数控机床伺服系统概述

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1数控机床伺服系统概述第1页6.1概述6.1.1伺服系统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、位置调解单元和对应检测装置（如光电脉冲编码器G）等组成。普通闭环伺服系统结构如图6.1所表示。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数控机床伺服系统概述第2页开环伺服系统闭环伺服系统半闭环系统

（1）按调整理论分类3数控机床伺服系统概述第3页电液伺服控制系统电气伺服控制系统（2）按使用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数控机床伺服系统概述第4页（1）高精度因为数控机床动作是由伺服电动机直接驱动，为了确保移动部件定位精度，对进给伺服系统要求定位准确。普通要求定位精度到达0.01～0.001mm；高档设备定位精度要求到达0.1µm以上。速度控制要求在负载改变时有较强抗扰动能力，以确保速度恒定。这么才能在轮廓加工中确保有很好加工精度。6.1.2伺服系统基本要求

5数控机床伺服系统概述第5页（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，能在短暂调整过程后，到达新或者恢复到原来平衡状态，对伺服系统要求有较强抗干扰能力。稳定性是确保数控机床正常工作条件，直接影响数控加工精度和表面粗糙度。6数控机床伺服系统概述第6页（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快速响应特征，即要求跟踪指令信号响应要快。这就对伺服系统动态性能提出了两方面要求：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，或从最大降低到零，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；其次，当负载突变时，过渡过程恢复时间要短且无振荡，这样才能达到光滑加工表面。7数控机床伺服系统概述第7页（4）调速范围宽当前数控机床普通要求进给伺服系统调速范围是0～30m/min，有已到达240m/min。除去滚珠丝杠和降速齿轮降速作用。伺服电动机要有更宽调速范围。对于主轴电动机，因使用无级调速，要求有（1:100）～（1:1000）范围内恒转矩调速以及1:10以上恒功率调速。（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。当代数控机床，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数控机床伺服系统概述第8页（6）较强过载能力因为电动机加减速时要求有很快响应速度，而使电动机可能在过载条件下工作，这就要求电动机有较强抗过载能力。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惯量，因为要求系统快速响应性能好，因而电动机惯量要与移动部件惯量匹配。通常要求电动机惯量大于移动部件惯量。9数控机床伺服系统概述第9页6.2开环控制系统与步进电机6.2.1开环控制系统组成开环控制系统不存在反馈步骤，系统输出只受输入控制。开环控制系统含有结构简单，比较经济优点，其缺点是控制精度和抑制干扰能力较差，且对系统参数变动敏感。10数控机床伺服系统概述第10页6.2.2步进电机

步进电机流行于上世纪70年代，该系统结构简单、控制轻易、维修方便，且控制为全数字化。伴随计算机技术发展，除功率驱动电路之外，其它部分均可由软件实现，从而深入简化结构。所以，这类系统当前仍有相当市场。当前步进电机仅用于小容量、低速、精度要不高场所，如经济型数控设备、打印机、绘图机等计算机外部设备。11数控机床伺服系统概述第11页步进电机是一个将电脉冲信号转化为机械角位移电磁机械装置。因为所用电源是脉冲电源，所以也称为脉冲马达。步进电机和普通电机不一样，普通电机通电后连续转动，而步进电机则随输入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角度，称为一步。每一步所转过角度叫做步距角。12数控机床伺服系统概述第12页

步进电机角位移量和输入脉冲数成正比。在时间上与输入脉冲同时。所以，只需要控制输入脉冲数量、频率及电机绕组通电相序，便能够取得所需要转角、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位置而处于定位状态。13数控机床伺服系统概述第13页步进电机分类按运动方式分：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）；按使用场所分：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；

不一样步进电机，其工作原理、驱动装置也不完全一样。14数控机床伺服系统概述第14页1.三相单三拍CA'BB'C'A3412

A相绕组通电，B、C相不通电。气隙产生以A-A为轴线磁场，而磁力线总是力图从磁阻最小路径经过，故电动机转子受到一个反应转矩，在此转矩作用下，转子必定转到左图所表示位置：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。步进电动机工作原理15数控机床伺服系统概述第15页CA'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数控机床伺服系统概述第16页

这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为一个循环周期，一个循环周期包含三个工作脉冲，所以称为三相单三拍工作方式。

