數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)

第六章數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)6.1概述6.2開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路6.3閉環(huán)伺服系統(tǒng)與反饋比較形式6.4直流伺服電機(jī)與調(diào)速系統(tǒng)6.5交流伺服電機(jī)與主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)16.1概述6.1.1伺服系統(tǒng)的分類(lèi)數(shù)控伺服系統(tǒng)由伺服電機(jī)（M）、驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制轉(zhuǎn)換電路、電力電子驅(qū)動(dòng)放大模塊、電流調(diào)解單元、速度調(diào)解單元、位置調(diào)解單元和相應(yīng)的檢測(cè)裝置（如光電脈沖編碼器G）等組成。一般閉環(huán)伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖6.1所示。它是一個(gè)三環(huán)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其中，外環(huán)是位置環(huán)，中環(huán)是速度環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。2開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)閉環(huán)伺服系統(tǒng)半閉環(huán)系統(tǒng)

（1）按調(diào)節(jié)理論分類(lèi)3電液伺服控制系統(tǒng)電氣伺服控制系統(tǒng)（2）按使用的執(zhí)行元件分類(lèi)進(jìn)給伺服系統(tǒng)主軸伺服系統(tǒng)（3）按被控對(duì)象分類(lèi)4（1）高精度由于數(shù)控機(jī)床的動(dòng)作是由伺服電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的，為了保證移動(dòng)部件的定位精度，對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)要求定位準(zhǔn)確。一般要求定位精度達(dá)到0.01～0.001mm；高檔設(shè)備的定位精度要求達(dá)到0.1μm以上。速度控制要求在負(fù)載變化時(shí)有較強(qiáng)的抗擾動(dòng)能力，以保證速度恒定。這樣才能在輪廓加工中保證有較好的加工精度。6.1.2伺服系統(tǒng)的基本要求

5（2）穩(wěn)定性好穩(wěn)定性是指系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調(diào)節(jié)過(guò)程后，達(dá)到新的或者恢復(fù)到原來(lái)的平衡狀態(tài)，對(duì)伺服系統(tǒng)要求有較強(qiáng)的抗干擾能力。穩(wěn)定性是保證數(shù)控機(jī)床正常工作的條件，直接影響數(shù)控加工的精度和表面粗糙度。6（3）響應(yīng)快速為了提高生產(chǎn)率，保證加工精度要求伺服系統(tǒng)有良好的快速響應(yīng)特性，即要求跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)要快。這就對(duì)伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能提出了兩方面的要求：一方面，在伺服系統(tǒng)處于頻繁地起動(dòng)、制動(dòng)、加速、減速等動(dòng)態(tài)過(guò)程中，為了提高生產(chǎn)效率和保證加工質(zhì)量，要求加、減速度足夠大，以縮短過(guò)渡過(guò)程時(shí)間，一般電動(dòng)機(jī)速度由零到最大，或從最大減少到零，時(shí)間應(yīng)控制在200毫秒以下，甚至少于幾十毫秒，且速度變化不應(yīng)有超調(diào)；另一方面，當(dāng)負(fù)載突變時(shí)，過(guò)渡過(guò)程恢復(fù)時(shí)間要短且無(wú)振蕩，這樣才能達(dá)到光滑的加工表面。7（4）調(diào)速范圍寬目前數(shù)控機(jī)床一般要求進(jìn)給伺服系統(tǒng)的調(diào)速范圍是0～30m/min，有的已達(dá)到240m/min。除去滾珠絲杠和降速齒輪的降速作用。伺服電動(dòng)機(jī)要有更寬的調(diào)速范圍。對(duì)于主軸電動(dòng)機(jī)，因使用無(wú)級(jí)調(diào)速，要求有（1:100）～（1:1000）范圍內(nèi)的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速以及1:10以上的恒功率調(diào)速。（5）低速大轉(zhuǎn)矩機(jī)床在低速切削時(shí)，切深和進(jìn)給都較大，要求主軸電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩較大?，F(xiàn)代的數(shù)控機(jī)床，通常是伺服電動(dòng)機(jī)與絲杠直聯(lián)，沒(méi)有降速齒輪，這就要求進(jìn)給電動(dòng)機(jī)能輸出較大的轉(zhuǎn)矩。對(duì)于數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)主要是速度和位置控制。8（6）較強(qiáng)的過(guò)載能力由于電動(dòng)機(jī)加減速時(shí)要求有很快的響應(yīng)速度，而使電動(dòng)機(jī)可能在過(guò)載的條件下工作，這就要求電動(dòng)機(jī)有較強(qiáng)的抗過(guò)載能力。通常要求在數(shù)分鐘內(nèi)過(guò)載4～6倍而不損壞。

（7）慣性匹配移動(dòng)部件加速和降速時(shí)都有較大的慣量，由于要求系統(tǒng)的快速響應(yīng)性能好，因而電動(dòng)機(jī)的慣量要與移動(dòng)部件的慣量匹配。通常要求電動(dòng)機(jī)的慣量不小于移動(dòng)部件慣量。96.2開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)與步進(jìn)電機(jī)6.2.1開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的組成開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)不存在反饋環(huán)節(jié)，系統(tǒng)輸出只受輸入的控制。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，比較經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是控制精度和抑制干擾的能力較差，且對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的變動(dòng)敏感。106.2.2步步進(jìn)進(jìn)電電機(jī)機(jī)步進(jìn)進(jìn)電電機(jī)機(jī)流流行行于于上上世世紀(jì)紀(jì)70年年代代，，該該系系統(tǒng)統(tǒng)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單、、控控制制容容易易、、維維修修方方便便，，且且控控制制為為全全數(shù)數(shù)字字化化。。