《機電控制技術(shù)》圖文-第九章

機電控制技術(shù)第九章位置控制技術(shù)9/30/2024機電控制技術(shù)目錄9.1常見的位置檢測元件9.2伺服系統(tǒng)9.3位置控制技術(shù)在數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺中的應用9/30/2024機電控制技術(shù)

9.1常見的位置檢測元件位置檢測元件是數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的重要組成部分，它起著檢測各控制軸的位移和速度的作用，把檢測到的信號反饋回去，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。

位置檢測元件按檢測方式可分為直接測量和間接測量。

（1）直接測量。（2）間接測量。是指對機床的直線位移采用直線型檢測元件測量。直接測量常用的位置檢測元件一般包括直線感應同步器、光柵和磁尺激光干涉儀。是指對機床的直線位移采用回轉(zhuǎn)型檢測元件測量。間接測量常用的檢測元件一般包括圓感應同步器、圓光柵、圓磁柵、光電脈沖編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器。9/30/2024機電控制技術(shù)位置檢測元件按測量裝置編碼方式可分為增量式測量和絕對式測量。（1）增量式測量。（2）絕對式測量。一般在輪廓控制數(shù)控機床上多采用增量式測量，這種檢測方式只對相對位移量進行測量。其優(yōu)點是測量裝置較簡單，任何一個點都可以作為測量的起點，而移動的距離是由測量信號計數(shù)累加所得，一旦計數(shù)有誤，以后測量所得結(jié)果就完全錯誤。增量式測量常用的檢測元件一般包括光柵和增量式光電碼盤。絕對式測量是指被測量的任意一點位置均由固定的零點標起，每一個被測點都有一個相應的測量值。絕對式測量常用的檢測元件一般包括接觸式碼盤和絕對式光電碼盤。絕對式測量較增量式測量復雜，如編碼盤中，對應于編碼盤的每一個角度位置就有一組二進制位數(shù)。顯然，分辨精度要求越高，量程就越大，所要求的二進制位數(shù)也越多，結(jié)構(gòu)也就越復雜。

9/30/2024機電控制技術(shù)位置檢測元件按檢測信號的類型可分為數(shù)字式測量和模擬式測量。（1）數(shù)字式測量。（2）模擬式測量。數(shù)字式測量是指將被測量以數(shù)字形式表示，由于其測量信號一般為脈沖信號，因而可以直接把它送到數(shù)控裝置中進行比較和處理。這種檢測方式抗干擾能力強、處理簡單。數(shù)字式測量常用的檢測元件一般包括光柵、接觸式編碼盤和電式編碼盤。模擬式測量是指將被測量用連續(xù)變量表示，如電壓變化、相位變化等。這種檢測方式所采用的信號處理方法相對來說較復雜。模擬式測量常用的檢測元件一般包括感應同步器、磁柵和旋轉(zhuǎn)變壓器。9/30/2024機電控制技術(shù)伺服控制系統(tǒng)對檢測元件的要求主要可分為以下幾點：（1）高可靠性和高抗干擾性。（2）滿足精度和速度要求。（3）使用維護方便，適合機床運行環(huán)境。（4）成本低。9/30/2024機電控制技術(shù)9.1.1感應同步器

感應同步器是一種電磁式位置檢測元件，是利用兩個平面形繞組的互感隨位置不同而變化的原理組成的，它是由旋轉(zhuǎn)變壓器演化而來的，其極數(shù)(定尺或定子繞組中被滑尺或轉(zhuǎn)子繞組覆蓋的有效導體數(shù))多，通常為360極、720極，最多達可2000極，在電與磁方面均能對誤差起補償作用，所以具有很高的精度。感應同步器的勵磁頻率一般為2～10kHz，輸出電壓為幾毫伏。1.感應同步器的分類

感應同步器可用來測量直線或轉(zhuǎn)角位移。測量直線位移的稱為直線感應同步器，它是由定尺和滑尺組成的，可用于測量直線位移。測量轉(zhuǎn)角位移的稱為圓感應同步器，它是由定子和轉(zhuǎn)子組成的，可用于測量角位移。

9/30/2024機電控制技術(shù)1）直線感應同步器

直線感應同步器由長尺和短尺組成。長尺又稱為定尺。定尺是一個連續(xù)繞組，表面涂有防切削液，安裝在固定部件上；短尺又稱為滑尺，滑尺表面粘貼了一層鋁箔，接地時可防止靜電感應，安裝在兩者平行放置的移動部件上，且之間保持0.05~0.25mm的間隙。如圖9-1所示為直線感應同步器的外形。

