数控机床伺服系统

第六章数控机床伺服系统6.1概述6.2开环控制系统与步进电机驱动电路6.3闭环伺服系统与反馈比较形式6.4直流伺服电机与调速系统6.5交流伺服电机与主轴驱动系统16.1概述6.1.1伺服系统的分类数控伺服系统由伺服电机（M）、驱动信号控制转换电路、电力电子驱动放大模块、电流调解单元、速度调解单元、位置调解单元和相应的检测装置（如光电脉冲编码器G）等组成。一般闭环伺服系统的结构如图6.1所示。它是一个三环结构系统，其中，外环是位置环，中环是速度环，内环为电流环。2开环伺服系统闭环伺服系统半闭环系统

（1）按调节理论分类3电液伺服控制系统电气伺服控制系统（2）按使用的执行元件分类进给伺服系统主轴伺服系统（3）按被控对象分类4（1）高精度由于数控机床的动作是由伺服电动机直接驱动的，为了保证移动部件的定位精度，对进给伺服系统要求定位准确。一般要求定位精度达到0.01～0.001mm；高档设备的定位精度要求达到0.1µm以上。速度控制要求在负载变化时有较强的抗扰动能力，以保证速度恒定。这样才能在轮廓加工中保证有较好的加工精度。6.1.2伺服系统的基本要求

5（2）稳定性好稳定性是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态，对伺服系统要求有较强的抗干扰能力。稳定性是保证数控机床正常工作的条件，直接影响数控加工的精度和表面粗糙度。6（3）响应快速为了提高生产率，保证加工精度要求伺服系统有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快。这就对伺服系统的动态性能提出了两方面的要求：一方面，在伺服系统处于频繁地起动、制动、加速、减速等动态过程中，为了提高生产效率和保证加工质量，要求加、减速度足够大，以缩短过渡过程时间，一般电动机速度由零到最大，或从最大减少到零，时间应控制在200毫秒以下，甚至少于几十毫秒，且速度变化不应有超调；另一方面，当负载突变时，过渡过程恢复时间要短且无振荡，这样才能达到光滑的加工表面。7（4）调速范围宽目前数控机床一般要求进给伺服系统的调速范围是0～30m/min，有的已达到240m/min。除去滚珠丝杠和降速齿轮的降速作用。伺服电动机要有更宽的调速范围。对于主轴电动机，因使用无级调速，要求有（1:100）～（1:1000）范围内的恒转矩调速以及1:10以上的恒功率调速。（5）低速大转矩机床在低速切削时，切深和进给都较大，要求主轴电动机输出转矩较大。现代的数控机床，通常是伺服电动机与丝杠直联，没有降速齿轮，这就要求进给电动机能输出较大的转矩。对于数控机床进给伺服系统主要是速度和位置控制。8（6）较强的过载能力由于电动机加减速时要求有很快的响应速度，而使电动机可能在过载的条件下工作，这就要求电动机有较强的抗过载能力。通常要求在数分钟内过载4～6倍而不损坏。

（7）惯性匹配移动部件加速和降速时都有较大的惯量，由于要求系统的快速响应性能好，因而电动机的惯量要与移动部件的惯量匹配。通常要求电动机的惯量不小于移动部件惯量。96.2开环控制系统与步进电机6.2.1开环控制系统的组成开环控制系统不存在反馈环节，系统输出只受输入的控制。开环控制系统具有结构简单，比较经济的优点，其缺点是控制精度和抑制干扰的能力较差，且对系统参数的变动敏感。106.2.2步步进进电电机机步进进电电机机流流行行于于上上世世纪纪70年年代代，，该该系系统统结结构构简简单单、、控控制制容容易易、、维维修修方方便便，，且且控控制制为为全全数数字字化化。。随随着着计计算算机机技技术术的的发发展展，，除除功功率率驱驱动动电电路路之之外外，，其其它它部部分分均均可可由由软软件件实实现现，，从从而而进进一一步步简简化化结结构构。。因因此此，，这这类类系系统统目目前前仍仍有有相相当当的的市市场场。。目目前前步步进进电电机机仅仅用用于于小小容容量量、、低低速速、、精精度度要要不不高高的的场场合合，，如如经经济济型型数数控控设设备备、、打打印印机机、、绘绘图图机机等等计计算算机机的的外外部部设设备备。。11步进进电电机机是是一一种种将将电电脉脉冲冲信信号号转转化化为为机机械械角角位位移移的的电电磁磁机机械械装装置置。。由由于于所所用用电电源源是是脉脉冲冲电电源源，，所所以以也也称称为为脉脉冲冲马马达达。。