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步进电机

步进电机流行于上世纪70年代，该系统结构简单、控制容易、维修方便，且控制为全数字化。随着计算机技术的发展，除功率驱动电路之外，其它部分均可由软件实现，从而进一步简化结构。因此，这类系统目前仍有相当的市场。目前步进电机仅用于小容量、低速、精度要不高的场合，如经济型数控设备、打印机、绘图机等计算机的外部设备。11步进电机是一种将电脉冲信号转化为机械角位移的电磁机械装置。由于所用电源是脉冲电源，所以也称为脉冲马达。步进电机和一般电机不同，一般电机通电后连续转动，而步进电机则随输入的脉冲按节拍一步一步地转动。对步进电机施加一个电脉冲信号时，步进电机就旋转一个固定的角度，称为一步。每一步所转过的角度叫做步距角。12

步进电机的角位移量和输入的脉冲数成正比。在时间上与输入的脉冲同步。因此，只需要控制输入脉冲的数量、频率及电机绕组通电相序，便可以获得所需要的转角、转速及转动方向。在无脉冲输入时，步进电机在绕组电源激励下，气隙磁场能使转子保持原有的位置而处于定位状态。13步进电机的分类按运动方式分：旋转运动、直线运动式步进电机；按工作原理分：反应式（磁阻式）、电磁式、永磁式；按结构分：单段式（径向式）、多段式（轴向式）；按使用场合分：功率步进电机和控制步进电机；按相数分：三相、四相、五相、六相、八相等；按使用频率分：高频率和低频步进电机；

不同的步进电机，其工作原理、驱动装置也不完全一样。141.三相单三拍CA'BB'C'A3412

A相绕组通电，B、C相不通电。气隙产生以A-A为轴线的磁场，而磁力线总是力图从磁阻最小的路径通过，故电动机转子受到一个反应转矩，在此转矩的作用下，转子必然转到左图所示位置：1、3齿与A、A′极对齐。“三相”指三相步进电机；“单”指每次只能一相绕组通电；“三拍”指通电三次完成一个通电循环。步进电动机的工作原理15CA'BB'C'A3412

同理，B相通电时，转子会转过30角，2、4齿和B、B´

磁极轴线对齐；当C相通电时，转子再转过30角，1、3齿和C´、C磁极轴线对齐。1C'342CA'BB'A16

这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为一个循环周期，一个循环周期包括三个工作脉冲，所以称为三相单三拍工作方式。

按ABCA……的顺序给三相绕组轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转过30°(步距角)，每个通电循环周期(3拍)磁场在空间旋转了360°而转子转过90°(一个齿距角)。2.三相六拍

按AABBBCC

CA的顺序给三相绕组轮流通电。这种方式可以获得更精确的控制特性。17CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412

A相通电，转子1、3齿与A、A'对齐。

A、B相同时通电，A、A'磁极拉住1、3齿，B、B'磁极拉住2、4齿，转子转过15，到达左图所示位置。18CA'BB'C'A3412

B相通电，转子2、4齿与B、B´对齐,又转过15。3412CA'BB'C'AB、C相同时通电，C'、C

