数控机床的伺服驱动系统研讨

数控机床的伺服驱动系统

第五章数控机床的伺服驱动系统

5.1概述5.2位置控制5.3主轴定向控制5.4伺服系统性能及参数5.5全数字式伺服系统5.6经济型数控系统5.7标准型数控系统5.8典型FANUC数控系统介绍数控机床的伺服驱动系统5.1概述伺服(Servo)，本意为“服从”的含义。数控机床伺服系统（ServoSystem）通常是指进给伺服系统，它是数控系统和机床机械传动部件间的联接环节，是数控机床的重要组成部分，包含机械传动、电气驱动、检测、自动控制方面的内容，涉及强电与弱电控制。进给伺服系统是以机床移动部件位置为控制量的自动控制系统，它根据数控系统插补运算生成的位置指令，精确地变换为机床移动部件的位移，直接反映了机床坐标轴跟踪运动指令和实际定位的性能。数控机床的伺服驱动系统5.1.1伺服系统的组成伺服系统完成机床移动部件（如工作台；主轴或刀具进给等）的位置和速度控制。它接收计算机的插补命令，将插补脉冲转换为机械位移。伺服系统的性能直接影响数控机床的精度和工作台的速度等技术指标。数控机床的伺服驱动系统（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。5.1.2数控机床对伺服系统的要求

数控机床的伺服驱动系统（2）可逆运行在加工过程中，机床工作台根据加工轨迹的要求，随时都可能实现正向或反向运动，同时要求在方向变化时，不应有反向间隙和运动的损失。从能量角度看，应该实现能量的可逆转换，即在加工运行时，电动机从电网吸收能量变为机械能；在制动时应把电动机的机械惯性能量变为电能回馈给电网，以实现快速制动。数控机床的伺服驱动系统（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。数控机床的伺服驱动系统（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。数控机床的伺服驱动系统（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。数控机床的伺服驱动系统5.2位置控制

位置控制是进给伺服系统的重要组成部分，是保证进给位置精度的重要环节。位置控制按其结构可分为开环和闭环控制。开环伺服系统位置控制比较简单，根据进给系统的需要由CNC装置发送所需要的脉冲指令便实现了位置控制。对闭环或半闭环伺服系统，位置控制回路由位置控制、速度控制和位置检测三部分组成，如图5-1所示。