隨隨著著計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)技技術(shù)術(shù)的的發(fā)發(fā)展展，，除除功功率率驅(qū)驅(qū)動(dòng)動(dòng)電電路路之之外外，，其其它它部部分分均均可可由由軟軟件件實(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)，，從從而而進(jìn)進(jìn)一一步步簡(jiǎn)簡(jiǎn)化化結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)。。因因此此，，這這類(lèi)類(lèi)系系統(tǒng)統(tǒng)目目前前仍仍有有相相當(dāng)當(dāng)?shù)牡氖惺袌?chǎng)場(chǎng)。。目目前前步步進(jìn)進(jìn)電電機(jī)機(jī)僅僅用用于于小小容容量量、、低低速速、、精精度度要要不不高高的的場(chǎng)場(chǎng)合合，，如如經(jīng)經(jīng)濟(jì)濟(jì)型型數(shù)數(shù)控控設(shè)設(shè)備備、、打打印印機(jī)機(jī)、、繪繪圖圖機(jī)機(jī)等等計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)的的外外部部設(shè)設(shè)備備。。11步進(jìn)進(jìn)電電機(jī)機(jī)是是一一種種將將電電脈脈沖沖信信號(hào)號(hào)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化化為為機(jī)機(jī)械械角角位位移移的的電電磁磁機(jī)機(jī)械械裝裝置置。。由由于于所所用用電電源源是是脈脈沖沖電電源源，，所所以以也也稱(chēng)稱(chēng)為為脈脈沖沖馬馬達(dá)達(dá)。。步進(jìn)進(jìn)電電機(jī)機(jī)和和一一般般電電機(jī)機(jī)不不同同，，一一般般電電機(jī)機(jī)通通電電后后連連續(xù)續(xù)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)，，而而步步進(jìn)進(jìn)電電機(jī)機(jī)則則隨隨輸輸入入的的脈脈沖沖按按節(jié)節(jié)拍拍一一步步一一步步地地轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)。。對(duì)對(duì)步步進(jìn)進(jìn)電電機(jī)機(jī)施施加加一一個(gè)個(gè)電電脈脈沖沖信信號(hào)號(hào)時(shí)時(shí)，，步步進(jìn)進(jìn)電電機(jī)機(jī)就就旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)一一個(gè)個(gè)固固定定的的角角度度，，稱(chēng)稱(chēng)為為一一步步。。每每一一步步所所轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)過(guò)過(guò)的的角角度度叫叫做做步步距距角角。。12步進(jìn)進(jìn)電電機(jī)機(jī)的的角角位位移移量量和和輸輸入入的的脈脈沖沖數(shù)數(shù)成成正正比比。。在在時(shí)時(shí)間間上上與與輸輸入入的的脈脈沖沖同同步步。。因此此，，只只需需要要控控制制輸輸入入脈脈沖沖的的數(shù)數(shù)量量、、頻頻率率及及電電機(jī)機(jī)繞繞組組通通電電相相序序，，便便可可以以獲獲得得所所需需要要的的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角角、轉(zhuǎn)速速及及轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)方方向向。在無(wú)無(wú)脈脈沖沖輸輸入入時(shí)時(shí)，，步步進(jìn)進(jìn)電電機(jī)機(jī)在在繞繞組組電電源源激激勵(lì)勵(lì)下下，，氣氣隙隙磁磁場(chǎng)場(chǎng)能能使使轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子保保持持原原有有的的位位置置而而處處于于定定位位狀狀態(tài)態(tài)。。13步進(jìn)進(jìn)電電機(jī)機(jī)的的分分類(lèi)類(lèi)按運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)方方式式分分：：旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)、、直直線線運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)式式步步進(jìn)進(jìn)電電機(jī)機(jī)；；按工工作作原原理理分分：：反反應(yīng)應(yīng)式式（（磁磁阻阻式式））、、電電磁磁式式、、永永磁磁式式；；按結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)分分：：?jiǎn)螁味味问绞剑ǎ◤綇较蛳蚴绞剑?、、多多段段式式（（軸軸向向式式））；；按使使用用場(chǎng)場(chǎng)合合分分：：功功率率步步進(jìn)進(jìn)電電機(jī)機(jī)和和控控制制步步進(jìn)進(jìn)電電機(jī)機(jī)；；按相相數(shù)數(shù)分分：：三三相相、、四四相相、、五五相相、、六六相相、、八八相相等等；；按使使用用頻頻率率分分：：高高頻頻率率和和低低頻頻步步進(jìn)進(jìn)電電機(jī)機(jī)；；不同同的的步步進(jìn)進(jìn)電電機(jī)機(jī)，，其其工工作作原原理理、、驅(qū)驅(qū)動(dòng)動(dòng)裝裝置置也也不不完完全全一一樣樣。。141.三三相相單單三三拍拍CA'BB'C'A3412A相繞繞組組通通電電，，B、、C相不不通通電電。。氣氣隙隙產(chǎn)產(chǎn)生生以以A-A為為軸軸線線的的磁磁場(chǎng)場(chǎng)，，而而磁磁力力線線總總是是力力圖圖從從磁磁阻阻最最小小的的路路徑徑通通過(guò)過(guò)，，故故電電動(dòng)動(dòng)機(jī)機(jī)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子受受到到一一個(gè)個(gè)反反應(yīng)應(yīng)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩矩，，在在此此轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩矩的的作作用用下下，，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子必必然然轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)到到左左圖圖所所示示位位置置：：1、3齒與A、A′′極對(duì)齊。。“三相””指三相相步進(jìn)電電機(jī)；““單”指指每次只只能一相相繞組通通電；““三拍””指通電電三次完完成一個(gè)個(gè)通電循循環(huán)。步進(jìn)電動(dòng)動(dòng)機(jī)的工工作原理理15CA'BB'C'A3412同理，B相通電時(shí)時(shí)，轉(zhuǎn)子子會(huì)轉(zhuǎn)過(guò)過(guò)30角，2、4齒和B、B′磁極軸線線對(duì)齊；；當(dāng)C相通電時(shí)時(shí)，轉(zhuǎn)子子再轉(zhuǎn)過(guò)30角，1、3齒和C′、C磁極軸線線對(duì)齊。。1C'342CA'BB'A16這種工作作方式下下，三個(gè)個(gè)繞組依依次通電電一次為為一個(gè)循循環(huán)周期期，一個(gè)個(gè)循環(huán)周周期包括括三個(gè)工工作脈沖沖，所以以稱(chēng)為三三相單三三拍工作作方式。。