磁极拉住1、3齿，B、B'磁极拉住2、4齿，转子再转过15。19三相反赵应式步吃进电动辩机的一扔个通电恒循环周期如下：众AAB乳B辛B顿C古CCA医，每个循环周期分溉为六拍。专每拍转子渠转过15（步距角日），一个通电循咐环周期(6拍)转蜓子转过90(齿距角进)。与单三富拍相比旬，六拍财驱动方睁式的步侮进角更小，更泳适用于夹需要精煮确定位省的控制脾系统中页。3.三相双三塔拍按ABBCCA的顺序给面三相绕组铁轮流通电。每浆拍有两靠相绕组遥同时通茅电。20AB通电CA'BB'C'A3412BC通电3412CA'BB'C'ACA通电CA'BB'C'A3412与单三倡拍方式圣相似，狠双三拍代驱动时抚每个通庭电循环周期笨也分为杏三拍。浆每拍转婶子转过30(步距角模)，一个通电言循环周匀期(3拍)转租子转过90(齿距统角)。21从上述可正知，步距长角的大小双与通电方再式和转子监齿数有关，伟其大小可虏用下式计挽算：α＝36菠0º／舱(Zm)Z－转赢子齿数碧m一运控行拍数22步进电歪动机的季主要性鸭能指标1.步尿距角2.最杏大静转先矩3.空载傅启动频率4.启借动矩频遗特性5.空隶载运行差频率2324步进电机吓开环系统想设计要解决的吹主要问题：①动力披计算撞②相传动计秘算灰③驱动目电路设蛇计或选慢择传动计辽算选择晒合适的吼参数以顶满足脉奸冲当量和进给速务度F的要晋求。图中：f胖—脉冲犁频率（HZ）α—批步距角猴（度量）Z1、Z2—传动消齿轮齿数t—熔螺距(mm)—脉谈冲当量考（mm）步进电机Z1Z2tf，25传动比选腊择：为了凑脉该冲当量mm，也巩为了增大请传递的扭辉矩，在步妹进电机与随丝杆之间剩，要增加鲁一对齿轮品传动副，肿那么，传狸动比夹i=Z1/Z2与α、、t之间有佳如下关么系：α—步京距角，－脉发冲当量昆，t－丝杠导布程。26例1：=在0.01葡mm,若t=替1.5央mm,α=脖1.2兔°步进电机Z1Z2tf，27进给速道度F：一般步进短电机：若：δ=延0.01养mm晌则：若：δ参=0.异001吗mm融则：因此，当fmax一定时网，Fmax与δ成昆正比，饱故我们幼在谈到希步进电折机开环萌系统的愁最高速券度时，晴都应指场明是在而多大的身脉冲当喝量δ下鉴的,否搅则是没会有意义覆的。28提高步进同电机开环岁伺服系统孩传动精度孤的措施影响步进私电机开环面系统传动蓬精度的因竹素：步进电机啊的步距角她精度；机械传动趟部件的精魔度；丝杆等机画械传动部奥件、支承毁的传动间粮隙；传动件婚和支承绞件的变精形。提高步葛进电机摄开环系竟统传动积精度的腿措施适当提高危系统组成宏环节的精拔度；采取各种驴精度补偿炒措施。29传动间拼隙补偿在整个钱行程范络围内测详量传动胆机构传恨动间隙穿，取其常平均值毛存放在怕数控系割统中的机间隙补途偿单元拔，当进磁给系统向反向运励动时，脚数控系耕统自动衫将补偿罢值加到锋进给指茎令中，等从而达填到补偿棋目的。螺距误差腐补偿利用计扎算机的发运算处改理能力幻玉，可以垂补偿滚许珠丝杠尺的螺距娱累积误吩差，以产提高进戴给位移翠精度。方法：丈首先测青量出进嗽给丝杠桶螺距误薄差曲线惑(规律醋)，然鞠后可采颠用下列重两种方滑法实现摄误差补告偿：硬则件补偿秘、软件土补偿。30例2设X-泛Y工杨作台由顽步进电睁机直接聋经丝杆衣螺母副推驱动，闲丝杆螺绝距为5域mm，淡步进电鞠机步距朗角为1毛50，工作方佩式三相六魂拍，工作端台最大行其程为40菌0mm，钱求：（1）脉党冲当量；（2）烂微机发凳出的脉逗冲总数盘是多少立？31(2)计留算脉冲数欺n，由n=L(工作台悬最大行程缩慧）所以，混脉冲数内为：n=L/=40判0/0.哀0208杨3=19熄200步解：（1）溪由计算捡脉冲当核量：360=L0已知，L0=5mm驳，=150求脉冲帅当量计算=5践/36尿01.5圈=0.0腿2083宏(mm)326.3哗闭环伺服魂系统与与米反馈比较择形式6.3.妥1闭环贼与半闭环唇伺服进给猾系统在闭环控穿制系统中楼，传感器妙安装在控挠制目标部餐件上，直像接检测目机标的运动重，并将目杆标的有关液信息反馈疗到控制器删，由控制盈器进行反块馈控制。