兩端的平均電壓，從而達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。PWM控制方式的速度控制單元由脈沖寬度調(diào)制器和脈沖功率放大器兩部分組成。

1．脈沖功率放大器（PWM系統(tǒng)的主回路）開關(guān)型功率放大器的驅(qū)動(dòng)回路有兩種結(jié)構(gòu)形式，一種是H型（也稱橋式），另一種是T型。這里介紹常用的H型，它的電路原理如圖7-13所示。圖中VD1～VD4為續(xù)流二極管，用于保護(hù)功率晶體管～VT1VT4。SM即直流伺服電動(dòng)機(jī)。H型電路在控制方式上分為雙極式和單極式。下面介紹雙極式功率驅(qū)動(dòng)原理：四個(gè)功率晶體管的基極驅(qū)動(dòng)電壓分為兩組：Ub1=Ub4,Ub2=Ub3=－Ub1。加到各晶體管基極上的電壓波形如圖7-14所示。

若0≤t≤t1時(shí)，Ub1=Ub4為正，Ub2=Ub3為負(fù)，使VT1和VT4飽和導(dǎo)通，VT2和VT3截止，加在電樞端電壓UAB=＋US（忽略VT1和CT4的飽和壓降）。電樞電流ia沿回路1流通，ia的波形見圖7-14（b）中的ia1。

第二十五頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D7-13H型脈沖功率放大電路第二十六頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D7-14H型雙極性工作方式電壓及電流波形第二十七頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日

若t1≤t＜T時(shí)，Ub1和Ub4為負(fù)，Ub2和Ub3為正，使VT1和VT4截止，但VT2和VT3不能立即導(dǎo)通，這是因?yàn)樵陔姌须姼蟹措妱?shì)的作用下，電樞電流ia經(jīng)VD2和VD3續(xù)流，沿回路2流通。由于VD2和VD3的壓降使VT2和VT3承受反壓緣故，VT2和VT3能否導(dǎo)通，取決于續(xù)流電流的大小，若ia較大時(shí)，在t1至T時(shí)間內(nèi)，續(xù)流較大，則ia一直為正，如圖7-14(b)所示，此時(shí)，VT2和VT3沒來得及導(dǎo)通，下一個(gè)周期即到來，又使VT1和VT4導(dǎo)通，電樞電流ia又開始上升，使ia維持在一個(gè)正值附近波動(dòng)；若ia較小時(shí)，在t1至T時(shí)間內(nèi)，續(xù)流可能降到零，于是VT2和VT3在電源和反電動(dòng)勢(shì)的共同作用下導(dǎo)通，ia沿回路3流通，方向反向，電動(dòng)機(jī)處于反接制動(dòng)狀態(tài)，直到下一個(gè)周期（電樞電壓ūAB＞0情況），VT4和VT1導(dǎo)通，ia才開始回升，如圖7-15所示。

直流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向取決于電樞電流的平均值，即取決于電樞兩端的電壓平均值。若在一個(gè)周期（T）內(nèi)，t1=T/2，則加在基極上的正脈沖寬度(T－t1)相等，VT21、VT4與VT2、VT3的導(dǎo)通時(shí)間相等，則電樞電壓平均值為零，電機(jī)靜止不動(dòng)。若t1＞T－t1，電樞電壓平均電壓大于零，則電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，平均值越大，轉(zhuǎn)速越高。若t1＜T－t1，電樞平均電壓小于零，則電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，平均值的絕對(duì)值越大，反轉(zhuǎn)速越高。由上述過程可知，只要能改變加在功率放大器的控制脈沖的寬度，就能控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向、停止和速度。并且電機(jī)的停止是動(dòng)態(tài)靜止，有利于消除正反轉(zhuǎn)死區(qū)。

第二十八頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日2．脈沖寬度調(diào)制器

為了能給功率放大器提供一個(gè)寬度由速度指令信號(hào)調(diào)節(jié)的控制脈沖序列，需要有一個(gè)能將電壓信號(hào)（代表速度）轉(zhuǎn)換為脈沖寬度的調(diào)節(jié)變換裝置，稱為脈沖寬度調(diào)制器。常用的有以鋸齒波作為調(diào)制信號(hào)的脈沖寬度調(diào)制器，以三角波作為調(diào)制信號(hào)的脈沖寬度調(diào)制器和數(shù)字脈沖寬度調(diào)制器。在微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中，因?yàn)樗俣戎噶钍且詳?shù)字量的形式給出的，采用數(shù)字脈沖寬度調(diào)制器較為方便。脈沖寬度調(diào)制器可用硬件（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器）、硬件加軟件或軟件來實(shí)現(xiàn)。這樣電路簡(jiǎn)單，控制靈活。圖7-16是微機(jī)PWM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的原理框圖。微機(jī)輸出脈寬控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)器放大，驅(qū)動(dòng)PWM主回路的功率晶體管開關(guān)。開關(guān)頻率及脈沖寬度都可采用軟件形式的數(shù)字寬度調(diào)制器來調(diào)節(jié)。計(jì)算機(jī)同時(shí)采用速度和位置反饋信號(hào)，并利用軟件對(duì)速度和位置進(jìn)行調(diào)節(jié)。3．PWM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)與晶閘管調(diào)速單元相比，PWM速度控制單元有如下特點(diǎn)：

1）電機(jī)損耗和噪聲小

晶體管開關(guān)頻率很高，遠(yuǎn)比轉(zhuǎn)子能跟隨的頻率高，也避開了機(jī)械的共振。由于開關(guān)頻率高，使得電樞電流僅靠電樞電感或附加較小的電抗器便可連續(xù)，所以電機(jī)損耗小，發(fā)熱小。

2）系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性好，響應(yīng)頻帶寬

PWM控制方式的速度控制單元與較小慣量的電機(jī)相匹配時(shí)，可以充分發(fā)揮系統(tǒng)的性能，從而獲得很寬的頻帶。頻帶越寬，伺服系統(tǒng)校正瞬態(tài)負(fù)載的能力就越高。

