（原創(chuàng)kevin001）
在數(shù)控機(jī)床上，尤其是在計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床上，閉環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由于具有工作可靠、抗干擾性強(qiáng)以及精度高等優(yōu)點(diǎn)，因而相對(duì)于開(kāi)環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)更為常用。但由于閉環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)增加了位置檢測(cè)、反饋、比較等環(huán)節(jié)，與步進(jìn)式開(kāi)環(huán)系統(tǒng)相比，它的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，調(diào)試也相對(duì)更困難一些。一、 一、 閉環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行元件隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，對(duì)執(zhí)行元件的要求愈來(lái)愈高，歸納起來(lái)主要有以下幾點(diǎn)：(1) 盡可能減少電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，以提高系統(tǒng)的快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)；(2) 盡可能提高電機(jī)的過(guò)載能力，以適應(yīng)經(jīng)常出現(xiàn)的沖擊現(xiàn)象；(3) 盡可能提高電機(jī)低速運(yùn)行的穩(wěn)定性和均勻性，以保證低速時(shí)伺服系統(tǒng)的精度。鑒于機(jī)械加工的特殊性，一般的電機(jī)不能滿(mǎn)足數(shù)控機(jī)床對(duì)伺服控制的要求。目前，在數(shù)控機(jī)床上廣泛應(yīng)用的有直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)。1.直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)是機(jī)床伺服系統(tǒng)中使用較廣的一種執(zhí)行元件。在伺服系統(tǒng)中常用的直流伺服電機(jī)多為大功率直流伺服電機(jī)，如低慣量電機(jī)和寬調(diào)速電機(jī)等。這些伺服電機(jī)雖然結(jié)構(gòu)不同，各有特色，但其工作原理與直流電機(jī)類(lèi)似。 (1) 低慣量直流伺服電機(jī)。主要有無(wú)槽電樞直流伺服電機(jī)及其他一些類(lèi)型的電機(jī)。無(wú)槽電樞直流伺服電機(jī)的工作原理與一般直流電機(jī)相同，其結(jié)構(gòu)的差別和特點(diǎn)是：電樞鐵心是光滑無(wú)槽的圓體，電樞繞組用環(huán)氧樹(shù)脂固化成型并粘結(jié)在電樞鐵心表面上，電樞的長(zhǎng)度與外徑之比在5倍以上，氣隙尺寸比一般的直流電機(jī)大10倍以上。它的輸出功率在幾十瓦至10 kW以?xún)?nèi)。主要用于要求快速動(dòng)作、功率較大的系統(tǒng)。 (2) 寬調(diào)速直流力矩電機(jī)。這種電機(jī)用提高轉(zhuǎn)矩的方法來(lái)改善其動(dòng)態(tài)性能。它的結(jié)構(gòu)形式與一般直流電機(jī)相似，通常采用他激式。目前幾乎都用永磁式電樞控制。它具有以下特點(diǎn)： (3) 直流伺服電機(jī)的脈寬調(diào)速原理。調(diào)整直流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法主要是調(diào)整電樞電壓。目前使用最廣泛的方法是晶體管脈寬調(diào)制器—直流電機(jī)調(diào)速(PWM—M)。它具有響應(yīng)快，效率高，調(diào)速范圍寬以及噪音污染小，簡(jiǎn)單可靠等優(yōu)點(diǎn)。脈寬調(diào)制器的基本工作原理是，利用大功率晶體管的開(kāi)關(guān)作用，將直流電壓轉(zhuǎn)換成一定頻率的方波電壓，加到直流電機(jī)的電樞上。通過(guò)對(duì)方波脈沖寬度的控制，改變電樞的平均電壓，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。圖5--9是PWM— M系統(tǒng)的工作原理圖。設(shè)將圖5--9(a)中的開(kāi)關(guān)K周期地閉合、斷開(kāi)，開(kāi)和關(guān)的周期是T。在一個(gè)周期內(nèi)，閉合的時(shí)間為τ，斷開(kāi)的時(shí)間為T(mén)-τ。