楼具有反馈炉环节的控呜制系统具惯有抑制干堤扰的能力尘，控制精悠度较高；搜但是反馈呜环节的引伞入增加了拜系统的复随杂性，且贿增益选择忽不当时可稼能会导致愈系统不稳厅定。336.3背闭环括伺服系蹄统与与含反馈比挣较形式6.3母.1垃闭环与符半闭环羡伺服进名给系统在半闭环姿控制系统担中，传感抓器安装在宜中间部件绪上，控制且系统根据牌检测到的狗中间部件宿的状态参钻数推知控傻制目标部蛛件的工作另状态，从糟而对控制卡目标部件贿的工作状竟态进行调牵整，使之袭满足要求没。346.3.芒2数字摘脉冲比较获伺服系统在进给伺恰服系统中捷，脉冲比蛮较伺服系除统应用比赌较普遍。蚂这是因为偶该系统结自构较为简扰单，易于德实现数字揉化的闭环满位置控制巡寿。脉冲比背较伺服系新统的检测寄元件可以奴是光电脉屠冲编码器专或光栅。蒜但普遍采卵用光电编孟码器作为防位置检测柱元件，以自半闭环形究式构成伺蒸服系统。脉冲比撒较伺服驰系统是初将位置膝指令脉寇冲与检蛙测元件咳反馈脉手冲在比贵较器进屑行比较确，得到本位置偏接差脉冲乞信号。拦伺服系酷统根据杯这一偏刑差信号仇去驱动吴电动机炭，原理痕框图如搅图6-乏2所示谈。352.土脉冲比丈较伺服循系统组巩成图6-兵2是以珍光电编平码器为注位置检习测元件蠢的脉冲恰比较伺挡服系统售。它主尖要由下振列部分则组成：36(1)箩由计棕算机数上控制装翻置提供鼻指令的顿脉冲。(2)射反映毁机床工掩作台实允际位置宽的位置氧检测器慨。(3)元完成泽指令信券号与反汁馈信号耍相比较托的比较申器。(4)愉将比较器置输出数字乳信号转变讨成伺服电男动机模拟洽控制信号的数渗/模转换娃器。(5)加执行炒元件（冒伺服电朝动机）表。372.脉茂冲比较棒伺服系她统的工容作原理当数控系友统要求工鱼作台向一逝个方向进凶给时，经淹插补运算教得到一系睛列进给脉你冲作为指冤令脉冲，狠其数量代亚表了工作妹台的指令违进给量，架频率代表而了工作台蓝的进给速瞒度，方向来代表了工龄作台的进眯给方向。族以增量式沙光电编码流器为例，共当光电编边码器与伺穗服电动机什及滚珠丝唯杠直联时层，随着伺槐服电动机蔑的转动，游产生序列罗脉冲输出汇，脉冲的刊频率将随并着转速的造快慢而升货降。现设挡工作台处销于静止状泻态。38（1）指丙令脉冲PC=0，沾这时反郊馈脉冲Pf=0，则Pe=0，停则伺服跑电动机唯的速度广给定为密零，工蝴作台继迁续保持叉静止不病动。（2）轿现有正兔向指令PC+=2，薄可逆计招数器加距2，在耽工作台疏尚未移薪动之前龟，反馈射脉冲Pf+=0，权可逆计指数器输育出Pe=Pc+－Pf+=2－0吸=2，经铁转换，速面度指令为忘正，伺服妙电动机正静转，工作密台正向进右给。（3）工砍作台正向剃运动，即屋有反馈脉到冲Pf+产生，昌当Pf+＝１时，宏可逆计数宪器减１，谎此时Pe=Pc+－Pf+=2－1部＞0，伺武服电动机绞仍正转，咬工作台继迫续正向进划给。（4）当Pf+=2时，Pe=Pc+－Pf+=2－2惕=0，则推速度指令匠为零，伺脾服电动机臭停转，工惑作台停止裙在位置指柜令所要求忘的位置。39当指令脉粒冲为反向PC-时，控制鲜过程与正祸向时相同近，只是Pe＜0，电工作台值反向进掩给。当采用绝求对式编码雪器时，通昆常情况下攀，先将位泻置检测的纱代码反馈雁信号经数吓码－数字丙转换，变循成数字脉资冲信号，湾再进行脉芦冲比较。403.砍脉冲比爽较器(1)脉摧冲比较器扁概述脉冲比浊较伺服莫系统是金将PC的脉冲符甘号与Pf的脉冲亩符号相屠比较，患得到脉斥冲偏差管信号Pe。比较器刮为由加减看可逆计数草器组成的眨数字脉冲赞比较器，奴其组成框朋图如图6葱-3所示作。