第二十九頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D7-16微電腦式PWM原理框圖

3）低速時(shí)電流脈動(dòng)和轉(zhuǎn)速脈動(dòng)都很小，穩(wěn)速精度高

4）功率晶體工作在開關(guān)狀態(tài)，其損耗小電源利用率高，并且控制方便

5）響應(yīng)很快

PWM控制方式，具有四象限的運(yùn)動(dòng)能力，即電動(dòng)機(jī)既能驅(qū)動(dòng)負(fù)載，也能制負(fù)載，所以響應(yīng)快。

6）功率晶體管承受高峰值電流能力差。

第三十頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日第五節(jié)

交流伺服與主軸準(zhǔn)停系統(tǒng)

交流伺服電機(jī)有了飛速發(fā)展，它不但克服了直流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)上存在機(jī)械整流子、電刷維護(hù)困難、造價(jià)高、壽命短、應(yīng)用環(huán)境受限制等的特點(diǎn)，而且，存在交流伺服電機(jī)堅(jiān)固耐用、經(jīng)濟(jì)可靠及動(dòng)態(tài)響應(yīng)性好等等特點(diǎn)。近年來，交流伺服系統(tǒng)發(fā)展迅速，并有逐步取代直流伺服系統(tǒng)的趨勢(shì)。交流伺服電機(jī)一般有異步型交流伺服電機(jī)和同步型交流伺服電機(jī)。當(dāng)用變頻電源供電時(shí)，對(duì)于電機(jī)可方便地獲得與頻率成正比的可變轉(zhuǎn)速，可得到非常硬的機(jī)械特性和很寬的調(diào)速范圍。在數(shù)控的伺服系統(tǒng)中多采用永磁同步型伺服電機(jī)。對(duì)于具有準(zhǔn)停功能的主軸，實(shí)際上與進(jìn)給軸的功能幾乎一樣，有時(shí)就用一個(gè)多余的進(jìn)給軸來替代主軸伺服系統(tǒng)。

一、永磁交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理

永磁交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)剖面圖如圖7-17所示。它主要由三部分組成：定子、轉(zhuǎn)子和

檢測(cè)元件。定子具有齒槽，內(nèi)有三相繞組，形狀與普通交流電機(jī)的定子相同，但其外形多呈多邊形，且無外殼，利于散熱。轉(zhuǎn)子由多塊永久磁鐵2和沖片（見圖7-18）組成。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是氣隙磁密較高，極數(shù)較多。它的工作原理類似于電磁式同步電機(jī)的工作原理，只是將轉(zhuǎn)子中的磁繞組產(chǎn)生換成永久的磁鐵。

定子三相繞組接上交流電源后就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速為ns在磁場(chǎng)力的作用下，磁場(chǎng)帶著轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)，使轉(zhuǎn)子也以同步轉(zhuǎn)速ns旋轉(zhuǎn)。

第三十一頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日1-定子2-永久磁鐵3-軸向通風(fēng)孔4-轉(zhuǎn)軸圖7-17永磁交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)剖面圖第三十二頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日1-鐵心2-永久磁鐵3-非磁性套筒圖7-18永磁轉(zhuǎn)子示意圖第三十三頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日

當(dāng)轉(zhuǎn)子加上負(fù)載后，將造成定子磁場(chǎng)軸線與轉(zhuǎn)子磁極軸線不重合，其夾角為θ，負(fù)載越大，θ也越大，但只要不超過一定的限度，轉(zhuǎn)子始終跟著定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以恒定的同步轉(zhuǎn)速ns旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為n=ns=60f/p(r/min)，式中f——電源頻率，p——磁極對(duì)數(shù)。永磁交流伺服電機(jī)的機(jī)械特性比直流伺服電機(jī)的機(jī)械特性要硬，在正常工作區(qū)，轉(zhuǎn)速——轉(zhuǎn)矩曲線更接近水平線。斷續(xù)工作區(qū)的范圍擴(kuò)大，高速性能優(yōu)越，有利于提高電機(jī)的加、減能力。

二、交流伺服電機(jī)的速度控制單元

由于同步伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速為n=60f/p，不存在轉(zhuǎn)差率問題，因此，不能用調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率S的方法來調(diào)速，也由于要求無級(jí)調(diào)速，只能用變頻（f）的方法調(diào)速。永磁交流伺服系統(tǒng)有兩種類型，一是矩形波電流驅(qū)動(dòng)的永磁永流伺服系統(tǒng)，二是正弦波電流驅(qū)動(dòng)的永磁永流伺服系統(tǒng)。第一種也稱為無刷直流伺服電動(dòng)機(jī)，第二種也稱無刷交流伺服電動(dòng)機(jī)。從發(fā)展趨勢(shì)看，正弦波驅(qū)動(dòng)將成為主導(dǎo)地位。永磁交流伺服電機(jī)變頻調(diào)速控制單元中的主要部件是變頻器。變頻器分為交—直—交型和交—交型變頻器，前者廣泛應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床和伺服系統(tǒng)中。所謂交—直—交型變頻器中的交—直是將交流變?yōu)橹绷麟?，直—交是將直流變?yōu)檎{(diào)頻、調(diào)壓的交流電，通常采用脈寬調(diào)制原理。關(guān)于脈沖調(diào)制的原理是這樣的：假如我們要在電機(jī)和某相繞組內(nèi)獲得一個(gè)正弦電流，以A相為例，ｉA（ｉA=sinωt）則我們可以用以下的等效措施來獲得。電路及波形如圖7-19所示。