步进进电电机机和和一一般般电电机机不不同同，，一一般般电电机机通通电电后后连连续续转转动动，，而而步步进进电电机机则则随随输输入入的的脉脉冲冲按按节节拍拍一一步步一一步步地地转转动动。。对对步步进进电电机机施施加加一一个个电电脉脉冲冲信信号号时时，，步步进进电电机机就就旋旋转转一一个个固固定定的的角角度度，，称称为为一一步步。。每每一一步步所所转转过过的的角角度度叫叫做做步步距距角角。。12步进进电电机机的的角角位位移移量量和和输输入入的的脉脉冲冲数数成成正正比比。。在在时时间间上上与与输输入入的的脉脉冲冲同同步步。。因此此，，只只需需要要控控制制输输入入脉脉冲冲的的数数量量、、频频率率及及电电机机绕绕组组通通电电相相序序，，便便可可以以获获得得所所需需要要的的转转角角、转速速及及转转动动方方向向。在无无脉脉冲冲输输入入时时，，步步进进电电机机在在绕绕组组电电源源激激励励下下，，气气隙隙磁磁场场能能使使转转子子保保持持原原有有的的位位置置而而处处于于定定位位状状态态。。13步进进电电机机的的分分类类按运运动动方方式式分分：：旋旋转转运运动动、、直直线线运运动动式式步步进进电电机机；；按工工作作原原理理分分：：反反应应式式（（磁磁阻阻式式））、、电电磁磁式式、、永永磁磁式式；；按结结构构分分：：单单段段式式（（径径向向式式））、、多多段段式式（（轴轴向向式式））；；按使使用用场场合合分分：：功功率率步步进进电电机机和和控控制制步步进进电电机机；；按相相数数分分：：三三相相、、四四相相、、五五相相、、六六相相、、八八相相等等；；按使使用用频频率率分分：：高高频频率率和和低低频频步步进进电电机机；；不同同的的步步进进电电机机，，其其工工作作原原理理、、驱驱动动装装置置也也不不完完全全一一样样。。141.三三相相单单三三拍拍CA'BB'C'A3412A相绕绕组组通通电电，，B、、C相不不通通电电。。气气隙隙产产生生以以A-A为为轴轴线线的的磁磁场场，，而而磁磁力力线线总总是是力力图图从从磁磁阻阻最最小小的的路路径径通通过过，，故故电电动动机机转转子子受受到到一一个个反反应应转转矩矩，，在在此此转转矩矩的的作作用用下下，，转转子子必必然然转转到到左左图图所所示示位位置置：：1、3齿与A、A′′极对齐。。“三相””指三相相步进电电机；““单”指指每次只只能一相相绕组通通电；““三拍””指通电电三次完完成一个个通电循循环。步进电动动机的工工作原理理15CA'BB'C'A3412同理，B相通电时时，转子子会转过过30角，2、4齿和B、B´磁极轴线线对齐；；当C相通电时时，转子子再转过30角，1、3齿和C´、C磁极轴线线对齐。。1C'342CA'BB'A16这种工作作方式下下，三个个绕组依依次通电电一次为为一个循循环周期期，一个个循环周周期包括括三个工工作脉冲冲，所以以称为三三相单三三拍工作作方式。。按ABCA………的顺序序给三相相绕组轮轮流通电电，转子子便一步步一步转转动起来来。每一一拍转过过30°(步距角角)，每每个通电电循环周周期(3拍)磁场场在空间间旋转了了360°°而转子子转过90°(一个齿齿距角)。2.三相六拍拍按AABBBCCCA的顺序给给三相绕绕组轮流流通电。。这种方式式可以获获得更精精确的控控制特性性。17CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412A相通电，，转子1、、3齿与A、A'对齐。A、B相相同时通通电，A、A'磁极拉住住1、3齿，B、B'磁极拉住住2、4齿，转转子转过15，到达左图图所示位位置。18CA'BB'C'A3412B相通电，，转子2、4齿与B、B´对齐,又又转过15。3412CA'BB'C'AB、C相同时通通电，C'、C磁极拉住住1、3齿，B、B'磁极拉住住2、4齿齿，转子子再转过15。19三相反应应式步进进电动机机的一个个通电循循环周期如下：：AABBBCCCA，每个循环周期分分为六拍拍。每拍拍转子转转过15（步距角角），一个通电循循环周期期(6拍)转子子转过90(齿距角角)。与单三拍拍相比，，六拍驱驱动方式式的步进进角更小，更适适用于需需要精确确定位的的控制系系统中。。3.三相双三三拍按ABBCCA的顺序给给三相绕绕组轮流流通电。每拍拍有两相相绕组同同时通电电。20AB通电CA'BB'C'A3412BC通电3412CA'BB'C'ACA通电CA'BB'C'A3412与单三拍拍方式相相似，双双三拍驱驱动时每每个通电电循环周期也也分为三三拍。