9/30/2024機電控制技術(shù)直線感應同步器兩個單元繞組之間的距離稱為節(jié)距，滑尺和定尺的節(jié)距均為2τ，如圖9-2中所示。標準直線感應同步器的定尺長為250mm，滑尺長為100mm，節(jié)距長為2mm。定尺上是單向、均勻、連續(xù)的感應繞組，滑尺上有兩組繞組，一組為正弦繞組，另一為余弦繞組。當正弦繞組與定尺繞組對齊時，余弦繞組與定尺繞組相差1/4節(jié)距，由于定尺繞組是均勻的，因而滑尺上的兩組繞組在空間位置上相差1/4節(jié)距，即π/2相位角。

9/30/2024機電控制技術(shù)當給滑尺任意一繞組加勵磁電壓時，由于電磁感應作用，在定尺繞組中必然產(chǎn)生感應電動勢，該感應電動勢的大小取決于滑尺和定尺的相對位置。當只給滑尺上的正弦繞組加勵磁電壓時，定尺繞組中產(chǎn)生的感應電動勢與定尺和滑尺的相對位置關(guān)系，如圖9-3所示。

9/30/2024機電控制技術(shù)2）圓感應同步器

圓感應同步器的定子固定在不動體上，轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)軸相連。利用定子和轉(zhuǎn)子兩個平面形繞組的互感隨位置而變化的電磁感應原理，將機械轉(zhuǎn)角位移精確地轉(zhuǎn)換成電信號。如圖9-4所示為圓感應同步器的外形。

由于圓感應同步器具有精度高、性能穩(wěn)定、抗干擾性強、結(jié)構(gòu)簡單、耐油、耐污，對環(huán)境的適應性強、易于維護和使用壽命長等一系列優(yōu)點，因而它在機械加工、測量儀器、自動控制和數(shù)字顯示等系統(tǒng)中得到極其廣泛的應用。9/30/2024機電控制技術(shù)2.感應同步器的工作方式

根據(jù)勵磁繞組中勵磁供電方式的不同，感應同步器可分為鑒相方式和鑒幅方式。

1）鑒相方式

鑒相方式是將正弦繞組和余弦繞組分別通以頻率相同、幅值相同但相位相差π/2的交流勵磁電壓。

在這種工作方式下，將滑尺的正弦繞組和余弦繞組分別通以幅值相同、頻率相同、相位相差90°的交流電壓，如圖9-5所示。9/30/2024機電控制技術(shù)2）鑒幅方式

鑒幅方式則是將滑尺的正弦繞組和余弦繞組分別通以相位相同、頻率相同但幅值不同的交流勵磁電壓。

在這種工作方式下，將滑尺的正弦繞組和余弦繞組分別通以頻率相同、相位相同，但幅值不同的交流電壓，如圖9-6所示。9/30/2024機電控制技術(shù)1）精度高

由于感應同步器是直接對機床位移進行測量，中間不經(jīng)過任何機械轉(zhuǎn)換裝置，測量精度只受本身精度限制。定尺和滑尺上的平面繞組，采用專門的工藝方法制作精確。再加上它的極對數(shù)多，定尺繞組內(nèi)的感應電動勢是多周期的平均效應，從而減少了制造繞組局部誤差的影響，所以測量精度高。目前，直線感應同步器的精度可達±0.001mm，重復精度可達0.0002mm。

3.感應同步器的使用特點2）可拼接成各種需要的長度

根據(jù)測量長度的要求，采用多塊定尺拼接使用。由于相鄰定尺間的距離可以調(diào)整，因而使拼接后總長度的精度與單塊定尺的精度相同（或略低于）。定尺間繞組的連接方式有兩種：當定尺的數(shù)量少于10個時，將定尺的各繞組串聯(lián)；當定尺的數(shù)量多于10個時，先將定尺的各繞組分成兩組串聯(lián)，再將這兩組并聯(lián)，以不使定尺繞組的阻抗過高為原則。9/30/2024機電控制技術(shù)3）對環(huán)境的適應性強