按ABCA………的順序序給三相相繞組輪輪流通電電，轉(zhuǎn)子子便一步步一步轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)來(lái)。每一一拍轉(zhuǎn)過(guò)過(guò)30°(步距角角)，每每個(gè)通電電循環(huán)周周期(3拍)磁場(chǎng)場(chǎng)在空間間旋轉(zhuǎn)了了360°°而轉(zhuǎn)子子轉(zhuǎn)過(guò)90°(一個(gè)齒齒距角)。2.三相六拍拍按AABBBCCCA的順序給給三相繞繞組輪流流通電。。這種方式式可以獲獲得更精精確的控控制特性性。17CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412A相通電，，轉(zhuǎn)子1、、3齒與A、A'對(duì)齊。A、B相相同時(shí)通通電，A、A'磁極拉住住1、3齒，B、B'磁極拉住住2、4齒，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)15，到達(dá)左圖圖所示位位置。18CA'BB'C'A3412B相通電，，轉(zhuǎn)子2、4齒與B、B′對(duì)齊,又又轉(zhuǎn)過(guò)15。3412CA'BB'C'AB、C相同時(shí)通通電，C'、C磁極拉住住1、3齒，B、B'磁極拉住住2、4齒齒，轉(zhuǎn)子子再轉(zhuǎn)過(guò)15。19三相反應(yīng)應(yīng)式步進(jìn)進(jìn)電動(dòng)機(jī)機(jī)的一個(gè)個(gè)通電循循環(huán)周期如下：：AABBBCCCA，每個(gè)循環(huán)周期分分為六拍拍。每拍拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)過(guò)15（步距角角），一個(gè)通電循循環(huán)周期期(6拍)轉(zhuǎn)子子轉(zhuǎn)過(guò)90(齒距角角)。與單三拍拍相比，，六拍驅(qū)驅(qū)動(dòng)方式式的步進(jìn)進(jìn)角更小，更適適用于需需要精確確定位的的控制系系統(tǒng)中。。3.三相雙三三拍按ABBCCA的順序給給三相繞繞組輪流流通電。每拍拍有兩相相繞組同同時(shí)通電電。20AB通電CA'BB'C'A3412BC通電3412CA'BB'C'ACA通電CA'BB'C'A3412與單三拍拍方式相相似，雙雙三拍驅(qū)驅(qū)動(dòng)時(shí)每每個(gè)通電電循環(huán)周期也也分為三三拍。每每拍轉(zhuǎn)子子轉(zhuǎn)過(guò)30(步距角角)，一個(gè)通電循循環(huán)周期期(3拍)轉(zhuǎn)子子轉(zhuǎn)過(guò)90(齒距角角)。21從上述可可知，步步距角的的大小與與通電方方式和轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子齒數(shù)有關(guān)，，其大小小可用下下式計(jì)算算：α＝360o／(Zm)Z－轉(zhuǎn)子子齒數(shù)m一運(yùn)行行拍數(shù)22步進(jìn)電動(dòng)動(dòng)機(jī)的主主要性能能指標(biāo)1.步距距角2.最大大靜轉(zhuǎn)矩矩3.空載載啟動(dòng)頻頻率4.啟動(dòng)動(dòng)矩頻特特性5.空載載運(yùn)行頻頻率2324步進(jìn)電機(jī)機(jī)開(kāi)環(huán)系系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)要解決的的主要問(wèn)問(wèn)題：①動(dòng)力計(jì)計(jì)算②②傳傳動(dòng)計(jì)算算③③驅(qū)動(dòng)電電路設(shè)計(jì)計(jì)或選擇擇傳動(dòng)計(jì)算算選擇合合適的參參數(shù)以滿滿足脈沖沖當(dāng)量和進(jìn)給速速度F的的要求。。圖中：f—脈脈沖頻率率（HZ）α—步步距角（（度））Z1、Z2—傳動(dòng)動(dòng)齒輪齒齒數(shù)t—螺螺距(mm)—脈沖沖當(dāng)量（（mm）步進(jìn)電機(jī)Z1Z2tf，25傳動(dòng)比選選擇：為了湊脈脈沖當(dāng)量量mm，也也為了增增大傳遞遞的扭矩矩，在步步進(jìn)電機(jī)機(jī)與絲桿桿之間，，要增加加一對(duì)齒齒輪傳動(dòng)動(dòng)副，那那么，傳傳動(dòng)比i=Z1/Z2與α、、t之間有如如下關(guān)系系：α—步距距角，－脈沖沖當(dāng)量，，t－絲杠導(dǎo)程程。26例1：=0.01mm,t=1.5mm,α=1.2°°步進(jìn)電機(jī)Z1Z2tf，27進(jìn)給速度度F：一般步進(jìn)進(jìn)電機(jī)：若：δ=0.01mm則則：若：δ=0.001mm則則：因此，當(dāng)當(dāng)fmax一定時(shí)，，F(xiàn)max與δ成正正比，故故我們?cè)谠谡劦讲讲竭M(jìn)電機(jī)機(jī)開(kāi)環(huán)系系統(tǒng)的最最高速度度時(shí)，都都應(yīng)指明明是在多多大的脈脈沖當(dāng)量量δ下的的,否則則是沒(méi)有有意義的的。28提高步進(jìn)進(jìn)電機(jī)開(kāi)開(kāi)環(huán)伺服服系統(tǒng)傳傳動(dòng)精度度的措施施影響步進(jìn)進(jìn)電機(jī)開(kāi)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)統(tǒng)傳動(dòng)精精度的因因素：步進(jìn)電機(jī)機(jī)的步距距角精度度；機(jī)械傳動(dòng)動(dòng)部件的的精度；；絲桿等機(jī)機(jī)械傳動(dòng)動(dòng)部件、、支承的的傳動(dòng)間間隙；傳動(dòng)件和和支承件件的變形形。提高步進(jìn)進(jìn)電機(jī)開(kāi)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)統(tǒng)傳動(dòng)精精度的措措施適當(dāng)提高高系統(tǒng)組組成環(huán)節(jié)節(jié)的精度度；采取各種種精度補(bǔ)補(bǔ)償措施施。29傳動(dòng)間隙隙補(bǔ)償在整個(gè)行行程范圍圍內(nèi)測(cè)量量傳動(dòng)機(jī)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)動(dòng)間隙，，取其平平均值存存放在數(shù)數(shù)控系統(tǒng)統(tǒng)中的間間隙補(bǔ)償償單元，，當(dāng)進(jìn)給給系統(tǒng)反反向運(yùn)動(dòng)動(dòng)時(shí)，數(shù)數(shù)控系統(tǒng)統(tǒng)自動(dòng)將將補(bǔ)償值值加到進(jìn)進(jìn)給指令令中，從從而達(dá)到到補(bǔ)償目目的。螺距誤差差補(bǔ)償利用計(jì)算算機(jī)的運(yùn)運(yùn)算處理理能力，，可以補(bǔ)補(bǔ)償滾珠珠絲杠的的螺距累累積誤差差，以提提高進(jìn)給給位移精精度。方法：首首先測(cè)量量出進(jìn)給給絲杠螺螺距誤差差曲線(規(guī)律)，然后后可采用用下列兩兩種方法法實(shí)現(xiàn)誤誤差補(bǔ)償償：硬件件補(bǔ)償、、軟件補(bǔ)補(bǔ)償。30例2設(shè)X-Y工作作臺(tái)由步步進(jìn)電機(jī)機(jī)直接經(jīng)經(jīng)絲桿螺螺母副驅(qū)驅(qū)動(dòng)，絲絲桿螺距距為5mm，步步進(jìn)電機(jī)機(jī)步距角角為150，工作方方式三相相六拍，，工作臺(tái)臺(tái)最大行行程為400mm，求求：（1）脈脈沖當(dāng)量量；（2）微微機(jī)發(fā)出出的脈沖沖總數(shù)是是多少？？