每每拍转子子转过30(步距角角)，一个通电循循环周期期(3拍)转子子转过90(齿距角角)。21从上述可可知，步步距角的的大小与与通电方方式和转转子齿数有关，，其大小小可用下下式计算算：α＝360º／(Zm)Z－转子子齿数m一运行行拍数22步进电动动机的主主要性能能指标1.步距距角2.最大大静转矩矩3.空载载启动频频率4.启动动矩频特特性5.空载载运行频频率2324步进电机机开环系系统设计计要解决的的主要问问题：①动力计计算②②传传动计算算③③驱动电电路设计计或选择择传动计算算选择合合适的参参数以满满足脉冲冲当量和进给速速度F的的要求。。图中：f—脉脉冲频率率（HZ）α—步步距角（（度））Z1、Z2—传动动齿轮齿齿数t—螺螺距(mm)—脉冲冲当量（（mm）步进电机Z1Z2tf，25传动比选选择：为了凑脉脉冲当量量mm，也也为了增增大传递递的扭矩矩，在步步进电机机与丝杆杆之间，，要增加加一对齿齿轮传动动副，那那么，传传动比i=Z1/Z2与α、、t之间有如如下关系系：α—步距距角，－脉冲冲当量，，t－丝杠导程程。26例1：=0.01mm,t=1.5mm,α=1.2°°步进电机Z1Z2tf，27进给速度度F：一般步进进电机：若：δ=0.01mm则则：若：δ=0.001mm则则：因此，当当fmax一定时，，Fmax与δ成正正比，故故我们在在谈到步步进电机机开环系系统的最最高速度度时，都都应指明明是在多多大的脉脉冲当量量δ下的的,否则则是没有有意义的的。28提高步进进电机开开环伺服服系统传传动精度度的措施施影响步进进电机开开环系统统传动精精度的因因素：步进电机机的步距距角精度度；机械传动动部件的的精度；；丝杆等机机械传动动部件、、支承的的传动间间隙；传动件和和支承件件的变形形。提高步进进电机开开环系统统传动精精度的措措施适当提高高系统组组成环节节的精度度；采取各种种精度补补偿措施施。29传动间隙隙补偿在整个行行程范围围内测量量传动机机构传动动间隙，，取其平平均值存存放在数数控系统统中的间间隙补偿偿单元，，当进给给系统反反向运动动时，数数控系统统自动将将补偿值值加到进进给指令令中，从从而达到到补偿目目的。螺距误差差补偿利用计算算机的运运算处理理能力，，可以补补偿滚珠珠丝杠的的螺距累累积误差差，以提提高进给给位移精精度。方法：首首先测量量出进给给丝杠螺螺距误差差曲线(规律)，然后后可采用用下列两两种方法法实现误误差补偿偿：硬件件补偿、、软件补补偿。30例2设X-Y工作作台由步步进电机机直接经经丝杆螺螺母副驱驱动，丝丝杆螺距距为5mm，步步进电机机步距角角为150，工作方方式三相相六拍，，工作台台最大行行程为400mm，求求：（1）脉脉冲当量量；（2）微微机发出出的脉冲冲总数是是多少？？31(2)计计算脉冲冲数n，，由n=L(工作台台最大行行程）所以，脉脉冲数为为：n=L/=400/0.02083=19200步解：（1）由由计算脉脉冲当量量：360=L0已知，L0=5mm，=150求脉冲当当量计算=5/3601.5=0.02083(mm)326.3闭闭环伺伺服系统统与与反反馈比较较形式6.3.1闭闭环与半半闭环伺伺服进给给系统在闭环控控制系统统中，传传感器安安装在控控制目标标部件上上，直接接检测目目标的运运动，并并将目标标的有关关信息反反馈到控控制器，，由控制制器进行行反馈控控制。具具有反馈馈环节的的控制系系统具有有抑制干干扰的能能力，控控制精度度较高；；但是反反馈环节节的引入入增加了了系统的的复杂性性，且增增益选择择不当时时可能会会导致系系统不稳稳定。336.3闭闭环伺伺服系统统与与反反馈比较较形式6.3.1闭闭环与半半闭环伺伺服进给给系统在半闭环环控制系系统中，，传感器器安装在在中间部部件上，，控制系系统根据据检测到到的中间间部件的的状态参参数推知知控制目目标部件件的工作作状态，，从而对对控制目目标部件件的工作作状态进进行调整整，使之之满足要要求。346.3.2数数字脉冲冲比较伺伺服系统统在进给伺伺服系统统中，脉脉冲比较较伺服系系统应用用比较普普遍。这这是因为为该系统统结构较较为简单单，易于于实现数数字化的的闭环位位置控制制。脉冲冲比较伺伺服系统统的检测测元件可可以是光光电脉冲冲编码器器或光栅栅。但普普遍采用用光电编编码器作作为位置置检测元元件，以以半闭环环形式构构成伺服服系统。。脉冲比较较伺服系系统是将将位置指指令脉冲冲与检测测元件反反馈脉冲冲在比较较器进行行比较，，得到位位置偏差差脉冲信信号。