數(shù)控機床的伺服驅動系統(tǒng)30頁

1、第五章 數(shù)控機床的伺服驅動系統(tǒng)§51  概 述數(shù)控機床伺服驅動系統(tǒng)是指以機床移動部件(如工作臺、動力頭等，本書僅以工作臺為例)的位置和速度作為控制量的自動控制系統(tǒng)，又稱拖動系統(tǒng)。在數(shù)控機床上，伺服驅動系統(tǒng)接收來自插補裝置或插補軟件生成的進給脈沖指令，經(jīng)過一定的信號變換及電壓、功率放大，將其轉化為機床工作臺相對于切削刀具的運動。目前，這主要通過對交、直流伺服電機或步進電機等進給驅動元件的控制來實現(xiàn)。數(shù)控機床的伺服驅動系統(tǒng)作為一種實現(xiàn)切削刀具與工件間運動的進給驅動和執(zhí)行機構，是數(shù)控機床的一個重要組成部分，它在很大程度上決定了數(shù)控機床的性能，如數(shù)控機床的最高移動速度、跟蹤精度、定

2、位精度等一系列重要指標取決于伺服驅動系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。因此，隨著數(shù)控機床的發(fā)展，研究和開發(fā)高性能的伺服驅動系統(tǒng)，一直是現(xiàn)代數(shù)控機床研究的關鍵技術之一。一、伺服驅動系統(tǒng)的性能對數(shù)控機床伺服驅動系統(tǒng)的主要性能要求有下列幾點：(1) 進給速度范圍要大。不僅要滿足低速切削進給的要求，如 ，還要能滿足高速進給的要求，如 。(2) 位移精度要高。伺服系統(tǒng)的位移精度是指指令脈沖要求機床工作臺進給的位移量和該指令脈沖經(jīng)伺服系統(tǒng)轉化為工作臺實際位移量之間的符合程度。兩者誤差愈小，伺服系統(tǒng)的位移精度愈高。目前，高精度的數(shù)控機床伺服系統(tǒng)位移精度可達到在全程范圍內 。通常，插補器或計算機的插補軟件每發(fā)出一個進給脈沖指令

3、，伺服系統(tǒng)將其轉化為一個相應的機床工作臺位移量，我們稱此位移量為機床的脈沖當量。一般機床的脈沖當量為 脈沖，高精度的CNC機床其脈沖當量可達0.001 mm脈沖。脈沖當量越小，機床的位移精度越高。(3) 跟隨誤差要小。即伺服系統(tǒng)的速度響應要快。(4) 伺服系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性要好。要具有較強的抗干擾能力，保證進給速度均勻、平穩(wěn)，從而使得能夠加工出粗糙度低的零件。二、 數(shù)控機床伺服驅動系統(tǒng)的基本組成數(shù)控機床伺服驅動系統(tǒng)的基本組成如圖5-1所示。數(shù)控機床的伺服驅動系統(tǒng)按有無反饋檢測單元分為開環(huán)和閉環(huán)兩種類型(見數(shù)控機床伺服驅動系統(tǒng)分類)，這兩種類型的伺服驅動系統(tǒng)的基本組成不完全相同。但不管是哪種類型，

4、執(zhí)行元件及其驅動控制單元都必不可少。驅動控制單元的作用是將進給指令轉化為驅動執(zhí)行元件所需要的信號形式，執(zhí)行元件則將該信號轉化為相應的機械位移。圖5-1 數(shù)控機床伺服驅動系統(tǒng)的基本組成開環(huán)伺服驅動系統(tǒng)由驅動控制單元、執(zhí)行元件和機床組成。通常，執(zhí)行元件選用步進電機。執(zhí)行元件對系統(tǒng)的特性具有重要影響。閉環(huán)伺服驅動系統(tǒng)由執(zhí)行元件、驅動控制單元、機床，以及反饋檢測單元、比較控制環(huán)節(jié)組成。反饋檢測單元將工作臺的實際位置檢測后反饋給比較控制環(huán)節(jié)，比較控制環(huán)節(jié)將指令信號和反饋信號進行比較，以兩者的差值作為伺服系統(tǒng)的跟隨誤差經(jīng)驅動控制單元，驅動和控制執(zhí)行元件帶動工作臺運動。在CNC系統(tǒng)中，由于計算機的引入，比較

5、控制環(huán)節(jié)的功能由軟件完成，從而導致系統(tǒng)結構的一些改變，但基本上還是由執(zhí)行元件、反饋檢測單元、比較控制環(huán)節(jié)、驅動控制單元和機床組成。三、 數(shù)控機床伺服驅動系統(tǒng)的分類數(shù)控機床的伺服驅動系統(tǒng)按其用途和功能分為進給驅動系統(tǒng)和主軸驅動系統(tǒng)；按其控制原理和有無位置檢測反饋環(huán)節(jié)分為開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)；按驅動執(zhí)行元件的動作原理分為電液伺服驅動系統(tǒng)和電氣伺服驅動系統(tǒng)。電氣伺服驅動系統(tǒng)又分為直流伺服驅動系統(tǒng)和交流伺服驅動系統(tǒng)。1.進給驅動與主軸驅動進給驅動是用于數(shù)控機床工作臺或刀架坐標的控制系統(tǒng)，控制機床各坐標軸的切削進給運動，并提供切削過程所需的轉矩。主軸驅動控制機床主軸的旋轉運動，為機床主軸提供驅動功率和所需

