数控机床的伺服驱动系统研讨.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,数控机床伺服驱动系统,第五章,数控机床的伺服驱动系统研讨,第1页,数控机床伺服驱动系统,5.1 概述,5.2 位置控制,5.3 主轴定向控制,5.4 伺服系统性能及参数,5.5 全数字式伺服系统,5.6 经济型数控系统,5.7 标准型数控系统,5.8 经典,FANUC,数控系统介绍,数控机床的伺服驱动系统研讨,第2页,数控机床伺服驱动系统,5.1 概述,伺服(,Servo)，,本意为“服从”含义。数控机床伺服系统（,Servo System）,通常是指进给伺服系统，它是数控系统和机床机械传动部件间联接步骤，是数控机床主要组成部分，包含机械传动、电气驱动、检测、自动控制方面内容，包括强电与弱电控制。进给伺服系统是以机床移动部件位置为控制量自动控制系统，它依据数控系统插补运算生成位置指令，准确地变换为机床移动部件位移，直接反应了机床坐标轴跟踪运动指令和实际定位性能。,数控机床的伺服驱动系统研讨,第3页,数控机床伺服驱动系统,5.1.1 伺服系统组成,伺服系统完成机床移动部件（如工作台；主轴或刀具进给等）位置和速度控制。它接收计算机插补命令，将插补脉冲转换为机械位移。伺服系统性能直接影响数控机床精度和工作台速度等技术指标。,数控机床的伺服驱动系统研讨,第4页,数控机床伺服驱动系统,（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0.010.001,mm；,高档设备定位精度要求到达0.1,m,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。,5.1.2 数控机床对伺服系统要求,数控机床的伺服驱动系统研讨,第5页,数控机床伺服驱动系统,（2）可逆运行,在加工过程中，机床工作台依据加工轨迹要求，随时都可能实现正向或反向运动，同时要求在方向改变时，不应有反向间隙和运动损失。从能量角度看，应该实现能量可逆转换，即在加工运行时，电动机从电网吸收能量变为机械能；在制动时应把电动机机械惯性能量变为电能回馈给电网，以实现快速制动。,数控机床的伺服驱动系统研讨,第6页,数控机床伺服驱动系统,（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。,数控机床的伺服驱动系统研讨,第7页,数控机床伺服驱动系统,（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030,m/min，,有已到达240,m/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。,数控机床的伺服驱动系统研讨,第8页,数控机床伺服驱动系统,（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46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。,数控机床的伺服驱动系统研讨,第9页,数控机床伺服驱动系统,5.2 位置控制,位置控制是进给伺服系统主要组成部分，是确保进给位置精度主要步骤。位置控制按其结构可分为开环和闭环控制。开环伺服系统位置控制比较简单，依据进给系统需要由,CNC,装置发送所需要脉冲指令便实现了位置控制。对闭环或半闭环伺服系统，位置控制回路由位置控制、速度控制和位置检测三部分组成，如图5-1所表示。,数控机床的伺服驱动系统研讨,第10页,数控机床伺服驱动系统,5.2.1 位置比较实现方式,位置控制作用是将,CNC,装置插补出瞬时位置指令值,P,C,和检测出位置,P,f,在位置比较器中进行比较，产生位置偏差,P,，,在把,P,转为瞬时速度指令电压,U,P,。,输入位置比较器中位置指令有两类方式脉冲列和数值指令。,数控机床的伺服驱动系统研讨,第11页,数控机床伺服驱动系统,一、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5-2所表示。,数控机床的伺服驱动系统研讨,第12页,数控机床伺服驱动系统,1.脉冲比较伺服系统组成,图5-2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：,数控机床的伺服驱动系统研讨,第13页,数控机床伺服驱动系统,(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）。,数控机床的伺服驱动系统研讨,第14页,数控机床伺服驱动系统,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。,数控机床的伺服驱动系统研讨,第15页,数控机床伺服驱动系统,（1）指令脉冲,P,C,=0，,这时反馈脉冲,P,f,=0，,则,P,e,=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,P,C+,=2，,可逆计数器加2，在工作台还未移动之前，反馈脉冲,P,f+,=0，,可逆计数器输出,P,e,=,P,c+,P,f+,=20=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,P,f+,产生，当,P,f+,时，可逆计数器减，此时,P,e,=,P,c+,P,f+,=210，,伺服电动机仍正转，工作台继续正向进给。,（4）当,P,f+,=2,时，,P,e,=,P,c+,P,f+,=22=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。,数控机床的伺服驱动系统研讨,第16页,数控机床伺服驱动系统,当指令脉冲为反向,P,C-,时，控制过程与正向时相同，只是,P,e,0，,工作台反向进给。