伺伺服系统统根据这这一偏差差信号去去驱动电电动机，，原理框框图如图图6-2所示。。352.脉脉冲比较较伺服系系统组成成图6-2是以光光电编码码器为位位置检测测元件的的脉冲比比较伺服服系统。。它主要要由下列列部分组组成：36(1)由由计算算机数控控制装置置提供指指令的脉脉冲。(2)反反映机机床工作作台实际际位置的的位置检检测器。。(3)完完成指指令信号号与反馈馈信号相相比较的的比较器器。(4)将将比较较器输出出数字信信号转变变成伺服服电动机机模拟控控制信号的数数/模转转换器。。(5)执执行元元件（伺伺服电动动机）。。372.脉冲冲比较伺伺服系统统的工作作原理当数控系系统要求求工作台台向一个个方向进进给时，，经插补补运算得得到一系系列进给给脉冲作作为指令令脉冲，，其数量量代表了了工作台台的指令令进给量量，频率率代表了了工作台台的进给给速度，，方向代代表了工工作台的的进给方方向。以以增量式式光电编编码器为为例，当当光电编编码器与与伺服电电动机及及滚珠丝丝杠直联联时，随随着伺服服电动机机的转动动，产生生序列脉脉冲输出出，脉冲冲的频率率将随着着转速的的快慢而而升降。。现设工工作台处处于静止止状态。。38（1）指指令脉冲冲PC=0，这这时反馈馈脉冲Pf=0，则则Pe=0，则则伺服电电动机的的速度给给定为零零，工作作台继续续保持静静止不动动。（2）现现有正向向指令PC+=2，可可逆计数数器加2，在工工作台尚尚未移动动之前，，反馈脉脉冲Pf+=0，可逆计计数器输出Pe=Pc+－Pf+=2－0=2，经转换，，速度指令为为正，伺服电电动机正转，，工作台正向向进给。（3）工作台台正向运动，，即有反馈脉脉冲Pf+产生，当Pf+＝１时，可逆逆计数器减１１，此时Pe=Pc+－Pf+=2－1＞0，伺服电动动机仍正转，，工作台继续续正向进给。。（4）当Pf+=2时，Pe=Pc+－Pf+=2－2=0，则速度指指令为零，伺伺服电动机停停转，工作台台停止在位置置指令所要求求的位置。39当指令脉冲为为反向PC-时，控制过程程与正向时相相同，只是Pe＜0，工作台台反向进给。。当采用绝对式式编码器时，，通常情况下下，先将位置置检测的代码码反馈信号经经数码－数字字转换，变成成数字脉冲信信号，再进行行脉冲比较。。403.脉冲比比较器(1)脉冲比比较器概述脉冲比较伺服服系统是将PC的脉冲符号与与Pf的脉冲符号相相比较，得到到脉冲偏差信信号Pe。比较器为由由加减可逆计计数器组成的的数字脉冲比比较器，其组组成框图如图图6-3所示示。41PC+、PC-和Pf+、Pf-的加、减定义义见表6-1。位置指令含义运算位置反馈含义可逆计数器运算PC+正向运动指令+Pf+正向位置反馈－PC-反向运动指令－Pf-反向位置反馈＋表6-1PC、Pf的定义42脉冲分离电路路的作用是：：在加、减脉脉冲先后分别别到来时，各各自按预定的的要求经加法法计数端或减减法计数端进进入可逆计数数器。若加、、减脉冲同时时到来时，则则由该电路保保证先作加法法计数，然后后再作减法计计数，这样可可保证两路计计数脉冲均不不会丢失。43在脉冲比较伺伺服系统中，，只有实现指指令脉冲PC和反馈脉冲Pf的比较后，才才能得出位置置的偏差值△△Pi，所以系统需需要脉冲比较较器。图6-4为一脉冲冲比较器，其其工作原理是是A1、A4、A5、A8、A9为或非门；A2、A3、A6、A7为触发器；A12为8位移位寄寄存器；A10、A11为单稳态触发发器；A13为可逆计数器器。当PC+与PC-不同时输出时时，在A1和A5中同一时刻只只有一路有脉脉冲输出，A9输出始终是低低电平。如此此时工作台要要做正向进给给，正向指令令脉冲Pc+出现，该脉冲冲经A1、A2、A3、A4输出，使可逆逆计数器A13做加法计数。。4445可逆计数器的的内容由0变变为正数，其其输出经转换换和放大后，，使伺服电动动机带动工作作台正向移动动。工作台移移动后，位置置检测元件测测得代表工作作台位置的正正向反馈脉冲冲Pf+，该脉冲经A5、A6、A7、A8输出，使可逆逆计数器A13做减法计数。。此时，可逆逆计数器的内内容就是Pc+和Pf+的偏差值Pe。当可逆计数数器的内容变变为0时，说说明偏差值Pe=0，即工作作台的实际位位置等于指令令要求的位移移，进给过程程结束。反向向进给时，反反向指令脉冲冲PC-使可逆计数器器做减法计数数，反向反馈馈脉冲Pf-使可逆计数器器做加法计数数，其他过程程和正向进给给相同。