按ABCA……次序给三相绕组轮番通电，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次序给三相绕组轮番通电。这种方式能够取得更准确控制特征。17数控机床伺服系统概述第17页CA'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

，抵达左图所表示位置。18数控机床伺服系统概述第18页CA'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数控机床伺服系统概述第19页三相反应式步进电动机一个通电循环周期以下：AABBBCC

CA，每个循环周期分为六拍。每拍转子转过15（步距角），一个通电循环周期(6拍)转子转过90

(齿距角)。与单三拍相比，六拍驱动方式步进角更小，更适合用于需要准确定位控制系统中。3.三相双三拍按AB

BC

CA次序给三相绕组轮番通电。每拍有两相绕组同时通电。20数控机床伺服系统概述第20页AB通电CA'BB'C'A3412BC通电3412CA'BB'C'ACA通电CA'BB'C'A3412与单三拍方式相同，双三拍驱动时每个通电循环周期也分为三拍。每拍转子转过30(步距角)，一个通电循环周期(3拍)转子转过90

(齿距角)。21数控机床伺服系统概述第21页从上述可知，步距角大小与通电方式和转子齿数相关，其大小可用下式计算：

α＝360º／(Zm)Z－转子齿数m一运行拍数22数控机床伺服系统概述第22页步进电动机主要性能指标1.步距角2.最大静转矩3.空载开启频率4.开启矩频特征5.空载运行频率23数控机床伺服系统概述第23页24数控机床伺服系统概述第24页步进电机开环系统设计要处理主要问题：

①动力计算②传动计算③驱动电路设计或选择

传动计算选择适当参数以满足脉冲当量

和进给速度F要求。图中：f—脉冲频率（HZ）α—步距角（度）Z1、Z2—传动齿轮齿数t—螺距(mm)

—脉冲当量（mm）步进电机Z1Z2

tf，

25数控机床伺服系统概述第25页传动比选择：为了凑脉冲当量

mm，也为了增大传递扭矩，在步进电机与丝杆之间，要增加一对齿轮传动副，那么，传动比i=Z1/Z2与α、

、t之间有以下关系：

α—步距角，

－脉冲当量，

t－丝杠导程。26数控机床伺服系统概述第26页例1：=0.01mm,t=1.5mm,α=1.2°步进电机Z1Z2

tf，

27数控机床伺服系统概述第27页进给速度F：普通步进电机：若：δ=0.01mm则：若：δ=0.001mm则：所以，当fmax一定时，Fmax与δ成正比，故我们在谈到步进电机开环系统最高速度时，都应指明是在多大脉冲当量δ下,不然是没有意义。28数控机床伺服系统概述第28页提升步进电机开环伺服系统传动精度办法

影响步进电机开环系统传动精度原因：步进电机步距角精度；机械传动部件精度；丝杆等机械传动部件、支承传动间隙；传动件和支承件变形。

提升步进电机开环系统传动精度办法适当提升系统组成步骤精度；采取各种精度赔偿办法。29数控机床伺服系统概述第29页传动间隙赔偿

在整个行程范围内测量传动机构传动间隙，取其平均值存放在数控系统中间隙赔偿单元，当进给系统反向运动时，数控系统自动将赔偿值加到进给指令中，从而到达赔偿目标。

螺距误差赔偿利用计算机运算处理能力，能够赔偿滚珠丝杠螺距累积误差，以提升进给位移精度。方法：首先测量出进给丝杠螺距误差曲线(规律)，然后可采取以下两种方法实现误差赔偿：硬件赔偿、软件赔偿。30数控机床伺服系统概述第30页例2

设X-Y工作台由步进电机直接经丝杆螺母副驱动，丝杆螺距为5mm，步进电机步距角为150，工作方式三相六拍，工作台最大行程为400mm，求：（1）脉冲当量；（2）微机发出脉冲总数是多少？31数控机床伺服系统概述第31页(2)计算脉冲数n，由n