第三十四頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D7-19脈寬調(diào)制的電路結(jié)構(gòu)及波形圖第三十五頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日設(shè)Tp為脈沖周期，用脈寬調(diào)制的等效電流iP表達(dá)式為：ia=1/Tp∫Ec/RL·dt=Ec/RL·K，······（7.5.1）K——占空比欲使繞阻內(nèi)的電流為正弦波則ia=1/Tp∫Ec/RL·sinωt······（7.5.2）由（7.5.1）及（7.5.2）得：K=sinωtK是ωt的函數(shù)，在不同的相位處K的值是不同的，計(jì)算和實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制時(shí)通常把一個(gè)周期上分成固定的若干份，每一份都有對(duì)應(yīng)的占控比，發(fā)相應(yīng)的脈寬信號(hào)，該信號(hào)用來控制H型電路的相應(yīng)M03管。一般把ωt在2的周期上分成1000分就足夠能使iP的波形接近所期望的正弦波了。我們只需在計(jì)算機(jī)內(nèi)制一個(gè)1000個(gè)點(diǎn)的占空比數(shù)據(jù)表，這1000個(gè)點(diǎn)均對(duì)應(yīng)與ωt為2π角度以內(nèi)。此表是由精確計(jì)算sinωt得到。當(dāng)ωt的間隔為0.36°用計(jì)算機(jī)的定時(shí)器中斷。在中斷服務(wù)子程序取1000個(gè)點(diǎn)中心的對(duì)應(yīng)點(diǎn)的占空比值。是取滿1000個(gè)點(diǎn)，說明iP完成了一個(gè)周期，若要改變速度時(shí)只需改變一個(gè)值即定時(shí)器時(shí)間常數(shù)即可改變了檢表取表的速度，改變iP的頻率的目的完成變速的要求。

第三十六頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日第六節(jié)

伺服系統(tǒng)的位置控制

位置控制分為開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)控制。開環(huán)控制實(shí)際上就是步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)。半閉環(huán)一般只能保證伺服電機(jī)的角位移，無法從根本上消除傳動(dòng)間隙。全閉環(huán)可以消除傳動(dòng)間隙。從電氣角度看，全閉環(huán)與半閉環(huán)是一樣的。在控制方式上位置控制主要由以下三種：

一、數(shù)字比較伺服系統(tǒng)

數(shù)字比較伺服系統(tǒng)的閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)框圖如圖7-20所示。整個(gè)系統(tǒng)由三部分組成：采用光電編碼器產(chǎn)生位置反饋脈沖信號(hào)Pf；實(shí)現(xiàn)指令脈沖F與反饋脈沖Pf的脈沖比較，以取得位置偏差信號(hào)e；以位置偏差e作為速度給定的伺服電機(jī)速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。閉環(huán)與半閉環(huán)在結(jié)構(gòu)上的不同點(diǎn)是：半閉環(huán)的檢測(cè)元件一般安裝在絲杠軸上，而閉環(huán)的檢測(cè)元件則安裝在工作臺(tái)上。

閉環(huán)數(shù)字比較伺服系統(tǒng)的工作原理簡(jiǎn)述如下：（1）開始時(shí)，指令脈沖F=0，且工作臺(tái)原來處于靜止?fàn)顟B(tài)，則反饋脈沖Pf為零，經(jīng)比較環(huán)節(jié)則e=F-Pf=0，那么伺服電機(jī)的速度給定為零，伺服電機(jī)不動(dòng)，工作臺(tái)仍處于靜止?fàn)顟B(tài)。

（2）令脈沖為正向指令脈沖時(shí)，即F>0，工作臺(tái)在沒有移動(dòng)之前，反饋脈沖Pf仍為零，經(jīng)比較環(huán)節(jié)比較

，e=F-Pf>0，那么，調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)正向進(jìn)給。隨著電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，檢測(cè)元件的反饋脈沖信號(hào)通過采樣進(jìn)入比較環(huán)節(jié)。該脈沖比較環(huán)節(jié)對(duì)F和Pf進(jìn)行比較，按負(fù)反饋原理，只有當(dāng)F和Pf的脈沖個(gè)數(shù)相等時(shí)，偏差e=F-Pf=0，工作臺(tái)才重新穩(wěn)定在指令所規(guī)定的位置上。

第三十七頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日伺服放大器伺服電機(jī)D/A工作臺(tái)指氣脈沖圖7-20

閉環(huán)數(shù)字比較系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Pf反饋脈沖脈沖處理位置信息位置檢測(cè)器比較環(huán)節(jié)第三十八頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日（3）當(dāng)指令脈沖F為負(fù)向指令時(shí)，即F<0，其控制過程與F為正向指令脈沖的控制過程類似，只是此時(shí)e<0，工作臺(tái)向反方向進(jìn)給。最后，工作臺(tái)準(zhǔn)確地停在指令所規(guī)定的反向的某個(gè)穩(wěn)定位置上。（4）比較環(huán)節(jié)輸出的位置偏差信號(hào)e是一個(gè)數(shù)字量，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后，才能變?yōu)槟M給定電壓，使模擬調(diào)速系統(tǒng)工作。

數(shù)字比較伺服系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制。在控制性能上數(shù)字

比較伺服系統(tǒng)要優(yōu)于模擬方式，混合方式的伺服系統(tǒng)。

二、相位比較伺服系統(tǒng)

相位比較伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床常用的一種位置控制系統(tǒng)。它的結(jié)構(gòu)形式與所用的位置檢測(cè)元件有關(guān)，常用的檢測(cè)元件是旋轉(zhuǎn)變壓器和感應(yīng)同步器，并要工作在相位工作狀態(tài)。圖7-20，閉環(huán)相位比較伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)上基本相同唯一區(qū)別是檢測(cè)元件及在機(jī)床上的安裝位置不同。它們的主要部分有：基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器，脈沖調(diào)相器，檢測(cè)元件，鑒相器，伺服放大器，伺服電機(jī)等。脈沖調(diào)相器又稱數(shù)字相位變換器，它的作用是將來自數(shù)控裝置的進(jìn)給脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為相位變化信號(hào)，該相位變化信號(hào)，可用正弦信號(hào)或方波信號(hào)表示。若沒有進(jìn)給脈沖輸出，則脈沖調(diào)相器的輸出與基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的基準(zhǔn)信號(hào)同相位，沒有相位差。若輸出一個(gè)正向或反向進(jìn)給脈沖，則脈沖調(diào)相器就輸出超前或滯后基準(zhǔn)信號(hào)一個(gè)相應(yīng)的相位角θ。鑒相器有兩個(gè)輸入信號(hào)，這兩個(gè)輸入信號(hào)同頻率，其相位均以與基準(zhǔn)信號(hào)的相位差表示。鑒相器就是鑒別這兩個(gè)輸入信號(hào)的相位差，其輸出信號(hào)為正比于這個(gè)輸入信號(hào)的電壓信號(hào)。