46但也有可能出出现指令脉冲冲和反馈脉冲冲同时输入的的情况。如出出现这种情况况，为防止可可逆计数器内内部操作因脉脉冲的“竞争争”而产生误误操作，影响响脉冲比较的的可靠性，在在指令脉冲和和反馈脉冲进进入可逆计数数器之前，要要进行脉冲分分离。如脉冲冲比较器输入入端同时出现现指令脉冲和和反馈脉冲，，则A1、A5的输出同时为为0，使A9输出为1，单单稳态触发器器A10、A11有脉冲输出。。A10输出的负脉冲冲同时封锁A3和A7，使指令脉冲冲和反馈脉冲冲不能通过A3和A7而进入可逆计计数器。47A11的正脉冲输出出分成两路，，先经A4输出到可逆计计数器做加法法计数，再经经A12延时四个时针针周期（由时时钟脉冲PC产生）通过A8输出到可逆计计数器做减法法计数。由于于脉冲比较器器具有脉冲分分离功能，所所以在指令脉脉冲和反馈脉脉冲不同时出出现时，脉冲冲比较器进行行正常的脉冲冲信号比较。。即使指令脉脉冲和反馈脉脉冲同时出现现，也由硬件件逻辑电路保保证，先做加加法计数，后后做减法计数数，保证了两两路的脉冲不不会丢失。486.3.3相相位比较伺伺服系统1.相位比较较伺服系统组组成相位比较伺服服系统的检测测元件可以是是旋转变压器器、感应同步步器或磁栅等等。其特点是是将位置指令令脉冲和反馈馈脉冲都变成成某个载波脉脉冲的相位，，在鉴相器中中进行相位比比较，得到实实际相位与给给定位置相位位的相位差ΔΔ。原理框框图如图6-5所示。它它主要由以下下部分组成。。4950（1）能输出出一系列具有有一定频率的的脉冲信号，，为伺服系统统提供一个相相位比较基准准的基准信号号发生器。（2）将来自自计算机数控控装置的进给给脉冲转变为为相位变化信信号的脉冲调调相器。（3）检测工工作台位移的的位置检测元元件（感应同同步器）。（4）将控制制信号与反馈馈信号进行比比较，输出与与相位差成正正比电压信号号的鉴相器。。（5）将鉴相相器输出的电电压信号进行行功率和电压压放大的伺服服放大器。51（6）实现电信号号到机械位移移转换的执行行元件。根据感应同步步器工作在相相位工作方式式时有其中，。。相位比较较的实质不是是脉冲数量上上的比较，而而是脉冲相位位之间的比较较，如超前或或滞后多少。。实现相位比比较的比较器器为鉴相器。。由于旋转变压压器，感应同同步器和磁栅栅等检测信号号为电压模拟拟信号，同时时这些装置还还有励磁信号号，故相位比比较首先要解解决信号处理理问题，即怎怎样形成指令令相位脉冲和和实际相位脉脉冲。。522.相位比较较伺服系统的的工作原理脉冲—相位变变换器又称脉脉冲调相器，，作用有两个个：一是通过过对基准脉冲冲进行分频，，产生基准相相位脉冲，，由该脉冲冲形成的正、、余弦励磁绕绕组的励磁电电压频率与频频率相同同，感应电压压ud的相位随随着工作台的的移动，相对对于基准相位位有超前前或滞后；二二是通过对指指令脉冲Pc+、PC-的加、减，再再通过分频产产生相位超前前或滞后于的的指令相相位脉冲。。53由于指令相位位脉冲的的相位和和实际相位脉脉冲的相相位均以基准相位位脉冲的的相位为为基准，因此此，和通通过鉴相器器即能获得超超前，，还是超超前，，或两者相等等。如(图6-6)所示为Pc+=2时的相位位比较波形图图。(1)当无进进给指令时，，即Pc+=0，工作台台静止，指令令脉冲的相位位与基准准脉冲相位同同相位，，同时因工作作台静止无反反馈，故实际际相位也也与基准脉冲冲相位同同相位，经鉴鉴相器，则速度控制制信号为零，，伺服电动机机不转，工作作台仍静止，，如图6-6a所示。54(2)有正向向进给指令，，Pc+=2，在指令令获得瞬时，，工作台仍静静止，此时，，指令脉冲的的相位超超前基准相位位，但实实际位置相位位保持不不变，经鉴相相器，，速度度控制信号大大于零，伺服服电动机正转转，工作台正正向移动，如如图6-6b所示。(3)随着工工作台的正向向移动，有反反馈信号产生生，由此产生生的实际相位位超前基基准相位，，但仍仍超前，，经鉴相器，速度控制信信号仍大于零零，伺服电动动机正转，工工作台仍正向向移动，如图图6-6c所所示。55图6-6相相位比较波形形图56图6-6相相位比较波形形图57(4)随着工工作台的继续续正向移动，，实际相位超超前基准准相位的的数值增加，，当时时，经鉴鉴相器，，速速度控制信号号为零，伺服服电动机停转转，工作台停停止在指令所所要求的位置置上，如图6-6d所示示。当进给为反向向指令时，相相位比较同正正向进给类似似。