=L(工作台最大行程）所以，脉冲数为：n=L/=400/0.02083=19200步解：

（1）由计算脉冲当量：360=

L0

已知，

L0=5mm，

=150求脉冲当量计算=5/3601.5=0.02083(mm)32数控机床伺服系统概述第32页6.3闭环伺服系统与与反馈比较形式6.3.1闭环与半闭环伺服进给系统在闭环控制系统中，传感器安装在控制目标部件上，直接检测目标运动，并将目标有关信息反馈到控制器，由控制器进行反馈控制。具有反馈步骤控制系统具有抑制干扰能力，控制精度较高；不过反馈步骤引入增加了系统复杂性，且增益选择不当初可能会导致系统不稳定。33数控机床伺服系统概述第33页6.3闭环伺服系统与与反馈比较形式6.3.1闭环与半闭环伺服进给系统在半闭环控制系统中，传感器安装在中间部件上，控制系统依据检测到中间部件状态参数推知控制目标部件工作状态，从而对控制目标部件工作状态进行调整，使之满足要求。34数控机床伺服系统概述第34页6.3.2数字脉冲比较伺服系统在进给伺服系统中，脉冲比较伺服系统应用比较普遍。这是因为该系统结构较为简单，易于实现数字化闭环位置控制。脉冲比较伺服系统检测元件能够是光电脉冲编码器或光栅。但普遍采取光电编码器作为位置检测元件，以半闭环形式组成伺服系统。脉冲比较伺服系统是将位置指令脉冲与检测元件反馈脉冲在比较器进行比较，得到位置偏差脉冲信号。伺服系统依据这一偏差信号去驱动电动机，原理框图如图6-2所表示。35数控机床伺服系统概述第35页2.脉冲比较伺服系统组成图6-2是以光电编码器为位置检测元件脉冲比较伺服系统。它主要由以下部分组成：36数控机床伺服系统概述第36页(1)由计算机数控制装置提供指令脉冲。(2)反应机床工作台实际位置位置检测器。(3)完成指令信号与反馈信号相比较比较器。(4)将比较器输出数字信号转变成伺服电动机模拟控制信号数/模转换器。(5)执行元件（伺服电动机）。37数控机床伺服系统概述第37页2.脉冲比较伺服系统工作原理当数控系统要求工作台向一个方向进给时，经插补运算得到一系列进给脉冲作为指令脉冲，其数量代表了工作台指令进给量，频率代表了工作台进给速度，方向代表了工作台进给方向。以增量式光电编码器为例，当光电编码器与伺服电动机及滚珠丝杠直联时，伴随伺服电动机转动，产生序列脉冲输出，脉冲频率将伴随转速快慢而升降。现设工作台处于静止状态。38数控机床伺服系统概述第38页（1）指令脉冲PC=0，这时反馈脉冲Pf=0，则Pe=0，则伺服电动机速度给定为零，工作台继续保持静止不动。（2）现有正向指令PC+=2，可逆计数器加2，在工作台还未移动之前，反馈脉冲Pf+=0，可逆计数器输出Pe=Pc+－Pf+=2－0=2，经转换，速度指令为正，伺服电动机正转，工作台正向进给。（3）工作台正向运动，即有反馈脉冲Pf+产生，当Pf+＝１时，可逆计数器减１，此时Pe=Pc+－Pf+=2－1＞0，伺服电动机仍正转，工作台继续正向进给。（4）当Pf+=2时，Pe=Pc+－Pf+=2－2=0，则速度指令为零，伺服电动机停转，工作台停顿在位置指令所要求位置。39数控机床伺服系统概述第39页当指令脉冲为反向PC-时，控制过程与正向时相同，只是Pe＜0，工作台反向进给。当采取绝对式编码器时，通常情况下，先将位置检测代码反馈信号经数码－数字转换，变成数字脉冲信号，再进行脉冲比较。40数控机床伺服系统概述第40页3.脉冲比较器(1)脉冲比较器概述脉冲比较伺服系统是将PC脉冲符号与Pf脉冲符号相比较，得到脉冲偏差信号Pe。比较器为由加减可逆计数器组成数字脉冲比较器，其组成框图如图6-3所表示。41数控机床伺服系统概述第41页PC+、PC-和Pf+、Pf-加、减定义见表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定义42数控机床伺服系统概述第42页

脉冲分离电路作用是：在加、减脉冲先后分别到来时，各自按预定要求经加法计数端或减法计数端进入可逆计数器。若加、减脉冲同时到来时，则由该电路确保先作加法计数，然后再作减法计数，这么可确保两路计数脉冲均不会丢失。43数控机床伺服系统概述第43页在脉冲比较伺服系统中，只有实现指令脉冲PC和反馈脉冲Pf比较后，才能得出位置偏差值△Pi，所以系统需要脉冲比较器。图6-4为一脉冲比较器，其工作原理是