若外加電源的電壓U是常數(shù)，則電源加到電機(jī)電樞上的電壓波形將是一個(gè)方波列，其高度為U，寬度為τ，如圖5--9(b)所示。它的平均值 為 （5-2）式中的δ=τ／T，稱(chēng)為導(dǎo)通率。當(dāng)T不變時(shí)，只要連續(xù)地改變 ，就可使電樞電壓的平均值(即直流分量 )由0連續(xù)變化至U，從而連續(xù)地改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。實(shí)際的PWM—M系統(tǒng)用大功率三極管代替開(kāi)關(guān)K 。其開(kāi)關(guān)頻率是2000 Hz，即 圖5—9 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的電器原理 圖5--9(a)中的二極管是續(xù)流二極管，當(dāng)K斷開(kāi)時(shí)，由于電樞電感La的存在，電機(jī)的電樞電流 可通過(guò)它形成回路而流通。圖5--9 (a)所示的電路只能實(shí)現(xiàn)電機(jī)單方向的速度調(diào)節(jié)。為使電機(jī)實(shí)現(xiàn)雙向調(diào)速，必須采用橋式電路。圖5--10所示的橋式電路為PWM —M系統(tǒng)的主回路電氣原理圖。 圖5—10 PWM —M系統(tǒng)的主回路電氣原理圖 2.交流伺服電機(jī)交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)是最新發(fā)展起來(lái)的新型伺服系統(tǒng)，也是當(dāng)前機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方面的一個(gè)新動(dòng)向。該系統(tǒng)克服了直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中電機(jī)電刷和整流子要經(jīng)常維修、電機(jī)尺寸較大和使用環(huán)境受限制等缺點(diǎn)。它能在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)產(chǎn)生理想的轉(zhuǎn)矩，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，用于數(shù)控機(jī)床等進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為精密位置控制。交流伺服電機(jī)的工作原理與兩相異步電機(jī)相似 。然而 ，由于它在數(shù)控機(jī)床中作為執(zhí)行元件，將交流電信號(hào)轉(zhuǎn)換為軸上的角位移或角速度 ，所以要求轉(zhuǎn)子速度的快慢能夠反映控制信號(hào)的相位，無(wú)控制信號(hào)時(shí)它不轉(zhuǎn)動(dòng)。特別是當(dāng)它已在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，如果控制信號(hào)消失，它立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)。而普通的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)以后，若控制信號(hào)消失，它往往不能立即停止而要繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)一會(huì)兒。交流伺服電機(jī)也是由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成。定子上有勵(lì)磁繞組和控制繞組，這兩個(gè)繞組在空間相差90°電角度。若在兩相繞組上加以幅值相等、相位差90°電角度的對(duì)稱(chēng)電壓，則在電機(jī)的氣隙中產(chǎn)生圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。若兩個(gè)電壓的幅值不等或相位不為90°電角度，則產(chǎn)生的磁場(chǎng)將是一個(gè)橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。加在控制繞組上的信號(hào)不同，產(chǎn)生的磁場(chǎng)橢圓度也不同。例如，負(fù)載轉(zhuǎn)矩一定，改變控制信號(hào)，就可以改變磁場(chǎng)的橢圓度，從而控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速。交流伺服電機(jī)的控制方式有三種：幅值控制、相位控制和幅值相位混合控制。圖5--11所示為這三種控制方法的電氣原理和矢量圖。 圖5—11交流伺服電機(jī)的控制方法