感應同步器為非接觸式電磁耦合元件，可選耐溫性能好的非導磁性材料作為保護層，加強了其抗溫防濕的能力，同時在繞組的每個周期的任何時候都可以給出與絕對位置相對應的單值電壓信號，而不受環(huán)境干擾的影響。直線感應同步器的金屬基尺與安裝部件的材料的膨脹系數(shù)相近，當環(huán)境溫度變化時，兩者的變化規(guī)律相同，而不影響測量精度。4）使用壽命長

由于感應同步器的定尺與滑尺之間不直接接觸，因而沒有磨損，所以壽命長。但是感應同步器大多裝在切屑或切削液容易入侵的部位，所以必須用鋼帶或折罩覆蓋，以免切屑劃傷定尺與滑尺內(nèi)的繞組。

5）注意安裝間隙9/30/2024機電控制技術(shù)9.1.2光柵

光柵是一種非接觸式位置檢測裝置，可以將機械位移或模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字脈沖，反饋給CNC裝置，實現(xiàn)閉環(huán)位置控制。是數(shù)控機床和數(shù)控系統(tǒng)常用的位置檢測元件。它是利用等節(jié)距刻線間隔均勻的光的透射和衍射現(xiàn)象制成的光電位置檢測元件，具有檢測范圍大、測量精度高、響應速度快等優(yōu)點。光柵的檢測精度可達1μm以上。

1.光柵的分類

光柵按形狀分可分為圓光柵和長光柵。圓光柵呈盤狀，用于角位移的檢測，圓光柵一般是在具有一定直徑的玻璃圓盤上，用真空鍍膜的方法鍍上一層不透光的金屬薄膜，再涂上一層均勻的感光材料，然后用精密照相腐蝕工藝，制成沿圓周方向等距的透光部分和不透光部分相間的輻射狀線紋。長光柵呈尺狀，用于直線位移的檢測。光柵的分類圖如圖9-8所示。9/30/2024機電控制技術(shù)

9/30/2024機電控制技術(shù)2.光柵的結(jié)構(gòu)

光柵是由光源、光柵副和光敏元件組成的，如圖9-9所示。

9/30/2024機電控制技術(shù)3.光柵的工作原理

當標尺光柵與指示光柵平行安裝，兩者間相距一定的距離，指示光柵相對于標尺光柵傾斜一個很小的角度，并有平行光垂直照射時，由于光線通過衍射后發(fā)生干涉，在光柵副的另一面將產(chǎn)生和刻線接近于垂直的明暗相間的條紋，這些明暗相間的條紋稱為莫爾條紋。而光電接收元件又將莫爾條紋的光照的強弱變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴?/p>

1）莫爾條紋的形成

由于兩個光柵間有微小的傾斜角θ，使其刻線相互交叉，交叉點處刻線重疊，遮光面積小，透光效應好，形成亮帶，即明條紋。而在刻線不相交處，刻線重疊少，透光效應差，形成暗帶，即暗條紋。由于兩塊光柵的刻線密度相等，即柵距ω相等，而產(chǎn)生的莫爾條紋的方向和光柵刻線方向大致垂直，其幾何關(guān)系如圖9-10所示。9/30/2024機電控制技術(shù)

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2）莫爾條紋的特點

當θ很小時，莫爾條紋的節(jié)距為

這表明莫爾條紋的節(jié)距是柵距的1／θ倍，當標尺光柵移動時，莫爾條紋就沿垂直于光柵移動的方向移動。當光柵移動一個柵距ω時，莫爾條紋就相應準確地移動一個節(jié)距W，因此，只要讀出移過莫爾條紋的數(shù)目，就可以知道光柵移動了多少個柵距，由于柵距在制造光柵時是已知的，因而光柵的移動距離可以通過電氣系統(tǒng)自動地測量出來。

當光柵的線紋密度為100條/min，即柵距為0.01mm時，人們是無法用肉眼來分辨的，但是它的莫爾條紋卻清晰可見，所以莫爾條紋是一種簡單的放大機構(gòu)。其放大倍數(shù)取決于兩光柵刻線的交角θ，如ω=0.01mm、W=10mm，則其放大倍數(shù)1／θ=W／ω=1000倍，這是莫爾條紋系統(tǒng)的獨具特點。9/30/2024機電控制技術(shù)4.光柵讀數(shù)頭