数控机床床的伺服服驱动系系统5.2.1位位置比较较实现的的方式位置控制制的作用用是将CNC装置插补补出的瞬瞬时位置置指令值值PC和检测出出的位置置Pf在位置比比较器中中进行比比较，产产生位置置偏差ΔP，在把ΔP转为瞬时时速度指指令电压压UP。输入位置置比较器器中的位位置指令令有两类类方式———脉冲冲列和数数值指令令。数控机床床的伺服服驱动系系统一、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5-2所示。。数控机床床的伺服服驱动系系统1.脉脉冲比较较伺服系系统组成成图5-2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：数控机床床的伺服服驱动系系统(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号的数/模转换换器。(5)执执行元元件（伺伺服电动动机）。。数控机床床的伺服服驱动系系统2.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。。数控机床床的伺服服驱动系系统（1）指指令脉冲冲PC=0，这时反馈馈脉冲Pf=0，则Pe=0，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，可逆计数数器输出出Pe=Pc+－Pf+=2－0=2，，经转换，，速度指指令为正正，伺服服电动机机正转，，工作台台正向进进给。（3）工工作台正正向运动动，即有有反馈脉脉冲Pf+产生，当当Pf+＝１时，可逆逆计数器器减１，，此时Pe=Pc+－Pf+=2－1＞0，，伺服电动动机仍正正转，工工作台继继续正向向进给。。（4）当当Pf+=2时，Pe=Pc+－Pf+=2－2=0，，则速度指指令为零零，伺服服电动机机停转，，工作台台停止在在位置指指令所要要求的位位置。数控机床床的伺服服驱动系系统当指指令令脉脉冲冲为为反反向向PC-时，，控控制制过过程程与与正正向向时时相相同同，，只只是是Pe＜0，，工作作台台反反向向进进给给。。脉冲冲分分离离电电路路的的作作用用是是：：在在加加、、减减脉脉冲冲先先后后分分别别到到来来时时，，各各自自按按预预定定的的要要求求经经加加法法计计数数端端或或减减法法计计数数端端进进入入可可逆逆计计数数器器。。若若加加、、减减脉脉冲冲同同时时到到来来时时，，则则由由该该电电路路保保证证先先作作加加法法计计数数，，然然后后再再作作减减法法计计数数，，这这样样可可保保证证两两路路计计数数脉脉冲冲均均不不会会丢丢失失。。当采采用用绝绝对对式式编编码码器器时时，，通通常常情情况况下下，，先先将将位位置置检检测测的的代代码码反反馈馈信信号号经经数数码码－－数数字字转转换换，，变变成成数数字字脉脉冲冲信信号号，，再再进进行行脉脉冲冲比比较较。。数控控机机床床的的伺伺服服驱驱动动系系统统3.脉脉冲冲比比较较器器(1)脉脉冲冲比比较较器器概概述述脉冲冲比比较较伺伺服服系系统统是是将将PC的脉脉冲冲符符号号与与Pf的脉脉冲冲符符号号相相比比较较，，得得到到脉脉冲冲偏偏差差信信号号Pe。比较较器器为为由由加加减减可可逆逆计计数数器器组组成成的的数数字字脉脉冲冲比比较较器器，，其其组组成成框框图图如如图图5-3所所示示。。数控控机机床床的的伺伺服服驱驱动动系系统统PC+、PC-和Pf+、Pf-的加加、、减减定定义义见见表表5-1。。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5-1PC、Pf的定定义义数控控机机床床的的伺伺服服驱驱动动系系统统数控控机机床床的的伺伺服服驱驱动动系系统统在脉脉冲冲比比较较伺伺服服系系统统中中，，只只有有实实现现指指令令脉脉冲冲PC和反反馈馈脉脉冲冲Pf的比比较较后后，，才才能能得得出出位位置置的的偏偏差差值值△△Pi，所以以系系统统需需要要脉脉冲冲比比较较器器。。图图5-4为为一一脉脉冲冲比比较较器器，，其其工工作作原原理理是是、、4、5、8、9为或或非非门门；；2、3、6、7为触触发发器器；；12为8位位移移位位寄寄存存器器；；10、11为单单稳稳态态触触发发器器；；13为可可逆逆计计数数器器。。当当PC与Pf不同同时时输输出出时时，，在在和和5中同同一一时时刻刻只只有有一一路路有有脉脉冲冲输输出出，，9输出出始始终终是是低低电电平平。。如如此此时时工工作作台台要要做做正正向向进进给给，，正正向向指指令令脉脉冲冲Pc+出现现，，该该脉脉冲冲经经、、2、3、4输出出，，使使可可逆逆计计数数器器13做加加法法计计数数。。数控控机机床床的的伺伺服服驱驱动动系系统统可逆逆计计数数器器的的内内容容由由0变变为为正正数数，，其其输输出出经经/转转换换和和放放大大后后，，使使伺伺服服电电动动机机带带动动工工作作台台正正向向移移动动。。工工作作台台移移动动后后，，位位置置检检测测元元件件测测得得代代表表工工作作台台位位置置的的正正向向反反脉脉冲冲Pf+，该脉冲冲经5、6、7、8输出，，使可可逆计计数器器13做减法法计数数。