二、 鑒幅式伺服系統(tǒng)1.鑒幅式伺服系統(tǒng)的工作原理圖5--25是鑒幅式伺服系統(tǒng)的方框圖。該系統(tǒng)由測(cè)量元件及信號(hào)處理線路、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、比較器、驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)和執(zhí)行元件五部分組成。它與鑒相式伺服系統(tǒng)的主要區(qū)別有兩點(diǎn)：一是它的測(cè)量元件是以鑒幅式工作狀態(tài)進(jìn)行工作的，因此，可用于鑒幅式伺服系統(tǒng)的測(cè)量元件有旋轉(zhuǎn)變壓器和感應(yīng)同步器；二是比較器所比較的是數(shù)字脈沖量，而與之對(duì)應(yīng)的鑒相式伺服系統(tǒng)的鑒相器所比較的是相位信號(hào)，故在鑒幅式伺服系統(tǒng)中，不需要基準(zhǔn)信號(hào)，兩數(shù)字脈沖量可直接在比較器中進(jìn)行脈沖數(shù)量的比較。 圖5-25 鑒幅式伺服系統(tǒng)鑒幅式系統(tǒng)的工作原理如下：進(jìn)入比較器的信號(hào)有兩路：一路來(lái)自數(shù)控裝置插補(bǔ)器或插補(bǔ)軟件的進(jìn)給脈沖，它代表了數(shù)控裝置要求機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)的位移；另一路來(lái)自測(cè)量元件及信號(hào)處理線路，也是以數(shù)字脈沖形式出現(xiàn)，它代表了工作臺(tái)實(shí)際移動(dòng)的距離。鑒幅系統(tǒng)工作前，數(shù)控裝置和測(cè)量元件的信號(hào)處理線路都沒(méi)有脈沖輸出，比較器的輸出為零。這時(shí)，執(zhí)行元件不能帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)。出現(xiàn)進(jìn)給脈沖信號(hào)之后，比較器的輸出不再為零，執(zhí)行元件開(kāi)始帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)，同時(shí)，以鑒幅式工作的測(cè)量元件又將工作臺(tái)的位移檢測(cè)出來(lái)，經(jīng)信號(hào)處理線路轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字脈沖信號(hào)，該數(shù)字脈沖信號(hào)作為反饋信號(hào)進(jìn)入比較器與進(jìn)給脈沖進(jìn)行比較。若兩者相等，比較器的輸出為零，說(shuō)明工作臺(tái)實(shí)際移動(dòng)的距離等于指令信號(hào)要求工作臺(tái)移動(dòng)的距離，執(zhí)行元件停止帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)；若兩者不相等，說(shuō)明工作臺(tái)實(shí)際移動(dòng)的距離還不等于指令信號(hào)要求工作臺(tái)移動(dòng)的距離，執(zhí)行元件繼續(xù)帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)，直到比較器輸出為零時(shí)停止。在鑒幅式伺服系統(tǒng)中，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的作用是將比較器輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)化為直流電壓信號(hào)，圖5--26測(cè)量元件及信號(hào)處理線路該信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)線路進(jìn)行電壓和功率放大，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)。測(cè)量元件及信號(hào)處理線路是將工作臺(tái)的機(jī)械位移檢測(cè)出來(lái)并轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖量。 圖5-26 測(cè)量元件及信號(hào)處理線路測(cè)量元件及信號(hào)處理線路是如何將工作臺(tái)的機(jī)械位移檢測(cè)出來(lái)并轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖的呢?測(cè)量元件的工作原理在第四章中已經(jīng)詳細(xì)地介紹過(guò)，下面重點(diǎn)介紹信號(hào)處理線路的工作原理。圖5-26是測(cè)量元件及信號(hào)處理線路的框圖，它主要由測(cè)量元件、解調(diào)電路、電壓頻率轉(zhuǎn)換器和sin／cos發(fā)生器組成。由測(cè)量元件的工作原理可知，當(dāng)工作臺(tái)移動(dòng)時(shí)，測(cè)量元件根據(jù)工作的位移量，即絲杠轉(zhuǎn)角 輸出電壓信號(hào) 是此時(shí)測(cè)量元件激磁信號(hào)的電氣角。 的幅值 代表著工作臺(tái)的位移。 