41PC+、PC-和Pf+、Pf-的加、址减定义秆见表6苏-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脉冲分惩离电路朱的作用输是：在出加、减侮脉冲先音后分别销到来时炭，各自肯按预定贡的要求监经加法诵计数端亮或减法因计数端摄进入可册逆计数夏器。若殿加、减咳脉冲同灵时到来四时，则义由该电犁路保证虎先作加鸭法计数纯，然后位再作减抢法计数叙，这样头可保证若两路计镜数脉冲百均不会呀丢失。43在脉冲择比较伺命服系统慨中，只扭有实现伸指令脉剃冲PC和反馈绒脉冲Pf的比较后国，才能得里出位置的借偏差值△由Pi，所以系四统需要脉馆冲比较器不。图6-搏4为一脉嚷冲比较器劫，其工作优原理是A1、A4、A5、A8、A9为或非闹门；A2、A3、A6、A7为触发绑器；A12为8位移顺位寄存器气；A10、A11为单稳态扫触发器；脏A13为可逆计术数器。当尼PC+与PC-不同时输忠出时，在市A1和A5中同一版时刻只派有一路屡有脉冲偷输出，初A9输出始终勾是低电平忘。如此时未工作台要财做正向进沉给，正向仅指令脉冲逆Pc+出现，体该脉冲踢经A1、A2、A3、A4输出，酬使可逆丑计数器盼A13做加法国计数。4445可逆计榆数器的池内容由弓0变为狗正数，谨其输出件经转换刊和放大佣后，使显伺服电孔动机带桥动工作哨台正向雀移动。遇工作台糕移动后雀，位置欲检测元尺件测得明代表工疯作台位烟置的正杆向反馈舞脉冲Pf+，该脉威冲经A5、A6、A7、A8输出，使竖可逆计数爱器A13做减法筝计数。棒此时，苹可逆计柜数器的惹内容就榴是Pc+和Pf+的偏差词值Pe。当可逆唐计数器的记内容变为灯0时，说隔明偏差值Pe=0，即不工作台的辅实际位置霞等于指令踢要求的位遵移，进给坏过程结束龙。反向进踢给时，反叨向指令脉辛冲PC-使可逆赛计数器球做减法邪计数，凭反向反夹馈脉冲Pf-使可逆计冰数器做加佳法计数，去其他过程汗和正向进绩给相同。46但也有可类能出现指粗令脉冲和馋反馈脉冲站同时输入物的情况。窜如出现这浆种情况，贩为防止可秩逆计数器芦内部操作深因脉冲的抹“竞争”菠而产生误台操作，影婶响脉冲比朱较的可靠妄性，在指机令脉冲和荡反馈脉冲剖进入可逆博计数器之历前，要进述行脉冲分鹿离。如脉环冲比较器裂输入端同感时出现指唇令脉冲和电反馈脉冲裙，则A1、A5的输出同符时为0，占使A9输出为1圆，单稳态聋触发器A10、A11有脉冲灰输出。城A10输出的负广脉冲同时降封锁A3和A7，使指哨令脉冲泊和反馈扩脉冲不赛能通过毒A3和A7而进入可挡逆计数器碍。47A11的正脉侍冲输出扯分成两演路，先料经A4输出到可晚逆计数器扁做加法计千数，再经辫A12延时四个抛时针周期溉（由时钟故脉冲PC产生）通盆过A8输出到可滑逆计数器跳做减法计脉数。由于药脉冲比较巴器具有脉慕冲分离功仇能，所以校在指令脉回冲和反馈债脉冲不同贼时出现时添，脉冲比堤较器进行勒正常的脉馒冲信号比强较。即使端指令脉冲烂和反馈脉助冲同时出尚现，也由建硬件逻辑梢电路保证冠，先做加锋法计数，绪后做减法俯计数，保兽证了两路耽的脉冲不苹会丢失。486.3.葵3相位唉比较伺服呼系统1.相库位比较毯伺服系胁统组成相位比较挪伺服系统秋的检测元匙件可以是网旋转变压慨器、感应叹同步器或从磁栅等。警其特点是仅将位置指于令脉冲和背反馈脉冲霉都变成某翁个载波脉鸣冲的相位圈，在鉴相曲器中进行左相位比较忧，得到实收际相位与钻给定位置垄相位的相回位差Δ洁。原理框辱图如图6伯-5所示已。它主要粥由以下部滚分组成。4950（1）能渴输出一系舱列具有一欢定频率的胞脉冲信号挪，为伺服站系统提供赏一个相位江比较基准密的基准信侮号发生器夕。（2）将平来自计算意机数控装班置的进给驴脉冲转变娘为相位变蛾化信号的普脉冲调相跨器。（3）检痛测工作台莲位移的位沈置检测元爷件（感应墙同步器）王。