光柵讀數(shù)頭是位置信號的檢測裝置，是光柵與電子線路的轉(zhuǎn)接部件，即是位移—光信號—電信號的變換器。5.光柵的位移—數(shù)字變換電路

光柵測量系統(tǒng)的組成如圖9-11所示。光柵移動時產(chǎn)生的莫爾條紋由光電元件接收，然后經(jīng)過位移—數(shù)字變換電路形成順時針方向的正向脈沖或者逆時針方向的反向脈沖，輸入可逆計數(shù)器。

9/30/2024機電控制技術(shù)下面介紹這種四倍頻細分電路的工作原理，如圖9-12所示為四倍頻電路的組成示意圖和波形圖。具體的分析過程如下：

9/30/2024機電控制技術(shù)6.光柵的安裝與應用

通常，標尺光柵固定在機床的運動部件(如工作臺或絲杠)上，光柵讀數(shù)頭安裝在機床的固定部件(如機床底座)上，兩者隨著工作臺的移動而相對移動。在光柵讀數(shù)頭中，安裝著一個指示光柵，當光柵讀數(shù)頭相對于標尺光柵移動時，指示光柵便在標尺光柵上移動。如圖9-13所示，粗黑線段標記處為光柵安裝部位。

9/30/2024機電控制技術(shù)9.1.3磁柵

磁柵是利用電磁特性，將一定波長的方波或正弦波信號用拾磁磁頭記錄在磁性材料制成的磁性標尺上，然后根據(jù)與磁性標尺相對移動的拾磁磁頭所讀取的信號，對位移進行檢測的數(shù)字式傳感器。

磁柵傳感器由磁柵、磁頭和控制電路等組成。如圖9-14所示為磁柵傳感器的示意圖。9/30/2024機電控制技術(shù)1.磁柵

磁柵是在非導磁材料(如玻璃、不銹鋼、鋼、鋁或其他合成材料)的基體上，鍍一層均勻的磁膜，并錄上間距相等、正負極性交錯的磁信號柵條而制成的。

磁柵按磁性標尺基體的形狀可分為帶狀磁柵、線狀磁柵和圓形磁柵，前二種用于直線位移測量，后一種用于角位移測量，如圖9-15所示。9/30/2024機電控制技術(shù)2.磁頭

磁頭是進行磁一電轉(zhuǎn)換的變換器，它把反映位置變化的磁信號轉(zhuǎn)換成電信號，輸送到控制電路中去。磁頭有動態(tài)磁頭(又稱為速度響應式磁頭)和靜態(tài)磁頭(又稱為磁通響應式磁頭)兩種形式。

根據(jù)數(shù)控機床的要求，必須在低速運動和靜止時也能進行位置檢測，故采用靜態(tài)磁頭。如圖9-16所示為靜態(tài)磁頭的結(jié)構(gòu)示意圖。9/30/2024機電控制技術(shù)根據(jù)檢測方法不同，控制電路分為鑒幅檢測電路和鑒相檢測電路。鑒相檢測電路如圖9-17所示9/30/2024機電控制技術(shù)9.1.4光電脈沖編碼器

光電脈沖編碼器是一種光學旋轉(zhuǎn)式角位移檢測元件，光電脈沖編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光電脈沖編碼器的優(yōu)點是非接觸式的、無摩擦和磨損、驅(qū)動力矩小、響應速度快，缺點是抗污染能力差、容易損壞。光電脈沖編碼器按編碼化方式可分為增量式光電脈沖編碼器和絕對式光電脈沖編碼器。

1.增量式光電脈沖編碼器

增量式光電脈沖編碼器的結(jié)構(gòu)如圖9-20所示。9/30/2024機電控制技術(shù)2.絕對式光電脈沖編碼器

絕對式光電脈沖編碼器是把被測轉(zhuǎn)角通過讀取編碼盤上的圖案信息直接轉(zhuǎn)換成相應代碼的位置檢測元件。絕對式光電脈沖編碼器的編碼盤可分為光電式編碼盤、接觸式編碼盤和電磁式編碼盤三種。

光電式編碼盤是目前應用較多的一種，它是在透明材料的圓盤上精確地印制上二進制編碼。如圖9-21所示為四位二進制光電式編碼盤。圖中四位二進制光電式編碼盤上各圈圓環(huán)分別代表一位二進制的數(shù)字編碼道，在同一個編碼道上印制黑白等間隔圖案，形成一套編碼。黑色不透光區(qū)和白色透光區(qū)分別代表二進制的“0”和“1”。在該四位二進制光電式編碼盤上，有四圈數(shù)字編碼道，每一圈數(shù)字編碼道表示二進制編碼中的一位，里側(cè)為高位，外側(cè)為低位，顯然，該四位二進制光電式編碼盤在360°范圍內(nèi)可編碼24=16個。9/30/2024機電控制技術(shù)