A1、A4、A5、A8、A9为或非门；A2、A3、A6、A7为触发器；A12为8位移位存放器；A10、A11为单稳态触发器；A13为可逆计数器。当PC+与PC-不一样时输出时，在A1和A5中同一时刻只有一路有脉冲输出，A9输出一直是低电平。如此时工作台要做正向进给，正向指令脉冲Pc+出现，该脉冲经A1、A2、A3、A4输出，使可逆计数器A13做加法计数。44数控机床伺服系统概述第44页45数控机床伺服系统概述第45页可逆计数器内容由0变为正数，其输出经转换和放大后，使伺服电动机带开工作台正向移动。工作台移动后，位置检测元件测得代表工作台位置正向反馈脉冲Pf+，该脉冲经A5、A6、A7、A8输出，使可逆计数器A13做减法计数。此时，可逆计数器内容就是Pc+和Pf+偏差值Pe。当可逆计数器内容变为0时，说明偏差值Pe=0，即工作台实际位置等于指令要求位移，进给过程结束。反向进给时，反向指令脉冲PC-使可逆计数器做减法计数，反向反馈脉冲Pf-使可逆计数器做加法计数，其它过程和正向进给相同。46数控机床伺服系统概述第46页但也有可能出现指令脉冲和反馈脉冲同时输入情况。如出现这种情况，为预防可逆计数器内部操作因脉冲“竞争”而产生误操作，影响脉冲比较可靠性，在指令脉冲和反馈脉冲进入可逆计数器之前，要进行脉冲分离。如脉冲比较器输入端同时出现指令脉冲和反馈脉冲，则A1、A5输出同时为0，使A9输出为1，单稳态触发器A10、A11有脉冲输出。A10输出负脉冲同时封锁A3和A7，使指令脉冲和反馈脉冲不能经过A3和A7而进入可逆计数器。47数控机床伺服系统概述第47页A11正脉冲输出分成两路，先经A4输出到可逆计数器做加法计数，再经A12延时四个时针周期（由时钟脉冲PC产生）经过A8输出到可逆计数器做减法计数。因为脉冲比较器含有脉冲分离功效，所以在指令脉冲和反馈脉冲不一样时出现时，脉冲比较器进行正常脉冲信号比较。即使指令脉冲和反馈脉冲同时出现，也由硬件逻辑电路确保，先做加法计数，后做减法计数，确保了两路脉冲不会丢失。48数控机床伺服系统概述第48页6.3.3相位比较伺服系统1.相位比较伺服系统组成相位比较伺服系统检测元件能够是旋转变压器、感应同时器或磁栅等。其特点是将位置指令脉冲和反馈脉冲都变成某个载波脉冲相位，在鉴相器中进行相位比较，得到实际相位与给定位置相位相位差Δ。原理框图如图6-5所表示。它主要由以下部分组成。49数控机床伺服系统概述第49页50数控机床伺服系统概述第50页（1）能输出一系列含有一定频率脉冲信号，为伺服系统提供一个相位比较基准基准信号发生器。（2）未来自计算机数控装置进给脉冲转变为相位改变信号脉冲调相器。（3）检测工作台位移位置检测元件（感应同时器）。（4）将控制信号与反馈信号进行比较，输出与相位差成正比电压信号鉴相器。（5）将鉴相器输出电压信号进行功率和电压放大伺服放大器。51数控机床伺服系统概述第51页（6）实现电信号到机械位移转换执行元件。依据感应同时器工作在相位工作方式时有其中，。相位比较实质不是脉冲数量上比较，而是脉冲相位之间比较，如超前或滞后多少。实现相位比较比较器为鉴相器。因为旋转变压器，感应同时器和磁栅等检测信号为电压模拟信号，同时这些装置还有励磁信号，故相位比较首先要处理信号处理问题，即怎样形成指令相位脉冲和实际相位脉冲。52数控机床伺服系统概述第52页2.相位比较伺服系统工作原理脉冲—相位变换器又称脉冲调相器，作用有两个：一是经过对基准脉冲进行分频，产生基准相位脉冲，由该脉冲形成正、余弦励磁绕组励磁电压频率与频率相同，感应电压ud相位伴随工作台移动，相对于基准相位有超前或滞后；二是经过对指令脉冲Pc+、PC-加、减，再经过分频产生相位超前或滞后于指令相位脉冲。53数控机床伺服系统概述第53页因为指令相位脉冲相位和实际相位脉冲相位均以基准相位脉冲相位为基准，所以，和经过鉴相器即能取得超前，还是超前，或二者相等。如(图6-6)所表示为Pc+=2时相位比较波形图。(1)当无进给指令时，即Pc+=0，工作台静止，指令脉冲相位与基准脉冲相位同相位，同时因工作台静止无反馈，故实际相位也与基准脉冲相位同相位，经鉴相器，则速度控制信号为零，伺服电动机不转，工作台仍静止，如图6-6a所表示。