第六章伺服系统2(闭环)数控机床伺服系统

第6章数控机床伺服系统§6-3闭环伺服控制原理与系统

伺服电动机亦称执行电动机，它具有一种服从控制信号的要求而动作的职能，在信号来到之前，转子静止不动；信号来到之后，转子立即转动；当信号消失，转子能及时自行停转。由于这种“伺服”的性能，因此而得名。机械工程学院全闭环数控系统从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。机械工程学院闭环伺服驱动系统一、闭环伺服驱动系统的执行元件数控系统对执行元件（能量转换和信号转换）的要求：功率比大（功率/加速度常数，代表加减速能力）功率密度大（功率/质量）优良的调速性能（低速大转矩)便于维护，有足够的防护能力，有不同的传感器，散热性好闭环执行元件：直流伺服电机（在伺服系统中常用的直流伺服电机多为大功率直流伺服电机，如低惯量电机和宽调速电机）

和交流伺服电机。机械工程学院一、闭环伺服驱动系统的执行元件1.直流伺服电机数控机床用的一般是大功率的直流伺服电机，其工作原理与直流电机类似。低惯量直流伺服电机

结构特点：电枢铁芯无槽，电枢细长，气隙尺寸大等宽调速直流力矩电机

结构特点：极对数和电枢导体数多，一般采用永磁体（他励式）机械工程学院交流伺服电机驱动是最新发展起来的新型伺服系统，也是当前机床进给驱动系统方面的一个新动向。该系统克服了直流驱动系统中电机电刷和整流子要经常维修、电机尺寸较大和使用环境受限制等缺点。它能在较宽的调速范围内产生理想的转矩，结构简单，运行可靠，用于数控机床等进给驱动系统为精密位置控制。

机械工程学院直流伺服电机及驱动

直流电机的工作原理是建立在电磁力定律基础上的，电磁力的大小正比于电机中的气隙磁场，直流电机的励磁绕组所建立的磁场是电机的主磁场，按对励磁绕组的励磁方式不同，直流电机可分为：他激式、并激式、串激式、复激式、永磁式。

20世纪80~90年代中期，永磁式直流伺服电机在NC机床中广泛采用。机械工程学院直流伺服电机的特点过载倍数大，时间长；具有大的转矩/惯量比，电机的加速大，响应快。低速转矩大，惯量大，可与丝杆直接相联，省去了齿轮等传动机构。可提高了机床的加工精度。调速范围大，与高性能的速度控制单元组成速度控制系统时，调速范围超过1∶2000。带有高精度的检测元件(包括速度和转子位置检测元件)；电机允许温度可达150°～180℃，由于转子温度高，它可通过轴传到机械上去，这会影响机床的精度由于转子惯性较大，因此电源装置的容量以及机械传动件等的刚度都需相应增加。电刷、维护不便。机械工程学院直流伺服电机的特点直流伺服电机种类繁多，但电机的只要技术参数和选用方法大同小异。一般在电机的尾端按照用户要求配装测速发电机、旋转变压器或旋转脉冲编码器等检测元件，还可以安装电磁制动器作为断电以后位置保持装置，内部还装有温度检测传感器。机械工程学院

1．直流伺服电机的结构极靴机壳瓦状永磁材料（定子）电枢（转子）换向极主磁极定子转子线圈永磁直流伺服电机的结构

直流主轴电机结构示意图机械工程学院⑴静态特性

电磁转矩由下式表示:

KT

—转矩常数；

Φ—磁场磁通；Ia—电枢电流；TM—电磁转矩。电枢回路的电压平衡方程式为:

Ua─电枢上的外加电压；Ra─电枢电阻；Ea─电枢反电势。

电枢反电势与转速之间有以下关系：

Ke─电势常数；ω─电机转速（角速度）。

根据以上各式可以求得：

）

2一般直流电机的工作特性

机械工程学院

⑵动态特性直流电机的动态力矩平衡方程式为

式中

TM─电机电磁转矩；

TL─折算到电机轴上的负载转矩；

ω─电机转子角速度；

J─电机转子上总转动惯量；

t─时间自变量。

2、一般直流电机的工作特性

机械工程学院二、直流进给运动的速度控制

1.、直流伺服电机的调速原理

根据机械特性公式可知调速有二种方法:电枢电压Ua和气隙磁通Φ

⑴改变电枢外加电压Ua:由于绕组绝缘耐压的限制，调压只能在额定转速以下进行。属于恒转矩调速。

⑵改变气隙磁通量Φ：改激磁电流即可改Φ，在Ua恒定情况下，磁场接近饱和，故只能弱磁调速，在额定转速以上进行。属于恒功率调速。2.直流速度控制单元调速控方式◆晶闸管（可控硅）调速系统◆晶体管脉宽调制（PWM）调速系统机械工程学院晶闸管调速系统

1）系统的组成

包括控制回路：速度环、电流环、触发脉冲发生器等。

主回路：可控硅整流放大器等。

速度环：速度调节（PI），作用：好的静态、动态特性。电流环：电流调节(P或PI)。作用：加快响应、启动、低频稳定等。触发脉冲发生器：产生移相脉冲，使可控硅触发角前移或后移。可控硅整流放大器：整流、放大、驱动，使电机转动。速度调节器电流调节器触发脉冲发生器可控硅整流器电流反馈速度反馈电流检测编码器电机UR+-UfIfIR+-E1ES机械工程学院原理：e)uacbcaba)b)c)d)135