此此时，，可逆逆计数数器的的内容容就是是Pc+和Pf+的偏差差值Pe。当可逆逆计数数器的的内容容变为为0时时，说说明偏偏差值值Pe=0，，即工作作台的的实际际位置置等于于指令令要求求的位位移，，进给给过程程结束束。反反向进进给时时，反反向指指令脉脉冲PC-使可逆逆计数数器做做减法法计数数，反反向反反馈脉脉冲Pf-使可逆逆计数数器做做加法法计数数，其其他过过程和和正向向进给给相同同。数控机机床的的伺服服驱动动系统统但也有有可能能出现现指令令脉冲冲和反反馈脉脉冲同同时输输入的的情况况。如如出现现这种种情况况，为为防止止可逆逆计数数器内内部操操作因因脉冲冲的““竞争争”而而产生生误操操作，，影响响脉冲冲比较较的可可靠性性，在在指令令脉冲冲和反反馈脉脉冲进进入可可逆计计数器器之前前，要要进行行脉冲冲分离离。如如脉冲冲比较较器输输入端端同时时出现现指令令脉冲冲和反反馈脉脉冲，，则、、5的输出出同时时为0，使使9输出为为1，，单稳稳态触触发器器10、11有脉冲冲输出出。10输出的的负脉脉冲同同时封封锁3和7，使指指令脉脉冲和和反馈馈脉冲冲不能能通过过3和7而进入入可逆逆计数数器。。数控机机床的的伺服服驱动动系统统11的正脉脉冲输输出分分成两两路，，先经经4输出到到可逆逆计数数器做做加法法计数数，再再经12延时四四个时时针周周期（（由时时钟脉脉冲PC产生））通过过8输出到到可逆逆计数数器做做减法法计数数。由由于脉脉冲比比较器器具有有脉冲冲分离离功能能，所所以在在指令令脉冲冲和反反馈脉脉冲不不同时时出现现时，，脉冲冲比较较器进进行正正常的的脉冲冲信号号比较较。即即使指指令脉脉冲和和反馈馈脉冲冲同时时出现现，也也由硬硬件逻逻辑电电路保保证，，先做做加法法计数数，后后做减减法计计数，，保证证了两两路的的脉冲冲不会会丢失失。数控机机床的的伺服服驱动动系统统5.1.2相相位比比较伺伺服系系统一、相相位比比较伺伺服系系统组组成相位比比较伺伺服系系统的的检测测元件件可以以是旋旋转变变压器器、感感应同同步器器或磁磁栅等等。其其特点点是将将位置置指令令脉冲冲和反反馈脉脉冲都都变成成某个个载波波脉冲冲的相相位，，在鉴鉴相器器中进进行相相位比比较，，得到到实际际相位位与给给定位位置相相位的的相位位差Δ。。原理框框图如如图5-5所示示。它它主要要由以以下部部分组组成。。数控机机床的的伺服服驱动动系统统数控机机床的的伺服服驱动动系统统（1））能输输出一一系列列具有有一定定频率率的脉脉冲信信号，，为伺伺服系系统提提供一一个相相位比比较基基准的的基准准信号号发生生器。。（2））将来来自计计算机机数控控装置置的进进给脉脉冲转转变为为相位位变化化信号号的脉脉冲调调相器器。（3））检测测工作作台位位移的的位置置检测测元件件（感感应同同步器器）。。（4））将控控制信信号与与反馈馈信号号进行行比较较，输输出与与相位位差成成正比比电压压信号号的鉴鉴相器器。（5））将鉴鉴相器器输出出的电电压信信号进进行功功率和和电压压放大大的伺伺服放放大器器。数控机机床的的伺服服驱动动系统统（6）实现现电信信号到到机械械位移移转换换的执执行元元件。。根据感感应同同步器器工作作在相相位工工作方方式时时有其中，，。。相相位比比较的的实质质不是是脉冲冲数量量上的的比较较，而而是脉脉冲相相位之之间的的比较较，如如超前前或滞滞后多多少。。实现现相位位比较较的比比较器器为鉴鉴相器器。由于旋旋转变变压器器，感感应同同步器器和磁磁栅等等检测测信号号为电电压模模拟信信号，，同时时这些些装置置还有有励磁磁信号号，故故相位位比较较首先先要解解决信信号处处理问问题，，即怎怎样形形成指指令相相位脉脉冲和和实际际相位位脉冲冲。。（5－1）数控机床的伺伺服驱动系统统二、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。。数控机床的伺伺服驱动系统统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5-6)所示示为Pc+=2时的相位比较较波形图。1.当无进给给指令时，即即Pc+=0，工作台静止，，指令脉冲的的相位与与基准脉冲相相位同相相位，同时因因工作台静止止无反馈，故故实际相位也也与基准准脉冲相位同同相位，，经鉴相器，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5-6a所示。数控机床的伺伺服驱动系统统2.有正向进进给指令，Pc+=2，在指令获得瞬瞬时，工作台台仍静止，此此时，指令脉脉冲的相位超超前基准准相位，，但实际位置置相位保保持不变，经经鉴相器，，速度控制信信号大于零，，伺服电动机机正转，工作作台正向移动动，如图5-6所示。3.随着工作作台的正向移移动，有反馈馈信号产生，，由此产生的的实际相位超超前基准准相位，，但仍超超前，经经鉴相器，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5-6c所示。数控机床的伺伺服驱动系统统图5-6相相位比较波形形图（一）数控机床的伺伺服驱动系统统图5-6相相位比较波形形图（二）数控机床的伺伺服驱动系统统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5-6所示。。