所不同的的是指令脉冲冲相对于基准准脉冲为减脉脉冲，故指令令相位相相对于基准相相位滞后后，同时，实实际相位相相对于基准准相位也也为滞后，经经鉴相器比较较后所得的速速度指令信号号为负，伺服服电动机反转转，工作台移移动至指令位位置。58鉴相器的输出出信号通常为为脉宽调制波波，需经低通通滤波器去高高次谐波，变变换为平滑的的电压信号，，作为速度控控制信号，同同时，鉴相器器还必须对超超前和滞后做做出判别，使使得速度控制制信号Up在正向指令为为正，在反向向指令为负。。至于一个脉冲冲相当于多少少相位增量，，取决于脉冲冲—相位变换换器中的分频频系数N和脉冲当量。。如感应同步步器一个节距距τ=2mm（相当360°电角度度），脉冲当当量δ=0.001mm/脉冲，，则相位增量量为δ/τ××360°=0.001/2×360°=0.18°/脉脉冲，即一个个脉冲相当于于0.18°°的相位移，，因此需要将将一个节距分分成2000等份，即分分频系数N=2000（（0.18°°×2000=360°°）。在感应同步器器中，相位角角与直线线位移X成正正比，当采用用旋转变压器器时，相位角角即为角角位移本身。。593.脉冲调相相器脉冲调相器是是将脉冲数量量转换成相应应相位的装置置。图6-7为脉冲调相相器的工作原原理框图，该该系统分为基基准分频通道道和调相分频频通道两部分分。由基准脉脉冲信号发生生器产生的基基准脉冲信号号f0分成两路。一一路输入基准准分频通道，，通过分频、、分相和滤波波电路得到两两相励磁信号号和和，，并经功功放后加于感感应同步器滑滑尺的sin绕组和cos绕组作为为励磁，它们们与基准信号号有确定的相相位关系。另另一路输入调调相分频通道道，和指令脉脉冲一起作用用，产生指令令相位信号。。6061脉冲调相器的的工作原理如如下：回路中中有标准计数数器和X计数器，两计计数器的分频频数相同。在在基准脉冲信信号触发标准准计数器和X计数器之前，，先向X计数器输入一一定数量的指指令脉冲PC+。当基准脉冲冲信号触发两两计数器后，，两计数器输输出的信号频频率相同，但但相位却不同同。由于标准准计数器是N分频，所以N个基准脉冲会会使标准计数数器的输出变变化一个周期期，即360°。X计数器输入端端同样接收到到N个基准脉冲，，但由于先前前X计数器已接收收了PC个正指令脉冲冲，实际上X计数器接收收了N+PC个脉冲，所以以它的输出在在变化到360°后，又又变化了1=（PC/N）×360°°，即X计数器的相位位超前了标准准计数器1，其波形如图图6-8所示示。62实际工作中，，输入指令脉脉冲是在基准准脉冲触发两两计数器的同同时进行的。。若指令脉冲冲为PC+，则标准计数数器在接收到到N1＜N个基准脉冲，，即输出还没没有到达一个个周期时，X计数器已经接接收了N1+PC=N个脉冲，完成成了一个周期期。结果使X计数器的相位位比较标准计计数器超前了了（1=PC+/N×360°）），如图6-8所示。636465利用标准计数数器和X计数数器实现数量量到相位的变变换时，必须须使基准脉冲冲在向两计数数器输入的过过程中，能加加入一定的指指令脉冲。这这个功能由脉脉冲加减器完完成，如图6-10所示示。、是由基准脉冲冲发生器发出出的在相位错错开180°°的同频率信信号，是主主频率，经与与非门Ⅰ输出出，作为计数数器的基准脉脉冲。是指令脉冲的的同步信号。。当没有指令令脉冲时，与与非门Ⅰ开，，A脉冲由此通过过。当输入一一个PC－指令脉冲时，，触发器1的Q1变为1，触发发器2的Q2也变为1，由由于为0，封住了与与非门Ⅰ，所所以扣除了一一个序列脉脉冲。当输入入一个PC+指令脉冲时，，触发器C3的Q3变为1，触发发器C4的Q4也变为1。出出现脉冲时时，Q4和B端均为1，与与非门Ⅱ打开开，脉冲进入入最后的输出出端。由于、、错相180°，所所以使序列列脉冲中插入入一个序列列脉冲。66图6-10脉冲加加减器（（一）67图6-10脉冲加加减器（（二）68为了将指令令信号与反反馈信号进进行相位比比较，需要要应用鉴相相器。图6-11为为半加器鉴鉴相线路及及波形图，，指令信号号和位置信信号分别经经触发器进进入半半加器。半半加器输出出的逻辑函函数为。式中为指指令信号的的二分之一一分频，为为位置信号号的二分之之一分频。。若、、信号相相位相同，，则或门两两输入端同同时为0，，S=0。如信信号超超前信信号△θ相位，A信号来到时时，B信号还没有有出现。此此时，=1，=0，上与与门输出为为1，下与与门输出为为0，或门门输出端S=1。4.