①②③④⑤⑥ωtub246bcaωtωtωtωt11335511336224466224135246120°120°180°60°132460°60°56α只要改变可控硅触发角（即改变导通角），就能改变可控硅的整流输出电压，从而改变直流伺服电机的转速。触发脉冲提前来，增大整流输出电压；触发脉冲延后来，减小整流输出电压。主回路波形图机械工程学院运算放大器的类型⑴反向比例放大器⑵反向比例加法运算放大器

⑶同向比例放大器⑷积分运算放大器⑸比例积分运算放大器：⑹比较器R3R3U1U2R1R2R3-+U1R1U2R2C-+U1U2R1R2R3C-+U1U2R1R2-+U3U2R4R2-+U1R1U1U2R2R1-+U2二个输入端的内阻非常大，不向运放内流电流，放大倍数非常大。同相端接地，电位为0，为实地；方反向端电为也为0，虚地。U2=-U1•R3/R2机械工程学院

[总结]

速度控制的原理

①调速：当给定的指令信号增大时，则有较大的偏差信号加到调节器的输入端，产生前移的触发脉冲，可控硅整流器输出直流电压提高，电机转速上升。此时测速反馈信号也增大，与大的速度给定相匹配达到新的平衡，电机以较高的转速运行。

②干扰：假如系统受到外界干扰，如负载增加，电机转速下降，速度反馈电压降低，则速度调节器的输入偏差信号增大，其输出信号也增大，经电流调节器使触发脉冲前移，晶闸管整流器输出电压升高，使电机转速恢复到干扰前的数值。

③电网波动：电流调节器通过电流反馈信号还起快速的维持和调节电流作用，如电网电压突然短时下降，整流输出电压也随之降低，在电机转速由于惯性还未变化之前，首先引起主回路电流的减小，立即使电流调节器的输出增加，触发脉冲前移，使整流器输出电压恢复到原来值，从而抑制了主回路电流的变化。

④启动、制动、加减速：电流调节器还能保证电机启动、制动时的大转矩、加减速的良好动态性能。机械工程学院（2）晶体管脉宽调制（PWM）调速系统

1）系统的组成及特点速度调节器电流调节器脉宽调节振荡器脉宽调节MG电流反馈U～usrusf整流功放机械工程学院脉宽调制器的基本工作原理：利用大功率晶体管的开关作用，将直流电压转换成一定频率的方波电压，加到直流电机的电枢上。通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢的平均电压，从而调节电机的转速。机械工程学院上图是PWM系统的工作原理图。设将图中的开关K周期地闭合、断开，开和关的周期是T。在一个周期内，闭合的时间为τ，断开的时间为T-τ。若外加电源的电压U是常数，则电源加到电机电枢上的电压波形将是一个方波列，其高度为U，宽度为τ，它的平均值Ua为

式中的δ=τ／T，称为导通率(占空比）。当T不变时，只要连续地改变，就可使电枢电压的平均值(即直流分量)由0连续变化至U，从而连续地改变电机的转速。实际的PWM系统用大功率三极管代替开关K。其开关频率是2000Hz，即T=0.5ms

机械工程学院①

主回路：

大功率晶体管开关放大器；

功率整流器。②控制回路：

速度调节器；电流调节器；固定频率振荡器及三角波发生器；脉宽调制器和基极驱动电路。

区别：与晶闸管调速系统比较，速度调节器和电流调节器原理一样。不同的是脉宽调制器和功率放大器。

直流脉宽调制：功率放大器中的大功率晶体管工作在开关状态下，开关频率保持恒定，用调整开关周期内晶体管导通时间（即改变基极调制脉冲宽度）的方法来改变输出。从而使电机获得脉宽受调制脉冲控制的电压脉冲，由于频率高及电感的作用则为波动很小的直流电压（平均电压）。

脉宽的变化使电机电枢的直流电压随着变化。机械工程学院直流脉宽调调制的基本原理周期不变周期不变脉宽脉宽脉宽脉宽平均直流电压脉冲宽度正比代表速度F值的直流电压Uωt机械工程学院2）脉宽调制器ttU△U△+USrU△+USrUSCUSCUSC+USrooo-USrtttt同向加法放大器电路图USr–速度指令转化过来的直流电压U△-三角波USC-脉宽调制器的输出（USr+U△

）调制波形图R1+12VUSCR1R3R2+-12VUSrU△-USr为0时调制出正负脉宽一样方波平均电压为0USr为正时USr为负时调制出脉宽较宽的波形平均电压为正调制出脉宽较窄的波形平均电压为负机械工程学院3）开关功率放大器主回路：可逆H型双极式PWM开关功率放大器电路图:由四个大功率晶体管（GTR）T1、T2、T3、T4