經(jīng)濾波、放大、檢波、整流以后，變成方向與工作臺(tái)移動(dòng)方向相對(duì)應(yīng)，幅值與工作臺(tái)位移成正比的直流電壓信號(hào)，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為解調(diào)。解調(diào)電路也稱(chēng)鑒幅器。解調(diào)后的信號(hào)經(jīng)電壓頻率轉(zhuǎn)換器變成計(jì)數(shù)脈沖，脈沖的個(gè)數(shù)與電壓幅值成正比，并用符號(hào)觸發(fā)器表示方向。一方面，該計(jì)數(shù)脈沖及其符號(hào)送到比較器與進(jìn)給脈沖比較；另一方面，經(jīng)sin／cos發(fā)生器，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)測(cè)量元件的兩路信號(hào)sin和cos，使 角與此相對(duì)應(yīng)發(fā)生改變。該驅(qū)動(dòng)信號(hào)是方波信號(hào)，它的脈寬隨計(jì)數(shù)脈沖的多少而變。根據(jù)傅里葉展開(kāi)式，當(dāng)該方波信號(hào)作用于測(cè)量元件時(shí)，其基波信號(hào)分量為 角的大小由方波的寬度決定。若測(cè)量元件的轉(zhuǎn)子沒(méi)有新位移，因激磁信號(hào)電氣角由 變?yōu)?nbsp; ，它所輸出的幅值信號(hào)也隨之變化，而且逐步趨于零。若輸出的新的幅值信號(hào) 不為零， 將再一次經(jīng)電壓頻率轉(zhuǎn)換器、sin／cos信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生下一個(gè)激磁信號(hào)，該激磁信號(hào)將使測(cè)量元件的輸出進(jìn)一步接近于零，這個(gè)過(guò)程的不斷重復(fù)，直到測(cè)量元件的輸出為零時(shí)止。在這個(gè)過(guò)程中，電壓頻率轉(zhuǎn)換器送給比較器的脈沖數(shù)量正好等于 角所代表的工作臺(tái)的位移量。通常，我們總希望測(cè)量過(guò)渡過(guò)程盡可能短，如果這個(gè)過(guò)程很長(zhǎng)，當(dāng)有連續(xù)的進(jìn)給脈沖時(shí)，由于來(lái)自測(cè)量元件的反饋脈沖不能及時(shí)到來(lái)，比較器輸出的誤差信號(hào)本身就帶有很大的誤差，因而必定要造成伺服系統(tǒng)的拖動(dòng)誤差，從而影響加工精度。還有一點(diǎn)須要說(shuō)明，測(cè)量元件的激磁信號(hào)sin／cos是方波信號(hào)，傅里葉展開(kāi)后，可分解為基波信號(hào)和無(wú)窮個(gè)高次諧波信號(hào)，因此，測(cè)量元件的輸出也必然含有這些高次諧波的影響，故在解調(diào)線路中，須首先進(jìn)行濾波，將這些高次諧波的影響排除掉。2.鑒幅式伺服系統(tǒng)的主要控制線路1) 解調(diào)線路圖5--27是解調(diào)線路圖，它由三部分組成，即低通濾波器、放大器和檢波器。如前所述，來(lái)自測(cè)量元件的信號(hào)除包含基波信號(hào) 之外，還有高次諧波，需用低通濾波器將它濾掉。圖5--28是一種低通濾波線路圖。它主要由可變電位計(jì)、濾波器和放大器組成。電位計(jì)W1用來(lái)調(diào)節(jié)解調(diào)線路的靈敏度，通過(guò)調(diào)節(jié)W1輸出電壓，改變低通濾波器的輸出。放大器用來(lái)提高輸出阻抗，使低通濾波器有良好的阻抗匹配。 低通濾波器輸出信號(hào)的幅值和功率較小，故經(jīng)過(guò)一級(jí)放大之后送到檢波器。放大器的參數(shù)可根據(jù)低通濾波器的輸出信號(hào)的幅值和檢波器對(duì)它的要求選定，放大器是集成元件，可根據(jù)要求選擇。圖5--29是一種檢波器線路圖，它是一個(gè)帶放大器和反相器的電子開(kāi)關(guān)電路。輸入信號(hào) 經(jīng)放大器 、反相器 和RC線路變成兩列相位相反的交變電壓信號(hào)，參考信號(hào)是與 同頻率、同相位的方波信號(hào)。當(dāng)參考信號(hào)D為高時(shí)，控制電子 開(kāi)關(guān) 接通，而此時(shí) 為低，控制電子開(kāi)關(guān) 斷開(kāi)；當(dāng)參考信號(hào)D為低時(shí)，控制電子開(kāi)關(guān) 斷開(kāi)，而 為高使 接通。我們知道，測(cè)量元件輸出的電壓信號(hào)為 當(dāng)工作臺(tái)正向進(jìn)給時(shí)， 的幅值 為正；當(dāng)工作臺(tái)反向進(jìn)給時(shí)， 為負(fù)。如果參考信號(hào)D在 為正時(shí)為高，那么，工作臺(tái)正向進(jìn)給時(shí)，檢波器的輸出 為正；工作臺(tái)反向進(jìn)給時(shí)，檢波器的輸出 為負(fù)。 信號(hào)再經(jīng)過(guò)一次濾波去掉脈動(dòng)成分，就得到平滑的直流電壓 ，檢波器的工作波形圖如圖5--30所示。 