54数控机床伺服系统概述第54页(2)有正向进给指令，Pc+=2，在指令取得瞬时，工作台仍静止，此时，指令脉冲相位超前基准相位，但实际位置相位保持不变，经鉴相器，速度控制信号大于零，伺服电动机正转，工作台正向移动，如图6-6b所表示。(3)伴随工作台正向移动，有反馈信号产生，由此产生实际相位超前基准相位，但仍超前，经鉴相器，速度控制信号仍大于零，伺服电动机正转，工作台仍正向移动，如图6-6c所表示。55数控机床伺服系统概述第55页图6-6相位比较波形图56数控机床伺服系统概述第56页图6-6相位比较波形图57数控机床伺服系统概述第57页(4)伴随工作台继续正向移动，实际相位超前基准相位数值增加，当时，经鉴相器，速度控制信号为零，伺服电动机停转，工作台停顿在指令所要求位置上，如图6-6d所表示。当进给为反向指令时，相位比较同正向进给类似。所不一样是指令脉冲相对于基准脉冲为减脉冲，故指令相位相对于基准相位滞后，同时，实际相位相对于基准相位也为滞后，经鉴相器比较后所得速度指令信号为负，伺服电动机反转，工作台移动至指令位置。58数控机床伺服系统概述第58页鉴相器输出信号通常为脉宽调制波，需经低通滤波器去高次谐波，变换为平滑电压信号，作为速度控制信号，同时，鉴相器还必须对超前和滞后做出判别，使得速度控制信号Up在正向指令为正，在反向指令为负。至于一个脉冲相当于多少相位增量，取决于脉冲—相位变换器中分频系数N和脉冲当量。如感应同时器一个节距τ=2mm（相当360°电角度），脉冲当量δ=0.001mm/脉冲，则相位增量为δ/τ×360°=0.001/2×360°=0.18°/脉冲，即一个脉冲相当于0.18°相位移，所以需要将一个节距分成等份，即分频系数N=（0.18°×=360°）。在感应同时器中，相位角与直线位移X成正比，当采取旋转变压器时，相位角即为角位移本身。59数控机床伺服系统概述第59页3.脉冲调相器脉冲调相器是将脉冲数量转换成对应相位装置。图6-7为脉冲调相器工作原理框图，该系统分为基准分频通道和调相分频通道两部分。由基准脉冲信号发生器产生基准脉冲信号f0分成两路。一路输入基准分频通道，经过分频、分相和滤波电路得到两相励磁信号和，并经功放后加于感应同时器滑尺sin绕组和cos绕组作为励磁，它们与基准信号有确定相位关系。另一路输入调相分频通道，和指令脉冲一起作用，产生指令相位信号。60数控机床伺服系统概述第60页61数控机床伺服系统概述第61页脉冲调相器工作原理以下：回路中有标准计数器和X计数器，两计数器分频数相同。在基准脉冲信号触发标准计数器和X计数器之前，先向X计数器输入一定数量指令脉冲PC+。当基准脉冲信号触发两计数器后，两计数器输出信号频率相同，但相位却不一样。因为标准计数器是N分频，所以N个基准脉冲会使标准计数器输出改变一个周期，即360°。X计数器输入端一样接收到N个基准脉冲，但因为先前X计数器已接收了PC个正指令脉冲，实际上X计数器接收了N+PC个脉冲，所以它输出在改变到360°后，又改变了1=（PC/N）×360°，即X计数器相位超前了标准计数器1，其波形如图6-8所表示。62数控机床伺服系统概述第62页实际工作中，输入指令脉冲是在基准脉冲触发两计数器同时进行。若指令脉冲为PC+，则标准计数器在接收到N1＜N个基准脉冲，即输出还没有抵达一个周期时，X计数器已经接收了N1+PC=N个脉冲，完成了一个周期。结果使X计数器相位比较标准计数器超前了（1=PC+/N×360°），如图6-8所表示。63数控机床伺服系统概述第63页64数控机床伺服系统概述第64页65数控机床伺服系统概述第65页利用标准计数器和X计数器实现数量到相位变换时，必须使基准脉冲在向两计数器输入过程中，能加入一定指令脉冲。这个功效由脉冲加减器完成，如图6-10所表示。、是由基准脉冲发生器发出在相位错开180°同频率信号，是主频率，经与非门Ⅰ输出，作为计数器基准脉冲。是指令脉冲同时信号。当没有指令脉冲时，与非门Ⅰ开，A脉冲由此经过。当输入一个PC－指令脉冲时，触发器1Q1变为1，触发器2Q2也变为1，因为为0，封住了与非门Ⅰ，所以扣除了一个序列脉冲。