31(2)計(jì)計(jì)算脈沖沖數(shù)n，，由n=L(工作臺(tái)臺(tái)最大行行程）所以，脈脈沖數(shù)為為：n=L/=400/0.02083=19200步解：（1）由由計(jì)算脈脈沖當(dāng)量量：360=L0已知，L0=5mm，=150求脈沖當(dāng)當(dāng)量計(jì)算=5/3601.5=0.02083(mm)326.3閉閉環(huán)伺伺服系統(tǒng)統(tǒng)與與反反饋比較較形式6.3.1閉閉環(huán)與半半閉環(huán)伺伺服進(jìn)給給系統(tǒng)在閉環(huán)控控制系統(tǒng)統(tǒng)中，傳傳感器安安裝在控控制目標(biāo)標(biāo)部件上上，直接接檢測(cè)目目標(biāo)的運(yùn)運(yùn)動(dòng)，并并將目標(biāo)標(biāo)的有關(guān)關(guān)信息反反饋到控控制器，，由控制制器進(jìn)行行反饋控控制。具具有反饋饋環(huán)節(jié)的的控制系系統(tǒng)具有有抑制干干擾的能能力，控控制精度度較高；；但是反反饋環(huán)節(jié)節(jié)的引入入增加了了系統(tǒng)的的復(fù)雜性性，且增增益選擇擇不當(dāng)時(shí)時(shí)可能會(huì)會(huì)導(dǎo)致系系統(tǒng)不穩(wěn)穩(wěn)定。336.3閉閉環(huán)伺伺服系統(tǒng)統(tǒng)與與反反饋比較較形式6.3.1閉閉環(huán)與半半閉環(huán)伺伺服進(jìn)給給系統(tǒng)在半閉環(huán)環(huán)控制系系統(tǒng)中，，傳感器器安裝在在中間部部件上，，控制系系統(tǒng)根據(jù)據(jù)檢測(cè)到到的中間間部件的的狀態(tài)參參數(shù)推知知控制目目標(biāo)部件件的工作作狀態(tài)，，從而對(duì)對(duì)控制目目標(biāo)部件件的工作作狀態(tài)進(jìn)進(jìn)行調(diào)整整，使之之滿足要要求。346.3.2數(shù)數(shù)字脈沖沖比較伺伺服系統(tǒng)統(tǒng)在進(jìn)給伺伺服系統(tǒng)統(tǒng)中，脈脈沖比較較伺服系系統(tǒng)應(yīng)用用比較普普遍。這這是因?yàn)闉樵撓到y(tǒng)統(tǒng)結(jié)構(gòu)較較為簡(jiǎn)單單，易于于實(shí)現(xiàn)數(shù)數(shù)字化的的閉環(huán)位位置控制制。脈沖沖比較伺伺服系統(tǒng)統(tǒng)的檢測(cè)測(cè)元件可可以是光光電脈沖沖編碼器器或光柵柵。但普普遍采用用光電編編碼器作作為位置置檢測(cè)元元件，以以半閉環(huán)環(huán)形式構(gòu)構(gòu)成伺服服系統(tǒng)。。脈沖比較較伺服系系統(tǒng)是將將位置指指令脈沖沖與檢測(cè)測(cè)元件反反饋脈沖沖在比較較器進(jìn)行行比較，，得到位位置偏差差脈沖信信號(hào)。伺伺服系統(tǒng)統(tǒng)根據(jù)這這一偏差差信號(hào)去去驅(qū)動(dòng)電電動(dòng)機(jī)，，原理框框圖如圖圖6-2所示。。352.脈脈沖比較較伺服系系統(tǒng)組成成圖6-2是以光光電編碼碼器為位位置檢測(cè)測(cè)元件的的脈沖比比較伺服服系統(tǒng)。。它主要要由下列列部分組組成：36(1)由由計(jì)算算機(jī)數(shù)控控制裝置置提供指指令的脈脈沖。(2)反反映機(jī)機(jī)床工作作臺(tái)實(shí)際際位置的的位置檢檢測(cè)器。。(3)完完成指指令信號(hào)號(hào)與反饋饋信號(hào)相相比較的的比較器器。(4)將將比較較器輸出出數(shù)字信信號(hào)轉(zhuǎn)變變成伺服服電動(dòng)機(jī)機(jī)模擬控控制信號(hào)的數(shù)數(shù)/模轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器。。(5)執(zhí)執(zhí)行元元件（伺伺服電動(dòng)動(dòng)機(jī)）。。372.脈沖沖比較伺伺服系統(tǒng)統(tǒng)的工作作原理當(dāng)數(shù)控系系統(tǒng)要求求工作臺(tái)臺(tái)向一個(gè)個(gè)方向進(jìn)進(jìn)給時(shí)，，經(jīng)插補(bǔ)補(bǔ)運(yùn)算得得到一系系列進(jìn)給給脈沖作作為指令令脈沖，，其數(shù)量量代表了了工作臺(tái)臺(tái)的指令令進(jìn)給量量，頻率率代表了了工作臺(tái)臺(tái)的進(jìn)給給速度，，方向代代表了工工作臺(tái)的的進(jìn)給方方向。以以增量式式光電編編碼器為為例，當(dāng)當(dāng)光電編編碼器與與伺服電電動(dòng)機(jī)及及滾珠絲絲杠直聯(lián)聯(lián)時(shí)，隨隨著伺服服電動(dòng)機(jī)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)，產(chǎn)生生序列脈脈沖輸出出，脈沖沖的頻率率將隨著著轉(zhuǎn)速的的快慢而而升降?！，F(xiàn)設(shè)工工作臺(tái)處處于靜止止?fàn)顟B(tài)。。38（1）指指令脈沖沖PC=0，這這時(shí)反饋饋脈沖Pf=0，則則Pe=0，則則伺服電電動(dòng)機(jī)的的速度給給定為零零，工作作臺(tái)繼續(xù)續(xù)保持靜靜止不動(dòng)動(dòng)。（2）現(xiàn)現(xiàn)有正向向指令PC+=2，可可逆計(jì)數(shù)數(shù)器加2，在工工作臺(tái)尚尚未移動(dòng)動(dòng)之前，，反饋脈脈沖Pf+=0，可逆計(jì)計(jì)數(shù)器輸出Pe=Pc+－Pf+=2－0=2，經(jīng)轉(zhuǎn)換，，速度指令為為正，伺服電電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，，工作臺(tái)正向向進(jìn)給。（3）工作臺(tái)臺(tái)正向運(yùn)動(dòng)，，即有反饋脈脈沖Pf+產(chǎn)生，當(dāng)Pf+＝１時(shí)，可逆逆計(jì)數(shù)器減１１，此時(shí)Pe=Pc+－Pf+=2－1＞0，伺服電動(dòng)動(dòng)機(jī)仍正轉(zhuǎn)，，工作臺(tái)繼續(xù)續(xù)正向進(jìn)給。。（4）當(dāng)Pf+=2時(shí)，Pe=Pc+－Pf+=2－2=0，則速度指指令為零，伺伺服電動(dòng)機(jī)停停轉(zhuǎn)，工作臺(tái)臺(tái)停止在位置置指令所要求求的位置。39當(dāng)指令脈沖為為反向PC-時(shí)，控制過(guò)程程與正向時(shí)相相同，只是Pe＜0，工作臺(tái)臺(tái)反向進(jìn)給。。當(dāng)采用絕對(duì)式式編碼器時(shí)，，通常情況下下，先將位置置檢測(cè)的代碼碼反饋信號(hào)經(jīng)經(jīng)數(shù)碼－數(shù)字字轉(zhuǎn)換，變成成數(shù)字脈沖信信號(hào)，再進(jìn)行行脈沖比較。。403.脈沖比比較器(1)脈沖比比較器概述脈沖比較伺服服系統(tǒng)是將PC的脈沖符號(hào)與與Pf的脈沖符號(hào)相相比較，得到到脈沖偏差信信號(hào)Pe。比較器為由由加減可逆計(jì)計(jì)數(shù)器組成的的數(shù)字脈沖比比較器，其組組成框圖如圖圖6-3所示示。41PC+、PC-和Pf+、Pf-的加、減定義義見(jiàn)表6-1。位置指令含義運(yùn)算位置反饋含義可逆計(jì)數(shù)器運(yùn)算PC+正向運(yùn)動(dòng)指令+Pf+正向位置反饋－PC-反向運(yùn)動(dòng)指令－Pf-反向位置反饋＋表6-1PC、Pf的定義42脈沖分離電路路的作用是：：在加、減脈脈沖先后分別別到來(lái)時(shí)，各各自按預(yù)定的的要求經(jīng)加法法計(jì)數(shù)端或減減法計(jì)數(shù)端進(jìn)進(jìn)入可逆計(jì)數(shù)數(shù)器。