2) 電壓頻率轉(zhuǎn)換器電壓頻率轉(zhuǎn)換器的作用是根據(jù)輸入的電壓值，產(chǎn)生出相應(yīng)的脈沖。當(dāng)輸入電壓為正時(shí)，輸出正向脈沖；當(dāng)輸入電壓為負(fù)時(shí)，輸出反向脈沖，脈沖的方向用符號(hào)寄存器的輸出表示；當(dāng)輸入為零時(shí)，不產(chǎn)生任何脈沖。隨著輸入電壓信號(hào)幅值的增加，電壓頻率轉(zhuǎn)換器的輸出開(kāi)始出現(xiàn)脈沖，圖5--31是電壓頻率轉(zhuǎn)換器線路圖，其工作原理如下： 放大器 是一個(gè)積分器，當(dāng)輸入信號(hào)的幅值大時(shí)， 的輸出上升到+2.5 V所需的積分時(shí)間短，當(dāng)輸入信號(hào)的幅值小時(shí)，積分的時(shí)間長(zhǎng)一些，如圖5--32所示。放大器 和 是兩個(gè)電壓比較器，它們的作用是檢測(cè) 的信號(hào)。當(dāng) 輸出的電壓上升到+2.5 V時(shí)， 的輸出突然由1變?yōu)?；而 的輸出電壓值下降到-2.5 V時(shí)， 的輸出突然由1變?yōu)?。 和 的輸出又被送到同步器，每當(dāng) 和 有由高電平到低電平的跳變時(shí)，同步器輸出一個(gè)同步脈沖。該脈沖經(jīng)三極管 和場(chǎng)效應(yīng)管使積分器 復(fù)位， 的輸出等于輸入，同時(shí) 或 的輸出又變?yōu)楦唠娖健Ａ硗?nbsp; 和 輸出的脈沖信號(hào)又控制符號(hào)觸發(fā)器置位或清零，指出方向。 表示正向， 表示反向。圖5--32是電壓頻率轉(zhuǎn)換的波形圖。 電壓頻率轉(zhuǎn)換器的輸出一方面作為工作臺(tái)的實(shí)際位移被送到鑒幅系統(tǒng)的比較器，另一方面作為激磁信號(hào)的電氣角 被送到sin／cos發(fā)生器(見(jiàn)圖5--33)。 3) sin／cos發(fā)生器sin／cos發(fā)生器的任務(wù)是根據(jù)電壓頻率轉(zhuǎn)換器輸出脈沖的多少和方向，生成測(cè)量元件的激磁信號(hào) 和 ，即 式中 的大小由脈沖的多少和方向決定； 和 的頻率和周期根據(jù)要求可用基準(zhǔn)信號(hào)的頻率和計(jì)數(shù)器的位數(shù)調(diào)整、控制 。通常 ，sin／cos發(fā)生器可分為兩部分 ，即脈沖相位轉(zhuǎn)換線路和sin／cos信號(hào)生成線路。圖5--33是一具體的sin／cos信號(hào)發(fā)生器，其工作原理如下：當(dāng)電壓頻率轉(zhuǎn)換器有正向計(jì)數(shù)脈沖輸出時(shí)，該正向脈沖在方向符號(hào)的控制下，經(jīng)門(mén)3、門(mén)5進(jìn)入A計(jì)數(shù)器的加端，使A計(jì)數(shù)器多加這些正向計(jì)數(shù)脈沖，A計(jì)數(shù)器的輸出便超前參考計(jì)數(shù)器的輸出一個(gè)相位角 ；同時(shí)，它經(jīng)門(mén)3直接進(jìn)入B計(jì)數(shù)器減端，使B計(jì)數(shù)器減掉這些正向計(jì)數(shù)脈沖，B計(jì)數(shù)器輸出便滯后參考計(jì)數(shù)器的輸出一個(gè)相應(yīng)角 ；若電壓頻率轉(zhuǎn)換器輸出的是反向計(jì)數(shù)脈沖，則該反向脈沖在方向符號(hào)的控制下，一方面經(jīng)門(mén)2、門(mén)4使B計(jì)數(shù)器多加這些反向計(jì)數(shù)脈沖，B計(jì)數(shù)器的輸出超前參考計(jì)數(shù)器的輸出一個(gè)相位角 ；另一方面經(jīng)門(mén)2直接進(jìn)入A計(jì)數(shù)器減端，使A計(jì)數(shù)器減掉這些反向計(jì)數(shù)脈沖，A計(jì)數(shù)器的輸出滯后參考計(jì)數(shù)器的輸出一個(gè)相位角 ；若電壓頻率轉(zhuǎn)換器沒(méi)有計(jì)數(shù)脈沖輸出，A和B兩計(jì)數(shù)器的輸出與參考計(jì)數(shù)器的輸出同相位。實(shí)現(xiàn)以上這部分功能的線路稱(chēng)之為脈沖相位轉(zhuǎn)換線路，它與鑒相式伺服系統(tǒng)中的脈沖調(diào)相器基本相同。A計(jì)數(shù)器的輸出A及其兩分頻后的信號(hào) ，B計(jì)數(shù)器的輸出B及其兩分頻后的信號(hào) ，以及參考計(jì)數(shù)器輸出的參考信號(hào)共同進(jìn)入sin／cos信號(hào)生成線路。圖5--34是sin／cos信號(hào)生成線路，它的輸出就是所要求的測(cè)量元件的激磁信號(hào)。 圖5--34中sin和cos的邏輯表達(dá)式為 4) 比較器鑒幅系統(tǒng)比較器的作用是對(duì)指令脈沖信號(hào)和反饋脈沖信號(hào)進(jìn)行比較。