及四个续流二极管组成的桥式电路。H型：

又分为双极式、单极式和受限单极式三种。Ub1、

Ub2、Ub3、Ub4–为调制器输出，经脉冲分配、基极驱动转换过来的脉冲电压。分别加到T1、T2、T3、T4的基极。Ub3Ub4Ub1Ub2USABD1D2D3D4MT1T2T4T3tUS-USUdUABOtUb1Ub4Ub2Ub3OOttt1Tidid1id2id1id2OOOOOt1t3Tt2t3t1Ub1、Ub4Ub2、Ub3UdUABidttttid1id1id4id2id3id4id2机械工程学院工作原理：

T1

和T4同时导通和关断，其基极驱动电压Ub1=Ub4。T2和T3同时导通和关断，基极驱动电压Ub2=Ub3

=

–Ub1。以正脉冲较宽为例，既正转时。负载较重时：①电动状态：当0≤t≤t1时，Ub1、Ub4为正，T1

和T4导通；Ub2、Ub3

为负，T2和T3截止。电机端电压UAB=US，电枢电流id=id1，由US→T1→T4→

地。②续流维持电动状态：在t1≤t≤T时，Ub1、Ub4为负，T1

和T4截止；

Ub2、Ub3

变正，但T2和T3并不能立即导通，因为在电枢电感储能的作用下，电枢电流id=id2，由D2→D3续流，在D2、

D3上的压降使T2

、T3的c-e极承受反压不能导通。UAB=-US。接着再变到电动状态、续流维持电动状态反复进行，如上面左图。负载较轻时：③反接制动状态，电流反向：②状态中，在负载较轻时，则id小，续流电流很快衰减到零，即t=t2时（见上面右图），id=0。在t2～

T区段，

T2、T3在US和反电动势E的共同作用下导通，电枢电流反向，id=id3由US→T3→T2→

地。电机处于反接制动状态。④电枢电感储能维持电流反向：在T

～t3区段时，驱动脉冲极性改变，

T2、T3截止，因电枢电感维持电流，id=id4，由D4→D1。机械工程学院⑤电机正转、反转、停止：

由正、负驱动电压脉冲宽窄而定。当正脉冲较宽时，既t1>

T/2，平均电压为正，电机正转；

当正脉冲较窄时，既t1<T/2，平均电压为负，电机反转；如果正、负脉冲宽度相等，t1=T/2，平均电压为零，电机停转。⑥电机速度的改变：电枢上的平均电压UAB越大，转速越高。它是由驱动电压脉冲宽度决定的。⑦双极性：由以上分析表明：可逆H型双极式PWM开关功率放大器，无论负载是重还是轻、电机是正转还是反转，加在电枢上的电压极性在一个开关周期内，都在US和

–US之间变换一次，故称为双极性。

机械工程学院（4）PWM调速系统的特点①频带宽、频率高:

晶体管“结电容”小，开关频率远高于可控（50Hz)，可达2-10KHz。快速性好。②电流脉动小:

由于PWM调制频率高，电机负载成感性对电流脉动由平滑作用，波形系数接近于1。③电源的功率因数高:

SCR系统由于导通角的影响，使交流电源的波形畸变、高次谐波的干扰，降低了电源功率因数。PWM系统的直流电源为不受控的整流输出，功率因数高。④动态硬度好:

校正瞬态负载扰动能力强，频带宽，动态硬度高。

机械工程学院第四节交流伺服电机及驱动

由于直流伺服电机具有优良的调速性能，80年代初至90年代中，在要求调速性能较高的场合，直流伺服电机调速系统的应用一直占据主导地位。但其却存在一些固有的缺点，即：电刷和换向器易磨损，维护麻烦结构复杂，制造困难，成本高而交流伺服电机则没有上述缺点。特别是在同样体积下，交流伺服电机的输出功率比直流电机提高10%～70%，且可达到的转速比直流电机高。因此，人们一直在寻求交流电机调速方案来取代直流电机调速的方案。机械工程学院直流伺服电机的缺点：

◆它的电刷和换向器易磨损；◆电机最高转速的限制，应用环境的限制；◆结构复杂，制造困难，成本高。交流伺服电机的优点：◆动态响应好；◆输出功率大、电压和转速提高一、交流伺服电机及工作特性

VSVS机械工程学院交流伺服电机用三相正弦电流驱动的伺服电机。按工作原理分为：

永磁同步型（SM型）异步感应型（IM型）

AC伺服电机本身结构简单，坚固耐用，体积较小，重量较轻，没有整流子机械换向，所以远比DC伺服电机便于维护。但速度的控制方法比DC伺服电机要复杂的多，对控制元件的容量及速度的要求也很高。机械工程学院永磁同步型（SM型）AC伺服电机

机械工程学院交流同步伺服电机的种类：励磁式、永磁式、磁阻式和磁滞式

（1）永磁交流同步伺服电机的结构

1．永磁交流同步伺服电机的结构和工作原理

VSVS定子转子脉冲编码器定子三相绕组接线盒永磁交流同步伺服电机结构

机械工程学院编码器转子（永磁体）定子绕组线圈接线合电机轴机械工程学院永磁同步型（SM型）AC伺服电机结构与无刷DC伺服电机几乎完全相同，两者的根本差别不在于它们的结构，而是在于驱动它们的方式。当采用直流电源驱动时，叫做无刷DC伺服电机，当采用三相交流电源（通过逆变器产生）驱动时，就叫AC伺服电机。DC伺服电机不同之处：永磁同步型AC伺服电机内部不是采用多个霍尔元件来检测转子的位置，而是采用单一的角度位置传感器来连续检测，并以检测的结果为依据使三相电机电流实现正交控制。常用旋转编码器或旋转变压器，完成转子位置、速位移检测。机械工程学院