,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。,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。,数控机床的伺服驱动系统研讨,第17页,数控机床伺服驱动系统,3.脉冲比较器,(1)脉冲比较器概述,脉冲比较伺服系统是将,P,C,脉冲符号与,P,f,脉冲符号相比较，得到脉冲偏差信号,P,e,。,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5-3所表示。,数控机床的伺服驱动系统研讨,第18页,数控机床伺服驱动系统,P,C+,、,P,C-,和,P,f+,、,P,f-,加、减定义见表5-1。,位置指令,含义,运算,位置反馈,含义,可逆计数器运算,P,C+,正向运动指令,+,P,f+,正向位置反馈,P,C-,反向运动指令,P,f-,反向位置反馈,表5-1,P,C,、,P,f,定义,数控机床的伺服驱动系统研讨,第19页,数控机床伺服驱动系统,数控机床的伺服驱动系统研讨,第20页,数控机床伺服驱动系统,在脉冲比较伺服系统中，只有实现指令脉冲,P,C,和反馈脉冲,P,f,比较后，才能得出位置偏差值,P,i,，,所以系统需要脉冲比较器。图5-4为一脉冲比较器，其工作原理是 、,4,、,5,、,8,、,9,为或非门；,2,、,3,、,6,、,7,为触发器；,12,为8位移位存放器；,10,、,11,为单稳态触发器；,13,为可逆计数器。当,P,C,与,P,f,不一样时输出时，在和,5,中同一时刻只有一路有脉冲输出，,9,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,P,c+,出现，该脉冲经 、,2,、,3,、,4,输出，使可逆计数器,13,做加法计数。,数控机床的伺服驱动系统研讨,第21页,数控机床伺服驱动系统,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脉冲,P,f+,，,该脉冲经,5,、,6,、,7,、,8,输出，使可逆计数器,13,做减法计数。此时，可逆计数器内容就是,P,c+,和,P,f+,偏差值,P,e,。,当可逆计数器内容变为0时，说明偏差值,P,e,=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,P,C-,使可逆计数器做减法计数，反向反馈脉冲,P,f-,使可逆计数器做加法计数，其它过程和正向进给相同。,数控机床的伺服驱动系统研讨,第22页,数控机床伺服驱动系统,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 、,5,输出同时为0，使,9,输出为1，单稳态触发器,10,、,11,有脉冲输出。,10,输出负脉冲同时封锁,3,和,7,，使指令脉冲和反馈脉冲不能经过,3,和,7,而进入可逆计数器。,数控机床的伺服驱动系统研讨,第23页,数控机床伺服驱动系统,11,正脉冲输出分成两路，先经,4,输出到可逆计数器做加法计数，再经,12,延时四个时针周期（由时钟脉冲,PC,产生）经过,8,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。,数控机床的伺服驱动系统研讨,第24页,数控机床伺服驱动系统,5.1.2 相位比较伺服系统,一、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,。,原理框图如图5-5所表示。它主要由以下部分组成。,数控机床的伺服驱动系统研讨,第25页,数控机床伺服驱动系统,数控机床的伺服驱动系统研讨,第26页,数控机床伺服驱动系统,（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。,数控机床的伺服驱动系统研讨,第27页,数控机床伺服驱动系统,（,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 。,（51）,数控机床的伺服驱动系统研讨,第28页,数控机床伺服驱动系统,二、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,u,d,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,P,c+,、,P,C-,加、减，再经过分频产生相位超前或滞后于 指令相位脉冲 。,数控机床的伺服驱动系统研讨,第29页,数控机床伺服驱动系统,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5-6)所表示为,P,c+,=2,时相位比较波形图。,1.当无进给指令时，即,P,c+,=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5-6,a,所表示。,数控机床的伺服驱动系统研讨,第30页,数控机床伺服驱动系统,2.有正向进给指令，,P,c+,=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5-6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5-6,c,所表示。,数控机床的伺服驱动系统研讨,第31页,数控机床伺服驱动系统,图5-6 相位比较波形图（一）,数控机床的伺服驱动系统研讨,第32页,数控机床伺服驱动系统,图5-6 相位比较波形图（二）,数控机床的伺服驱动系统研讨,第33页,数控机床伺服驱动系统,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5-6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。