若加、、減脈沖同時(shí)時(shí)到來(lái)時(shí)，則則由該電路保保證先作加法法計(jì)數(shù)，然后后再作減法計(jì)計(jì)數(shù)，這樣可可保證兩路計(jì)計(jì)數(shù)脈沖均不不會(huì)丟失。43在脈沖比較伺伺服系統(tǒng)中，，只有實(shí)現(xiàn)指指令脈沖PC和反饋脈沖Pf的比較后，才才能得出位置置的偏差值△△Pi，所以系統(tǒng)需需要脈沖比較較器。圖6-4為一脈沖沖比較器，其其工作原理是是A1、A4、A5、A8、A9為或非門(mén)；A2、A3、A6、A7為觸發(fā)器；A12為8位移位寄寄存器；A10、A11為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)發(fā)器；A13為可逆計(jì)數(shù)器器。當(dāng)PC+與PC-不同時(shí)輸出時(shí)時(shí)，在A1和A5中同一時(shí)刻只只有一路有脈脈沖輸出，A9輸出始終是低低電平。如此此時(shí)工作臺(tái)要要做正向進(jìn)給給，正向指令令脈沖Pc+出現(xiàn)，該脈沖沖經(jīng)A1、A2、A3、A4輸出，使可逆逆計(jì)數(shù)器A13做加法計(jì)數(shù)。。4445可逆計(jì)數(shù)器的的內(nèi)容由0變變?yōu)檎龜?shù)，其其輸出經(jīng)轉(zhuǎn)換換和放大后，，使伺服電動(dòng)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)工作作臺(tái)正向移動(dòng)動(dòng)。工作臺(tái)移移動(dòng)后，位置置檢測(cè)元件測(cè)測(cè)得代表工作作臺(tái)位置的正正向反饋脈沖沖Pf+，該脈沖經(jīng)A5、A6、A7、A8輸出，使可逆逆計(jì)數(shù)器A13做減法計(jì)數(shù)。。此時(shí)，可逆逆計(jì)數(shù)器的內(nèi)內(nèi)容就是Pc+和Pf+的偏差值Pe。當(dāng)可逆計(jì)數(shù)數(shù)器的內(nèi)容變變?yōu)?時(shí)，說(shuō)說(shuō)明偏差值Pe=0，即工作作臺(tái)的實(shí)際位位置等于指令令要求的位移移，進(jìn)給過(guò)程程結(jié)束。反向向進(jìn)給時(shí)，反反向指令脈沖沖PC-使可逆計(jì)數(shù)器器做減法計(jì)數(shù)數(shù)，反向反饋饋脈沖Pf-使可逆計(jì)數(shù)器器做加法計(jì)數(shù)數(shù)，其他過(guò)程程和正向進(jìn)給給相同。46但也有可能出出現(xiàn)指令脈沖沖和反饋脈沖沖同時(shí)輸入的的情況。如出出現(xiàn)這種情況況，為防止可可逆計(jì)數(shù)器內(nèi)內(nèi)部操作因脈脈沖的“競(jìng)爭(zhēng)爭(zhēng)”而產(chǎn)生誤誤操作，影響響脈沖比較的的可靠性，在在指令脈沖和和反饋脈沖進(jìn)進(jìn)入可逆計(jì)數(shù)數(shù)器之前，要要進(jìn)行脈沖分分離。如脈沖沖比較器輸入入端同時(shí)出現(xiàn)現(xiàn)指令脈沖和和反饋脈沖，，則A1、A5的輸出同時(shí)為為0，使A9輸出為1，單單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器器A10、A11有脈沖輸出。。A10輸出的負(fù)脈沖沖同時(shí)封鎖A3和A7，使指令脈沖沖和反饋脈沖沖不能通過(guò)A3和A7而進(jìn)入可逆計(jì)計(jì)數(shù)器。47A11的正脈沖輸出出分成兩路，，先經(jīng)A4輸出到可逆計(jì)計(jì)數(shù)器做加法法計(jì)數(shù)，再經(jīng)經(jīng)A12延時(shí)四個(gè)時(shí)針針周期（由時(shí)時(shí)鐘脈沖PC產(chǎn)生）通過(guò)A8輸出到可逆計(jì)計(jì)數(shù)器做減法法計(jì)數(shù)。由于于脈沖比較器器具有脈沖分分離功能，所所以在指令脈脈沖和反饋脈脈沖不同時(shí)出出現(xiàn)時(shí)，脈沖沖比較器進(jìn)行行正常的脈沖沖信號(hào)比較。。即使指令脈脈沖和反饋脈脈沖同時(shí)出現(xiàn)現(xiàn)，也由硬件件邏輯電路保保證，先做加加法計(jì)數(shù)，后后做減法計(jì)數(shù)數(shù)，保證了兩兩路的脈沖不不會(huì)丟失。486.3.3相相位比較伺伺服系統(tǒng)1.相位比較較伺服系統(tǒng)組組成相位比較伺服服系統(tǒng)的檢測(cè)測(cè)元件可以是是旋轉(zhuǎn)變壓器器、感應(yīng)同步步器或磁柵等等。其特點(diǎn)是是將位置指令令脈沖和反饋饋脈沖都變成成某個(gè)載波脈脈沖的相位，，在鑒相器中中進(jìn)行相位比比較，得到實(shí)實(shí)際相位與給給定位置相位位的相位差ΔΔ。原理框框圖如圖6-5所示。它它主要由以下下部分組成。。4950（1）能輸出出一系列具有有一定頻率的的脈沖信號(hào)，，為伺服系統(tǒng)統(tǒng)提供一個(gè)相相位比較基準(zhǔn)準(zhǔn)的基準(zhǔn)信號(hào)號(hào)發(fā)生器。（2）將來(lái)自自計(jì)算機(jī)數(shù)控控裝置的進(jìn)給給脈沖轉(zhuǎn)變?yōu)闉橄辔蛔兓判盘?hào)的脈沖調(diào)調(diào)相器。（3）檢測(cè)工工作臺(tái)位移的的位置檢測(cè)元元件（感應(yīng)同同步器）。（4）將控制制信號(hào)與反饋饋信號(hào)進(jìn)行比比較，輸出與與相位差成正正比電壓信號(hào)號(hào)的鑒相器。。（5）將鑒相相器輸出的電電壓信號(hào)進(jìn)行行功率和電壓壓放大的伺服服放大器。51（6）實(shí)現(xiàn)電信號(hào)號(hào)到機(jī)械位移移轉(zhuǎn)換的執(zhí)行行元件。根據(jù)感應(yīng)同步步器工作在相相位工作方式式時(shí)有其中，。。相位比較較的實(shí)質(zhì)不是是脈沖數(shù)量上上的比較，而而是脈沖相位位之間的比較較，如超前或或滯后多少。。實(shí)現(xiàn)相位比比較的比較器器為鑒相器。。由于旋轉(zhuǎn)變壓壓器，感應(yīng)同同步器和磁柵柵等檢測(cè)信號(hào)號(hào)為電壓模擬擬信號(hào)，同時(shí)時(shí)這些裝置還還有勵(lì)磁信號(hào)號(hào)，故相位比比較首先要解解決信號(hào)處理理問(wèn)題，即怎怎樣形成指令令相位脈沖和和實(shí)際相位脈脈沖。。522.相位比較較伺服系統(tǒng)的的工作原理脈沖—相位變變換器又稱(chēng)脈脈沖調(diào)相器，，作用有兩個(gè)個(gè)：一是通過(guò)過(guò)對(duì)基準(zhǔn)脈沖沖進(jìn)行分頻，，產(chǎn)生基準(zhǔn)相相位脈沖，，由該脈沖沖形成的正、、余弦勵(lì)磁繞繞組的勵(lì)磁電電壓頻率與頻頻率相同同，感應(yīng)電壓壓ud的相位隨隨著工作臺(tái)的的移動(dòng)，相對(duì)對(duì)于基準(zhǔn)相位位有超前前或滯后；二二是通過(guò)對(duì)指指令脈沖Pc+、PC-的加、減，再再通過(guò)分頻產(chǎn)產(chǎn)生相位超前前或滯后于的的指令相相位脈沖。。53由于指令相位位脈沖的的相位和和實(shí)際相位脈脈沖的相相位均以基準(zhǔn)相位位脈沖的的相位為為基準(zhǔn)，因此此，和通通過(guò)鑒相器器即能獲得超超前，，還是超超前，，或兩者相等等。如(圖6-6)所示為Pc+=2時(shí)的相位位比較波形圖圖。(1)當(dāng)無(wú)進(jìn)進(jìn)給指令時(shí)，，即Pc+=0，工作臺(tái)臺(tái)靜止，指令令脈沖的相位位與基準(zhǔn)準(zhǔn)脈沖相位同同相位，，同時(shí)因工作作臺(tái)靜止無(wú)反反饋，故實(shí)際際相位也也與基準(zhǔn)脈沖沖相位同同相位，經(jīng)鑒鑒相器，則速度控制制信號(hào)為零，，伺服電動(dòng)機(jī)機(jī)不轉(zhuǎn)，工作作臺(tái)仍靜止，，如圖6-6a所示。