第三十九頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日第四十頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日

相位比較伺服系統(tǒng)中，檢測(cè)元件工作在相位工作狀態(tài)。檢測(cè)信號(hào)經(jīng)整形放大后的Pb作為位置反饋信號(hào)。進(jìn)給脈沖（指令脈沖）F經(jīng)脈沖調(diào)相后，轉(zhuǎn)換成頻率為F0的脈沖信號(hào)Pa。Pa、Pb為鑒相器的輸入，鑒相器的輸出信號(hào)Δθ就反映了指令位置與實(shí)際位置的偏差。Δθ經(jīng)伺服系統(tǒng)放大器和伺服電機(jī)構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)，實(shí)現(xiàn)位置跟蹤。相位比較伺服系統(tǒng)的工作原理簡(jiǎn)述如下：（1）工作臺(tái)靜止?fàn)顟B(tài)指令脈沖F=0，工作臺(tái)原來靜止，則Pa、Pb為同頻率同相位的脈沖信號(hào)，經(jīng)鑒相器鑒相判別Δθ=0，那么伺服放大器的速度給定為零，它輸出到伺服電機(jī)的電樞電壓為零，電機(jī)不轉(zhuǎn)，則工作臺(tái)維持在靜止?fàn)顟B(tài)。（2）工作臺(tái)正向運(yùn)動(dòng)當(dāng)指令脈沖F為正，經(jīng)脈沖調(diào)相器，Pa產(chǎn)生的相移+θ。因工作臺(tái)原來靜止，Pb=0，那么鑒相器的輸出Δθ=Pa-Pb=+θ>0，則伺服驅(qū)動(dòng)部分就使工作臺(tái)作正向運(yùn)動(dòng)，直至Δθ為零而止。（3）工作臺(tái)負(fù)向運(yùn)動(dòng)當(dāng)指令脈沖F為負(fù)，經(jīng)脈沖調(diào)相器，Pa產(chǎn)生的相移-θ。那么鑒相器的輸出

Δθ=-θ。在Δθ的控制下，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)作負(fù)向運(yùn)動(dòng)直至Δθ為零而止?？傊?，機(jī)床工作臺(tái)在指令脈沖的作用下，作正向或反向運(yùn)動(dòng)，Pa、Pb在新的位置上繼續(xù)保持同頻同相的穩(wěn)定狀態(tài)，一旦F=0，正在運(yùn)動(dòng)著的工作臺(tái)就迅速制動(dòng)

第四十一頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日

三、幅值比較伺服系統(tǒng)

幅值比較伺服系統(tǒng)中，是以位置檢測(cè)，則信號(hào)的幅值大小來反映機(jī)械位移的數(shù)值，并以此作為反饋信號(hào)。檢測(cè)元件以幅值工作狀態(tài)進(jìn)行工作，常用的檢測(cè)元件主要有旋轉(zhuǎn)變壓器和感應(yīng)同步器。閉環(huán)幅值比較伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖7-21所示，從圖中看出，比較環(huán)節(jié)是數(shù)字比較，實(shí)現(xiàn)指令脈沖信號(hào)F與反饋脈沖信號(hào)Pf的比較，以獲得位置偏差信號(hào)Δs。由幅值工作狀態(tài)的感應(yīng)同步器的原理可知。位置檢測(cè)元件的輸出電壓是正弦交變信號(hào)幅值與角度θd-θ的差值的正弦值成比例。θd是系統(tǒng)設(shè)定的值，θ是反映實(shí)際位移Δx的電角度。只有當(dāng)差值θd-θ在±90°范圍內(nèi)，該幅值的絕對(duì)值才與|sin（θd-θ）|成正比，若θ>θd，則檢測(cè)信號(hào)的幅值為正。該檢測(cè)信號(hào)幅值的正負(fù)表明了指令位置與實(shí)際位置之間超前或滯后的關(guān)系。θ與θα的差值越大，則位置的偏差越大。由此看來，只要能檢測(cè)元件輸出電壓信號(hào)的幅值，就能獲得勵(lì)磁θd與θ的相對(duì)關(guān)系。這就是鑒幅器的任務(wù)。為了進(jìn)行閉環(huán)控制，該電壓幅值需經(jīng)電壓—頻率變換電路變成相應(yīng)的數(shù)字脈沖，一方面與F比較比獲得位置偏差信號(hào)Δs，另一方面作為修改輸入信號(hào)中θd值的設(shè)定輸入。下面簡(jiǎn)述幅值比較伺服系統(tǒng)的工作原理：⑴若F=0，則工作臺(tái)靜止不動(dòng)，若指令脈沖F=0，則有θd=θ（原來靜止?fàn)顟B(tài)），經(jīng)鑒相檢測(cè)到檢測(cè)元件輸出電壓幅值為零，由電壓—頻率變換電路所得的Pf也為零，那么比較輸入輸出位置偏差信號(hào)Δs=F-Pf=0，則伺服電機(jī)調(diào)速部分的速度給定為零，工作臺(tái)繼續(xù)移動(dòng)。

第四十二頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日第四十三頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日

⑵

若F為正的指令脈沖，則工作臺(tái)正向運(yùn)動(dòng)，由于伺服電機(jī)未轉(zhuǎn)動(dòng)之前，θd與θ均未變，仍保持相等，所以反饋脈沖Pf亦為零，若F為正指令脈沖，那么Δs=F-Pf>0。Δs經(jīng)D/A變換后作為伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的速度給定值。伺服電機(jī)向正指令位置轉(zhuǎn)動(dòng)。帶動(dòng)工作臺(tái)正向運(yùn)動(dòng)。一運(yùn)動(dòng)，θd與θ不相等，反饋脈沖Pf就出現(xiàn)了。則位置偏差值Δs逐漸減小，直至F=Pf，Δs=0。系統(tǒng)在新的指令位置上達(dá)到平衡，工作臺(tái)停止正向運(yùn)動(dòng)。