,数控机床的伺服驱动系统研讨,第34页,数控机床伺服驱动系统,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,U,p,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,=2mm（,相当360电角度），脉冲当量,=0.001 mm/,脉冲，则相位增量为,/360=0.001/2360=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。,数控机床的伺服驱动系统研讨,第35页,数控机床伺服驱动系统,三、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5-7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,f,0,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 。,数控机床的伺服驱动系统研讨,第36页,数控机床伺服驱动系统,数控机床的伺服驱动系统研讨,第37页,数控机床伺服驱动系统,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,P,C+,。,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,P,C,个正指令脉冲，实际上,X,计数器接收了,N,+P,C,个脉冲，所以它输出在改变到360后，又改变了,1,=（,P,C,/N,）360，,即,X,计数器相位超前了标准计数器,1,，其波形如图5-8所表示。,数控机床的伺服驱动系统研讨,第38页,数控机床伺服驱动系统,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,P,C+,，,则标准计数器在接收到,N,1,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,N,1,+,P,C,=,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,=,P,C+,/N,360），,如图5-8所表示。,数控机床的伺服驱动系统研讨,第39页,数控机床伺服驱动系统,数控机床的伺服驱动系统研讨,第40页,数控机床伺服驱动系统,数控机床的伺服驱动系统研讨,第41页,数控机床伺服驱动系统,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5-10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，与非门开，,A,脉冲由此经过。当输入一个,P,C,指令脉冲时，触发器,1,Q,1,变为1，触发器,2,Q,2,也变为1，因为 为0，封住了与非门，所以扣除了一个 序列脉冲。当输入一个,P,C+,指令脉冲时，触发器,C,3,Q,3,变为1，触发器,C,4,Q,4,也变为1。出现脉冲时，,Q,4,和,B,端均为1，与非门打开，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。,数控机床的伺服驱动系统研讨,第42页,数控机床伺服驱动系统,图5-10 脉冲加减器（一）,数控机床的伺服驱动系统研讨,第43页,数控机床伺服驱动系统,图5-10 脉冲加减器（二）,数控机床的伺服驱动系统研讨,第44页,数控机床伺服驱动系统,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5-11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,相位，信号来到时，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。,四、鉴相器,数控机床的伺服驱动系统研讨,第45页,数控机床伺服驱动系统,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5-10。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。,数控机床的伺服驱动系统研讨,第46页,数控机床伺服驱动系统,信号是超前还是滞后信号，可借助于,N,E,端来判断。输出端为,N,E,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,N,E,端也为0，如图5-10,b,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,N,E,端也为1。,数控机床的伺服驱动系统研讨,第47页,数控机床伺服驱动系统,数控机床的伺服驱动系统研讨,第48页,数控机床伺服驱动系统,二、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。,数控机床的伺服驱动系统研讨,第49页,数控机床伺服驱动系统,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5-12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：,数控机床的伺服驱动系统研讨,第50页,数控机床伺服驱动系统,完成指令脉冲与反馈脉冲比较比较器。,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。,将模拟控制信号进行功率和电压放大伺服放大器。,检测工作台位移位置检测元件。,为感应同时器正、余弦绕组提供信号励磁电路。,将定尺输出信号转变为幅值信号鉴幅器。,将鉴幅器直流电压转变成反馈脉冲电压频率变换器。,实现电信号到机械位移转换执行元件。,数控机床的伺服驱动系统研讨,第51页,数控机床伺服驱动系统,(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。