一般來(lái)說(shuō)，來(lái)自數(shù)控裝置的指令脈沖信號(hào)可以是以下兩種形式：第一種是用一條線路傳遞進(jìn)給的方向，一條線路傳送進(jìn)給脈沖；第二種是用一條線路傳送正向進(jìn)給脈沖，一條線路傳送反向進(jìn)給脈沖。來(lái)自測(cè)量元件信號(hào)處理線路的反饋信號(hào)是采用第一種形式表示的。進(jìn)入比較器的脈沖信號(hào)形式不同，比較器的構(gòu)造也不相同。圖5--36是指令脈沖為第一種形式時(shí)的一種比較器結(jié)構(gòu)。在該比較器中，反饋脈沖一定不能與指令脈沖同時(shí)出現(xiàn)。比較器的工作原理是，當(dāng)有正向指令脈沖出現(xiàn)時(shí)，該脈沖在方向符號(hào)控制下經(jīng)門(mén)2、門(mén)4，進(jìn)入可逆計(jì)數(shù)器加端，使可逆計(jì)數(shù)器作加法計(jì)數(shù)，可逆計(jì)數(shù)器的內(nèi)容由零變?yōu)檎龜?shù)。其輸出經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換、驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)，使執(zhí)行元件帶動(dòng)工作臺(tái)正向移動(dòng)。工作臺(tái)移動(dòng)之后，測(cè)量元件將移動(dòng)的距離檢測(cè)出來(lái)，并經(jīng)信號(hào)處理線路以正向反饋信號(hào)送入比較器。該正向反饋信號(hào)經(jīng)門(mén)6 、門(mén)8進(jìn)入可逆計(jì)數(shù)器減端，使可逆計(jì)數(shù)器作減法計(jì)數(shù)，可逆計(jì)數(shù)器的內(nèi)容就是指令信號(hào)和反饋信號(hào)之差。若指令脈沖為反向脈沖，則經(jīng)門(mén)3、門(mén)8進(jìn)入計(jì)數(shù)器減端，使可逆計(jì)數(shù)器作減法計(jì)數(shù)，可逆計(jì)數(shù)器的內(nèi)容為負(fù)。這時(shí)，反饋信號(hào)也一定是反向脈沖，反向脈沖經(jīng)門(mén)7、門(mén)4進(jìn)入可逆計(jì)數(shù)器加端，使可逆計(jì)數(shù)器作加法計(jì)數(shù)。當(dāng)指令信號(hào)由一個(gè)方向向另一個(gè)方向轉(zhuǎn)換時(shí)，一定要在工作臺(tái)停止后再進(jìn)行，即可逆計(jì)數(shù)器的內(nèi)容變?yōu)榱銜r(shí)再進(jìn)行，否則要造成加工誤差。 圖5--37是指令脈沖用第二種形式表示時(shí)的一種比較器的結(jié)構(gòu)，其工作原理與第一種比較器的原理基本相同，這里不再分析。 5) 數(shù)模轉(zhuǎn)換器數(shù)模轉(zhuǎn)換器也稱(chēng)脈寬調(diào)制器，它的任務(wù)是把比較器的數(shù)字量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)。目前，已有許多不同精度、不同形式的數(shù)模(D／A)轉(zhuǎn)換器，只要能滿(mǎn)足伺服系統(tǒng)對(duì)它的輸入輸出要求，可直接選來(lái)應(yīng)用。
四、 三、 數(shù)字比較式伺服系統(tǒng)1.數(shù)字比較系統(tǒng)的構(gòu)成一個(gè)數(shù)字比較系統(tǒng)最多可由6個(gè)主要環(huán)節(jié)組成(見(jiàn)圖5-38)：(1) 由數(shù)控裝置提供的指令信號(hào)。它可以是數(shù)碼信號(hào)，也可以是脈沖數(shù)字信號(hào)。(2) 由測(cè)量元件提供的機(jī)床工作臺(tái)位置信號(hào) 。它可以是數(shù)碼信號(hào) ，也可以是數(shù)字脈沖信號(hào)。(3) 完成指令信號(hào)與測(cè)量反饋信號(hào)比較的比較器。(4) 數(shù)字脈沖信號(hào)與數(shù)碼的相互轉(zhuǎn)換部件。它依據(jù)比較器的功能以及指令信號(hào)和反饋信號(hào)的性質(zhì)而決定取舍。(5) 驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件。它根據(jù)比較器的輸出帶動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)。在數(shù)字比較系統(tǒng)中，常用的位置測(cè)量反饋元件有光柵和編碼盤(pán)。前者提供的是數(shù)字脈沖序列，后者是數(shù)碼信號(hào)。雖然在此類(lèi)系統(tǒng)中也可以采用能產(chǎn)生模擬反饋信號(hào)的測(cè)量元件，如旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器等，但要通過(guò)模數(shù)(A／D)轉(zhuǎn)換，將模擬量變?yōu)閿?shù)字量以后才能提供給系統(tǒng)，這樣會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜程度，故在典型的數(shù)字比較系統(tǒng)中很少采用。 