54(2)有正向向進(jìn)給指令，，Pc+=2，在指令令獲得瞬時(shí)，，工作臺(tái)仍靜靜止，此時(shí)，，指令脈沖的的相位超超前基準(zhǔn)相位位，但實(shí)實(shí)際位置相位位保持不不變，經(jīng)鑒相相器，，速度度控制信號(hào)大大于零，伺服服電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，工作臺(tái)正正向移動(dòng)，如如圖6-6b所示。(3)隨著工工作臺(tái)的正向向移動(dòng)，有反反饋信號(hào)產(chǎn)生生，由此產(chǎn)生生的實(shí)際相位位超前基基準(zhǔn)相位，，但仍仍超前，，經(jīng)鑒相器，速度控制信信號(hào)仍大于零零，伺服電動(dòng)動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，工工作臺(tái)仍正向向移動(dòng)，如圖圖6-6c所所示。55圖6-6相相位比較波形形圖56圖6-6相相位比較波形形圖57(4)隨著工工作臺(tái)的繼續(xù)續(xù)正向移動(dòng)，，實(shí)際相位超超前基準(zhǔn)準(zhǔn)相位的的數(shù)值增加，，當(dāng)時(shí)時(shí)，經(jīng)鑒鑒相器，，速速度控制信號(hào)號(hào)為零，伺服服電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，工作臺(tái)停停止在指令所所要求的位置置上，如圖6-6d所示示。當(dāng)進(jìn)給為反向向指令時(shí)，相相位比較同正正向進(jìn)給類(lèi)似似。所不同的的是指令脈沖沖相對(duì)于基準(zhǔn)準(zhǔn)脈沖為減脈脈沖，故指令令相位相相對(duì)于基準(zhǔn)相相位滯后后，同時(shí)，實(shí)實(shí)際相位相相對(duì)于基準(zhǔn)準(zhǔn)相位也也為滯后，經(jīng)經(jīng)鑒相器比較較后所得的速速度指令信號(hào)號(hào)為負(fù)，伺服服電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，工作臺(tái)移移動(dòng)至指令位位置。58鑒相器的輸出出信號(hào)通常為為脈寬調(diào)制波波，需經(jīng)低通通濾波器去高高次諧波，變變換為平滑的的電壓信號(hào)，，作為速度控控制信號(hào)，同同時(shí)，鑒相器器還必須對(duì)超超前和滯后做做出判別，使使得速度控制制信號(hào)Up在正向指令為為正，在反向向指令為負(fù)。。至于一個(gè)脈沖沖相當(dāng)于多少少相位增量，，取決于脈沖沖—相位變換換器中的分頻頻系數(shù)N和脈沖當(dāng)量。。如感應(yīng)同步步器一個(gè)節(jié)距距τ=2mm（相當(dāng)360°電角度度），脈沖當(dāng)當(dāng)量δ=0.001mm/脈沖，，則相位增量量為δ/τ××360°=0.001/2×360°=0.18°/脈脈沖，即一個(gè)個(gè)脈沖相當(dāng)于于0.18°°的相位移，，因此需要將將一個(gè)節(jié)距分分成2000等份，即分分頻系數(shù)N=2000（（0.18°°×2000=360°°）。在感應(yīng)同步器器中，相位角角與直線線位移X成正正比，當(dāng)采用用旋轉(zhuǎn)變壓器器時(shí)，相位角角即為角角位移本身。。593.脈沖調(diào)相相器脈沖調(diào)相器是是將脈沖數(shù)量量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)應(yīng)相位的裝置置。圖6-7為脈沖調(diào)相相器的工作原原理框圖，該該系統(tǒng)分為基基準(zhǔn)分頻通道道和調(diào)相分頻頻通道兩部分分。由基準(zhǔn)脈脈沖信號(hào)發(fā)生生器產(chǎn)生的基基準(zhǔn)脈沖信號(hào)號(hào)f0分成兩路。一一路輸入基準(zhǔn)準(zhǔn)分頻通道，，通過(guò)分頻、、分相和濾波波電路得到兩兩相勵(lì)磁信號(hào)號(hào)和和，，并經(jīng)功功放后加于感感應(yīng)同步器滑滑尺的sin繞組和cos繞組作為為勵(lì)磁，它們們與基準(zhǔn)信號(hào)號(hào)有確定的相相位關(guān)系。另另一路輸入調(diào)調(diào)相分頻通道道，和指令脈脈沖一起作用用，產(chǎn)生指令令相位信號(hào)。。6061脈沖調(diào)相器的的工作原理如如下：回路中中有標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)數(shù)器和X計(jì)數(shù)器，兩計(jì)計(jì)數(shù)器的分頻頻數(shù)相同。在在基準(zhǔn)脈沖信信號(hào)觸發(fā)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)計(jì)數(shù)器和X計(jì)數(shù)器之前，，先向X計(jì)數(shù)器輸入一一定數(shù)量的指指令脈沖PC+。當(dāng)基準(zhǔn)脈沖沖信號(hào)觸發(fā)兩兩計(jì)數(shù)器后，，兩計(jì)數(shù)器輸輸出的信號(hào)頻頻率相同，但但相位卻不同同。由于標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)計(jì)數(shù)器是N分頻，所以N個(gè)基準(zhǔn)脈沖會(huì)會(huì)使標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)數(shù)器的輸出變變化一個(gè)周期期，即360°。X計(jì)數(shù)器輸入端端同樣接收到到N個(gè)基準(zhǔn)脈沖，，但由于先前前X計(jì)數(shù)器已接收收了PC個(gè)正指令脈沖沖，實(shí)際上X計(jì)數(shù)器接收收了N+PC個(gè)脈沖，所以以它的輸出在在變化到360°后，又又變化了1=（PC/N）×360°°，即X計(jì)數(shù)器的相位位超前了標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)計(jì)數(shù)器1，其波形如圖圖6-8所示示。62實(shí)際工作中，，輸入指令脈脈沖是在基準(zhǔn)準(zhǔn)脈沖觸發(fā)兩兩計(jì)數(shù)器的同同時(shí)進(jìn)行的。。若指令脈沖沖為PC+，則標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)數(shù)器在接收到到N1＜N個(gè)基準(zhǔn)脈沖，，即輸出還沒(méi)沒(méi)有到達(dá)一個(gè)個(gè)周期時(shí)，X計(jì)數(shù)器已經(jīng)接接收了N1+PC=N個(gè)脈沖，完成成了一個(gè)周期期。結(jié)果使X計(jì)數(shù)器的相位位比較標(biāo)準(zhǔn)計(jì)計(jì)數(shù)器超前了了（1=PC+/N×360°）），如圖6-8所示。636465利用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)數(shù)器和X計(jì)數(shù)數(shù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)量量到相位的變變換時(shí)，必須須使基準(zhǔn)脈沖沖在向兩計(jì)數(shù)數(shù)器輸入的過(guò)過(guò)程中，能加加入一定的指指令脈沖。這這個(gè)功能由脈脈沖加減器完完成，如圖6-10所示示。、是由基準(zhǔn)脈沖沖發(fā)生器發(fā)出出的在相位錯(cuò)錯(cuò)開(kāi)180°°的同頻率信信號(hào)，是主主頻率，經(jīng)與與非門(mén)Ⅰ輸出出，作為計(jì)數(shù)數(shù)器的基準(zhǔn)脈脈沖。