（2）永磁交流同步伺服电机工作原理和性能

给相位互差120度的三相绕组通一正交交流电，并控制各项的电流瞬时值，使他们产生的电枢磁场方向的矢量和，正好与励磁磁通的方向正交。三相绕组产生的转矩之和，带动转子旋转。准确的控制各项绕组的电流是实现永磁交流同步伺服电机速度控制的关键。

n（r/min）

VSNnsnr

θ

S工作原理特性曲线T（N-cm）

120001000080006000400020000100020003000Ⅰ

Ⅱ

机械工程学院异步感应型AC伺服电机工作原理：当电机定子三相绕组通三相交流电，定子产生励磁的旋转磁场。如果旋转磁场的转速和转子的转速相同，则转子绕组中没有电流通过，不产生转矩；旋转磁场的转速和转子的转速有差别时，转子切割磁力线，产生感应电流，与励磁磁场相互作用，从而产生转矩。二者之间有转速差，才能有输出。采用鼠笼式机械结构，能产生很大的转速和扭矩，定子时有很大的电流通过，发热现象比较严重，主要用在主轴驱动系统中。机械工程学院二.交流伺服电机的调速方法由电机学知，交流电机转速公式：式中：f–定子电源频率p–磁激对数S–转差率

ns–定子旋转磁场转速

n–转子转速异步电机变频–用于笼型电机调压（定子电压）电磁砖差离合器调阻（转子电组）

串级调速

交–直–交交–交变转差率变频变极对数同步电机交流电动机由此可知调速方法：机械工程学院对于进给系统常使用交流同步电机，该电机没有转差率，电机转速公式变为：从式中可以看出：只能用变频调速，并且是有效方法。变频调速的主要环节是为交流电机提供变频、变压电源的变频器，变频器分为：

●交–直–交变频器分电压型和电流型。电压型先将电网的交流电经整流器变为直流，再经逆变器变为频率和电压都可变的交流电压。电流型是切换一串方波，方波电流供电，用于大功率。

●交–交变频器该变频器没有中间环节，直接将电网的交流电变为频率和电压都可变的交流电。目前对于中小功率电机，用得最多的是电压型交–直–交变频器。机械工程学院相位比较伺服系统相位伺服系统是采用相位比较方法实现位置闭环（及半闭环）控制的伺服系统，是数控机床常用的一种位置控制系统。

1、相位伺服系统的组成框图它由基准信号发生器、脉冲调相器、鉴相器、直流放大器、速度控制单元、检测元件及信号处理线路等组成。机械工程学院机械工程学院1)基准信号发生器:

输出的一列具有一定频率的脉冲信号，为伺服系统提供相位比较的基准。2).脉冲调相器(数字相位转换器)：将进给脉冲信号转换为相位变化信号（可用正弦波或方波表示）若没有进给脉冲信号输入，脉冲调相器的输出与基准信号发生器输出的基准信号同相位，即两者没有相位差；若有进给脉冲到来，则每输入一个正向或反向脉冲，脉冲调相器的输出将超前或滞后基准信号一个相应的相位角。3).检测元件及信号处理线路：将工作台的位移检测出来，并表达成基准信号之间的相位差；相位差的大小代表了工作台的实际位移量。4).鉴相器：有两路输入信号，一是来自脉冲调相器的指令进给信号，二是来自于检测元件及信号处理线路的反馈信号；两路信号同频率、同周期；且都用它们与基倍号之间的相位差表示；鉴相器其作用是示鉴别出这两个信号之间的相位差，并输出与此相位差信号成正比的电压信号。

5).直流放大器：对鉴相器的输出信号进行电压和功率放大，然后再去驱动执行元件。机械工程学院2.鉴相式伺服系统的工作原理：利用相位比较原理:当数控装置要求工作台沿一个方向向进给时，插补器或插补软件便产生一列进给脉冲；该进给脉冲作为指令信号送入伺服系统。在伺服系统中，进给脉冲首先经脉冲调相器转变为相对于基准信号的相位差，设为φ（代表了指令要求工作台的进给距离）；另一方面，来自于测量元件及信号处理线路的反馈信号也表示成相对于基准信号的相位差，设为θ(代表了机床工作台实际移动的距离)。在鉴相器中：φ和θ进行比较；两者的差值φ–θ，称为跟随误差；跟随误差信号经电压和功率放大后，驱动执行元件带动工作台移动。进给开始时:θ=0；进给过程中:

θ≠0

，φ-θ≠0

当

φ-θ=0时,进给停止机械工程学院以光栅为测量元件的数字相位比较伺服系统机械工程学院三、幅值比较伺服系统鉴幅式伺服系统以位置检测信号的幅值反映机械位移，并采用幅值比较的方法实现位置闭环或半闭环控制。机械工程学院与鉴相式伺服系统的区别