圖5-38 數(shù)字比較系統(tǒng)的組成常用的數(shù)字比較器大致有三類(lèi)：數(shù)碼比較器、數(shù)字脈沖比較器、數(shù)碼與數(shù)字脈沖比較器。由于指令和反饋信號(hào)不一定能適合比較的需要，因此，在指令和比較器之間以及反饋和比較器之間有時(shí)須增加“數(shù)字脈沖—數(shù)碼轉(zhuǎn)換”的線路。比較器的輸出反映了指令信號(hào)和反饋信號(hào)的差值，以及差值的方向。將這一輸出信號(hào)放大后，控制執(zhí)行元件。執(zhí)行元件可以是伺服電機(jī)、液壓伺服馬達(dá)等。一個(gè)具體的數(shù)字比較系統(tǒng)，根據(jù)指令信號(hào)和測(cè)量反饋信號(hào)的形式，以及選擇的比較器的形式，可以是一個(gè)包括上述6個(gè)部分的系統(tǒng)，也可以?xún)H由其中的某幾部分組成。2．數(shù)字比較系統(tǒng)的主要功能部件1) 數(shù)字脈沖—數(shù)碼轉(zhuǎn)換器(1) 數(shù)字脈沖轉(zhuǎn)換為數(shù)碼。對(duì)于數(shù)字脈沖轉(zhuǎn)化為數(shù)碼，其簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)就是一個(gè)可逆計(jì)數(shù)器，它將輸入的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，以數(shù)碼值輸出。根據(jù)對(duì)數(shù)碼形式的要求不同，可逆計(jì)數(shù)器可以是二進(jìn)制的、二—十進(jìn)制的或其他類(lèi)型的計(jì)數(shù)器，圖5--39是由兩個(gè)二—十進(jìn)制計(jì)數(shù)器組成的數(shù)字脈沖—數(shù)碼轉(zhuǎn)換器。 圖5-39 數(shù)字脈沖轉(zhuǎn)化為數(shù)碼的線路 (2) 數(shù)碼轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖。對(duì)于數(shù)碼轉(zhuǎn)化為數(shù)字脈沖，常用的有兩種方法。第一種方法是采用減法計(jì)數(shù)器組成的線路，如圖5--40所示，先將要轉(zhuǎn)換的數(shù)碼置入減法計(jì)數(shù)器，當(dāng)時(shí)鐘脈沖CP到來(lái)之后，一方面使減法計(jì)數(shù)器作減法計(jì)數(shù)，另一方面進(jìn)入與門(mén)。若減法計(jì)數(shù)器的內(nèi)容不為“0”，該CP脈沖通過(guò)與門(mén)輸出，若減法計(jì)數(shù)器的內(nèi)容變?yōu)椤?”，則與門(mén)被關(guān)閉，CP脈沖不能通過(guò)。計(jì)數(shù)器從開(kāi)始計(jì)數(shù)到減為“0”。剛好與置入計(jì)數(shù)器中數(shù)碼等值的數(shù)字脈沖從與門(mén)輸出，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)碼—數(shù)字脈沖的轉(zhuǎn)換。第二種方法是用一個(gè)脈沖乘法器，在討論插補(bǔ)原理時(shí)曾介紹過(guò)，數(shù)字脈沖乘法器實(shí)質(zhì)上就是將輸入的二進(jìn)制數(shù)碼轉(zhuǎn)化為等值的脈沖個(gè)數(shù)輸出。其示意圖如圖5--41所示。 圖5-40 數(shù)碼轉(zhuǎn)化為數(shù)字脈沖的線路之一 圖5-41 數(shù)碼轉(zhuǎn)化為數(shù)字脈沖線路之二2) 比較器在數(shù)字比較系統(tǒng)中，使用的比較器有多種結(jié)構(gòu)，根據(jù)其功能可分為兩類(lèi)：一是數(shù)碼比較器；二是數(shù)字脈沖比較器。在數(shù)碼比較器中，比較的是兩個(gè)數(shù)碼信號(hào)，而輸出可以是定性的，即只指出參加比較的數(shù)誰(shuí)大誰(shuí)小，也可以是定量的，指出參加比較的數(shù)誰(shuí)大,大多少。在數(shù)字脈沖比較器中，常用的方法是帶有可逆回路的可逆計(jì)數(shù)器。