9/30/2024機電控制技術(shù)3.光電脈沖編碼器的應用

1）光電脈沖編碼器在直線位移測量中的應用

在半閉環(huán)系統(tǒng)中，將增量式光電脈沖編碼器安裝在進給電動機的非輸出軸端，根據(jù)該增量式光電脈沖編碼器反饋的脈沖數(shù)量(對應電動機軸的角位移)、傳動比及滾珠絲杠的導程(單頭螺紋即為螺距)就可以計算出移動部件的直線位移量。

2）光電脈沖編碼器在螺紋加工控制中的應用

為了加工螺紋，在數(shù)控機床的主軸上應安裝光電脈沖編碼器。通常安裝在主軸上的光電編碼器與主軸間的傳動比為1，利用該光電脈沖編碼器可以保證在切削螺紋時，同步控制主軸旋轉(zhuǎn)與坐標軸的進給，即主軸每轉(zhuǎn)動一周，刀具準確地移動一個螺紋的導程，從而保證被加工螺紋螺距的準確性。3）光電脈沖編碼器在永磁式交流同步伺服電動機中的應用9/30/2024機電控制技術(shù)9.2伺服系統(tǒng)1.伺服控制系統(tǒng)的基本要求

按照數(shù)控機床加工的運動方式分可分為點位控制、點位直線控制和輪廓控制。下面從對伺服系統(tǒng)要求的角度，分析點位控制和輪廓控制。1）點位控制

點位控制使機床只能夠?qū)崿F(xiàn)由一個位置點到另一個位置點的精確移動，在移動和定位的過程中不進行任何加工。工件的運動軌跡并不影響加工的孔距精度，如坐標鉆床、坐標鏜床以及沖床等就是采用點位控制。點位控制只控制行程終點的坐標值，而不控制點與點之間的運動軌跡，因此，幾個坐標軸之間的運動不需要有任何聯(lián)系。在點位控制的結(jié)構(gòu)中，不需要加工軌跡的計算裝置。為了盡可能地減少機床的運動和定位時間，通常在快速移動后，采用三級減速，以減少定位誤差，保證良好的定位精度。

點位控制對伺服系統(tǒng)的基本要求是保證實現(xiàn)高的定位精度和快的定位效率。9/30/2024機電控制技術(shù)2）輪廓控制

數(shù)控車床、銑床和加工中心的數(shù)控系統(tǒng)，要求刀具在相對工件移動的過程中，一邊進給一邊進行切削加工，進給控制的過程也是工件切削加工的過程。伺服系統(tǒng)控制工作臺行進的軌跡，就是工件要求加工的輪廓，因此，稱為輪廓控制。

輪廓控制對伺服系統(tǒng)的基本要求除了要保證精確定位外，還必須隨時控制進給軸伺服電動機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，以保證數(shù)控加工軌跡能準確地復現(xiàn)指令的要求。同時由于輪廓控制中伺服系統(tǒng)可能頻繁地處于過渡過程，因而動態(tài)誤差將上升，從而影響加工精度。特別在圓弧切削加工中，由于實際進給過程速度的跟隨誤差，將直接造成輪廓形狀與尺寸的誤差。對于兩軸及兩軸以上聯(lián)動的數(shù)控系統(tǒng)，不僅要求每個驅(qū)動軸要盡可能增大系統(tǒng)速度增益以減少速度跟隨誤差，而且必須使各軸的速度增益接近，才能保證兩軸以上聯(lián)動時的加工精度。在速度增益較小時，這個要求更為嚴格。

9/30/2024機電控制技術(shù)工作頻率是指伺服系統(tǒng)允許輸入信號的頻率范圍。響應特性是指伺服系統(tǒng)的輸出量跟隨輸入指令變化的反應速度。它決定了伺服系統(tǒng)的工作效率。響應速度與許多因素有關(guān)，如計算機的運行速度和運動系統(tǒng)的阻尼、質(zhì)量等。穩(wěn)定性是指當作用在伺服系統(tǒng)上的干擾消失以后，伺服系統(tǒng)能夠恢復到原來穩(wěn)定狀態(tài)的能力；或當給伺服系統(tǒng)輸入一個新的指令后，其再次達到穩(wěn)定運行狀態(tài)的能力。系統(tǒng)精度是指伺服系統(tǒng)的輸出量復現(xiàn)輸入信號要求的精確程度。該精度是以誤差的形式表現(xiàn)的，即動態(tài)誤差、穩(wěn)態(tài)誤差和靜態(tài)誤差。1）系統(tǒng)精度2）穩(wěn)定性3）響應特性4）工作頻率2.伺服系統(tǒng)的技術(shù)要求