鉴相器器69信号也出现现时，=1，=1，使两两与门输出出均为0，，或门输出出端S=0。由于于信号号相位超前前，=0时，仍有有=1，使上与与门输出为为0，下与与门输出为为1，或门门输出端又又有S=1，直到到和都为0，或门又又为S=0。有关关信号的波波形图见图图6-10。从图中中可以看出出，S信号是一个个周期的方方波脉冲，，它的波脉脉宽度与、、两两信号的相相位差△成正比。可可以通过低低通滤波的的方法取出出它的直流流分量，作作为相位差差△的电平指示示。△越大，S端输出方波波的平均电电压越大。。70信号是超前前还是滞后后信号，可可借助于NE端来判断。。输出端为为NE的触发器由由下降降沿触发。。当接于端端的信信号超超前于信信号时，，领先于于从1变为0，，触发器器由信信号的下降降沿触发时时，端的的信号号已为0，，所以NE端也为0，，如图6-10b所所示。当接接于端端的信信号滞后于于信号时，，领先从从1变变为0，触触发器由由信号号的下降沿沿触发时，，端的信信号仍仍为1，所所以NE端也为1。。71726.3.4幅值比比较伺服系系统幅值比较伺伺服系统是是以位置检检测信号的的幅值变化化来反映机机械位移的的大小，并并以此作为为位置反馈馈信号，与与指令信号号进行比较较构成的闭闭环控制系系统。该系系统的特点点之一是所所有的位置置检测元件件都工作在在幅值工作作方式。幅幅值比较伺伺服系统常常用感应同同步器和旋旋转变压器器作为位置置检测元件件。幅值比比较伺服系系统实现闭闭环控制的的过程与相相位比较伺伺服系统相相类似。731.幅值比比较伺服系系统的组成成和工作原原理(1)幅幅值比较伺伺服系统的的组成图6-12是采用感感应同步器器作为位置置检测元件件的幅值比比较控制系系统。它主主要由以下下部分组成成：74①完成指令令脉冲与反反馈脉冲比比较的比较较器。②将比较器器输出数字字信号转变变成伺服电电动机模拟拟控制信号号的数/模模转换器。。③将模拟控控制信号进进行功率和和电压放大大的伺服放放大器。④检测工作作台位移的的位置检测测元件。⑤为感应同同步器正、、余弦绕组组提供信号号的励磁电电路。⑥将定尺的的输出信号号转变为幅幅值信号的的鉴幅器。。⑦将鉴幅器器的直流电电压转变成成反馈脉冲冲的电压－－频率变换换器。⑧实现电信信号到机械械位移转换换的执行元元件。75(2)幅幅值比较伺伺服系统的的工作原理理当采用幅值值工作方式式时，感应应同步器滑滑尺正弦绕绕组和分别别输入频率率相同、幅幅值成正交交关系的励励磁信号：：式中———励励磁信号的的电压幅值值；——已知的的电气角，，系统中可可通过改变变角的大小小来控制滑滑尺励磁信信号的幅值值；——正弦交交变励磁信信号的角频频率。76当正弦、余余弦绕组的的励磁信号号加入后，，定尺绕组组的感应电电动势为：：式中K——感应系系数；——定尺绕绕组与滑尺尺绕组的相相对位移角角；E0m——定尺绕绕组电动势势幅值。77若，，则定定尺绕组电电动势幅值值E0m≠0。利用用这个原理理，要测量量定尺与滑滑尺之间移移动的位移移角，，可改变励励磁信号角角的设设定值，然然后，测量量E0m的大小，当当设定值变变化到使使E0m=0，即时时，就间接接地通过设设定值获获得了定定尺和滑尺尺之间位移移角的的实际值。。所以幅值值比较伺服服系统中，，若要获得得和之之间的的关系，只只需要检测测的电动势势即可。这这项工作由由鉴幅器来来完成。为为了实现闭闭环控制，，电动势幅幅值需经电电压－频率率变换电路路，才能变变成相应的的数字脉冲冲。该数字字脉冲一方方面与指令令脉冲作比比较以获得得位置偏差差信号，另另一方面作作为修改励励磁信号中中的设设定输入，，使跟跟随的的变化。78幅值比较伺伺服系统具具体的工作作过程如下下：初始状状态时工作作台静止不不动，指令令脉冲，，，经鉴幅幅器检测定定尺绕组的的电动势幅幅值为0，，由电压－－频率变换换电路得到到反馈脉冲冲Pf也为0。所所以比较器器输出的位位置偏差Pe=PC－Pf=0，伺服服电动机速速度给定值值为0，工工作台继续续处于静止止状态。当系统接收收到正的指指令脉冲PC＞0时，工工作台仍保保持静止状状态，和均均没有变化化，反馈脉脉冲Pf仍为0。因因此，比较较器输出的的位置偏差差Pe=PC－Pf＞0，该偏偏差是一数数字量，所所以在比较较器和伺服服放大器之之间设有数数－模转换换器，使其其成为伺服服系统的速速度给定信信号。79于是，伺服服电动机带带动工作台台正向进给给，同步感感应器滑尺尺相对于定定尺产生位位移。