（4）柄将控制鹿信号与霉反馈信仓号进行华比较，兆输出与性相位差奔成正比帆电压信耐号的鉴条相器。（5）将反鉴相器输虾出的电压集信号进行昼功率和电快压放大的蜘伺服放大基器。51（6）实现脆电信号藏到机械挥位移转贸换的执热行元件主。根据感全应同步沉器工作纵在相位询工作方兔式时有其中，派。赚相位比蛙较的实绵质不是呼脉冲数晨量上的亦比较，恨而是脉舍冲相位线之间的占比较，梁如超前暮或滞后跃多少。刑实现相傅位比较须的比较鸣器为鉴口相器。由于旋逢转变压扭器，感柴应同步近器和磁黑栅等检慈测信号差为电压明模拟信笛号，同建时这些挠装置还逮有励磁短信号，摩故相位唱比较首档先要解辅决信号蚀处理问梯题，即毛怎样形舍成指令勇相位脉舍冲和实少际相位羞脉冲垫。522.相位涝比较伺服伶系统的工岗作原理脉冲—轿相位变捆换器又克称脉冲仰调相器陕，作用曲有两个踢：一是乏通过对谨基准脉今冲进行贫分频，念产生基隐准相位愤脉冲幕，由旅该脉冲头形成的捷正、余极弦励磁伍绕组的者励磁电讲压频率片与孔频率相逗同，感乘应电压柄ud的相位查随援着工作僚台的移提动，相眼对于基渠准相位绳有霸超前或帽滞后；灶二是通章过对指敬令脉冲Pc+、PC-的加、减遥，再通过谨分频产生窃相位超前框或滞后于拉的指河令相位脉携冲。53由于指令兽相位脉冲饼的相烫位和站实际相位里脉冲朵的相位均以基面准相位览脉冲农的相冷位亿为基准边，因此延，和烤通散过鉴相疑器即能厚获得拍超前淹，路还是路超前凡，赚或两者疫相等。缝如(图6-腰6)所示为Pc+=2时菜的相位欣比较波守形图。(1)当总无进给指坚令时，即Pc+=0，盖工作台翁静止，爬指令脉亲冲的相雪位优与基准铲脉冲相顷位荣同相位适，同时际因工作攀台静止嫌无反馈心，故实乐际相位耽也托与基准念脉冲相米位搭同相位黑，经鉴太相器，则速语度控制烤信号为累零，伺年服电动上机不转篮，工作华台仍静盆止，如颤图6-枪6a所腐示。54(2)有氏正向进给谁指令，Pc+=2，在穷指令获得威瞬时，工拘作台仍静鼻止，此时涛，指令脉臭冲的相位牵超前哲基准相位余，但郊实际位置叠相位葬保持不变咬，经鉴相食器萍，摊速度控制叠信号大于需零，伺服请电动机正搅转，工作塘台正向移兼动，如图佛6-6b鸣所示。(3)随拴着工作台推的正向移贯动，有反孩馈信号产券生，由此近产生的实照际相位斑超前基傅准相位纷，但福仍超前址，经申鉴相器，速度李控制信床号仍大变于零，堤伺服电泰动机正泊转，工棚作台仍感正向移哈动，如镜图6-营6c所省示。55图6-犯6相魔位比较靠波形图56图6-6乡丰相位比钱较波形图57(4)随伪着工作台才的继续正蓝向移动，粗实际相位洁超前分基准相位枝的数繁值增加，呼当招时，坛经鉴相器送，速敲度控制信于号为零，识伺服电动常机停转，乘工作台停讲止在指令机所要求的幼位置上，体如图6-璃6d所示改。当进给机为反向端指令时蹦，相位削比较同树正向进备给类似调。所不租同的是怖指令脉厦冲相对屈于基准接脉冲为识减脉冲辫，故指暂令相位位相狡对于基犹准相位股滞倘后，同狼时，实凯际相位幻玉相超对于基隔准相位耗也岂为滞后荐，经鉴雾相器比纠较后所抹得的速谜度指令杨信号为丽负，伺绳服电动燥机反转廊，工作倍台移动妄至指令李位置。58鉴相器隔的输出尚信号通雁常为脉滤宽调制誓波，需士经低通晴滤波器萝去高次范谐波，笑变换为逐平滑的悬电压信碗号，作忌为速度办控制信崖号，同酿时，鉴谊相器还捷必须对疑超前和缴滞后做丝式出判别难，使得讯速度控认制信号Up在正向谷指令为农正，在妥反向指判令为负筛。至于一绑个脉冲施相当于南多少相仪位增量灶，取决芝于脉冲抢—相位算变换器被中的分筛频系数N和脉冲当腔量。如感救应同步器拴一个节距志τ=2m却m（相当宴360°斯电角度）座，脉冲当只量δ=0生.001略mm/谈脉冲，则筐相位增量设为δ/τ洁×360灯°=0.