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。数控机床的伺伺服驱动系统统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），，脉冲当量δ=0.001mm/脉冲，则相位位增量为δ/τ×360°=0.001/2×360°°=0.18°/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成正比，当采采用旋转变压压器时，相位位角即为为角位移本身身。数控机床的伺伺服驱动系统统三、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5-7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绕组作为励磁磁，它们与基基准信号有确确定的相位关关系。另一路路输入调相分分频通道，和和指令脉冲一一起作用，产产生指令相位位信号。。数控机床的伺伺服驱动系统统数控机床的伺伺服驱动系统统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+。当基准脉冲信信号触发两计计数器后，两两计数器输出出的信号频率率相同，但相相位却不同。。由于标准计计数器是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计数器接收了了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5-8所示示。数控机床的伺伺服驱动系统统实际工作中，，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+，则标准计数器器在接收到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5-8所所示。数控机床的伺伺服驱动系统统数控机床的伺伺服驱动系统统数控机床的伺伺服驱动系统统利用标准计数数器和X计数器实实现数量量到相位位的变换换时，必必须使基基准脉冲冲在向两两计数器器输入的的过程中中，能加加入一定定的指令令脉冲。。这个功功能由脉脉冲加减减器完成成，如图图5-10所示示。、、是由基准准脉冲发发生器发发出的在在相位错错开180°的的同频率率信号，，是主主频率，，经与非非门Ⅰ输输出，作作为计数数器的基基准脉冲冲。是指令脉脉冲的同同步信号号。当没没有指令令脉冲时时，与非非门Ⅰ开开，A脉冲由此此通过。。当输入入一个PC－指令脉冲冲时，触触发器1的Q1变为1，，触发器器2的Q2也变为1，由于于为为0，封封住了与与非门ⅠⅠ，所以以扣除了了一个序序列脉脉冲。当当输入一一个PC+指令脉冲冲时，触触发器C3的Q3变为1，触触发器C4的Q4也变为1。。出现脉脉冲时，Q4和B端均为1，，与非门ⅡⅡ打开，脉脉冲进入最最后的输出出端。由于于、错错相180°，所以以使序列列脉冲中插插入一个序序列脉冲。。数控机床的的伺服驱动动系统图5-10脉冲加加减器（（一）数控机床的的伺服驱动动系统图5-10脉冲加加减器（（二）数控机床的的伺服驱动动系统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5-11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。如信号号超前信信号△θ相位，信号号来到时，，信号还没没有出现。。此时，=1，=0，上上与门输出出为1，下下与门输出出为0，或或门输出端端S=1。四、鉴相器器数控机床的的伺服驱动动系统信号也出现现时，=1，=1，使两两与门输出出均为0，，或门输出出端S=0。由于信信号相位超超前，=0时，仍仍有=1，使上上与门输出出为0，下下与门输出出为1，或或门输出端端又有S=1，直到和都为为0，或门门又为S=0。有关信号的的波形图见见图5-10。从图图中可以看看出，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。。数控机床的的伺服驱动动系统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5-10b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。。数控机床的的伺服驱动动系统数控机床的的伺服驱动动系统二、幅值值比较伺服服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。数控机床的的伺服驱动动系统1.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5-12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：数控机床的的伺服驱动动系统①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。