此时时定尺和滑滑尺间的位位移角超超前于励励磁信号的的电气角，，定尺尺绕组电动动势幅值E0m＞0，，经前前置放放大器器、鉴鉴幅器器和电电压－－频率率变换换器，，转换换成相相应的的的反反馈脉脉冲Pf。脉冲冲Pf一方面面与指指令脉脉冲作作比较较，获获得位位置偏偏差Pe=PC－Pf；另一一方面面输入入励磁磁电路路，作作为修修改励励磁信信号电电气角角的的设设定输输入，，使跟跟随变变化。。若仍仍有Pe=PC－Pf＞0，，则工工作台台还没没有指指令要要求的的位置置，伺伺服电电动机机继续续带动动工作作台移移动，，反馈馈脉冲冲Pf和励磁磁信号号电气气角继继续变变化。。直到到使位位置偏偏差Pe=PC－Pf=0，，伺服服电动动机速速度给给定值值0。。此时时，=，，定尺尺绕组组电动动势幅幅值E0m=0，，工作作台又又处于于静止止状态态。80若系统统接收收到负负的指指令脉脉冲，，整个个系统统的检检测、、比较较及控控制过过程与与系统统接收收到正正的指指令脉脉冲类类似。。只是是工作作台向向反向向进给给，定定尺与与滑尺尺之间间的位位移角角滞滞后后于励励磁信信号的的电气气角，，，，使使跟跟随随变变化化，直直到到到达负负向指指令要要求的的位置置，工工作台台又处处于静静止状状态。。从上可可以看看出，，在幅幅值比比较伺伺服系系统中中，励励磁信信号的的电气气角是是由系系统设设定的的，并并跟随随工作作台的的进给给而被被动变变化的的，所所以可可以利利用作作为工工作台台实际际位置置的测测量值值。当当工作作台到到达进进给指指令要要求的的位置置并稳稳定后后，有有，，数显显装置置显示示的电电气角角，，实实际上上就是是的位位移角角，，即即工作作台的的位移移量。。812.鉴鉴幅器器82图6-13为鉴鉴幅器器原理理图。。输入入端的的e0是感应应同步步器定定尺绕绕组的的感应应电动动势，，由式式e0=E0msinωt可知知，e0是交变变电动动势。。该信信号首首先通通过低低通滤滤波器器Ⅰ，，滤去去交变变信号号中的的高次次谐波波和干干扰信信号，，获得得较为为理想想的正正弦波波形。。通过过运算算放大大器将将信号号放放大大。然然后，，由互互为反反向的的开关关信号号SL和实实现现通道道的通通断控控制，，其开开关频频率与与输入入信号号相同同。由由图5-14a可见见，在在e0信号的的0～～π区区间，，SL=1，，使S1接通，，e0信号经经、、S1，到达达低通通滤波波器ⅡⅡ的输输入端端UE；e0信号的的π～～2ππ区间间，=1，，使S1接通，，e0信号经经A1、反向向器A2、S2，到达达低通通滤波波器ⅡⅡ的输输入端端UE。83工作台台做正正向运运动时时，由由于反反向器器A2的作用用，使使e0负半周周也变变成正正半周周信号号。这这样在在UE处得到到了一一单向向脉动动的直直流信信号。。该信信号经经低通通滤波波器ⅡⅡ后，，鉴幅幅器输输出信信号为为一平平滑的的直流流信号号UF。从图图中可可见，，由于于UF是UE的平均均值，，它的的大小小与e0信号的的电动动势幅幅值E0m直接有有关。。E0m增大，，UF也跟着着增大大，所所以的的大小小实际际上反反映了了θ和之之间间相位位差的的大小小。UF越大，，θ和之之间间相位位差越越大。。另外外，从从图6-14中中可以以看出出，站站柜台台正向向运动动时，，输出出端UF为正正值值；；工工作作台台反反向向运运动动时时，，输输出出端端UF为负负值值。。84853.电电压压－－频频率率变变换换器器电压压－－频频率率变变换换器器的的作作用用是是将将鉴鉴幅幅器器输输出出的的电电压压UF变换换成成相相应应的的脉脉冲冲序序列列，，并并且且脉脉冲冲序序列列的的频频率率与与UF电压压的的高高低低成成正正比比。。由由于于电电压压UF是双双极极性性的的，，UF电压压经经极极性性处处理理电电路路后后，，使使Un成为为UF的绝绝对对值值，，且且始始终终大大于于0。。压压控控振振荡荡器器（（VCO）将将输输入入的的单单极极性性直直流流电电压压转转换换成成相相应应频频率率的的脉脉冲冲输输出出。。压压控控振振荡荡器器（（VCO）它它输输出出的的脉脉冲冲频频率率与与控控制制电电压压成成正正比比关关系系。。864.脉脉冲冲调调宽宽式式励励磁磁信信号号感应应同同步步器器滑滑尺尺绕绕组组的的励励磁磁可可采采用用模模拟拟量量励励磁磁式式和和脉脉冲冲调调宽宽式式。。由由于于模模拟拟量量励励磁磁方方式式易易受受外外界界干干扰扰而而影影响响精精度度，，所所以以比比较较多多地地采采用用脉脉冲冲调调宽宽