鉴幅式伺服系统测量元件是以鉴幅式工作状态进行工作的，因此，可用的测量元件主要有旋转变压器和感应同步器。鉴幅式伺服系统中比较器所比较的是数字脉冲量，故不需要基准信号，两数字脉冲量可直接在比较器中进行脉冲数量的比较。而与之对应的鉴相式伺服系统的鉴相器所比较的是相位信号，需要基准信号。机械工程学院鉴幅式伺服系统的工作原理比较器：进入比较器的信号有来自数控装置的进给脉冲(代表了数控装置要求机床工作台移动的位移)和来自测量元件及信号处理线路的数字脉冲信号(代表了工作台实际移动的距离)。鉴幅系统工作前，数控装置和测量元件的信号处理线路都没有脉冲输出，比较器的输出为零，此时执行元件不能带动工作台移动；当有进给脉冲信号之后，比较器的输出不再为零，执行元件开始带动工作台移动；同时，测量元件又将工作台的位移检测出来，经信号处理线路转换成相应的数字脉冲信号，并作为反馈信号进入比较器与进给脉冲进行比较。若比较器的输出不为零，说明工作台实际移动的距离还不等于指令信号要求工作台移动的距离，执行元件带动工作台继续移动。若比较器的输出不零，说明工作台实际移动的距离等于指令信号要求工作台移动的距离，执行元件停止带动工作台移动。数模转换电路：将比较器输出的数字量转化为直流电压信号，再经驱动线路进行电压和功率放大后，驱动执行元件带动工作台移动。机械工程学院测量元件及信号处理线路：将工作台的机械位移检测出来并转换为数字脉冲量。其原理框图：

当工作台移动时，测量元件根据工作台的位移量，即丝杠转角θ输出电压信号：α为此时测量元件激磁信号的电气角。机械工程学院第五节闭环、半闭环进给伺服系统闭环进给伺服系统的实现方案分类和特征按系统的控制信号类型分：模拟型系统、数字型系统模拟型系统：特征：这类系统全部采用模拟元件构成；其输入（控制）信号、输出的位置、速度信号也是模拟量；速度和位置检测元也是模拟式的。机械工程学院特点：抗干扰能力强，一般不会因峰值误差导致致命的误动作。可用常规仪器仪表（示波器，万用表等）直接读取信息，易于随时把握系统工作的基本情况。对弱信号信噪分离困难，控制精度的提高受到限制。在零点附近容易受到温度漂移的影响，使位置控制产生漂移误差。位置、速度调节器的结构和参数调整困难，适应负载变化的能力较差。

模拟系统这种本质缺陷，使它很难满足高精度位置伺服控制的要求，目前已逐渐被数字伺服系统所取代。机械工程学院

数字型系统：

特征：这类系统是指至少其位置环控制与调节采用数字控制技术，即位置指令和反馈信号都不再是模拟信号改用数字信号（逻辑电平脉冲信号）的系统。机械工程学院特点：可以通过增加数字信息的安长，来满足要求的控制精度。对逻辑电以下的漂移、噪声不予晌应，零点定位精度可以得到充分保证。容易对其结构和参数进行修改（根据控制要求），且易于与计算机进行数据交换。噪声峰值大于逻辑电平时，对数据的最高位和最低位的干扰出错程序是相同的，这种错误可能导致系统致命的危害。传送数据的数字电路要求具有很宽的频带。以保证脉冲上、下降沿有足够的陡峭度。抑制干扰、防止数据出错，是数字伺服系统设计成功的关键。机械工程学院.数字伺服系统的类型机械工程学院全硬件伺服系统全硬件伺服系统又称脉冲比较伺系统，其典型的组成方式如图所示：_NC装置－F/V偏差计数器D/A速度控制与驱动单元A、B、Z++_++－整形.倍频.辨向工作台PG电压Z机械工程学院构成：该系统中，位置闭环的控制与调节运算主要由偏差计数器（一般为可逆计数器）和D/A完成。柔性差：系统全由硬件构成，使得它的各调节器参数在机电联调整定后就固定下来了，不易改变，这对负载惯量变化不大的位置伺服系统（如车床刀架进给控制），可获得满意的控制性能指。而对某些负载惯量较大的系统，则很难在整个范围内（负载惯量变化）都获得满意的控制效果。零漂将影响精度：这类系统依靠D/A，将位置调节输出的数字量转化成模拟电压作速度指令信号。提供给速度伺服单元，因此，其零点漂移将影响定位精度。机械工程学院半软件型伺服系统

这种系统的位置控制采用软硬件组成，速度控制仍采用模拟方式，系统组成如图所示：+调节运算零漂补偿硬件速度控制与驱动单元D/A软件位置控制ZA、BD0-++-F/V倍频计数器工作台PG电机+DAV1△SV0U0UA△D△U实际位置计算△DA指令位置计算△D0/nZ机械工程学院位置控制的软件现可以由NC装置的CPU实现，也可以由位置控制板上自带的CPU实现。位置控制的调节运算部分由软件实现，增加了灵活性：调节器的参数可以通过进行修改、设定调节算法可以采用较复杂的算法，以提高控制性能（变结构、变增益）可增加许多辅助功能（故障诊断、脉冲当量变换等）零点漂移可通过软件进行补偿机械工程学院由于这种系统的速度单元仍是模拟型的，全硬件型系统中存在的问题并未明显解决，如它的内环参数（速度、电流）和位置环中D/A转换器的位数依然是固定的。因此难以兼顾负载惯量大的变化。不过，由于利用软件采用一些补偿措施，这就使得半软件位置伺服系统的位置控制精度和控制性能要高于全硬件型的位置伺服系统。机械工程学院全软件位置伺服系统