需指出的是，θ變化，若θd不隨變化，雖然工作臺(tái)在向指令位置靠近，但θd與θ的差值增加了。這不符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，為此，把Pf經(jīng)勵(lì)磁電路修改θd，使θd跟隨θ變化。一旦指令脈沖F重新為零，反饋脈沖Pf一方面使Δs為零，另一方面也使θd值增大，令θd與θ差值為零，使在新的平衡位置是檢測(cè)元件輸出電壓為零。⑶若F指令脈沖為負(fù)，則工作臺(tái)向負(fù)方向移動(dòng)。若F為負(fù)指令脈沖，即F<0，整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)，比較判別等的控制過程與F>0時(shí)基本相似，只是工作臺(tái)向反向移動(dòng)。θd也跟隨θ變化，直至在負(fù)向的指令位置而停止。綜上所述，在幅值比較伺服系統(tǒng)中，勵(lì)磁信號(hào)的電角度θd由系統(tǒng)設(shè)定，并跟隨工作臺(tái)的進(jìn)給變化?？梢岳忙萪作為工作臺(tái)實(shí)際位置的測(cè)量值，并通過數(shù)顯裝置將其顯示。工作臺(tái)在穩(wěn)定平衡位置時(shí)，數(shù)顯裝置所顯示的是指令位置的實(shí)測(cè)值。

第四十四頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日第七節(jié)

數(shù)控伺服系統(tǒng)的可靠性

數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化程度高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在伺服系統(tǒng)中更是集中了大量不同品種規(guī)格、不同電壓等級(jí)和控制功率的電子和電力器件，因此對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可靠性提出了很高的要求。通常，數(shù)控系統(tǒng)的可靠性主要取決于由弱電電子器件組成的控制部分的性能。這一方面是由于電子元器件環(huán)境應(yīng)用中自身也有可靠性的問題，同時(shí)也由于伺服系統(tǒng)中強(qiáng)電設(shè)備將對(duì)整個(gè)數(shù)控裝置產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾，因此，本節(jié)把數(shù)控伺服系統(tǒng)可靠性問題的討論主要集中在電子器件控制部分。實(shí)際上，數(shù)控裝置作為一個(gè)工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，不能在設(shè)計(jì)和研究之后才注意到它的可靠性問題，而應(yīng)該在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初期就著手進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)。本節(jié)將對(duì)可靠性的基本概念和有關(guān)數(shù)控伺服系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)的基本方法作簡(jiǎn)要介紹。

一、可靠性的基本概念

可靠性是產(chǎn)品的一種屬性，是其在規(guī)定條件下正確執(zhí)行預(yù)期功能在時(shí)間上的量度。只有功能適當(dāng)，操作使用方便而且有效使用期長(zhǎng)的產(chǎn)品，才能在工業(yè)環(huán)境中推廣應(yīng)用。因此，可靠性往往是對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)在對(duì)于工業(yè)控制系統(tǒng)的可靠性問題已不再局限于一般定性的或純理論的分析，而開始逐步地建立起一系列工程計(jì)算的方法。下面介紹在工業(yè)控制系統(tǒng)中有關(guān)可靠性的一些基本概念。

第四十五頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日1．可靠度R（t）

一個(gè)系統(tǒng)（或設(shè)備，元件等）在規(guī)定的條件下，工作到t時(shí)刻，能正確的完成規(guī)定功能的概率，稱為描述其可靠性程度的特征量，簡(jiǎn)稱可靠度，記作R（t）?？梢院?jiǎn)單的說，可靠度是產(chǎn)品在一定的時(shí)間內(nèi)不易發(fā)生故障的程度，與之相對(duì)的則是因系統(tǒng)故障而引起規(guī)定功能的失效。2．失效率λ(t)

失效率是指在t時(shí)刻之前系統(tǒng)沒有發(fā)生故障，而在t時(shí)刻之后的單位時(shí)間內(nèi)因故障而引起的失效的概率。失效率從反面說明系統(tǒng)的可靠性，因而也廣泛的應(yīng)用于可靠性的討論中。通常，可靠度和失效率都是時(shí)間的函數(shù)。對(duì)于一個(gè)實(shí)際的產(chǎn)品或系統(tǒng)，這些可靠性函數(shù)可通過對(duì)大量的隨機(jī)發(fā)生的失效事件的統(tǒng)計(jì)計(jì)算取得結(jié)果。通常，對(duì)于一個(gè)質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品，其失效可用一個(gè)常數(shù)表示，即稱為平均失效率，記作λ?？赏ㄟ^試驗(yàn)確定受試產(chǎn)品的平均失效率，其計(jì)算公式為λ=n/Tn（）式中n——定時(shí)間內(nèi)失效的產(chǎn)品數(shù)；Tn——受試產(chǎn)品的總試驗(yàn)時(shí)間；N——受試產(chǎn)品的總數(shù)。失效率的單位為“1/n”，常用單位為“%/kh”，或?qū)懽鳛椤癶”。

第四十六頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D7-23典型的可靠性曲線第四十七頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D7-23是典型的可靠度R（t）和失效率λ（t）曲線。失效率λ（t）有一段低平部分，表示產(chǎn)品的偶然失效率可視為常數(shù)λ。此時(shí)，其可靠度為以λ為參數(shù)的指數(shù)函數(shù)

R(t)=e-λt

表7-1為常用電子元器件失效率數(shù)據(jù)的列表，可用于系統(tǒng)可靠性計(jì)算時(shí)的參考。對(duì)于象數(shù)控機(jī)床這樣的工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，由于所包含的元器件品種規(guī)格多，數(shù)量大，所以整機(jī)可靠性問題往往要比單個(gè)元器件的情況復(fù)雜的多。圖7-24為表示一個(gè)系統(tǒng)的失效率隨時(shí)間變化的典型曲線。按照曲線的形狀，這種失效率曲線常稱為“浴盤曲線”。該曲線可分成三個(gè)時(shí)期：