数控机床的的伺服驱动动系统(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。（5－2））（5－3））数控机床的的伺服驱动动系统当正弦、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——感应系数；；——定尺绕绕组与滑尺尺绕组的相相对位移角角；E0m——定尺绕组电电动势幅值值。（5－4））数控机床的的伺服驱动动系统若，，则定定尺绕组电电动势幅值值E0m≠0。利用这个原原理，要测测量定尺与与滑尺之间间移动的位位移角，，可改变变励磁信号号角的的设定值，，然后，测测量E0m的大小，当当设定值变变化到使使E0m=0，即时时，就间间接地通过过设定值获获得了了定尺和滑滑尺之间位位移角的的实际值值。所以幅幅值比较伺伺服系统中中，若要获获得和和之间间的关系，，只需要检检测的电动动势即可。。这项工作作由鉴幅器器来完成。。为了实现现闭环控制制，电动势势幅值需经经电压－频频率变换电电路，才能能变成相应应的数字脉脉冲。该数数字脉冲一一方面与指指令脉冲作作比较以获获得位置偏偏差信号，，另一方面面作为修改改励磁信号号中的的设定输入入，使跟跟随的的变化。。数控机床的的伺服驱动动系统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，，，经鉴幅器检检测定尺绕绕组的电动动势幅值为为0，由电电压－频率率变换电路路得到反馈馈脉冲Pf也为0。所所以比较器器输出的位位置偏差Pe=PC－Pf=0，伺服电动机机速度给定定值为0，，工作台继继续处于静静止状态。。当系统接收收到正的指指令脉冲PC＞0时，工作台台仍保持静静止状态，，和均没有有变化，反反馈脉冲Pf仍为0。因因此，比较较器输出的的位置偏差差Pe=PC－Pf＞0，该偏差是一一数字量，，所以在比比较器和伺伺服放大器器之间设有有数－模转转换器，使使其成为伺伺服系统的的速度给定定信号。数控机床的的伺服驱动动系统于是，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，经前置放大大器、鉴幅幅器和电压压－频率变变换器，转转换成相应应的的反馈馈脉冲Pf。脉冲Pf一方面与指指令脉冲作作比较，获获得位置偏偏差Pe=PC－Pf；另一方面输输入励磁电电路，作为为修改励磁磁信号电气气角的的设定输入入，使跟跟随变变化。若若仍有Pe=PC－Pf＞0，则工作台还还没有指令令要求的位位置，伺服服电动机继继续带动工工作台移动动，反馈脉脉冲Pf和励磁信号号电气角继继续变变化。直到到使位置偏偏差Pe=PC－Pf=0，伺服电动机机速度给定定值0。此此时，=，定定尺绕组电电动势幅值值E0m=0，工作台又处处于静止状状态。数控机床的的伺服驱动动系统若系统接收收到负的指指令脉冲，，整个系统统的检测、、比较及控控制过程与与系统接收收到正的指指令脉冲类类似。只是是工作台向向反向进给给，定尺与与滑尺之间间的位移角角滞后后于励磁信信号的电气气角，，，，使跟跟随变变化，直直到到达负负向指令要要求的位置置，工作台台又处于静静止状态。。从上可以看看出，在幅幅值比较伺伺服系统中中，励磁信信号的电气气角是是由系统设设定的，并并跟随工作作台的进给给而被动变变化的，所所以可以利利用作为工工作台实际际位置的测测量值。当当工作台到到达进给指指令要求的的位置并稳稳定后，有有，，数显显装置显示示的电气角角，实实际上就是是的位移角角，即即工作台的的位移量。。数控机床的的伺服驱动动系统2.鉴幅器器数控机床的的伺服驱动动系统图5-13为鉴幅器器原理图。。输入端的的e0是感应同步步器定尺绕绕组的感应应电动势，，由式e0=E0msinωt可知，e0是交变电动动势。该信信号首先通通过低通滤滤波器Ⅰ，，滤去交变变信号中的的高次谐波波和干扰信信号，获得得较为理想想的正弦波波形。通过过运算放大大器将信号号放大大。然后，，由互为反反向的开关关信号SL和实现现通道的通通断控制，，其开关频频率与输入入信号相同同。由图5-14a可见，在e0信号的0～～π区间，SL=1，使S1接通，e0信号经、、S1，到达低通滤滤波器Ⅱ的的输入端UE；e0信号的π～2π区间，=1，使S1接通，e0信号经A1、反向器A2、S2，到达低通滤滤波器Ⅱ的的输入端UE。数控机床的的伺服驱动动系统工作台做正正向运动时时，由于反反向器A2的作用，使使e0负半周也变变成正半周周信号。这这样在UE处得到了一一单向脉动动的直流信信号。该信信号经低通通滤波器ⅡⅡ后，鉴幅幅器输出信信号为一平平滑的直流流信号UF。从图中可见见，由于UF是UE的平均值，，它的大小小与e0信号的电动动势幅值E0m直接有关。。E0m增大，UF也跟着增大大，所以的的大小实际际上反映了了θ和之间间相位差的的大小。UF越大，θ和之间间相位差越越大。另外外，从图5-14中中可以看出出，站柜台台正向运动动时，输出出端UF为正值；工工作台反向向运动时，，输出端UF为负值。数控机床的的伺服驱动动系统