迹001/梁2×36抬0°=0慢.18°图/脉冲，炕即一个脉觉冲相当于卧0.18粪°的相位僚移，因此篇需要将一姑个节距分斧成200妙0等份，鉴即分频系僚数N=2鄙000（雹0.18之°×20臭00=3薯60°）旁。在感应立同步器遍中，相廉位角陡与直疗线位移学X成正柳比，当休采用旋局转变压箭器时，发相位角伴即抗为角位聚移本身似。593.脉冲少调相器脉冲调相饿器是将脉麦冲数量转炎换成相应踪蝶相位的装详置。图6醉-7为脉陆冲调相器叮的工作原澡理框图，卵该系统分邪为基准分汤频通道和遍调相分频只通道两部德分。由基岔准脉冲信枕号发生器突产生的基滋准脉冲信白号f0分成两路购。一路输碰入基准分蓄频通道，扣通过分频取、分相和稠滤波电路吃得到两相糊励磁信号来和石，刃并经功放洗后加于感势应同步器蒸滑尺的s建in绕组集和cos侄绕组作为谢励磁，它窃们与基准娘信号有确诸定的相位乡丰关系。另爸一路输入懂调相分频挨通道，和姨指令脉冲冠一起作用霜，产生指施令相位信忠号。6061脉冲调谱相器的追工作原传理如下稠：回路虽中有标线准计数掏器和X计数器，老两计数器复的分频数督相同。在逗基准脉冲冒信号触发言标准计数亩器和X计数器贺之前，撕先向X计数器输左入一定数编量的指令知脉冲PC+。当基述准脉冲弓信号触沾发两计卫数器后乞，两计捉数器输巡寿出的信脖号频率抄相同，泼但相位在却不同乖。由于药标准计但数器是N分频，朱所以N个基准脉揪冲会使标够准计数器部的输出变方化一个周涨期，即3深60°。X计数器近输入端酷同样接扯收到N个基准脉免冲，但由圣于先前X计数器已租接收了PC个正指令刷脉冲，实泉际上X计闭数器接收杰了N+PC个脉冲鸭，所以犁它的输芬出在变梢化到3里60°商后，又腔变化了1=（PC/N）×36顺0°，即X计数器汁的相位井超前了绿标准计铜数器1，其波形聪如图6-蒜8所示。62实际工作僚中，输入便指令脉冲视是在基准召脉冲触发珍两计数器罚的同时进辅行的。若椅指令脉冲辆为PC+，则标课准计数洗器在接菌收到N1＜N个基准躁脉冲，酸即输出设还没有迫到达一慈个周期农时，X计数器少已经接缠收了N1+PC=N个脉冲，既完成了一榆个周期。咳结果使X计数器脂的相位殊比较标穿准计数珍器超前毕了（1=PC+/N×36束0°）像，如图框6-8握所示。636465利用标配准计数范器和X密计数器洪实现数泰量到相众位的变缘瑞换时，边必须使想基准脉派冲在向逝两计数软器输入感的过程忍中，能事加入一梯定的指浅令脉冲栏。这个扒功能由痰脉冲加挠减器完程成，如奏图6-袭10所颜示。定、是由基准初脉冲发生耐器发出的谊在相位错象开180长°的同频继率信号，伪是主频顽率，经与延非门Ⅰ输芽出，作为泽计数器的躺基准脉冲敞。是指令碑脉冲的脸同步信召号。当简没有指倒令脉冲得时，与桶非门Ⅰ骡开，A脉冲由此植通过。当甩输入一个园PC－指令脉亲冲时，嫁触发器1的Q1变为1，疑触发器2的Q2也变为舞1，由全于匪为0，电封住了广与非门饰Ⅰ，所采以扣除接了一个炸序列熟脉冲。耗当输入圆一个PC+指令脉冲旺时，触发盐器C3的Q3变为1，裙触发器C4的Q4也变为1闯。出现故脉冲时，Q4和B端均为1逐，与非门俱Ⅱ打开，境脉冲进入许最后的输痕出端。由微于、迷错相18堪0°，所宋以使序奥列脉冲中庄插入一个着序列脉见冲。66图6-1善0脉冲蛙加减器房诚（一）67图6-1役0脉冲么加减器团（二）68为了将唐指令信稼号与反野馈信号而进行相久位比较作，需要滨应用鉴延相器。退图6-罢11为提半加器蜜鉴相线削路及波炊形图，倾指令信队号和位搬置信号仰分别经僵触发器冒进绩入半加畏器。半肯加器输廊出的逻妙辑函数祥为。式中为冠指令信号创的二分之洲一分频，促为位置信姐号的二分锐之一分频筑。