五、 四、 閉環(huán)伺服系統(tǒng)的性能下面以鑒相式伺服系統(tǒng)為例來(lái)討論閉環(huán)伺服系統(tǒng)的性能。1．系統(tǒng)工作穩(wěn)定性由于鑒相系統(tǒng)是一個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，故在設(shè)計(jì)時(shí)必須進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，校核系統(tǒng)的工作穩(wěn)定情況，以保證系統(tǒng)是在穩(wěn)定區(qū)內(nèi)工作。穩(wěn)定性的校核是根據(jù)傳遞函數(shù)進(jìn)行的，鑒相系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可表示為 （ 5—3）式中 為系統(tǒng)速度放大系統(tǒng)； 為系數(shù)。根據(jù)羅斯--侯維智穩(wěn)定判據(jù)，可計(jì)算出保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作的最大速度放大系數(shù) ，如果超過(guò)該 ，系統(tǒng)工作就不穩(wěn)定了。2．無(wú)負(fù)載機(jī)床絲杠最大轉(zhuǎn)速 機(jī)床絲杠的最大無(wú)負(fù)載轉(zhuǎn)速 應(yīng)按下式計(jì)算： （5—4） （5—5）式中 是鑒相器允許兩相信號(hào)的最大相位差。二極管型鑒相的 門(mén)電路型鑒相器的 由此可見(jiàn)，門(mén)電路型鑒相器較二極管型鑒相器可得到高幾倍的最大轉(zhuǎn)速，即可使機(jī)床工作臺(tái)得到更高的進(jìn)給速度。λ是鑒相器非均勻輸出系數(shù)。二極管型鑒相器的λ=0.64；門(mén)電路型鑒相器的λ=1。此外， 是在直流放大器和電液伺服閥均未達(dá)到飽和工作條件下導(dǎo)出的。由于負(fù)載慣性的存在，一般，系統(tǒng)啟動(dòng)頻率都低于系統(tǒng)最大工作頻率( 對(duì)應(yīng)的工作頻率)，即系統(tǒng)不能從靜止?fàn)顟B(tài)突然加速到使機(jī)床絲杠在無(wú)負(fù)載最大轉(zhuǎn)速 下工作，必須設(shè)置使系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)逐步加速的加速回路。有時(shí)還須要設(shè)置停止時(shí)逐步減速的減速回路，如步進(jìn)式伺服系統(tǒng)中的加減速回路。3．系統(tǒng)靜不靈敏區(qū) 系統(tǒng)從停止?fàn)顟B(tài)使執(zhí)行元件以最慢速度開(kāi)始正向或反向轉(zhuǎn)動(dòng)所需的鑒相器的最小相位差稱(chēng) 為系統(tǒng)靜不靈敏區(qū)。它直接影響到機(jī)床的調(diào)整與加工精度，因此，希望它愈小愈好。系統(tǒng)靜不靈敏區(qū)主要由執(zhí)行元件(如電液伺服閥和液壓馬達(dá))造成， 與 成反比。4．穩(wěn)態(tài)誤差ε當(dāng)數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)作等速運(yùn)動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)的輸入轉(zhuǎn)角 與機(jī)床絲杠的實(shí)際轉(zhuǎn)角 之差稱(chēng)為穩(wěn)態(tài)誤差，設(shè)機(jī)床絲杠以 的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，則系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差 為 （5—6）5．動(dòng)態(tài)特性當(dāng)在鑒相器的輸入端加一階躍輸入 時(shí)，機(jī)床絲杠，即旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子將按圖5--20所示的過(guò)程隨動(dòng)，該過(guò)渡過(guò)程應(yīng)滿(mǎn)足如下品質(zhì)指標(biāo)： 圖 5-20 系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程 (1) 盡可能減小穩(wěn)態(tài)誤差 。(2) 超調(diào)量 要小。它影響機(jī)床加工精度的提高和粗糙度的降低。 （5—7）(3) 調(diào)節(jié)時(shí)間 要短。(4) 過(guò)渡過(guò)程的振蕩次數(shù)要少。由以上各性能可見(jiàn)，提高機(jī)床絲杠無(wú)負(fù)載最高轉(zhuǎn)速 、減小靜不靈敏區(qū) 、減小穩(wěn)態(tài)誤差 以及提高系統(tǒng)剛性等，均須增大系統(tǒng)速度放大系數(shù) 。但這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性的降低，因此，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作的前提下應(yīng)盡可能增大系統(tǒng)的速度放大系數(shù)。 圖 5-43 測(cè)速反饋原理圖 6．提高系統(tǒng)穩(wěn)定性能的措施(1) 降低系統(tǒng)的速度放大系數(shù)。(2) 采用積分--微分串聯(lián)校正裝置。(3) 采用速度、加速度負(fù)反饋并聯(lián)校正裝置。圖5--43為該裝置的原理圖。
滬公網(wǎng)安備31010802001143號(hào)