（1）早期（t＜tA）一種產(chǎn)品由于設(shè)計(jì)制造等內(nèi)在的質(zhì)量問題，或者因?yàn)榘b，運(yùn)輸，存儲(chǔ)和使用方面的種種因素，往往在推出的初期會(huì)暴露出較多的缺陷。因而，在早期使用中將出現(xiàn)較高的失效率。隨著時(shí)間的推移，通過不斷完善設(shè)計(jì)和制造工藝，可以是失效率逐漸降低到一個(gè)而穩(wěn)定的數(shù)值。這種情況類似機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件之間“跑合”過程。（2）有效壽命期（tA≤t＜tB）

成熟產(chǎn)品中的大部分進(jìn)入了質(zhì)量穩(wěn)定的有效期。此時(shí)產(chǎn)品的失效是因偶然原因造成的故障，也稱偶然失效期。在該期間內(nèi)，可以認(rèn)為失效率是常數(shù)，即λ(t)=λ。在表中的失效率數(shù)值就是有效壽命期中的偶然失效率。

第四十八頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日（3）損壞期（tB≤t）

器件的材料和結(jié)構(gòu)相繼發(fā)生磨損、老化以至損壞，造成系統(tǒng)的失效率急劇上升。產(chǎn)品一旦達(dá)到這一時(shí)期，應(yīng)該盡快更換或淘汰。對(duì)于一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，總是希望早期失效持續(xù)時(shí)間短且失效率盡量低，有效壽命期盡量長(zhǎng)一些。通常，驗(yàn)收考機(jī)時(shí)，要求連續(xù)工作幾個(gè)小時(shí)至幾十小時(shí)，就是希望及時(shí)發(fā)現(xiàn)或淘汰早期失效的產(chǎn)品。一種產(chǎn)品如果早期失效率過高，顯然會(huì)給使用者造成不可靠的印象。即使在有效壽命期內(nèi)，失效率還與實(shí)際的使用環(huán)境有關(guān)，其中尤其以負(fù)載大小和環(huán)境溫度對(duì)比性能的影響最大。例如，對(duì)于電阻，晶體管，集成電路，電容器件，以負(fù)載功率的十分之一時(shí)失效率λ為表7-1中的數(shù)量。然而負(fù)載若增加到額定值，失效率就可能提高2—6倍左右。所以從可靠性的角度看，額定負(fù)載并非是元器件長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的安全邊界。

3．平均故障間隔時(shí)間MTBF(MeanTimeBetweenFailures)

對(duì)于一個(gè)可維護(hù)的系統(tǒng)，兩次故障之間平均工作時(shí)間稱為平均故障間隔時(shí)間，簡(jiǎn)稱MTBF，也稱平均無故障工作時(shí)間。即MTBF=(可能工作的總時(shí)間)/(總的故障數(shù))在實(shí)用中常常用MTBF表示產(chǎn)可靠性的一項(xiàng)指標(biāo)。作為一種平均壽命的表示方法，其值可由下式計(jì)算：MTBF=1/λ(7.7.1)

4．平均故障修復(fù)時(shí)間MTTR(MeanTimeToRepair)

考慮到實(shí)際系統(tǒng)的故障總是難免的，對(duì)于可維護(hù)的系統(tǒng)，總希望一旦出現(xiàn)故障，修復(fù)的時(shí)間越短越好。一個(gè)系統(tǒng)的平均故障修復(fù)時(shí)間，簡(jiǎn)稱MTBF，依據(jù)具體情況應(yīng)該有一定的限制。一般，系統(tǒng)的MTBF越大，而MTTR越小，則它的可靠性很高，可維修性也很好。

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作為一種綜合評(píng)價(jià)的尺度，可提出有效的概念。把MTBF看作系統(tǒng)的可能工作時(shí)間，把MTTR看作為不能工作時(shí)間，則可能工作時(shí)間與總時(shí)間之比稱為該系統(tǒng)的平均有效度，記作A。A=MTBF/(MTBF+MTTR)有效度能比較全面地反映出一個(gè)系統(tǒng)可供正確使用的能力。

二、影響可靠性的因素

一臺(tái)數(shù)控機(jī)床，從數(shù)控柜到伺服電機(jī)，電子和電力元件五花八門，成千上萬，要對(duì)影響整機(jī)可靠性的因素作全面的分析評(píng)價(jià)是極為困難的。只有少數(shù)的專門機(jī)構(gòu)才有可能對(duì)次作深入的研究分析。而對(duì)大多數(shù)應(yīng)用人員，只能從一些具體問題入手，根據(jù)已有的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)作一定的分析，努力采取必要的措施克服不利因素，提高整機(jī)的可靠性。

1．元器件的失效

元器件是構(gòu)成整個(gè)數(shù)控裝置的基本單元，單個(gè)器件的可靠性是整機(jī)可靠性的基礎(chǔ)。按照概率計(jì)算的法則，整機(jī)的失效率等于各組成部分失效率之和。例如，若設(shè)某個(gè)裝置由5000個(gè)硅三極管組成，在不考慮溫度和負(fù)載對(duì)失效率的影響時(shí)，可作如下計(jì)算：查表7.7.1可知，1個(gè)硅三極管的失效率λ=0.01(h-5)，則平均無故障間隔時(shí)間MTBF=1/λ=10+7(h)。5000個(gè)該類元件總失效率λ′=5000×0.01=50(h-5),則MTBF=1/λ′=2×103(h)

由此可見，隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大，并且再考慮到負(fù)載和溫度偏離預(yù)定條件的情況，整機(jī)的可靠性將受到極大的影響。因此，寧愿嚴(yán)格挑選失效率低的產(chǎn)品用于實(shí)際系統(tǒng)，而堅(jiān)決不用質(zhì)次價(jià)廉的產(chǎn)品，是一條應(yīng)該普遍遵循的基本原則。