是指令脈沖的的同步信號(hào)。。當(dāng)沒(méi)有指令令脈沖時(shí)，與與非門(mén)Ⅰ開(kāi)，，A脈沖由此通過(guò)過(guò)。當(dāng)輸入一一個(gè)PC－指令脈沖時(shí)，，觸發(fā)器1的Q1變?yōu)?，觸發(fā)發(fā)器2的Q2也變?yōu)?，由由于為0，封住了與與非門(mén)Ⅰ，所所以扣除了一一個(gè)序列脈脈沖。當(dāng)輸入入一個(gè)PC+指令脈沖時(shí)，，觸發(fā)器C3的Q3變?yōu)?，觸發(fā)發(fā)器C4的Q4也變?yōu)?。出出現(xiàn)脈沖時(shí)時(shí)，Q4和B端均為1，與與非門(mén)Ⅱ打開(kāi)開(kāi)，脈沖進(jìn)入入最后的輸出出端。由于、、錯(cuò)相180°，所所以使序列列脈沖中插入入一個(gè)序列列脈沖。66圖6-10脈沖加加減器（（一）67圖6-10脈沖加加減器（（二）68為了將指令令信號(hào)與反反饋信號(hào)進(jìn)進(jìn)行相位比比較，需要要應(yīng)用鑒相相器。圖6-11為為半加器鑒鑒相線路及及波形圖，，指令信號(hào)號(hào)和位置信信號(hào)分別經(jīng)經(jīng)觸發(fā)器進(jìn)進(jìn)入半半加器。半半加器輸出出的邏輯函函數(shù)為。式中為指指令信號(hào)的的二分之一一分頻，為為位置信號(hào)號(hào)的二分之之一分頻。。若、、信號(hào)相相位相同，，則或門(mén)兩兩輸入端同同時(shí)為0，，S=0。如信信號(hào)超超前信信號(hào)△θ相位，A信號(hào)來(lái)到時(shí)時(shí)，B信號(hào)還沒(méi)有有出現(xiàn)。此此時(shí)，=1，=0，上與與門(mén)輸出為為1，下與與門(mén)輸出為為0，或門(mén)門(mén)輸出端S=1。4.鑒相器器69信號(hào)也出現(xiàn)現(xiàn)時(shí)，=1，=1，使兩兩與門(mén)輸出出均為0，，或門(mén)輸出出端S=0。由于于信號(hào)號(hào)相位超前前，=0時(shí)，仍有有=1，使上與與門(mén)輸出為為0，下與與門(mén)輸出為為1，或門(mén)門(mén)輸出端又又有S=1，直到到和都為0，或門(mén)又又為S=0。有關(guān)關(guān)信號(hào)的波波形圖見(jiàn)圖圖6-10。從圖中中可以看出出，S信號(hào)是一個(gè)個(gè)周期的方方波脈沖，，它的波脈脈寬度與、、兩兩信號(hào)的相相位差△成正比。可可以通過(guò)低低通濾波的的方法取出出它的直流流分量，作作為相位差差△的電平指示示。△越大，S端輸出方波波的平均電電壓越大。。70信號(hào)是超前前還是滯后后信號(hào)，可可借助于NE端來(lái)判斷。。輸出端為為NE的觸發(fā)器由由下降降沿觸發(fā)。。當(dāng)接于端端的信信號(hào)超超前于信信號(hào)時(shí)，，領(lǐng)先于于從1變?yōu)?，，觸發(fā)器器由信信號(hào)的下降降沿觸發(fā)時(shí)時(shí)，端的的信號(hào)號(hào)已為0，，所以NE端也為0，，如圖6-10b所所示。當(dāng)接接于端端的信信號(hào)滯后于于信號(hào)時(shí)，，領(lǐng)先從從1變變?yōu)?，觸觸發(fā)器由由信號(hào)號(hào)的下降沿沿觸發(fā)時(shí)，，端的信信號(hào)仍仍為1，所所以NE端也為1。。71726.3.4幅值比比較伺服系系統(tǒng)幅值比較伺伺服系統(tǒng)是是以位置檢檢測(cè)信號(hào)的的幅值變化化來(lái)反映機(jī)機(jī)械位移的的大小，并并以此作為為位置反饋饋信號(hào)，與與指令信號(hào)號(hào)進(jìn)行比較較構(gòu)成的閉閉環(huán)控制系系統(tǒng)。該系系統(tǒng)的特點(diǎn)點(diǎn)之一是所所有的位置置檢測(cè)元件件都工作在在幅值工作作方式。幅幅值比較伺伺服系統(tǒng)常常用感應(yīng)同同步器和旋旋轉(zhuǎn)變壓器器作為位置置檢測(cè)元件件。幅值比比較伺服系系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉閉環(huán)控制的的過(guò)程與相相位比較伺伺服系統(tǒng)相相類(lèi)似。731.幅值比比較伺服系系統(tǒng)的組成成和工作原原理(1)幅幅值比較伺伺服系統(tǒng)的的組成圖6-12是采用感感應(yīng)同步器器作為位置置檢測(cè)元件件的幅值比比較控制系系統(tǒng)。它主主要由以下下部分組成成：74①完成指令令脈沖與反反饋脈沖比比較的比較較器。②將比較器器輸出數(shù)字字信號(hào)轉(zhuǎn)變變成伺服電電動(dòng)機(jī)模擬擬控制信號(hào)號(hào)的數(shù)/模模轉(zhuǎn)換器。。③將模擬控控制信號(hào)進(jìn)進(jìn)行功率和和電壓放大大的伺服放放大器。④檢測(cè)工作作臺(tái)位移的的位置檢測(cè)測(cè)元件。⑤為感應(yīng)同同步器正、、余弦繞組組提供信號(hào)號(hào)的勵(lì)磁電電路。⑥將定尺的的輸出信號(hào)號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榉敌盘?hào)的的鑒幅器。。⑦將鑒幅器器的直流電電壓轉(zhuǎn)變成成反饋脈沖沖的電壓－－頻率變換換器。⑧實(shí)現(xiàn)電信信號(hào)到機(jī)械械位移轉(zhuǎn)換換的執(zhí)行元元件。75(2)幅幅值比較伺伺服系統(tǒng)的的工作原理理當(dāng)采用幅值值工作方式式時(shí)，感應(yīng)應(yīng)同步器滑滑尺正弦繞繞組和分別別輸入頻率率相同、幅幅值成正交交關(guān)系的勵(lì)勵(lì)磁信號(hào)：：式中———?jiǎng)?lì)勵(lì)磁信號(hào)的的電壓幅值值；——已知的的電氣角，，系統(tǒng)中可可通過(guò)改變變角的大小小來(lái)控制滑滑尺勵(lì)磁信信號(hào)的幅值值；——正弦交交變勵(lì)磁信信號(hào)的角頻頻率。76當(dāng)正弦、余余弦繞組的的勵(lì)磁信號(hào)號(hào)加入后，，定尺繞組組的感應(yīng)電電動(dòng)勢(shì)為：：式中K——感應(yīng)系系數(shù)；——定尺繞繞組與滑尺尺繞組的相相對(duì)位移角角；E0m——定尺繞繞組電動(dòng)勢(shì)勢(shì)幅值。77若，，則定定尺繞組電電動(dòng)勢(shì)幅值值E0m≠0。利用用這個(gè)原理理，要測(cè)量量定尺與滑滑尺之間移移動(dòng)的位移移角，，可改變勵(lì)勵(lì)磁信號(hào)角角的設(shè)設(shè)定值，然然后，測(cè)量量E0m的大小，當(dāng)當(dāng)設(shè)定值變變化到使使E0m=0，即時(shí)時(shí)，就間接接地通過(guò)設(shè)設(shè)定值獲獲得了定定尺和滑尺尺之間位移移角的的實(shí)際值。。所以幅值值比較伺服服系統(tǒng)中，，若要獲得得和之之間的的關(guān)系，只只需要檢測(cè)測(cè)的電動(dòng)勢(shì)勢(shì)即可。這這項(xiàng)工作由由鑒幅器來(lái)來(lái)完成。為為了實(shí)現(xiàn)閉閉環(huán)控制，，電動(dòng)勢(shì)幅幅值需經(jīng)電電壓－頻率率變換電路路，才能變變成相應(yīng)的的數(shù)字脈沖沖。該數(shù)字字脈沖一方方面與指令令脈沖作比比較以獲得得位置偏差差信號(hào)，另另一方面作作為修改勵(lì)勵(lì)磁信號(hào)中中的設(shè)設(shè)定輸入，，使跟跟隨的的變化。78幅值比較伺伺服系統(tǒng)具具體的工作作過(guò)程如下下：初始狀狀態(tài)時(shí)工作作臺(tái)靜止不不動(dòng)，指令令脈沖，，，經(jīng)鑒幅幅器檢測(cè)定定尺繞組的的電動(dòng)勢(shì)幅幅值為0，，由電壓－－頻率變換換電路得到到反饋脈沖沖Pf也為0。