当输入一个PC+指令脉冲时，触发器C3Q3变为1，触发器C4Q4也变为1。出现脉冲时，Q4和B端均为1，与非门Ⅱ打开，脉冲进入最终输出端。因为、错相180°，所以使序列脉冲中插入一个序列脉冲。66数控机床伺服系统概述第66页图6-10脉冲加减器（一）67数控机床伺服系统概述第67页图6-10脉冲加减器（二）68数控机床伺服系统概述第68页为了将指令信号与反馈信号进行相位比较，需要应用鉴相器。图6-11为半加器鉴相线路及波形图，指令信号和位置信号分别经触发器进入半加器。半加器输出逻辑函数为。式中为指令信号二分之一分频，为位置信号二分之一分频。若、信号相位相同，则或门两输入端同时为0，S=0。如信号超前信号△θ相位，A信号来到时，B信号还没有出现。此时，=1，=0，上与门输出为1，下与门输出为0，或门输出端S=1。4.鉴相器69数控机床伺服系统概述第69页信号也出现时，=1，=1，使两与门输出均为0，或门输出端S=0。因为信号相位超前，=0时，仍有=1，使上与门输出为0，下与门输出为1，或门输出端又有S=1，直到和都为0，或门又为S=0。相关信号波形图见图6-10。从图中能够看出，S信号是一个周期方波脉冲，它波脉宽度与、两信号相位差△成正比。能够经过低通滤波方法取出它直流分量，作为相位差△电平指示。△越大，S端输出方波平均电压越大。70数控机床伺服系统概述第70页信号是超前还是滞后信号，可借助于NE端来判断。输出端为NE触发器由下降沿触发。当接于端信号超前于信号时，领先于从1变为0，触发器由信号下降沿触发时，端信号已为0，所以NE端也为0，如图6-10b所表示。当接于端信号滞后于信号时，领先从1变为0，触发器由信号下降沿触发时，端信号仍为1，所以NE端也为1。71数控机床伺服系统概述第71页72数控机床伺服系统概述第72页6.3.4幅值比较伺服系统幅值比较伺服系统是以位置检测信号幅值改变来反应机械位移大小，并以此作为位置反馈信号，与指令信号进行比较组成闭环控制系统。该系统特点之一是全部位置检测元件都工作在幅值工作方式。幅值比较伺服系统惯用感应同时器和旋转变压器作为位置检测元件。幅值比较伺服系统实现闭环控制过程与相位比较伺服系统相类似。73数控机床伺服系统概述第73页1.幅值比较伺服系统组成和工作原理(1)幅值比较伺服系统组成图6-12是采取感应同时器作为位置检测元件幅值比较控制系统。它主要由以下部分组成：74数控机床伺服系统概述第74页①完成指令脉冲与反馈脉冲比较比较器。②将比较器输出数字信号转变成伺服电动机模拟控制信号数/模转换器。③将模拟控制信号进行功率和电压放大伺服放大器。④检测工作台位移位置检测元件。⑤为感应同时器正、余弦绕组提供信号励磁电路。⑥将定尺输出信号转变为幅值信号鉴幅器。⑦将鉴幅器直流电压转变成反馈脉冲电压－频率变换器。⑧实现电信号到机械位移转换执行元件。75数控机床伺服系统概述第75页(2)幅值比较伺服系统工作原理当采取幅值工作方式时，感应同时器滑尺正弦绕组和分别输入频率相同、幅值成正交关系励磁信号：式中——励磁信号电压幅值；——已知电气角，系统中可经过改变角大小来控制滑尺励磁信号幅值；——正弦交变励磁信号角频率。76数控机床伺服系统概述第76页当正弦、余弦绕组励磁信号加入后，定尺绕组感应电动势为：式中K——感应系数；——定尺绕组与滑尺绕组相对位移角；E0m——定尺绕组电动势幅值。77数控机床伺服系统概述第77页若，则定尺绕组电动势幅值E0m≠0。利用这个原理，要测量定尺与滑尺之间移动位移角，可改变励磁信号角设定值，然后，测量E0m大小，当设定值变化到使E0m=0，即时，就间接地经过设定值获得了定尺和滑尺之间位移角实际值。所以幅值比较伺服系统中，若要获得和之间关系，只需要检测电动势即可。这项工作由鉴幅器来完成。为了实现闭环控制，电动势幅值需经电压－频率变换电路，才能变成相应数字脉冲。该数字脉冲一方面与指令脉冲作比较以获得位置偏差信号，其次作为修改励磁信号中设定输入，使跟随变化。78数控机床伺服系统概述第78页幅值比较伺服系统详细工作过程以下：初始状态时工作台静止不动，指令脉冲