6、的切削力。一般地，對于進給驅動系統(tǒng)，主要關心它的轉矩大小、調節(jié)范圍的大小和調節(jié)精度的高低，以及動態(tài)響應速度的快慢。對于主軸驅動系統(tǒng)，主要關心其是否具有足夠的功率、寬的恒功率調節(jié)范圍及速度調節(jié)范圍。2.開環(huán)控制和閉環(huán)控制數(shù)控機床伺服驅動系統(tǒng)按有無位置反饋分兩種基本的控制結構，即開環(huán)控制和閉環(huán)控制，如圖5-1所示。由此形成位置開環(huán)控制系統(tǒng)和位置閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)又可根據(jù)位置檢測裝置在機床上安裝的位置不同，進一步分為半閉環(huán)伺服驅動控制系統(tǒng)和全閉環(huán)伺服驅動控制系統(tǒng)。若位置檢測裝置安裝在機床的工作臺上，構成的伺服驅動控制系統(tǒng)為全閉環(huán)控制系統(tǒng)；若位置檢測裝置安裝在機床絲杠上，構成的伺服驅動控制系統(tǒng)

7、則為半閉環(huán)控制系統(tǒng)?，F(xiàn)代數(shù)控機床的伺服驅動多采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)常用于經(jīng)濟型數(shù)控或老設備的改造。3.直流伺服驅動與交流伺服驅動70年代和80年代初，數(shù)控機床多采用直流伺服驅動。直流大慣量伺服電機具有良好的寬調速性能，輸出轉矩大，過載能力強，而且，由于電機慣性與機床傳動部件的慣量相當，構成閉環(huán)后易于調整。而直流中小慣量伺服電機及其大功率晶體管脈寬調制驅動裝置，比較適應數(shù)控機床對頻繁啟動、制動，以及快速定位、切削的要求。但直流電機一個最大的特點是具有電刷和機械換向器，這限制了它向大容量、高電壓、高速度方向的發(fā)展，使其應用受到限制。進入80年代，在電機控制領域交流電機調速技術取得了突破性進

8、展，交流伺服驅動系統(tǒng)大舉進入電氣傳動調速控制的各個領域。交流伺服驅動系統(tǒng)的最大優(yōu)點是交流電機容易維修，制造簡單，易于向大容量、高速度方向發(fā)展，適合于在較惡劣的環(huán)境中使用。同時，從減少伺服驅動系統(tǒng)外形尺寸和提高可靠性角度來看，采用交流電機比直流電機將更合理§52  開環(huán)步進式伺服驅動系統(tǒng)步進式伺服驅動系統(tǒng)是典型的開環(huán)控制系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，執(zhí)行元件是步進電機。它受驅動控制線路的控制，將代表進給脈沖的電平信號直接變換為具有一定方向、大小和速度的機械轉角位移，并通過齒輪和絲杠帶動工作臺移動。由于該系統(tǒng)沒有反饋檢測環(huán)節(jié)，它的精度較差，速度也受到步進電機性能的限制。但它的結構和控制簡單

9、、容易調整，故在速度和精度要求不太高的場合具有一定的使用價值。一、 步進電機的種類、結構及工作原理1.步進電機的種類步進電機的分類方式很多，常見的分類方式有按產生力矩的原理、按輸出力矩的大小以及按定子和轉子的數(shù)量進行分類等。根據(jù)不同的分類方式，可將步進電機分為多種類型，如表5-1所示。表5-1  步進電機的分類分 類 方 式                具 體 類 型按力矩產生的原理（1）反應式：轉子無繞組，由被激磁的定子繞組產生反應

10、力矩實現(xiàn)步進運行（2）激磁式：定、轉子均有激磁繞組（或轉子用永久磁鋼），由電磁力矩實現(xiàn)步進運行按輸出力矩大小（1）伺服式：輸出力矩在百分之幾之幾至十分之幾（N·m）只能驅動較小的負載，要與液壓扭矩放大器配用，才能驅動機床工作臺等較大的負載（2）功率式：輸出力矩在5-50 N·m以上，可以直接驅動機床工作臺等較大的負載按定子數(shù)（1）單定子式（2）雙定子式（3）三定子式（4）多定子式按各相繞組分布（1）徑向分布式：電機各相按圓周依次排列（2）軸向分布式：電機各相按軸向依次排列 2.步進電機的結構目前，我國使用的步進電機多為反應式步進電機。在反應式步進電機中，有軸向分相

11、和徑向分相兩種，如表5-1所述。圖5-2是一典型的單定子、徑向分相、反應式伺服步進電機的結構原理圖。它與普通電機一樣，分為定子和轉子兩部分，其中定子又分為定子鐵心和定子繞組。定子鐵心由電工鋼片疊壓而成，其形狀如圖中所示。定子繞組是繞置在定子鐵心6個均勻分布的齒上的線圈，在直徑方向上相對的兩個齒上的線圈串聯(lián)在一起，構成一相控制繞組。圖5-2所示的步進電機可構成三相控制繞組，故也稱三相步進電機。若任一相繞組通電，便形成一組定子磁極，其方向即圖中所示的NS極。在定子的每個磁極上，即定子鐵心上的每個齒上又開了5個小齒，齒槽等寬，齒間夾角為9°，轉子上沒有繞組，只有均勻分布的40個小齒，齒槽也

12、是等寬的，齒間夾角也是9°，與磁極上的小齒一致。此外，三相定子磁極上的小齒在空間位置上依次錯開 齒距，如圖5-3所示。當A相磁極上的小齒與轉子上的小齒對齊時，B相磁極上的齒剛好超前(或滯后)轉子齒 齒距角，C相磁極齒超前(或滯后)轉子齒 齒距角。圖5-2 單定子徑向分相反應式伺服步進電機結構原理圖點擊進入動畫觀看步電機工作原理圖 5-3 步進電機的齒距 圖5-4是一個五定子、軸向分相、反應式伺服步進電機的結構原理圖。從圖中可以看出，步進電機的定子和轉子在軸向分為五段，每一段都形成獨立的一相定子鐵心、定子繞組和轉子，圖5-5所示的是其中的一段。各段定子鐵心形如內齒輪，由硅鋼片疊成。轉子