这种系统是指除电流环仍为模拟结构外，位置、速度控制均由微机通过控制软件来实现，系统组成如图所示：NC系统微机位置、速度控制(D/A输出)模拟电流控制与功放整形.信频.辨向A、BZ工作台PG电压机械工程学院图中的微机位置、速度控制既可以是单微机，又可以是双微机（一个是位置控制，另一个是速度控制）。不过系统中的微机常由单片机来构成。由于微机的应用，使系统的控制更加灵活，其特点是：位置、速度调节器的结构和参数可以按工作环境自动进行切换，使之适应负载变化的能力显著增强，应用优化理论还可使调节器的参数自动化，使系统可驱动不同的执行机械，通用化程度大大提高。其余同半软件型系统。机械工程学院这种系统的输出通过D/A转换成模拟电压作为电流指令送往模拟电流环，这样，模拟量的零点漂移只会使电流指令产生微小的变化，一般这种变化不足以产生驱动伺服电机运动的力矩，也不会对位置控制精度产生不良影响。由于电流环的结构和参数还是固定的，所以还不能通过微机改变控制策略，以获得较理想的控制效果。由于该系统工作可靠，结构紧凑，控制性能也优于前述两种系统，使得它在80年代中期以来的交、直流位置伺服系统的产品中逐渐占据了主导地位，成为位置伺服系统的首选方案。机械工程学院全数字位置伺服系统自以软件位置伺服系统诞生以来，人们就一直致力于用软件尽可能多地去取代硬件的工作，以降低成本，提高性能。随着可直接用逻辑电平控制通断的电子半导体器件——功率晶体管，功率场率应管的商品化，以及高性能单片机的出现，使得全数字位置伺服系统的实现成为现实。

机械工程学院NC装置单片微机位置速度电流控制(PWM输出)晶体管放大器电流检测整形.信频.辨向A.B工作台PG电压一种全数字、采用脉宽调制（PWM——pulsewidthmodulation）控制的位置伺服系统如下图所示。机械工程学院系统的所有控制调节全部由软件完成，最后直接输出逻辑电平的脉宽调制控制信号驱动功率晶体管放大器，对伺服电机进行控制，完成位置控制任务。调节器的全部软件化使控制理论中的许多控制思想和手段，包括经典的、现代的、智能的等新型的控制方法都可以衩方便地引进来，例如：鲁棒控制、自适应控制、变参数控制、变结构控制、神经网络控制、模糊控制、专家系统控制等等。还可以完成参数的自动优化和故障的自动诊断等，使系统控制性能能进一步得到提高。机械工程学院.典型闭环伺服系统示例以半软件型位置伺服系统为例+调节运算零漂补偿硬件速度控制与驱动单元D/A软件位置控制ZA、BD0-++-F/V倍频计数器工作台PG电机+DAV1△SV0U0UA△D△U实际位置计算△DA指令位置计算△D0/nZ机械工程学院这里仅介绍位置控制单元，速度控制前面已介绍了位置控制软件部分的任务：指令位置计算（含反向间隙、螺距误差补偿、限位处理）实际位置计算（反馈累积）跟随误差计算调节运算零点漂移补偿机械工程学院指令位置计算（反向间隙、螺距误差补偿、限位处理）：开始超程报警处理执行下一个任务NY机械工程学院实际位置计算（反馈累积）跟随误差计算调节运算零点漂移补偿机械工程学院硬件部分的任务系统总线数字接口计数器锁存器光电隔离器件D/A转换器方向控制与功率放大频率/电压（F/V）转换电路方向控制与功率放大展宽选通电路反馈脉冲倍频电路幅值比较电路位置反馈脉冲速度反馈电压速度指令电压CKABZQU0AA*BB*ZZ*UAZV0+-△DA-+机械工程学院+调节运算零漂补偿硬件速度控制与驱动单元D/A软件位置控制ZA、BD0-++-F/V倍频计数器工作台PG电机+DAV1△SV0U0UA△D△U实际位置计算△DA指令位置计算△D0/nZ机械工程学院第六节伺服系统性能分析前面各节我们重点讨论了进给伺服系统的组成原理与实现方法，然而该系统要能真正实现预期的快速、准确及平稳驱动的要求，一个重要的问题是如何根据要求，进行闭环系统的参数设计和调试。例如，开环增益，阻尼系数等参数对伺服系统的稳态精度与动态性能影响很大，这将是本节讨论的重点机械工程学院.控制系统的一般结构及传递函数R(S)—输入信号C(S)—输出信号E(S)—偏差信号M(S)—控制量B(S)—反馈信号N(S)—噪声信号G1(S)—控制系统传递函数G2(S)—被控对象传递函数H(S)—反馈系统传递函数G1(S)G2(S)H(S)R(S)B(S)E(S)N(S)M(S)C(S)+-++机械工程学院开环传递函数：反馈与偏差之比闭环传递函数：输入与输出之比干扰的闭环传递函数：输出与噪声之比系统误差的函数：偏差与输入之比.控制系统的一般结构及传递函数机械工程学院二、进给伺服系统的数字模型及传递函数闭环进给伺服系统的一般结构：位置控制调节器速度控制调节与驱动位置检测单元位置控制单元速度控制单元++-－电机机械执行部件CNC插补指令UgUpUθmθDXD速度检测装置XAXCXD△D机械工程学院1.位置控制单元的数学模型位置控制单元是以XC为输入以UP为输出的一个控制环节，位置调节器一般采用比例调节，放大系数为KN，则有：取拉氏变换得：