所所以比較器器輸出的位位置偏差Pe=PC－Pf=0，伺服服電動(dòng)機(jī)速速度給定值值為0，工工作臺(tái)繼續(xù)續(xù)處于靜止止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)系統(tǒng)接收收到正的指指令脈沖PC＞0時(shí)，工工作臺(tái)仍保保持靜止?fàn)顮顟B(tài)，和均均沒(méi)有變化化，反饋脈脈沖Pf仍為0。因因此，比較較器輸出的的位置偏差差Pe=PC－Pf＞0，該偏偏差是一數(shù)數(shù)字量，所所以在比較較器和伺服服放大器之之間設(shè)有數(shù)數(shù)－模轉(zhuǎn)換換器，使其其成為伺服服系統(tǒng)的速速度給定信信號(hào)。79于是，伺服服電動(dòng)機(jī)帶帶動(dòng)工作臺(tái)臺(tái)正向進(jìn)給給，同步感感應(yīng)器滑尺尺相對(duì)于定定尺產(chǎn)生位位移。此時(shí)時(shí)定尺和滑滑尺間的位位移角超超前于勵(lì)勵(lì)磁信號(hào)的的電氣角，，定尺尺繞組電動(dòng)動(dòng)勢(shì)幅值E0m＞0，，經(jīng)前前置放放大器器、鑒鑒幅器器和電電壓－－頻率率變換換器，，轉(zhuǎn)換換成相相應(yīng)的的的反反饋脈脈沖Pf。脈沖沖Pf一方面面與指指令脈脈沖作作比較較，獲獲得位位置偏偏差Pe=PC－Pf；另一一方面面輸入入勵(lì)磁磁電路路，作作為修修改勵(lì)勵(lì)磁信信號(hào)電電氣角角的的設(shè)設(shè)定輸輸入，，使跟跟隨變變化。。若仍仍有Pe=PC－Pf＞0，，則工工作臺(tái)臺(tái)還沒(méi)沒(méi)有指指令要要求的的位置置，伺伺服電電動(dòng)機(jī)機(jī)繼續(xù)續(xù)帶動(dòng)動(dòng)工作作臺(tái)移移動(dòng)，，反饋饋脈沖沖Pf和勵(lì)磁磁信號(hào)號(hào)電氣氣角繼繼續(xù)變變化。。直到到使位位置偏偏差Pe=PC－Pf=0，，伺服服電動(dòng)動(dòng)機(jī)速速度給給定值值0。。此時(shí)時(shí)，=，，定尺尺繞組組電動(dòng)動(dòng)勢(shì)幅幅值E0m=0，，工作作臺(tái)又又處于于靜止止?fàn)顟B(tài)態(tài)。80若系統(tǒng)統(tǒng)接收收到負(fù)負(fù)的指指令脈脈沖，，整個(gè)個(gè)系統(tǒng)統(tǒng)的檢檢測(cè)、、比較較及控控制過(guò)過(guò)程與與系統(tǒng)統(tǒng)接收收到正正的指指令脈脈沖類(lèi)類(lèi)似。。只是是工作作臺(tái)向向反向向進(jìn)給給，定定尺與與滑尺尺之間間的位位移角角滯滯后后于勵(lì)勵(lì)磁信信號(hào)的的電氣氣角，，，，使使跟跟隨隨變變化化，直直到到到達(dá)負(fù)負(fù)向指指令要要求的的位置置，工工作臺(tái)臺(tái)又處處于靜靜止?fàn)顮顟B(tài)。。從上可可以看看出，，在幅幅值比比較伺伺服系系統(tǒng)中中，勵(lì)勵(lì)磁信信號(hào)的的電氣氣角是是由系系統(tǒng)設(shè)設(shè)定的的，并并跟隨隨工作作臺(tái)的的進(jìn)給給而被被動(dòng)變變化的的，所所以可可以利利用作作為工工作臺(tái)臺(tái)實(shí)際際位置置的測(cè)測(cè)量值值。當(dāng)當(dāng)工作作臺(tái)到到達(dá)進(jìn)進(jìn)給指指令要要求的的位置置并穩(wěn)穩(wěn)定后后，有有，，數(shù)顯顯裝置置顯示示的電電氣角角，，實(shí)實(shí)際上上就是是的位位移角角，，即即工作作臺(tái)的的位移移量。。812.鑒鑒幅器器82圖6-13為鑒鑒幅器器原理理圖。。輸入入端的的e0是感應(yīng)應(yīng)同步步器定定尺繞繞組的的感應(yīng)應(yīng)電動(dòng)動(dòng)勢(shì)，，由式式e0=E0msinωt可知知，e0是交變變電動(dòng)動(dòng)勢(shì)。。該信信號(hào)首首先通通過(guò)低低通濾濾波器器Ⅰ，，濾去去交變變信號(hào)號(hào)中的的高次次諧波波和干干擾信信號(hào)，，獲得得較為為理想想的正正弦波波形。。通過(guò)過(guò)運(yùn)算算放大大器將將信號(hào)號(hào)放放大大。然然后，，由互互為反反向的的開(kāi)關(guān)關(guān)信號(hào)號(hào)SL和實(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)通道道的通通斷控控制，，其開(kāi)開(kāi)關(guān)頻頻率與與輸入入信號(hào)號(hào)相同同。由由圖5-14a可見(jiàn)見(jiàn)，在在e0信號(hào)的的0～～π區(qū)區(qū)間，，SL=1，，使S1接通，，e0信號(hào)經(jīng)經(jīng)、、S1，到達(dá)達(dá)低通通濾波波器ⅡⅡ的輸輸入端端UE；e0信號(hào)的的π～～2ππ區(qū)間間，=1，，使S1接通，，e0信號(hào)經(jīng)經(jīng)A1、反向向器A2、S2，到達(dá)達(dá)低通通濾波波器ⅡⅡ的輸輸入端端UE。83工作臺(tái)臺(tái)做正正向運(yùn)運(yùn)動(dòng)時(shí)時(shí)，由由于反反向器器A2的作用用，使使e0負(fù)半周周也變變成正正半周周信號(hào)號(hào)。這這樣在在UE處得到到了一一單向向脈動(dòng)動(dòng)的直直流信信號(hào)。。該信信號(hào)經(jīng)經(jīng)低通通濾波波器ⅡⅡ后，，鑒幅幅器輸輸出信信號(hào)為為一平平滑的的直流流信號(hào)號(hào)UF。從圖圖中可可見(jiàn)，，由于于UF是UE的平均均值，，它的的大小小與e0信號(hào)的的電動(dòng)動(dòng)勢(shì)幅幅值E0m直接有有關(guān)。。E0m增大，，UF也跟著著增大大，所所以的的大小小實(shí)際際上反反映了了θ和之之間間相位位差的的大小小。UF越大，，θ和之之間間相位位差越越大。。另外外，從從圖6-14中中可以以看出出，站站柜臺(tái)臺(tái)正向向運(yùn)動(dòng)動(dòng)時(shí)，，輸出出端UF為正正值值；；工工作作臺(tái)臺(tái)反反向向運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)時(shí)時(shí)，，輸輸出出端端UF為負(fù)負(fù)值值。。84853.電電壓壓－－頻頻率率變變換換器器電壓壓－－頻頻率率變變換換器器的的作作用用是是將將鑒鑒幅幅器器輸輸出出的的電電壓壓UF變換換成成相相應(yīng)應(yīng)的的脈脈沖沖序序列列，，并并且且脈脈沖沖序序列列的的頻頻率率與與UF電壓壓的的高高低低成成正正比比。。由由于于電電壓壓UF是雙雙極極性性的的，，UF電壓壓經(jīng)經(jīng)極極性性處處理理電電路路后后，，使使Un成為為UF的絕絕對(duì)對(duì)值值，，且且始始終終大大于于0。。壓壓控控振振蕩蕩器器（（VCO）將將輸輸入入的的單單極極性性直直流流電電壓壓轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換成成相相應(yīng)應(yīng)頻頻率率的的脈脈沖沖輸輸出出。。壓壓控控振振蕩蕩器器（（VCO）它它輸輸出出的的脈脈沖沖頻頻率率與與控控制制電電壓壓成成正正比比關(guān)關(guān)系系。。864.脈脈沖沖調(diào)調(diào)寬寬式式勵(lì)勵(lì)磁磁信信號(hào)號(hào)感應(yīng)應(yīng)同同步步器器滑滑尺尺繞繞組組的的勵(lì)勵(lì)磁磁可可采采用用模模擬擬量量勵(lì)勵(lì)磁磁式式和和脈脈沖沖調(diào)調(diào)寬寬式式。。由由于于模模擬擬量量勵(lì)勵(lì)磁磁方方式式易易受受外外界界干干擾擾而而影影響響精精度度，，所所以以比比較較多多地地采采用用脈脈沖沖調(diào)調(diào)寬寬