伺服系統(tǒng)的技術(shù)要求包含以下四項：

9/30/2024機電控制技術(shù)3.伺服系統(tǒng)常見的控制方式

伺服系統(tǒng)是指以機械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)。

1）開環(huán)伺服系統(tǒng)

開環(huán)伺服系統(tǒng)是無位置反饋的系統(tǒng)，其驅(qū)動元件主要是功率步進電動機或液壓脈沖馬達。開環(huán)伺服系統(tǒng)組成如圖9-23所示。

9/30/2024機電控制技術(shù)2）閉環(huán)伺服系統(tǒng)

由于開環(huán)控制的精度不能很好地滿足伺服系統(tǒng)的要求，為了提高伺服系統(tǒng)的控制精度，最根本的辦法是采用閉環(huán)控制。閉環(huán)伺服系統(tǒng)是誤差控制隨動系統(tǒng)。在閉環(huán)控制中，對工件的移動用位置檢測裝置進行檢測并將測量結(jié)果反饋到輸入端與指令信號進行比較。如果兩者存在偏差，將此偏差信號進行放大，控制伺服電動機工件向指令位置進給，只要適當?shù)卦O(shè)計系統(tǒng)校正環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)，就能實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)所要求的控制精度。如圖9-24所示為閉環(huán)伺服系統(tǒng)的組成。

9/30/2024機電控制技術(shù)3）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)

對于閉環(huán)控制系統(tǒng)，合理的設(shè)計可以得到可靠的穩(wěn)定性和很高的精度，但是直接測量工作臺的位置信號需要用直線感應同步器、光柵或磁柵等安裝、維護要求較高的位置檢測元件。相比之下若采用旋轉(zhuǎn)變壓器、光電脈沖編碼器、圓感應同步器等位置檢測元件測量電動機轉(zhuǎn)軸或絲杠轉(zhuǎn)角，則容易得多。通過對電動機轉(zhuǎn)軸或絲杠轉(zhuǎn)角位移的測量，可間接地獲得位置輸出量的等效反饋信號。由于由等效反饋信號構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)中不包含從電動機轉(zhuǎn)軸到工作臺之間的傳動鏈，因而這部分傳動引起的誤差不能被閉環(huán)系統(tǒng)自動補償，所以將這種由等效反饋信號構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)稱為半閉環(huán)伺服系統(tǒng)，這種控制方式稱為半閉環(huán)控制方式。如圖9-25所示為半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的組成。9/30/2024機電控制技術(shù)9.2.2伺服系統(tǒng)的分類

伺服系統(tǒng)按指令信號分可分為脈沖比較伺服系統(tǒng)、相位比較伺服系統(tǒng)和幅值比較伺服系統(tǒng)。

1.脈沖比較伺服系統(tǒng)

在數(shù)控機床中，插補器給出的指令信號是數(shù)字脈沖。如果選擇光柵、磁柵和光電脈沖編碼器等位置檢測元件作為檢測工件位移量的裝置，則輸出的位置反饋信號也是數(shù)字脈沖。這樣給定量與反饋量的比較就是直接的脈沖比較，由此構(gòu)成的伺服系統(tǒng)稱為脈沖比較伺服系統(tǒng)，簡稱為脈沖比較系統(tǒng)。

1）脈沖比較伺服系統(tǒng)的組成原理

脈沖比較伺服系統(tǒng)的組成如圖9-26所示。由圖9-26可知，該系統(tǒng)由位置檢測元件透射光柵產(chǎn)生的負反饋脈沖Pf與指令脈沖F相比較，得到位置偏差e，從而實現(xiàn)位置偏差的閉環(huán)控制。現(xiàn)假設(shè)指令脈沖F=0，且工作臺原來處于靜止狀態(tài)，由于這時負反饋脈沖P也為零，經(jīng)比較環(huán)節(jié)可得位置偏差e=F－Pf=0，因而伺服系統(tǒng)的輸入為零時，工作臺保持靜止不動。9/30/2024機電控制技術(shù)