正向运动

（θ＞j）

反向运动

（θ＜j）

π

2π

ωt

ωt

ωt

ωt

SL

LS

(a)鉴幅器输出波形

e0

UE

UF

O

O

O

π/2

π

3π/2

2π

（b）数字正、余弦励磁信号

2j

π

2π

j

O

O

U

U

－U

－U

U1

U2

图5-14幅值比较控制波形

数控机床的的伺服驱动动系统3.电压－－频率变换换器电压－频率率变换器的的作用是将将鉴幅器输输出的电压压UF变换成相应的的脉冲序列，，并且脉冲序序列的频率与与UF电压的高低成成正比。由于于电压UF是双极性的，，UF电压经极性处处理电路后，，使Un成为UF的绝对值，且且始终大于0。压控振荡荡器（VCO）将输入的单极极性直流电压压转换成相应应频率的脉冲冲输出。压控控振荡器（VCO）它输出的脉冲冲频率与控制制电压成正比比关系。数控机床的伺伺服驱动系统统4.脉冲调宽宽式励磁信号号感应同步器滑滑尺绕组的励励磁可采用模模拟量励磁式式和脉冲调宽宽式。由于模模拟量励磁方方式易受外界界干扰而影响响精度，所以以比较多地采采用脉冲调宽宽式励磁方式式。脉冲宽度度调制实际上上是用控制矩矩形波脉宽的的方法来等效效地实现正弦弦波励磁，其其波形如图5-14b所示。若滑尺上的两两励磁绕组加加以矩形波励励磁信号。则则两励磁绕组组信号U1和U2为：数控机床的伺伺服驱动系统统式中A——矩形波的幅值值———正正弦弦波波励励磁磁中中的的电电气气角角，，在在此此为为影影响响矩矩形形波波宽宽度度的的参参数数。。其中中U1的脉脉宽宽为为2，，U2的脉脉宽宽为为π－－2。。如用用傅傅立立叶叶级级数数对对U1和U2进行行展展开开，，并并消消去去高高次次谐谐波波，，则则U1和U2信号号的的基基波波分分量量为为：：（5－－5））（5－－6））数控控机机床床的的伺伺服服驱驱动动系系统统可以以看看出出，，设设法法消消除除高高次次谐谐波波的的影影响响后后，，用用脉脉宽宽调调制制的的矩矩形形波波励励磁磁与与正正弦弦波波励励磁磁在在幅幅值值工工作作方方式式下下工工作作的的功功能能完完全全相相当当。。因因此此，，可可将将对对电电气气角角的的控控制制转转变变对对脉脉冲冲宽宽度度的的控控制制。。在在数数字字电电路路中中，，对对脉脉冲冲宽宽度度的的控控制制比比较较准准确确和和容容易易实实现现。。图5-15是是脉脉冲冲调调宽宽矩矩形形脉脉冲冲发发生生器器原原理理图图，，其其中中脉脉冲冲加加减减器器和和两两个个分分频频系系数数相相同同的的分分频频器器用用于于实实现现数数字字移移相相，，计计数数触触发发脉脉冲冲和和的的频频率率是是在在时时钟钟脉脉冲冲的的基基础础上上，，按按位位置置反反馈馈脉脉冲冲Pf和电电压压－－频频率率变变换换器器输输出出信信号号US的状状态态进进行行加加减减的的。。每每个个分分频频器器有有两两路路相相差差90°°的的电电角角度度的的溢溢出出脉脉冲冲输输出出，，通通过过组组合合逻逻辑辑进进行行调调宽宽脉脉冲冲的的波波形形合合成成。。数控控机机床床的的伺伺服服驱驱动动系系统统数控控机机床床的的伺伺服服驱驱动动系系统统当无无实实际际值值脉脉冲冲时时，，时时钟钟脉脉冲冲CP直接接加加于于分分频频器器，，分分频频结结果果输输出出为为参参考考信信号号。。此此时时产产生生的的励励磁磁信信号号为为sin0°°和cos0°°。。当工工作作台台移移动动时时，，滑滑尺尺和和定定尺尺有有位位置置偏偏差差，，产产生生反反馈馈脉脉冲冲Pf。根据据运运动动方方向向信信号号Ux，使两两分分频频器器中中一一个个做做加加，，一一个个做做减减，，于于是是产产生生向向前前移移相相信信号号A和向向后后移移相相信信号号B。经过过组组合合逻逻辑辑门门，，产产生生信信号号sin1和sin2、、cos1和cos2。。再经经输输出出门门将将这这些些信信号号合合成成，，产产生生调调制制波波U1和U2。加于于滑滑尺尺的的相相应应绕绕组组上上。。数控控机机床床的的伺伺服服驱驱动动系系统统5.2.2速速度度控控制制信信号号的的实实现现的的方方式式经位位置置控控制制的的脉脉冲冲比比较较、、相相位位比比较较或或幅幅值值比比较较获获得得的的位位置置偏偏差差均均以以脉脉冲冲的的形形式式存存在在，，该该位位置置偏偏差差经经一一定定的的转转换换后后，，形形成成速速度度控控制制信信号号，，数数控控系系统统一一般般输输出出的的速速度度控控制制信信号号为为模模拟拟电电压压－－10～～+10V，，作为为伺伺服服驱驱动动装装置置的的控控制制信信号号。。