13、形如外齒輪，也由硅鋼片制成。各段定子上的齒在圓周方向均勻分布，彼此之間錯開 齒距，其轉子齒彼此不錯位。當設置在定子鐵心環(huán)形槽內的定子繞組通電時，形成一相環(huán)形繞組，構成圖中所示的磁力線。除上面介紹的兩種形式的反應式步進電機之外，常見的步進電機還有永磁式步進電機和永磁反應式步進電機，它們的結構雖不相同，但工作原理相同。3.步進電機的工作原理步進電機的工作原理實際上是電磁鐵的作用原理。圖5-6是一種最簡單的反應式步進電機，下面以它為例來說明步進電機的工作原理。圖5-6(a)中，當A相繞組通以直流電流時，根據(jù)電磁學原理，便會在AA方向上產生一磁場，在磁場電磁力的作用下，吸引轉子，使轉子的齒與定子AA磁

14、極上的齒對齊。若A相斷電，B相通電，這時新的磁場其電磁力又吸引轉子的兩極與BB磁極齒對齊，轉子沿順時針轉過60°。通常，步進電機繞組的通斷電狀態(tài)每改變一次，其轉子轉過的角度 稱為步距角。因此，圖5-6(a)所示步進電機的步距角 等于60°。如果控制線路不停地按ABCA的順序控制步進電機繞組的通斷電，步進電機的轉子便不停地順時針轉動。若通電順序改為ACBA，同理，步進電機的轉子將逆時針不停地轉動。圖5-4 五定子徑向分相反應式伺服步進電機結構原理圖圖5-5 一段定子、轉子及磁回路上面所述的這種通電方式稱為三相三拍。還有一種三相六拍的通電方式，它的通電順序是：順時針為A AB

15、B BC C CA A ；逆時針為A AC C CB B BA A。若以三相六拍通電方式工作，當A相通電轉為A和B同時通電時，轉子的磁極將同時受到A相繞組產生的磁場和B相繞組產生的磁場的共同吸引，轉子的磁極只好停在A和B兩相磁極之間，這時它的步距角 等于30°。當由A和B兩相同時通電轉為B相通電時，轉子磁極再沿順時針旋轉30°，與B相磁極對齊。其余依此類推。采用三相六拍通電方式，可使步距角 縮小一半。圖56 步進電機工作原理圖點擊進入動畫觀看步進電機工作原理(a)(b)圖5-6(b)中的步進電機，定子仍是A ，B ，C三相，每相兩極，但轉子不是兩個磁極而是四個。當A相通電時

16、，是1和3極與A相的兩極對齊，很明顯，當A相斷電、B相通電時，2和4極將與B相兩極對齊。這樣，在三相三拍的通電方式中，步距角 等于30°，在三相六拍通電方式中，步距角 則為15°。綜上所述，可以得到如下結論：(1) 步進電機定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，它的轉子便轉過一個確定的角度，即步進電機的步距角 ；(2) 改變步進電機定子繞組的通電順序，轉子的旋轉方向隨之改變；(3) 步進電機定子繞組通電狀態(tài)的改變速度越快，其轉子旋轉的速度越快，即通電狀態(tài)的變化頻率越高，轉子的轉速越高；(4) 步進電機步距角 與定子繞組的相數(shù)m、轉子的齒數(shù)z、通電方式k有關，可用下式表示： (5-1

17、)式中m相m拍時，k=1；m相2m拍時，k=2；依此類推。對于圖5-2所示的單定子、徑向分相、反應式伺服步進電機，當它以三相三拍通電方式工作時，其步距角為若按三相六拍通電方式工作，則步距角為4.步進電機的主要特性(1) 步距角。步進電機的步距角 是反映步進電機定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，轉子轉過的角度。它是決定步進伺服系統(tǒng)脈沖當量的重要參數(shù)。數(shù)控機床中常見的反應式步進電機的步距角一般為 。步距角越小，數(shù)控機床的控制精度越高。(2) 矩角特性、最大靜態(tài)轉矩 和啟動轉矩 。矩角特性是步進電機的一個重要特性，它是指步進電機產生的靜態(tài)轉矩 與失調角 的變化規(guī)律。(3) 啟動頻率 。空載時，步進電機由

18、靜止突然啟動，并進入不丟步的正常運行所允許的最高頻率，稱為啟動頻率或突跳頻率。若啟動時頻率大于突跳頻率，步進電機就不能正常啟動?？蛰d啟動時，步進電機定子繞組通電狀態(tài)變化的頻率不能高于該突跳頻率。(4) 連續(xù)運行的最高工作頻率 。步進電機連續(xù)運行時，它所能接受的，即保證不丟步運行的極限頻率 ，稱為最高工作頻率。它是決定定子繞組通電狀態(tài)最高變化頻率的參數(shù)，它決定了步進電機的最高轉速。(5)加減速特性。步進電機的加減速特性是描述步進電機由靜止到工作頻率和由工作頻率到靜止的加減速過程中，定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率與時間的關系。當要求步進電機啟動到大于突跳頻率的工作頻率時，變化速度必須逐漸上升；同樣，從

19、最高工作頻率或高于突跳頻率的工作頻率停止時，變化速度必須逐漸下降。逐漸上升和下降的加速時間、減速時間不能過小，否則會出現(xiàn)失步或超步。我們用加速時間常數(shù)Ta和減速時間常數(shù)Td來描述步進電機的升速和降速特性，如圖5-8所示。 圖5-8 加減速特性曲線二、 步進式伺服驅動系統(tǒng)工作原理步進式伺服驅動系統(tǒng)主要由步進電機驅動控制線路和步進電機兩部分組成，如圖5-7所示。驅動控制線路接收來自數(shù)控機床控制系統(tǒng)的進給脈沖信號(指令信號)，并把此信號轉換為控制步進電機各相定子繞組依此通電、斷電的信號，使步進電機運轉。步進電機的轉子與機床絲杠連在一起，轉子帶動絲杠轉動，絲杠再帶動工作臺移動。圖 5-7 步進式伺服系