结构框图：KNKfP+－X0XAXCUp二、进给伺服系统的数字模型及传递函数机械工程学院2.速度控制单元的数学模型速度控制单元是以指令电压UP

为输入，电机的驱动电压U为输出的控制环节，速度调节器通常采用PI调节，驱动放大是比例环节，若忽略非线性和滞后特性的影响，可视它们为比例环节，则传递函数为KA

，速度反馈环节的传递函数为KV

，则有：取拉氏变换得：结构框图：KASKV+－UGUPU△U二、进给伺服系统的数字模型及传递函数机械工程学院3.直流伺服电机的数学模型直流伺服电机是以驱动电压U为输入，电机的角位移m为输出的变换环节，其数字模型是根据电机电枢电势平和电机转矩衡方程导出的（参见参考书P127~P128）：式中：Tm=RaJa/KeKT电机的机械时间常数Km=1/Ke电机的增益系数

KR=Ra/KT

二、进给伺服系统的数字模型及传递函数机械工程学院拉氏变换得：结构框图：+－++二、进给伺服系统的数字模型及传递函数机械工程学院

由此可知：电机输出的角位移由两部分组成，一是无负载时由控制U(S)的激励而产生的输出，另一部分是由负载的扰动产生的输出。而且经适当的简化后，直流伺服电机可视为一个惯性环节和一个积分环节串联而成。二、进给伺服系统的数字模型及传递函数机械工程学院4.机械传动与执行单元的数学模型

机械传动与执行单元的输入为电机的角位移θm，输出为工作台的线位移X0，其机械系统力平衡方程为：拉氏变换：二、进给伺服系统的数字模型及传递函数机械工程学院结构框图：－+＋+由此可知，机械系统可视为一个二阶振动环节。二、进给伺服系统的数字模型及传递函数机械工程学院5.整个进给伺服系统的数学模型由图可知：X0是对XC和FD

两个激励的响应，根据叠加原理，可先分别求出每个激励单独作用的响应，然后进行叠加。KNKfP+－XAXCKASKV+－UG△U+－++－+＋+Up二、进给伺服系统的数字模型及传递函数机械工程学院当FD=0时，仅有XC

激励的传递系数二、进给伺服系统的数字模型及传递函数机械工程学院当XC

,FD同时激励时系统的响应二、进给伺服系统的数字模型及传递函数机械工程学院三、进给伺服系统的性能分析

系统增益KS(开环增益，速度增益)

KS是进给伺服系统的重要性能参数，为了说明其物理意义，可对上述系统进行一些简化：假设上述各环节均是理想的，即各环节均是无惯量，无阻尼，刚度为无穷大，且无速度环，则：机械工程学院XCKNKAKfPKM+-△DUPUθmX0三、进给伺服系统的性能分析机械工程学院

KS对系统动态性能的影响进给伺服系统的输入通常是斜坡激励：FT（1/KS）tKSFT（1/KS）t三、进给伺服系统的性能分析机械工程学院讨论

KS与输出速度的关系当KS

↑时，到达F

所需的时间越短，系统的响应加快，灵敏度增高。

KS与系统的加速度的关系当KS

↑

时，系统的加速度增大，尤其是在刚启动时，它使系统的响应加快，但对系统的冲击也大，尤其对惯性较大的系统，将产生很大的冲击力，另外，加速度太大也可能系统超调，引起系统失稳。三、进给伺服系统的性能分析机械工程学院KS与跟随误差△D的关系。

KS↑→△D↓即：有利于提高系统的跟随精度。结论：KS的选择，要综合考虑，折衷选取，才能获得优良的综合性能。三、进给伺服系统的性能分析机械工程学院

KS的初选方法在工程调试中，KS可按下列方式初选：

Mm、ML：分别是电机的输出转矩和负载转矩；

GDm2、GDL2：分别是电机转子和负载等效飞轮惯量三、进给伺服系统的性能分析机械工程学院数控系统中KS的设定方法由前面的推导可知：

KN：位置环增益；KA：速度环增益

Km：电机增益L/2π：机械系统增益其中：KA、Km、L/2π

在数控系统、伺服系统和机械系统选定后便确定了，而KN

是作为可调参数，允许用户根据具体情况选定，以满足系统的稳定性和快速度性的要求。三、进给伺服系统的性能分析机械工程学院.定位精度

定位精度的检查通常是在空载的情况进行的，即无负载力（Fc=0）。只有摩擦力，而且系统接受的是阶跃位置指令，即：闭环系统的定位误差为：三、进给伺服系统的性能分析机械工程学院三、进给伺服系统的性能分析机械工程学院半闭环系统的定位误差三、进给伺服系统的性能分析机械工程学院讨论