若尿、信号立相位相同液，则或门陶两输入端膏同时为0刑，S=0。馒如植信号超咳前碧信号△θ相位，A信号来到顽时，B信号还没盯有出现。痰此时，动=1，肝=0，上算与门输出势为1，下隆与门输出问为0，或势门输出端S=1。4.鉴相糟器69信号也出夸现时，蛮=1，勺=1，使草两与门输帐出均为0耐，或门输万出端S=0。么由于滚信号侵相位超低前，瓶=0时送，仍有秤=古1，使槽上与门凑输出为裤0，下斗与门输搁出为1额，或门抚输出端京又有S=1，谨直到和序都为0应，或门注又为S=0。聚有关信集号的波陪形图见劝图6-混10。等从图中暑可以看斧出，S信号是液一个周庄期的方咱波脉冲香，它的思波脉宽引度与南、脏两信号歉的相位席差△成正比但。可以射通过低酸通滤波抽的方法气取出它剃的直流新分量，述作为相餐位差△的电平般指示。△越大，S端输出谱方波的塘平均电挖压越大碎。70信号是超罚前还是滞假后信号，周可借助于NE端来判断贷。输出端忙为NE的触发器蝇由下训降沿触发狡。当接于副端的套信号坚超前于糊信号时技，领先正于从税1变为0牲，触发鹊器由吓信号的下蠢降沿触发责时，端悉的信朱号已为0反，所以NE端也为0左，如图6娃-10b敲所示。当以接于防端的霉信号滞后轻于信号时浆，领先俯从1材变为0，早触发器签由信财号的下降梨沿触发时演，端的俗信号资仍为1，陷所以NE端也为1样。71726.3导.4填幅值比嗽较伺服植系统幅值比文较伺服蜘系统是晕以位置演检测信兽号的幅董值变化需来反映专机械位膀移的大行小，并问以此作访为位置酒反馈信刃号，与蹲指令信哲号进行璃比较构染成的闭协环控制步系统。铜该系统循的特点捆之一是写所有的冰位置检晚测元件萄都工作鼠在幅值初工作方由式。幅驳值比较考伺服系年统常用以感应同旋步器和办旋转变悟压器作煮为位置景检测元安件。幅茎值比较谦伺服系烈统实现誓闭环控产制的过大程与相窗位比较暗伺服系起统相类黑似。731.幅值工比较伺服治系统的组端成和工作烟原理(1)写幅值比较荷伺服系统匪的组成图6-库12是劫采用感垂应同步染器作为骗位置检添测元件幼的幅值穷比较控咏制系统晚。它主缘瑞要由以付下部分站组成：74①完成指刊令脉冲与棵反馈脉冲原比较的比镜较器。②将比泡较器输蝇出数字慕信号转昼变成伺慨服电动脸机模拟占控制信饼号的数阻/模转邮换器。③将模写拟控制磨信号进麦行功率跑和电压宾放大的章伺服放拥大器。④检测惊工作台串位移的齐位置检拆测元件团。⑤为感应狱同步器正茫、余弦绕亿组提供信蝴号的励磁字电路。⑥将定尺斗的输出信厨号转变为顿幅值信号照的鉴幅器脏。⑦将鉴晒幅器的办直流电位压转变岔成反馈裁脉冲的坝电压－甜频率变扛换器。⑧实现忠电信号梨到机械湖位移转火换的执相行元件朗。75(2)号幅值比较舰伺服系统资的工作原冤理当采用荒幅值工国作方式沫时，感晃应同步雹器滑尺森正弦绕压组和分谎别输入序频率相郊同、幅输值成正汪交关系表的励磁偷信号：式中来——染励磁信号情的电压幅索值；——已知骆的电气角投，系统中典可通过改贱变角的大渴小来控制携滑尺励磁棵信号的幅急值；——正眉弦交变友励磁信季号的角跑频率。76当正弦、欠余弦绕组境的励磁信猛号加入后挥，定尺绕蓬组的感应许电动势为栗：式中K——感应常系数；——定恰尺绕组妖与滑尺咳绕组的渡相对位凤移角；E0m——定锯尺绕组阵电动势惠幅值。77若讲，则定克尺绕组承电动势厘幅值E0m≠0。湖利用这惑个原理桐，要测叛量定尺刺与滑尺思之间移贺动的位仁移角幅，可指改变励秀磁信号握角敏的设定娇值，然雾后，测帜量E0m的大小馋，当设执定值兽变化到铁使E0m=0，辜即止时以，就间蹈接地通巴过设定厦值协获得了境定尺和缩慧滑尺之寄间位移幅角揭的实际繁值。所拳以幅值怖比较伺眉服系统斗中，若便要获得充和重之糠间的关锹系，只尼需要检宣测的电运动势即喜可。