第五十頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日2．元器件的連接與組裝

數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電氣零部件之間信號(hào)連接縱橫交錯(cuò)，要保證整機(jī)的可靠性，就必須很好解決聯(lián)接與組裝的可靠性。例如，電子元件在印刷線路板上的焊接安裝，印刷線路板通過插頭座或邊緣接插件與外部或相互之間的連接，以及電氣控制柜通過插頭座或端子排與機(jī)電控制設(shè)備之間的連接等，因接觸不良造成信號(hào)傳送失靈，是產(chǎn)生系統(tǒng)故障的重要原因之一。此外，由于工業(yè)環(huán)境中，溫、濕度變化較大，油污或粉塵對(duì)元件及線路板的污染及機(jī)械振動(dòng)的影響，對(duì)于信號(hào)傳送通道的接插件將產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。如果再考慮到不合理的走線還可能造成信號(hào)之間相互竄擾，對(duì)元?dú)饧?lián)接的設(shè)計(jì)與安裝工藝更應(yīng)該給予足夠的重視。

3．電磁干擾

數(shù)控機(jī)床是利用電能進(jìn)行工作的電氣控制設(shè)備。在運(yùn)動(dòng)中必然伴隨著電磁能量的轉(zhuǎn)換，往往一方面對(duì)周圍環(huán)境發(fā)生影響，同時(shí)，另一方面其本身也會(huì)受所處環(huán)境的各種電磁干擾。作為機(jī)電一體化的產(chǎn)物，數(shù)控機(jī)床是機(jī)械，電子、電力、強(qiáng)電、弱電、硬件、軟件緊密結(jié)合的自動(dòng)化系統(tǒng)，電磁環(huán)境和電磁干擾問題是一個(gè)極為復(fù)雜的問題。一般，電磁干擾源及其引入數(shù)控系統(tǒng)的主要途徑有：(1)交流供電電源受鄰近大功率用電設(shè)備啟制動(dòng)影響，造成電源電壓波動(dòng)，以及電器開關(guān)通電斷電時(shí)由電火花產(chǎn)生的高頻和諧波的干擾。使晶閘管的電源裝置還會(huì)因波形畸變產(chǎn)生高頻和諧波的干擾。其中，一部分直接通過電源裝置本身的供電線路進(jìn)入內(nèi)部電子線路，引起控制失常；另一些則通過電磁感應(yīng)從缺乏屏蔽隔音措施的一些控制信號(hào)聯(lián)接中耦合到控制裝置中造成誤操作。因此，重視交流電源的供電質(zhì)量以及必要的電源濾波措施是保證數(shù)控裝置可靠性工作的基本條件。

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(2)直流電源負(fù)載能力不足，缺乏足夠的穩(wěn)定功率儲(chǔ)備，造成直流電源電壓隨負(fù)載的變化而波動(dòng)。尤其是數(shù)字電路在開關(guān)工作過程中往往形成很大的動(dòng)態(tài)電流，電源的容量不能完全按靜態(tài)負(fù)載設(shè)計(jì)。近來，在數(shù)字電路中常采用輸出電流在1A以下的單塊集成穩(wěn)定電源。由于它是封裝器件，內(nèi)部分布電容的影響較大，所以對(duì)頻率較高的噪聲（例如10KHZ以上）衰減特性不好。直流穩(wěn)定電源是各電子元器件的直接能源，必須采取措施保證其足夠穩(wěn)定可靠地工作。(3)電源與地線的線徑太細(xì)或布局不合理，電子元器件相互通過公共的導(dǎo)線阻抗，信號(hào)發(fā)生畸變或交叉干擾。(4)控制信號(hào)引線過長(zhǎng)又沒有采取必要的屏蔽隔離措施，或與電信號(hào)并行走線易受電磁噪聲的干擾產(chǎn)生錯(cuò)誤信號(hào)，尤其對(duì)與高頻脈沖信號(hào)若處理不當(dāng)極易發(fā)生波形畸變。

三、提高可靠性的措施

數(shù)控機(jī)床現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展為完全微機(jī)化的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，它的可靠性較高的系統(tǒng)。在完善設(shè)計(jì)的思想指導(dǎo)下，為了保證高可靠性，要求在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中，對(duì)元件進(jìn)行嚴(yán)格的老化篩選，考慮元器件的性能要充分留有余地，對(duì)工藝過程應(yīng)嚴(yán)格把關(guān)，并對(duì)產(chǎn)品零部件和整機(jī)進(jìn)行嚴(yán)格的例行試驗(yàn)?？梢哉f，完善設(shè)計(jì)是一種已經(jīng)被廣泛接受的常規(guī)設(shè)計(jì)思想。然而，若只限于上述常規(guī)設(shè)計(jì)思想實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高可靠性。到了一定程度不但造價(jià)會(huì)迅速上升，而且額外提高可靠性的效果也不會(huì)顯著。應(yīng)運(yùn)而生的設(shè)計(jì)思想就是容差技術(shù)。這種技術(shù)的指導(dǎo)思想是，首先承認(rèn)故障和錯(cuò)誤的影響。第五十二頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日

在實(shí)際系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)中，上述兩種思想常常結(jié)合起來，充分利用計(jì)算機(jī)控制的特點(diǎn)，通過軟件和硬件相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)在使用中功能適用，成本十種和足夠可靠。具體地說有以下一些提高可靠性的措施。

1．采用質(zhì)量穩(wěn)定，可靠性已被普遍承認(rèn)的工業(yè)控制系統(tǒng)的主機(jī)或部件。如，STD總線工業(yè)控制機(jī)和可編程序控制器（PC）是目前公認(rèn)的可在工業(yè)環(huán)境使用的工業(yè)控制機(jī)。