由可知，为减小定位误差可采用下列措施：减小传动间的摩擦力Fcr，如采用滚动传动取代滑动。增大KN、KA，其实质增大KS(在系统稳定的范围内)。减小KR

（=Ra/KT），即选择KT

在的伺服电机。在半闭环系统中，要尽可能增大传动机构的刚度K，这是因为当K较小时，将产生较大的弹性变形，从而加大定位误差。三、进给伺服系统的性能分析机械工程学院四、进给伺服系统参数的匹配

进给伺服系统是由电气、机械等环节组成的一个整体，其组成环节的特性参数对整体系统的特性的影响。从理论上讲，可以根据要求与系统的数学模型确定其参数，但是由于进给伺服系统工作条件复杂多变，尤其是机械系统的阻尼、刚度、惯量等参数，尚无完善的计算方法。因此在进行设计和调试时，除必要的理论计算外，还必辅之以实验分析和类比法，利用已有的系统的参数和经验数据进行新的设计，这是目前常用的办法。下面定性分析和介绍几个重要参数对系统性能影响及其确定方法。机械工程学院.阻尼

阻尼主要与伺服驱动装置的电感、电阻、电机机械部件、机械传动机构的摩擦阻尼和粘性阻尼有关，它对系统的影响是：阻尼大则系统的伺服刚度高，抗干扰能力强，稳定性高。系统的定位精度低，定位的离散程度大。

由此可知，这两方面的矛盾的，应在精度与伺服刚度之间折衷考虑。例如，采用滚动、静压导轨就是减少机械系统的阻尼。它可有效提高定位精度，但系统的稳定性裕度将减小，因此，现在有些进给系统设置了可调阻尼器，或者采用软件的方法来改变系统的阻尼参数。四、进给伺服系统参数的匹配机械工程学院2.惯量执行部件的惯量越小越好，因为惯量越大，时间常数越大，系统的灵敏度变差，且固有频率降低，易发生共振。但由于刚度、强度等方面的原因，惯量的降低受到的限制。一般要求（交流伺服电机）：式中：JL：传动部件折算到伺服电机输出轴上的惯量

Jm：电机的惯量要满足这一要求有两个途径：尽可能使执行部件折算到电机轴上的惯量减小。尽可能使用本身惯量大的电机为驱动源。四、进给伺服系统参数的匹配机械工程学院.刚度

K与固有频率n

刚度是指系统抵抗变形的能力，即：

K=F/e开环系统：K↓→失动量↑→系统的死区↑闭环系统：K↓→n

↓→系统的稳定性↓系统的固有频率n是系统动刚度的重要参数，应注意：机械传动机构的n’>伺服驱动系统n的2-3倍。各个环节的n’应相互错开，以免发生振动耦合现象。各个环节的n应避开系统的工作频率范围，以免在工作频率上发生共振。四、进给伺服系统参数的匹配机械工程学院第七节伺服系统的特性对加工精度的影响

对于轮廓加工系统，要求精确地、实时地同时控制多个坐标轴的位置与速度，但由于系统存在着跟随误差△D

，将可能会影响多坐标轴运动合成轨迹的精确性，产生轮廓误差。机械工程学院一.跟随误差△D的含义及特性定义：指令位置D0i与实际位置Dai之差称为跟随误差△D。跟随误差△D是由进给伺服系统各环节信息传递延迟效应引起的。实际位置滞后指令位置。当执行部件进入匀速运动时△D为常数。当它减速并停止时，△D逐渐减少到零。当位置环为P调节时，△D与F、KS的关系为：△D=F/KS

D0titp△DttDAD0DADFAF0FFt机械工程学院二.跟随误差△D对轮廓加工精度的影响

△D对直线轮廓加工精度的影响加工直线时两轴的输入指令为：

XY△DY△DXεAA’ααβ机械工程学院XY△DY△DXεAA’ααβ由于存在跟随误差△DX、△DY在某时刻指令位置在A点，实际位置在A′点，则有：二.跟随误差△D对轮廓加工精度的影响机械工程学院轮廓误差ε的几何求法：XY△DY△DXεAA’ααβKS：平均系统增益；△KS：两轴系统增益差；△KS/

KS：系统增益失配量二.跟随误差△D对轮廓加工精度的影响机械工程学院讨论当KSX=KSY

时，△KS=0，ε=0；这说明当两轴系统增益相等时，跟随误差△DX

、△DY对轮廓精度无影响。XY△Dy△Dxε=0AA’ααβ二.跟随误差△D对轮廓加工精度的影响机械工程学院XY△DY△DXεAA’ααβ当两轴增益不一致，但KSX、KSY常数时，Ks、△Ks为常数，则ε为常数，也就是说，直线的轮廓形状无误差，但位置偏离了原位置。二.跟随误差△D对轮廓加工精度的影响机械工程学院XY△DY△DXεAA’ααβ当两轴增益不一致，且KSX、KSY不是常数时，则ε不是常数，也就是说，将产生轮廓形状误差，即加工出的轮廓就不是直线了。二.跟随误差△D对轮廓加工精度的影响机械工程学院在同等情况下：轮廓误差ε与△KS

成正比，与KS

的平方成反比，与进给速度成F

正比。当加工45°直线时