20、統(tǒng)原理框圖下面從步進式伺服系統(tǒng)如何實現(xiàn)對機床工作臺移動的移動量、速度和移動方向進行控制三個方面，對其工作原理進行介紹。1.工作臺位移量的控制數(shù)控機床控制系統(tǒng)發(fā)出的 個進給脈沖，經(jīng)驅動線路之后，變成控制步進電機定子繞組通電、斷電的電平信號變化次數(shù) ，使步進電機定子繞組的通電狀態(tài)變化 次。由步進電機工作原理可知，定子繞組通電狀態(tài)的變化次數(shù) 決定了步進電機的角位移 , ( 即步距角)。該角位移經(jīng)絲杠、螺母之后轉變?yōu)楣ぷ髋_的位移量 ， (t為螺距)。即進給脈沖的數(shù)量 定子繞組通電狀態(tài)變化次數(shù) 步進電機的轉角 工作臺位移量 。2.工作臺進給速度的控制機床控制系統(tǒng)發(fā)出的進給脈沖的頻率 ，經(jīng)驅動控制線路之后

21、，表現(xiàn)為控制步進電機定子繞組通電、斷電的電平信號變化頻率，也就是定子繞組通電狀態(tài)變化頻率。而定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率 決定了步進電機轉子的轉速。該轉子轉速經(jīng)絲杠螺母轉換之后，體現(xiàn)為工作臺的進給速度v。即進給脈沖的頻率 定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率 步進電機的轉速工作臺的進給速度v。3.工作臺運動方向的控制當控制系統(tǒng)發(fā)出的進給脈沖是正向時，經(jīng)驅動控制線路，使步進電機的定子各繞組按一定的順序依次通電、斷電；當進給脈沖是負向時，驅動控制線路則使定子各繞組按與進給脈沖是正向時相反的順序通電、斷電。由步進電機的工作原理可知，通過步進電機定子繞組通電順序的改變，可以實現(xiàn)對步進電機正轉或反轉的控制，從而實現(xiàn)

22、對工作臺的進給方向的控制。綜上所述，在開環(huán)步進式伺服系統(tǒng)中，輸入的進給脈沖的數(shù)量、頻率、方向，經(jīng)驅動控制線路和步進電機，轉換為工作臺的位移量、進給速度和進給方向，從而實現(xiàn)對位移的控制。三、 步進電機的驅動控制線路根據(jù)步進式伺服系統(tǒng)的工作原理，步進電機驅動控制線路的功能是，將具有一定頻率 、一定數(shù)量N和方向的進給脈沖轉換成控制步進電機各相定子繞組通斷電的電平信號。電平信號的變化頻率、變化次數(shù)和通斷電順序與進給指令脈沖的頻率、數(shù)量和方向對應。為了能夠實現(xiàn)該功能，一個較完整的步進電機的驅動控制線路應包括脈沖混合電路、加減脈沖分配電路、加減速電路、環(huán)形分配器和功率放大器(見圖5-8)，并應能接收和處理

23、各種類型的進給指令控制信號如自動進給信號、手動信號和補償信號等。脈沖混合電路、加減脈沖分配電路、加減速電路和環(huán)形分配器可用硬件線路來實現(xiàn)，也可用軟件來實現(xiàn)。圖 5-8 驅動控制線路框圖四、 提高步進式伺服驅動系統(tǒng)精度的措施步進式伺服驅動系統(tǒng)是一個開環(huán)系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，步進電機的質量、機械傳動部分的結構和質量以及控制電路的完善與否，均影響到系統(tǒng)的工作精度。要提高系統(tǒng)的工作精度，應從這幾個方面考慮：如改善步進電機的性能，減少步距角；采用精密傳動副，減少傳動鏈中傳動間隙等。但這些因素往往由于結構和工藝的關系而受到一定的限制。為此，需要從控制方法上采取一些措施，彌補其不足。1.細分線路所謂細分線路，是

24、把步進電機的一步再分得細一些。如十細分線路，將原來輸入一個進給脈沖步進電機走一步變?yōu)檩斎?0個脈沖才走一步。換句話說，采用十細分線路后，在進給速度不變的情況下，可使脈沖當量縮小到原來的 。若無細分，定子繞組的電流是由零躍升到額定值的，相應的角位移如圖5-15(a)所示。采用細分后，定子繞組的電流要經(jīng)過若干小步的變化，才能達到額定值，相應的角位移如圖5-15(b)所示。圖5-15 細分前后一步角位移波形圖（a） 無細分 （b） 細分后2.齒隙補償齒隙補償又稱反向間隙補償。機械傳動鏈在改變轉向時，由于齒隙的存在，會引起步進電機的空走，而無工作臺的實際移動。在開環(huán)伺服系統(tǒng)中，這種齒隙誤差對于機床加工

25、精度具有很大的影響，必須加以補償。齒隙補償?shù)脑硎牵合葴y出齒隙的大小，設為 ；在加工過程中，每當檢測到工作臺的進給方向改變時，在改變后的方向增加 個進給脈沖指令，用以克服因步進電機的空走而造成的齒隙誤差。3.螺距誤差補償在步進式開環(huán)伺服驅動系統(tǒng)中，絲杠的螺距積累誤差直接影響著工作臺的位移精度，若想提高開環(huán)伺服驅動系統(tǒng)的精度，就必須予以補償。補償原理如圖5-16所示。通過對絲杠的螺距進行實測，得到絲杠全程的誤差分布曲線。誤差有正有負，當誤差為正時，表明實際的移動距離大于理論的移動距離，應該采用扣除進給脈沖指令的方式進行誤差的補償，使步進電機少走一步；當誤差為負時，表明實際的移動距離小于理論的移動