2．使用質(zhì)量可靠并且有穩(wěn)定貨源的元器件組裝控制系統(tǒng)?？梢钥紤]：

1）盡量采用集成度高的組件，以減少整機(jī)元件的個(gè)數(shù)及元器件之間的連線和焊點(diǎn)數(shù)，從而大幅度降低整機(jī)的失效率。2）認(rèn)真做好安裝使用前元器件的篩選、老化處理，及淘汰處于早期失效的不合格產(chǎn)品。對(duì)于一些重要的部件，特別是負(fù)載較重的輸入、輸出接口電路,為了防止這些器件因進(jìn)入損失期后失效率急劇上升，可在預(yù)測(cè)的有效壽命期即將結(jié)束前，進(jìn)行預(yù)防性的定期更換。

3）降額使用元器件：如前所述，元器件的失效率與使用時(shí)的工作條件密切有關(guān)。降額使用有利于減輕元器件的負(fù)載，降低其工作時(shí)的發(fā)熱溫升，也可以避免因瞬時(shí)過載造成的過流過壓沖擊，減少偶然失效事件的產(chǎn)生。從容錯(cuò)技術(shù)的角度，降額使用實(shí)際上就是增加了元器件負(fù)載能力的冗余量，有利于提高工作的可靠性。

3．適當(dāng)?shù)夭捎萌哂嗟挠布Y(jié)構(gòu)。例如：

1）

兩路并聯(lián)冗余。對(duì)串聯(lián)支路，可靠度Rs是各串聯(lián)元件可靠度Ri(i=1，2……n)的乘積。即串聯(lián)支路中任一元件失效都將造成整個(gè)支路故障。并聯(lián)支路的冗余結(jié)構(gòu)則有利于可靠性的提高。若在一些重要的通路上并聯(lián)設(shè)置同樣的器件，設(shè)單個(gè)元件的可靠度R=0.70，則并聯(lián)支路的可靠度由下式計(jì)算：Rs=1－(1－R)(1－R)=1－(1－R)2=1－(1－0.7)2=0.91第五十三頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日由此可見，這種兩路并聯(lián)的冗余結(jié)構(gòu)有明顯的改善可靠性效果。一般，采用更多路的并聯(lián)冗余能進(jìn)一步提高可靠性，但隨之而來的是將大幅度地增加成本，而可靠性的提高則不顯著。

2）部件級(jí)或系統(tǒng)級(jí)的待命貯備冗余。與并聯(lián)冗余不同的是，待命貯備冗余的模塊在檢出處于工作狀態(tài)的系統(tǒng)模塊出現(xiàn)故障后，可按預(yù)定的方案切換投入工作狀態(tài)，保證整機(jī)工作不受影響，替換下來的模塊，可以在離線后進(jìn)行修復(fù)以備下一次使用。對(duì)于比較通用的模塊，采用這種待命貯備的冗余結(jié)構(gòu)，能夠在成本增加不多的情況下，較好地改善系統(tǒng)的可靠性。

冗余結(jié)構(gòu)是通過投入更多的超過常規(guī)設(shè)計(jì)所需要的附加資源開銷，以換取常規(guī)設(shè)計(jì)所不可能得到的高可靠性。因此，必須權(quán)衡利弊，適當(dāng)采用。4．加強(qiáng)硬件抗干擾措施。圖7-25示出抗干擾電源的電氣結(jié)構(gòu)框圖。其中，采用交流線路電源濾波器一方面可阻止由電網(wǎng)引入的外部電磁干擾，另一方面又可防止數(shù)控裝置內(nèi)部產(chǎn)生的電磁干擾影響到外部鄰近的用電設(shè)備上去。外部電源的引線采用扭絞線，不出現(xiàn)環(huán)路，有利削弱周圍電磁干擾的影響。交流電源濾波器目前已有商品出售，其內(nèi)部是由LC網(wǎng)絡(luò)組成。圖7-26是一種交流電源濾波器的典型線路。直流線路濾波器可阻隔來自電源側(cè)引入的或內(nèi)部各用電器件，設(shè)備之間的相互電磁干擾。對(duì)負(fù)載較輕的印刷線路板，一般在電路進(jìn)線處并聯(lián)10~50μF的電解電容或但電解電容，在每個(gè)大規(guī)模集成電路（LSI）的電源和地線間并聯(lián)0.01~0.1μF的陶瓷電容，幾個(gè)中規(guī)模集成電路（MSI）并聯(lián)0.01~0.1μF的陶瓷電容。對(duì)于負(fù)荷較重，動(dòng)態(tài)電流大的電子器件，還應(yīng)視不同情況采用濾波性能更強(qiáng)的LC濾波器。

第五十四頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D7-25抗干擾電源電器相圖

第五十五頁(yè)，共五十九頁(yè)，2022年，8月28日

有一個(gè)較為有效的辦法是，利用光電耦合器實(shí)現(xiàn)開關(guān)輸入/輸出，見圖7-27。采用光電耦合器作為輸入接口電路，一方面可消除開關(guān)在通、斷中產(chǎn)生抖動(dòng)的干擾，也避免了內(nèi)部電路的信號(hào)與地線直接和外部聯(lián)接，起到良好的隔離作用。圖中開關(guān)量輸出電路也稱為固態(tài)繼電器，是一種新型的無接點(diǎn)繼電器，其內(nèi)部由雙向晶閘管作功率驅(qū)動(dòng)部件。當(dāng)執(zhí)行電氣設(shè)備為直流電機(jī)或繼電器時(shí)，應(yīng)在線圈兩端反并聯(lián)二極管，在觸頭兩端并聯(lián)阻容吸收電路。對(duì)于交流電器的線圈和觸頭，通常用RC抑制電路，R、C的參數(shù)取值為：R=22Ω/1w，C=0.22μF（耐壓視電源電壓而定，如對(duì)于220v線路耐壓應(yīng)取630v）。

5．在計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中，充分利用軟件抗干擾技術(shù)。把軟件技術(shù)與硬件結(jié)合起來提高數(shù)控系統(tǒng)抗干擾的能力，是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的一大優(yōu)越性。軟件抗干擾技術(shù)，是指用程序設(shè)計(jì)手段排除進(jìn)入數(shù)控系統(tǒng)的電磁干擾。其實(shí)質(zhì)是，發(fā)揮計(jì)算