这好项工作桌由鉴幅俘器来完水成。为熔了实现第闭环控与制，电捐动势幅盾值需经净电压－站频率变佣换电路顾，才能碑变成相基应的数细字脉冲迈。该数吵字脉冲瞧一方面阿与指令股脉冲作嫁比较以唤获得位骨置偏差沾信号，载另一方翠面作为总修改励箭磁信号杆中磨的设定艳输入，铺使艳跟随喊的变约化。78幅值比毯较伺服爹系统具臣体的工因作过程翼如下：博初始状东态时工借作台静右止不动绿，指令堆脉冲，晓，经鉴罢幅器检测累定尺绕组肃的电动势热幅值为0琴，由电压取－频率变咳换电路得乌到反馈脉史冲Pf也为0队。所以买比较器色输出的番位置偏推差Pe=PC－Pf=0，伺俘服电动机怕速度给定闹值为0，误工作台继覆续处于静说止状态。当系统接蛛收到正的崇指令脉冲PC＞0时，控工作台仍议保持静止今状态，和抄均没有变骄化，反馈血脉冲Pf仍为0月。因此泻，比较添器输出损的位置印偏差Pe=PC－Pf＞0，击该偏差困是一数做字量，塔所以在采比较器域和伺服蚀放大器慨之间设扒有数－盟模转换焰器，使膨其成为琴伺服系之统的速食度给定倚信号。79于是，伺权服电动机裁带动工作掘台正向进绝给，同步淹感应器滑汪尺相对于蛇定尺产生由位移。此融时定尺和挖滑尺间的郑位移角备超前于咱励磁信号工的电气角密，定闻尺绕组电与动势幅值E0m＞0，经削前置放大马器、鉴幅齐器和电压痒－频率变熔换器，转栏换成相应贿的的反馈趁脉冲Pf。脉冲Pf一方面熄与指令语脉冲作标比较，贝获得位俗置偏差Pe=PC－Pf；另一肯方面输今入励磁倡电路，套作为修夕改励磁正信号电劲气角吐的设肠定输入维，使尽跟随赔变吧化。若队仍有Pe=PC－Pf＞0，溪则工作深台还没尿有指令骨要求的芦位置，粒伺服电藏动机继艳续带动泉工作台合移动，敏反馈脉夕冲Pf和励磁信灯号电气角暮继续根变化。直现到使位置土偏差Pe=PC－Pf=0，际伺服电帖动机速烘度给定败值0。诱此时，灶=毛，定场尺绕组夫电动势粪幅值E0m=0，提工作台楚又处于致静止状款态。80若系统接絮收到负的困指令脉冲惠，整个系鄙统的检测单、比较及蒸控制过程种与系统接午收到正的垃指令脉冲零类似。只版是工作台筛向反向进肃给，定尺旨与滑尺之授间的位移雾角滞左后于励磁旗信号的电资气角援，被，使维跟随戒变化，穿直到到达厦负向指令趟要求的位席置，工作男台又处于皇静止状态安。从上可以陕看出，在交幅值比较各伺服系统剧中，励磁复信号的电云气角掌是由系统先设定的，额并跟随工暮作台的进渴给而被动预变化的，堪所以可以话利用作为帖工作台实炊际位置的钱测量值。顿当工作台蚕到达进给议指令要求舰的位置并土稳定后，落有煎，数偷显装置显城示的电气抖角，第实际上就贵是的位移训角，素即工作台填的位移量蜓。812.鉴幅冒器82图6-皮13为薄鉴幅器雹原理图挂。输入怒端的e0是感应同酿步器定尺锣绕组的感赴应电动势薯，由式e0=E0msinω霜t可知，e0是交变修电动势控。该信毯号首先耳通过低众通滤波郊器Ⅰ，缝滤去交壮变信号梦中的高芹次谐波厉和干扰育信号，击获得较柏为理想裁的正弦芝波形。千通过运亏算放大轨器将信忌号脆放大。坑然后，芳由互为丽反向的宽开关信赤号SL和实撑现通道的柿通断控制素，其开关携频率与输贯入信号相温同。由图叶5-14邀a可见，季在e0信号的短0～π斑区间，SL=1，使S1接通，e0信号经且、S1，到达望低通滤谣波器Ⅱ消的输入姿端UE；e0信号的π晌～2π区数间，=1，葱使S1接通，e0信号经A1、反向器A2、S2，到达狗低通滤谊波器Ⅱ成的输入君端UE。83工作台做意正向运动变时，由于外反向器A2的作用，袍使e0负半周也画变成正半怨周信号。雷这样在UE处得到了佩一单向脉草动的直流恼信号。该狭信号经低旷通滤波器怒Ⅱ后，鉴吴幅器输出迎信号为一市平滑的直绘流信号UF。从图中由可