该该信信号号通通过过伺伺服服驱驱动动装装置置驱驱动动伺伺服服电电动动机机。。速速度度控控制制信信号号的的大大小小与与伺伺服服电电动动机机的的转转速速成成正正比比；；速速度度控控制制信信号号的的正正、、负负决决定定了了伺伺服服电电动动机机的的正正、、反反转转。。从从位位置置偏偏差差到到速速度度控控制制信信号号的的形形成成如如图图5-16所所示示。。数控控机机床床的的伺伺服服驱驱动动系系统统速度度指指令令VC=位置置偏偏差差Pe×位置置增增益益KV。位置置增增益益KV决定定了了速速度度对对位位置置偏偏差差的的响响应应程程度度，，它它反反映映了了伺伺服服系系统统的的灵灵敏敏度度。。将速速度度指指令令VC转换换为为速速度度控控制制电电压压UP的转转换换电电路路常常采采用用的的脉脉宽宽调调制制器器(PWM)的方方法法。。图图5-17所所示示为为某某一一具具体体的的PWM电路路。。数控控机机床床的的伺伺服服驱驱动动系系统统5.2.2.1速速度度指指令令寄寄存存器器和和粗粗、、精精减减法法计计数数器器图5-17是是位位置置控控制制的的硬硬件件部部分分。。它它由由速速度度指指令令寄寄存存器器，，4位位粗粗计计数数器器、、9位位精精计计数数器器，，模模拟拟开开关关和和电电压压放放大大部部分分组组成成，，它它是是一一个个模模数数转转换换装装置置。。由由软软件件部部分分计计算算出出的的速速度度指指令令值值首首先先送送入入硬硬件件部部分分的的速速度度指指令令寄寄存存器器寄寄存存，，如如前前所所述述，，每每1/2插插补补时时间间软软件件部部分分计计算算一一次次位位置置偏偏移移量量ΔDi和速度指指令值V0i，因此，每每4ms速度指令令寄存器器得到一一个新值值。速度度指令寄寄存器有有14位位，最大大指令VC为（－－1））=±8191。最高高位用作作符号位位，0～～8位送送往精计计数器，，9～12位送送往精计计数器。。数控机床床的伺服服驱动系系统最高位用用作符号号位，0～8位位送往精精计数器器，9～～12位位送往精精计数器器。精计计数器的的计数时时钟频率率是4MHZ最大计数数值是512，，每计一一个数的的时间是是0.25μs，512的计数时时间是128μs。粗计数器器时钟频频率是125MHZ，每减一个个数的频频率是8μs，最大计数数值是16，共共用128μs。因此可知知粗、精精计数器器的计数数周期都都是128μs。为能连续续计数，，每隔128μs，速度指令令寄存器器必须向向两个计计数器同同时送数数一次。。在4ms时间内共共送数34次。。这样，，脉宽调调制器就就可将速速度指令令寄存器器中的速速度指令令值VC变换成周周期等于于置数周周期T（128us）），而宽度与与VC值成正比比的调宽宽脉冲（（包括MPC和MPF）。数控机床床的伺服服驱动系系统数控机床床的伺服服驱动系系统5.2.2.2模拟拟开关图5-18是模模拟开关关电路图图。三个个标准电电压＋5V、＋2.5V、0V分别接到到传输门门A、B、C的输入端端，三个个门的输输出端连连到一起起，作为为电压输输出端，，三个门门开关的的控制信信号来自自计数器器和符号号位。若若符号位位SN为正，计计数器的的输出MP也为正，，则与非非门Ⅰ的的输出为为负，反反向器a的输出为为正，A门通，使使输出端端NP的电压为为＋5V。此时与非非门Ⅱ的的输出为为正，c的输出为为负；因因MP为正，因因而b的输出为为负，B、C两门都关关闭。当当符号位位SN为负，计计数器MP的输出为为正时，，与门ⅠⅠ的输出出为正与与非门ⅡⅡ的输出出为负，，使C门开通，，输出端端NP电压为0V，此时A、B两门关闭闭。当计计数器的的输出MP为负时，，无论符符号位SN是正还是是负，C门开通，，A、B两门关闭闭，输出出端NP为＋2.5V。数控机床床的伺服服驱动系系统数控机床床的伺服服驱动系系统MP何时为正正何时为为负，与与计数器器的计数数值大小小有关。。粗精计计数器都都是减法法计数器器，从两两个计数数器置入入数开始始计算，，当把置置入的数数减到零零时计数数结束。。在置数数周期128μs期间内，，计数值值减到0以前计计数器输输出高电电平，以以后输出出低电平平。因而而每一个个置数周周期输出出一个方方波。计计数值越越大，计计数的时时间越长长，方波波的正半半周越宽宽。当精精计数器器的置数数值为511时时（低9位每位位都是二二进制的的1）正正半周的的宽度等等于置数数周期，，负半周周为0，，当粗计计数器的的置数值值为15时，在在全部置置数周期期内（128μs）输出高电电平。