，，经鉴幅器检测定尺绕组电动势幅值为0，由电压－频率变换电路得到反馈脉冲Pf也为0。所以比较器输出位置偏差Pe=PC－Pf=0，伺服电动机速度给定值为0，工作台继续处于静止状态。当系统接收到正指令脉冲PC＞0时，工作台仍保持静止状态，和均没有改变，反馈脉冲Pf仍为0。所以，比较器输出位置偏差Pe=PC－Pf＞0，该偏差是一数字量，所以在比较器和伺服放大器之间设有数－模转换器，使其成为伺服系统速度给定信号。79数控机床伺服系统概述第79页于是，伺服电动机带动工作台正向进给，同步感应器滑尺相对于定尺产生位移。此时定尺和滑尺间位移角超前于励磁信号电气角，定尺绕组电动势幅值E0m＞0，经前置放大器、鉴幅器和电压－频率变换器，转换成相应反馈脉冲Pf。脉冲Pf一方面与指令脉冲作比较，获得位置偏差Pe=PC－Pf；其次输入励磁电路，作为修改励磁信号电气角设定输入，使跟随变化。若仍有Pe=PC－Pf＞0，则工作台还没有指令要求位置，伺服电动机继续带动工作台移动，反馈脉冲Pf和励磁信号电气角继续变化。直到使位置偏差Pe=PC－Pf=0，伺服电动机速度给定值0。此时，=，定尺绕组电动势幅值E0m=0，工作台又处于静止状态。80数控机床伺服系统概述第80页若系统接收到负指令脉冲，整个系统检测、比较及控制过程与系统接收到正指令脉冲类似。只是工作台向反向进给，定尺与滑尺之间位移角滞后于励磁信号电气角，，使跟随改变，直到抵达负向指令要求位置，工作台又处于静止状态。从上能够看出，在幅值比较伺服系统中，励磁信号电气角是由系统设定，并跟随工作台进给而被动改变，所以能够利用作为工作台实际位置测量值。当工作台抵达进给指令要求位置并稳定后，有，数显装置显示电气角，实际上就是位移角，即工作台位移量。81数控机床伺服系统概述第81页2.鉴幅器82数控机床伺服系统概述第82页图6-13为鉴幅器原理图。输入端e0是感应同时器定尺绕组感应电动势，由式e0=E0msinωt可知，e0是交变电动势。该信号首先经过低通滤波器Ⅰ，滤去交变信号中高次谐波和干扰信号，取得较为理想正弦波形。经过运算放大器将信号放大。然后，由互为反向开