26、距離，應該采取增加進給脈沖指令的方式進行誤差的補償，使步進電機多走一步。具體的做法是：(1) 安置兩個補償桿分別負責正誤差和負誤差的補償；(2) 在兩個補償桿上，根據(jù)絲杠全程的誤差分布情況及如上所述螺距誤差的補償原理，設置補償開關或擋塊；(3) 當機床工作臺移動時，安裝在機床上的微動開關每與擋塊接觸一次，就發(fā)出一個誤差補償信號，對螺距誤差進行補償，以消除螺距的積累誤差。圖5-16 螺距誤差補償原理曲線1理想的移動（沒有螺距誤差） 曲線2實際的移動（有螺距的誤差）曲線3補償前的誤差曲線 曲線4補償后的誤差曲線§53 閉環(huán)伺服控制原理與系統(tǒng) 在數(shù)控機床上，尤其是在計算機數(shù)控機床上，閉環(huán)伺

27、服驅動系統(tǒng)由于具有工作可靠、抗干擾性強以及精度高等優(yōu)點，因而相對于開環(huán)伺服驅動系統(tǒng)更為常用。但由于閉環(huán)伺服驅動系統(tǒng)增加了位置檢測、反饋、比較等環(huán)節(jié)，與步進式開環(huán)系統(tǒng)相比，它的結構比較復雜，調試也相對更困難一些。一、 閉環(huán)伺服驅動系統(tǒng)的執(zhí)行元件隨著數(shù)控技術的發(fā)展，對執(zhí)行元件的要求愈來愈高，歸納起來主要有以下幾點：(1) 盡可能減少電機的轉動慣量，以提高系統(tǒng)的快速動態(tài)響應；(2) 盡可能提高電機的過載能力，以適應經(jīng)常出現(xiàn)的沖擊現(xiàn)象；(3) 盡可能提高電機低速運行的穩(wěn)定性和均勻性，以保證低速時伺服系統(tǒng)的精度。鑒于機械加工的特殊性，一般的電機不能滿足數(shù)控機床對伺服控制的要求。目前，在數(shù)控機床上廣泛應用

28、的有直流伺服電機和交流伺服電機。1.直流伺服電機直流伺服電機是機床伺服系統(tǒng)中使用較廣的一種執(zhí)行元件。在伺服系統(tǒng)中常用的直流伺服電機多為大功率直流伺服電機，如低慣量電機和寬調速電機等。這些伺服電機雖然結構不同，各有特色，但其工作原理與直流電機類似。(1) 低慣量直流伺服電機。主要有無槽電樞直流伺服電機及其他一些類型的電機。無槽電樞直流伺服電機的工作原理與一般直流電機相同，其結構的差別和特點是：電樞鐵心是光滑無槽的圓體，電樞繞組用環(huán)氧樹脂固化成型并粘結在電樞鐵心表面上，電樞的長度與外徑之比在5倍以上，氣隙尺寸比一般的直流電機大10倍以上。它的輸出功率在幾十瓦至10 kW以內。主要用于要求快速動作、

29、功率較大的系統(tǒng)。 (2) 寬調速直流力矩電機。這種電機用提高轉矩的方法來改善其動態(tài)性能。它的結構形式與一般直流電機相似，通常采用他激式。目前幾乎都用永磁式電樞控制。它具有以下特點： (3) 直流伺服電機的脈寬調速原理。調整直流伺服電機轉速的方法主要是調整電樞電壓。目前使用最廣泛的方法是晶體管脈寬調制器直流電機調速(PWMM)。它具有響應快，效率高，調速范圍寬以及噪音污染小，簡單可靠等優(yōu)點。脈寬調制器的基本工作原理是，利用大功率晶體管的開關作用，將直流電壓轉換成一定頻率的方波電壓，加到直流電機的電樞上。通過對方波脈沖寬度的控制，改變電樞的平均電壓，從而調節(jié)電機的轉速。圖5-9是PWM M系統(tǒng)的工

30、作原理圖。設將圖5-9(a)中的開關K周期地閉合、斷開，開和關的周期是T。在一個周期內，閉合的時間為，斷開的時間為T-。若外加電源的電壓U是常數(shù)，則電源加到電機電樞上的電壓波形將是一個方波列，其高度為U，寬度為，如圖5-9(b)所示。它的平均值 為 （5-2）式中的=T，稱為導通率。當T不變時，只要連續(xù)地改變 ，就可使電樞電壓的平均值(即直流分量 )由0連續(xù)變化至U，從而連續(xù)地改變電機的轉速。實際的PWMM系統(tǒng)用大功率三極管代替開關K 。其開關頻率是2000 Hz，即 圖59 PWM 調速系統(tǒng)的電器原理圖5-9(a)中的二極管是續(xù)流二極管，當K斷開時，由于電樞電感La的存在，電機的電樞電流 可

31、通過它形成回路而流通。圖5-9 (a)所示的電路只能實現(xiàn)電機單方向的速度調節(jié)。為使電機實現(xiàn)雙向調速，必須采用橋式電路。圖5-10所示的橋式電路為PWM M系統(tǒng)的主回路電氣原理圖。圖510 PWM M系統(tǒng)的主回路電氣原理圖2.交流伺服電機交流伺服電機驅動是最新發(fā)展起來的新型伺服系統(tǒng)，也是當前機床進給驅動系統(tǒng)方面的一個新動向。該系統(tǒng)克服了直流驅動系統(tǒng)中電機電刷和整流子要經(jīng)常維修、電機尺寸較大和使用環(huán)境受限制等缺點。它能在較寬的調速范圍內產生理想的轉矩，結構簡單，運行可靠，用于數(shù)控機床等進給驅動系統(tǒng)為精密位置控制。交流伺服電機的工作原理與兩相異步電機相似 。然而 ，由于它在數(shù)控機床中作為執(zhí)行元件，將