9/30/2024機電控制技術(shù)2）脈沖比較和分離電路

在脈沖比較伺服系統(tǒng)中，完成指令脈沖F和負反饋脈沖Pf，比較用的是二進制雙時鐘可逆計數(shù)器。如果把工作臺運行的方向用正負來區(qū)分的話，則指令脈沖F和負反饋脈沖Pf，可分別用F+、F－，Pf+、Pf－來表示。當輸入指令脈沖為F+或負反饋脈沖為Pf+時，二進制雙時鐘可逆計數(shù)器做加法計數(shù)；當輸入指令脈沖為F－或負反饋脈沖為Pf－時，二進制雙時鐘可逆計數(shù)器做減法計數(shù)。

在使用二進制雙時鐘可逆計數(shù)器進行脈沖比較時應注意的是，指令脈沖F和負反饋脈沖Pf到來的時刻可能錯開或重疊。當兩路計數(shù)脈沖信號先后到來并有一定時間間隔時，二進制雙時鐘可逆計數(shù)器無論先加后減或先減后加都能可靠地工作。但是如果兩者同時進入二進制雙時鐘可逆計數(shù)器，則會出現(xiàn)信號的競爭而產(chǎn)生誤操作，因此，不允許這樣的情況出現(xiàn)，必須在指令脈沖F和負反饋脈沖Pf進入二進制雙時鐘可逆計數(shù)器之前先進行脈沖分離處理，如圖9-27所示。9/30/2024機電控制技術(shù)9/30/2024機電控制技術(shù)2.相位比較伺服系統(tǒng)

在高精度的數(shù)控伺服系統(tǒng)中，感應同步器是一種應用廣泛的位置檢測元件。如果采用這種位置檢測元件，在伺服控制系統(tǒng)中就要把指令信號與反饋信號都變成某個載波的相位，然后通過兩者相位的比較，得到實際位置與指令位置的偏差。

1）相位比較伺服系統(tǒng)的組成原理

如圖9-29所示為采用感應同步器作為位置檢測元件的相位比較伺服系統(tǒng)的組成。9/30/2024機電控制技術(shù)2）脈沖調(diào)相器

脈沖調(diào)相器又稱為數(shù)字調(diào)相器，是一種把脈沖數(shù)變換成相位位移的變換器。它由兩個分頻器和一個脈沖加減器組成。如圖9-30所示為脈沖調(diào)相器的組成。9/30/2024機電控制技術(shù)3）鑒相器

鑒相器又稱為相位比較器。它的作用是鑒別指令信號與反饋信號的相位，判別兩者之間相位差的大小，以及相位的超前與滯后變化，把它變成一個帶極性的誤差電壓信號。雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是一種簡單的矩形波鑒相器，如圖9-31所示。

9/30/2024機電控制技術(shù)3.幅值比較伺服系統(tǒng)

幅值比較伺服系統(tǒng)中感應同步器采用的是幅值工作方式，輸出的是模擬信號，其特點是幅值大小與機械位移量成正比。將此信號作為位置反饋信號與指令信號的比較而構(gòu)成的閉環(huán)伺服系統(tǒng)稱為幅值比較伺服系統(tǒng)，簡稱為幅值伺服系統(tǒng)。

顯然，在幅值比較伺服系統(tǒng)中，必須把反饋通道的模擬量變換成相應的數(shù)字信號，才可以完成與指令脈沖的比較。該系統(tǒng)實現(xiàn)閉環(huán)控制的過程與相應伺服系統(tǒng)有許多相似之處。

如圖9-32所示為幅值比較伺服系統(tǒng)的組成。當感應同步器在幅值工作方式時，在滑尺的正余弦兩個繞組上分別施加頻率相同、幅值不同的正弦電壓。這兩個正弦電壓的幅值又分別與相角成正余弦的關(guān)系。

9/30/2024機電控制技術(shù)

9/30/2024機電控制技術(shù)如圖9-33所示為數(shù)控銑床的回轉(zhuǎn)工作臺的示意圖。它的進給、分度轉(zhuǎn)位和定位鎖緊都是由給定的指令進行控制的。9.3位置控制技術(shù)在數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺中的應用9/30/2024機電控制技術(shù)9.3.1數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的介紹

1.數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的用途