数控机床床的伺服服驱动系系统模拟开关关的输出出电压NP与计数器器的输出出方波相相对应：：在正半半周时，，MP为高电平平，根据据符号位位不同，，或门打打开，NP为＋5V或0V；负半周时时，门打打开，NP为＋2.5V。因此NP是一个半半波宽随随计数值值而变化化的脉冲冲。脉冲冲周期T等于计数数器的置置数周期期。它的的直流平平均电压压UNP（单位为V）可以表示示如下：：作用就是是要将不不带符号号的MP变化成反反映正、、负速度度指令的的标准电电压UNP（包括UNPC和UNPF），其波形如如图5-19所所示。数控机床床的伺服服驱动系系统数控机床床的伺服服驱动系系统当速度指指令为正正时，SN=0UNP=2.5（1－－τ/T）(V)当速度指指令为负负时，SN=1UNP=2.5（1＋＋τ/T）(V)其中τ/T为脉宽占占空比，，该比值值越大，，说明速速度指令令越大。。根据图5-17，UNP经滤波和和运算放放大器A1、A2处理后，，设标准准电压UREFD=2.024V，则速度控控制电压压UP=10.625－4UNPC－0.25UNPF(V)（5－7）（5－8）（5－9）数控机床床的伺服服驱动系系统（1）当当正向最最高速度度指令值值VC=+8191时，占空空比τ/T=1，根据式（（5－7），UNP=0V，，即UNPC=0V，UNPF=0V，根据式（（5－9）UP=10.625V，，这表示伺伺服电动动机获得得最高正正向转速速。（2）当当反向最最高速度度指令值值VC=－8191时，占空空比τ/T=1，，根据式（（5－8），UNP=5V，，即UNPC=5V，，UNPF=5V，，根据式（（5－9）UP=－10.625V，这表示伺伺服电动动机获得得最高反反向转速速。这样速度度控制电电压VCMD约在－10～+10V范围内线线性变化化，该电电压作为为伺服驱驱动装置置的控制制电压，，其大小小决定了了伺服电电动机的的转速，，正、负负号决定定了伺服服电动机机的正、、反转，，最终实实现工作作台进给给速度的的调整和和正、反反向进给给。数控机床床的伺服服驱动系系统5.2.2.3数模模转换时时数字量量与模拟拟电压的的对应关关系由于粗计计数器是是对14位的速速度指令令寄存器器中的9～12位计数数，因此此它每减减一个数数相当于于精计数数器减512次次计数。。也就是是说计数数器的每每次减1，计数数器使速速度指令令电压UP的变化比比精计数数器大512倍倍。为此此在硬件件部分采采用了两两个措施施。措施施1是降降低粗计计数器的的计数频频率。由由前述可可知：精精粗计数数器的计数频频率之比比是。。措施施2是增增大放大大倍数，，由上面可知知的放大大倍数是是4，而而的放大大倍数是是0.25，两两者之比比为16。其结结果为32×16=512，，正好与与速度指指令寄存存器第九九位的权权值相同同。数控机床床的伺服服驱动系系统5.2.3位位置控制制实例进给坐标标轴的位位置控制制一般采采用大规规模专用用集成电电路位置置控制芯芯片，也也可采用用通用芯芯片构成成位置控控制模板板。5.2.3.1位置置控制芯芯片1.MB8739MB8739是FANUC公司设计计的专用用位置控控制芯片片，其结结构如图图5-20所示示。该芯芯片适用用的位置置检测装装置为增增量式的的光栅或或光电编编码器。。在图中中，与伺伺服电动动机同轴轴联接的的光电编编码器产产生一系系列脉冲冲，该脉脉冲经接接收器反反馈到MB8739，，其中，PA、PB为相位差差90°°的序列列脉冲，，PC为零标志志脉冲。。数控机床床的伺服服驱动系系统数控机床床的伺服服驱动系系统MB8739包括位置置测量与与反馈全全部线路路，集成成度非常常高，其其结构主主要包括括以下几几个部分分：(1)DDA插补器器该该插插补器器作为为粗、、精二二级插插补结结构的的第二二级精精插补补，即即细插插补，，它的的输入入是上上一级级软件件插补补及一一个插插补周周期的的进给给信息息，即即粗插插补数数据。。(2)误误差寄寄存器器实实现现指令令位置置与实实际位位置的的比较较，并并寄存存比较较后的的误差差Pe，实际上上是采采用可可逆计计数器器的脉脉冲比比较。。位置置指令令PC来自DDA插补器器，位位置反反馈值值Pf来自鉴鉴相器器，即即Pe=PC－Pf。数控机机床的的伺服服驱动动系统统(3)位位置增增益将将位置置偏差差乘以以位置置增益益KV，获得速速度指指令值值VC。位置增增益