32、交流電信號轉換為軸上的角位移或角速度 ，所以要求轉子速度的快慢能夠反映控制信號的相位，無控制信號時它不轉動。特別是當它已在轉動時，如果控制信號消失，它立即停止轉動。而普通的感應電動機轉動起來以后，若控制信號消失，它往往不能立即停止而要繼續(xù)轉動一會兒。交流伺服電機也是由定子和轉子構成。定子上有勵磁繞組和控制繞組，這兩個繞組在空間相差90°電角度。若在兩相繞組上加以幅值相等、相位差90°電角度的對稱電壓，則在電機的氣隙中產生圓形的旋轉磁場。若兩個電壓的幅值不等或相位不為90°電角度，則產生的磁場將是一個橢圓形旋轉磁場。加在控制繞組上的信號不同，產生的磁場橢圓度也不同。

33、例如，負載轉矩一定，改變控制信號，就可以改變磁場的橢圓度，從而控制伺服電機的轉速。交流伺服電機的控制方式有三種：幅值控制、相位控制和幅值相位混合控制。圖5-11所示為這三種控制方法的電氣原理和矢量圖。圖511交流伺服電機的控制方法二、 鑒幅式伺服系統(tǒng)1.鑒幅式伺服系統(tǒng)的工作原理圖5-25是鑒幅式伺服系統(tǒng)的方框圖。該系統(tǒng)由測量元件及信號處理線路、數(shù)模轉換器、比較器、驅動環(huán)節(jié)和執(zhí)行元件五部分組成。它與鑒相式伺服系統(tǒng)的主要區(qū)別有兩點：一是它的測量元件是以鑒幅式工作狀態(tài)進行工作的，因此，可用于鑒幅式伺服系統(tǒng)的測量元件有旋轉變壓器和感應同步器；二是比較器所比較的是數(shù)字脈沖量，而與之對應的鑒相式伺服系統(tǒng)的

34、鑒相器所比較的是相位信號，故在鑒幅式伺服系統(tǒng)中，不需要基準信號，兩數(shù)字脈沖量可直接在比較器中進行脈沖數(shù)量的比較。圖5-25 鑒幅式伺服系統(tǒng)鑒幅式系統(tǒng)的工作原理如下：進入比較器的信號有兩路：一路來自數(shù)控裝置插補器或插補軟件的進給脈沖，它代表了數(shù)控裝置要求機床工作臺移動的位移；另一路來自測量元件及信號處理線路，也是以數(shù)字脈沖形式出現(xiàn)，它代表了工作臺實際移動的距離。鑒幅系統(tǒng)工作前，數(shù)控裝置和測量元件的信號處理線路都沒有脈沖輸出，比較器的輸出為零。這時，執(zhí)行元件不能帶動工作臺移動。出現(xiàn)進給脈沖信號之后，比較器的輸出不再為零，執(zhí)行元件開始帶動工作臺移動，同時，以鑒幅式工作的測量元件又將工作臺的位移檢測出

35、來，經(jīng)信號處理線路轉換成相應的數(shù)字脈沖信號，該數(shù)字脈沖信號作為反饋信號進入比較器與進給脈沖進行比較。若兩者相等，比較器的輸出為零，說明工作臺實際移動的距離等于指令信號要求工作臺移動的距離，執(zhí)行元件停止帶動工作臺移動；若兩者不相等，說明工作臺實際移動的距離還不等于指令信號要求工作臺移動的距離，執(zhí)行元件繼續(xù)帶動工作臺移動，直到比較器輸出為零時停止。在鑒幅式伺服系統(tǒng)中，數(shù)模轉換電路的作用是將比較器輸出的數(shù)字量轉化為直流電壓信號，圖5-26測量元件及信號處理線路該信號經(jīng)驅動線路進行電壓和功率放大，驅動執(zhí)行元件帶動工作臺移動。測量元件及信號處理線路是將工作臺的機械位移檢測出來并轉換為數(shù)字脈沖量。圖5-2

36、6 測量元件及信號處理線路測量元件及信號處理線路是如何將工作臺的機械位移檢測出來并轉換為數(shù)字脈沖的呢?測量元件的工作原理在第四章中已經(jīng)詳細地介紹過，下面重點介紹信號處理線路的工作原理。圖5-26是測量元件及信號處理線路的框圖，它主要由測量元件、解調電路、電壓頻率轉換器和sincos發(fā)生器組成。由測量元件的工作原理可知，當工作臺移動時，測量元件根據(jù)工作的位移量，即絲杠轉角 輸出電壓信號 是此時測量元件激磁信號的電氣角。 的幅值 代表著工作臺的位移。 經(jīng)濾波、放大、檢波、整流以后，變成方向與工作臺移動方向相對應，幅值與工作臺位移成正比的直流電壓信號，這個過程稱為解調。解調電路也稱鑒幅器。解調后的信

37、號經(jīng)電壓頻率轉換器變成計數(shù)脈沖，脈沖的個數(shù)與電壓幅值成正比，并用符號觸發(fā)器表示方向。一方面，該計數(shù)脈沖及其符號送到比較器與進給脈沖比較；另一方面，經(jīng)sincos發(fā)生器，產生驅動測量元件的兩路信號sin和cos，使 角與此相對應發(fā)生改變。該驅動信號是方波信號，它的脈寬隨計數(shù)脈沖的多少而變。根據(jù)傅里葉展開式，當該方波信號作用于測量元件時，其基波信號分量為 角的大小由方波的寬度決定。若測量元件的轉子沒有新位移，因激磁信號電氣角由 變?yōu)?，它所輸出的幅值信號也隨之變化，而且逐步趨于零。若輸出的新的幅值信號不為零， 將再一次經(jīng)電壓頻率轉換器、sincos信號發(fā)生器，產生下一個激磁信號，該激磁信號將使測量

38、元件的輸出進一步接近于零，這個過程的不斷重復，直到測量元件的輸出為零時止。在這個過程中，電壓頻率轉換器送給比較器的脈沖數(shù)量正好等于 角所代表的工作臺的位移量。通常，我們總希望測量過渡過程盡可能短，如果這個過程很長，當有連續(xù)的進給脈沖時，由于來自測量元件的反饋脈沖不能及時到來，比較器輸出的誤差信號本身就帶有很大的誤差，因而必定要造成伺服系統(tǒng)的拖動誤差，從而影響加工精度。還有一點須要說明，測量元件的激磁信號sincos是方波信號，傅里葉展開后，可分解為基波信號和無窮個高次諧波信號，因此，測量元件的輸出也必然含有這些高次諧波的影響，故在解調線路中，須首先進行濾波，將這些高次諧波的影響排除掉。2.鑒幅

39、式伺服系統(tǒng)的主要控制線路1) 解調線路圖5-27是解調線路圖，它由三部分組成，即低通濾波器、放大器和檢波器。如前所述，來自測量元件的信號除包含基波信號 之外，還有高次諧波，需用低通濾波器將它濾掉。圖5-28是一種低通濾波線路圖。它主要由可變電位計、濾波器和放大器組成。電位計W1用來調節(jié)解調線路的靈敏度，通過調節(jié)W1輸出電壓，改變低通濾波器的輸出。放大器用來提高輸出阻抗，使低通濾波器有良好的阻抗匹配。低通濾波器輸出信號的幅值和功率較小，故經(jīng)過一級放大之后送到檢波器。放大器的參數(shù)可根據(jù)低通濾波器的輸出信號的幅值和檢波器對它的要求選定，放大器是集成元件，可根據(jù)要求選擇。圖5-29是一種檢波器線路圖，

40、它是一個帶放大器和反相器的電子開關電路。輸入信號 經(jīng)放大器 、反相器 和RC線路變成兩列相位相反的交變電壓信號，參考信號是與 同頻率、同相位的方波信號。當參考信號D為高時，控制電子開關 接通，而此時 為低，控制電子開關 斷開；當參考信號D為低時，控制電子開關 斷開，而 為高使 接通。我們知道，測量元件輸出的電壓信號為 當工作臺正向進給時， 的幅值 為正；當工作臺反向進給時， 為負。如果參考信號D在 為正時為高，那么，工作臺正向進給時，檢波器的輸出 為正；工作臺反向進給時，檢波器的輸出 為負。 信號再經(jīng)過一次濾波去掉脈動成分，就得到平滑的直流電壓 ，檢波器的工作波形圖如圖5-30所示。2) 電壓

41、頻率轉換器電壓頻率轉換器的作用是根據(jù)輸入的電壓值，產生出相應的脈沖。當輸入電壓為正時，輸出正向脈沖；當輸入電壓為負時，輸出反向脈沖，脈沖的方向用符號寄存器的輸出表示；當輸入為零時，不產生任何脈沖。隨著輸入電壓信號幅值的增加，電壓頻率轉換器的輸出開始出現(xiàn)脈沖，圖5-31是電壓頻率轉換器線路圖，其工作原理如下：放大器 是一個積分器，當輸入信號的幅值大時， 的輸出上升到+2.5 V所需的積分時間短，當輸入信號的幅值小時，積分的時間長一些，如圖5-32所示。放大器 和 是兩個電壓比較器，它們的作用是檢測 的信號。當 輸出的電壓上升到+2.5 V時， 的輸出突然由1變?yōu)?；而 的輸出電壓值下降到-2.5

42、 V時， 的輸出突然由1變?yōu)?。 和 的輸出又被送到同步器，每當 和 有由高電平到低電平的跳變時，同步器輸出一個同步脈沖。該脈沖經(jīng)三極管 和場效應管使積分器 復位， 的輸出等于輸入，同時 或 的輸出又變?yōu)楦唠娖?。另?和 輸出的脈沖信號又控制符號觸發(fā)器置位或清零，指出方向。 表示正向， 表示反向。圖5-32是電壓頻率轉換的波形圖。電壓頻率轉換器的輸出一方面作為工作臺的實際位移被送到鑒幅系統(tǒng)的比較器，另一方面作為激磁信號的電氣角 被送到sincos發(fā)生器(見圖5-33)。3) sincos發(fā)生器sincos發(fā)生器的任務是根據(jù)電壓頻率轉換器輸出脈沖的多少和方向，生成測量元件的激磁信號 和 ，即 式

43、中 的大小由脈沖的多少和方向決定； 和 的頻率和周期根據(jù)要求可用基準信號的頻率和計數(shù)器的位數(shù)調整、控制 。通常 ，sincos發(fā)生器可分為兩部分 ，即脈沖相位轉換線路和sincos信號生成線路。圖5-33是一具體的sincos信號發(fā)生器，其工作原理如下：當電壓頻率轉換器有正向計數(shù)脈沖輸出時，該正向脈沖在方向符號的控制下，經(jīng)門3、門5進入A計數(shù)器的加端，使A計數(shù)器多加這些正向計數(shù)脈沖，A計數(shù)器的輸出便超前參考計數(shù)器的輸出一個相位角 ；同時，它經(jīng)門3直接進入B計數(shù)器減端，使B計數(shù)器減掉這些正向計數(shù)脈沖，B計數(shù)器輸出便滯后參考計數(shù)器的輸出一個相應角 ；若電壓頻率轉換器輸出的是反向計數(shù)脈沖，則該反向脈

44、沖在方向符號的控制下，一方面經(jīng)門2、門4使B計數(shù)器多加這些反向計數(shù)脈沖，B計數(shù)器的輸出超前參考計數(shù)器的輸出一個相位角 ；另一方面經(jīng)門2直接進入A計數(shù)器減端，使A計數(shù)器減掉這些反向計數(shù)脈沖，A計數(shù)器的輸出滯后參考計數(shù)器的輸出一個相位角 ；若電壓頻率轉換器沒有計數(shù)脈沖輸出，A和B兩計數(shù)器的輸出與參考計數(shù)器的輸出同相位。實現(xiàn)以上這部分功能的線路稱之為脈沖相位轉換線路，它與鑒相式伺服系統(tǒng)中的脈沖調相器基本相同。A計數(shù)器的輸出A及其兩分頻后的信號 ，B計數(shù)器的輸出B及其兩分頻后的信號 ，以及參考計數(shù)器輸出的參考信號共同進入sincos信號生成線路。圖5-34是sincos信號生成線路，它的輸出就是所要求

45、的測量元件的激磁信號。圖5-34中sin和cos的邏輯表達式為4) 比較器鑒幅系統(tǒng)比較器的作用是對指令脈沖信號和反饋脈沖信號進行比較。一般來說，來自數(shù)控裝置的指令脈沖信號可以是以下兩種形式：第一種是用一條線路傳遞進給的方向，一條線路傳送進給脈沖；第二種是用一條線路傳送正向進給脈沖，一條線路傳送反向進給脈沖。來自測量元件信號處理線路的反饋信號是采用第一種形式表示的。進入比較器的脈沖信號形式不同，比較器的構造也不相同。圖5-36是指令脈沖為第一種形式時的一種比較器結構。在該比較器中，反饋脈沖一定不能與指令脈沖同時出現(xiàn)。比較器的工作原理是，當有正向指令脈沖出現(xiàn)時，該脈沖在方向符號控制下經(jīng)門2、門4，

46、進入可逆計數(shù)器加端，使可逆計數(shù)器作加法計數(shù)，可逆計數(shù)器的內容由零變?yōu)檎龜?shù)。其輸出經(jīng)數(shù)模轉換、驅動環(huán)節(jié)，使執(zhí)行元件帶動工作臺正向移動。工作臺移動之后，測量元件將移動的距離檢測出來，并經(jīng)信號處理線路以正向反饋信號送入比較器。該正向反饋信號經(jīng)門6 、門8進入可逆計數(shù)器減端，使可逆計數(shù)器作減法計數(shù)，可逆計數(shù)器的內容就是指令信號和反饋信號之差。若指令脈沖為反向脈沖，則經(jīng)門3、門8進入計數(shù)器減端，使可逆計數(shù)器作減法計數(shù)，可逆計數(shù)器的內容為負。這時，反饋信號也一定是反向脈沖，反向脈沖經(jīng)門7、門4進入可逆計數(shù)器加端，使可逆計數(shù)器作加法計數(shù)。當指令信號由一個方向向另一個方向轉換時，一定要在工作臺停止后再進行，即

47、可逆計數(shù)器的內容變?yōu)榱銜r再進行，否則要造成加工誤差。圖5-37是指令脈沖用第二種形式表示時的一種比較器的結構，其工作原理與第一種比較器的原理基本相同，這里不再分析。5) 數(shù)模轉換器數(shù)模轉換器也稱脈寬調制器，它的任務是把比較器的數(shù)字量轉變?yōu)殡妷盒盘?。目前，已有許多不同精度、不同形式的數(shù)模(DA)轉換器，只要能滿足伺服系統(tǒng)對它的輸入輸出要求，可直接選來應用。四、 數(shù)字比較式伺服系統(tǒng)1.數(shù)字比較系統(tǒng)的構成一個數(shù)字比較系統(tǒng)最多可由6個主要環(huán)節(jié)組成(見圖5-38)：(1) 由數(shù)控裝置提供的指令信號。它可以是數(shù)碼信號，也可以是脈沖數(shù)字信號。(2) 由測量元件提供的機床工作臺位置信號 。它可以是數(shù)碼信號 ，

48、也可以是數(shù)字脈沖信號。(3) 完成指令信號與測量反饋信號比較的比較器。(4) 數(shù)字脈沖信號與數(shù)碼的相互轉換部件。它依據(jù)比較器的功能以及指令信號和反饋信號的性質而決定取舍。(5) 驅動執(zhí)行元件。它根據(jù)比較器的輸出帶動機床工作臺移動。在數(shù)字比較系統(tǒng)中，常用的位置測量反饋元件有光柵和編碼盤。前者提供的是數(shù)字脈沖序列，后者是數(shù)碼信號。雖然在此類系統(tǒng)中也可以采用能產生模擬反饋信號的測量元件，如旋轉變壓器、感應同步器等，但要通過模數(shù)(AD)轉換，將模擬量變?yōu)閿?shù)字量以后才能提供給系統(tǒng)，這樣會增加系統(tǒng)的復雜程度，故在典型的數(shù)字比較系統(tǒng)中很少采用。 圖5-38 數(shù)字比較系統(tǒng)的組成常用的數(shù)字比較器大致有三類：數(shù)碼

49、比較器、數(shù)字脈沖比較器、數(shù)碼與數(shù)字脈沖比較器。由于指令和反饋信號不一定能適合比較的需要，因此，在指令和比較器之間以及反饋和比較器之間有時須增加“數(shù)字脈沖數(shù)碼轉換”的線路。比較器的輸出反映了指令信號和反饋信號的差值，以及差值的方向。將這一輸出信號放大后，控制執(zhí)行元件。執(zhí)行元件可以是伺服電機、液壓伺服馬達等。一個具體的數(shù)字比較系統(tǒng)，根據(jù)指令信號和測量反饋信號的形式，以及選擇的比較器的形式，可以是一個包括上述6個部分的系統(tǒng)，也可以僅由其中的某幾部分組成。2數(shù)字比較系統(tǒng)的主要功能部件1) 數(shù)字脈沖數(shù)碼轉換器(1) 數(shù)字脈沖轉換為數(shù)碼。對于數(shù)字脈沖轉化為數(shù)碼，其簡單的實現(xiàn)就是一個可逆計數(shù)器，它將輸入的脈沖進行計數(shù)，以數(shù)碼值輸出。根據(jù)對數(shù)碼形式的要求不同，可逆計數(shù)器可以是二進制的、二十進制的或其他類型的計數(shù)器，圖5-3