,（52）,（53）,数控机床的伺服驱动系统研讨,第52页,数控机床伺服驱动系统,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；,E,0m,定尺绕组电动势幅值。,（54）,数控机床的伺服驱动系统研讨,第53页,数控机床伺服驱动系统,若 ，则定尺绕组电动势幅值E0m0。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。,数控机床的伺服驱动系统研讨,第54页,数控机床伺服驱动系统,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,P,f,也为0。所以比较器输出位置偏差,P,e,=,P,C,P,f,=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,P,C,0,时，工作台仍保持静止状态，和均没有改变，反馈脉冲,P,f,仍为0。所以，比较器输出位置偏差,P,e,=,P,C,P,f,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。,数控机床的伺服驱动系统研讨,第55页,数控机床伺服驱动系统,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E0m0，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=PCPf；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=PCPf0，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=PCPf=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。,数控机床的伺服驱动系统研讨,第56页,数控机床伺服驱动系统,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。,数控机床的伺服驱动系统研讨,第57页,数控机床伺服驱动系统,2.鉴幅器,数控机床的伺服驱动系统研讨,第58页,数控机床伺服驱动系统,图5-13为鉴幅器原理图。输入端,e,0,是感应同时器定尺绕组感应电动势，由式,e,0,=,E,0m,sint,可知，,e,0,是交变电动势。该信号首先经过低通滤波器，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，由互为反向开关信号,SL,和 实现通道通断控制，其开关频率与输入信号相同。由图5-14,a,可见，在,e,0,信号0,区间，,SL,=1，,使,S,1,接通，,e,0,信号经 、,S,1,，,抵达低通滤波器输入端,U,E,；,e,0,信号,2,区间，,=1，使,S,1,接通，,e,0,信号经,A,1,、反向器,A,2,、,S,2,，,抵达低通滤波器输入端,U,E,。,数控机床的伺服驱动系统研讨,第59页,数控机床伺服驱动系统,工作台做正向运动时，因为反向器,A,2,作用，使,e,0,负半周也变成正半周信号。这么在,U,E,处得到了一单向脉动直流信号。该信号经低通滤波器后，鉴幅器输出信号为一平滑直流信号,U,F,。,从图中可见，因为,U,F,是,U,E,平均值，它大小与,e,0,信号电动势幅值,E,0m,直接相关。,E,0m,增大，,U,F,也跟着增大，所以大小实际上反应了,和 之间相位差大小。,U,F,越大，,和 之间相位差越大。另外，从图5-14中能够看出，站柜台正向运动时，输出端,U,F,为正值；工作台反向运动时，输出端,U,F,为负值。,数控机床的伺服驱动系统研讨,第60页,数控机床伺服驱动系统,正向运动,（,j,）,反向运动,（,j,）,2,t,t,t,t,SL,L,S,(,a),鉴幅器输出波形,e,0,U,E,U,F,O,O,O,/2,3,/2,2,（,b,）数字正、余弦励磁信号,2,j,2,j,O,O,U,U,U,U,U,1,U,2,图,5,-,14,幅值比较控制波形,数控机床的伺服驱动系统研讨,第61页,数控机床伺服驱动系统,3.电压频率变换器,电压频率变换器作用是将鉴幅器输出电压,U,F,变换成对应脉冲序列，而且脉冲序列频率与,U,F,电压高低成正比。因为电压,U,F,是双极性，,U,F,电压经极性处理电路后，使,U,n,成为,U,F,绝对值，且一直大于0。压控振荡器（,VCO,）,将输入单极性直流电压转换成对应频率脉冲输出。压控振荡器（,VCO,）,它输出脉冲频率与控制电压成正比关系。,数控机床的伺服驱动系统研讨,第62页,数控机床伺服驱动系统,4.脉冲调宽式励磁信号,感应同时器滑尺绕组励磁可采取模拟量励磁式和脉冲调宽式。因为模拟量励磁方式易受外界干扰而影响精度，所以比较多地采取脉冲调宽式励磁方式。脉冲宽度调制实际上是用控制矩形波脉宽方法来等效地实现正弦波励磁，其波形如图5-14,b,所表示。,若滑尺上两励磁绕组加以矩形波励磁信号。则两励磁绕组信号,U,1,和,U,2,为：,数控机床的伺服驱动系统研讨,第63页,数控机床伺服驱动系统,式中,A,矩形波幅值,正弦波励磁中电气角，在此为影响矩形波宽度参数。,其中,U,1,脉宽为2 ，,U,2,脉宽为,2 。,如用傅立叶级数对,U,1,和,U,2,进行展开，并消去高次谐波，则,U,1,和,U,2,信号基波分量为：,（55）,（56）,数控机床的伺服驱动系统研讨,第64页,数控机床伺服驱动系统,能够看出，设法消除高次谐波影响后，用脉宽调制矩形波励磁与正弦波励磁在幅值工作方式下工作功效完全相当。所以，可将对电气角控制转变对脉冲宽度控制。在数字电路中，对脉冲宽度控制比较准确和轻易实现。,图5-15是脉冲调宽矩形脉冲发生器原理图，其中脉冲加减器和两个分频系数相同分频器用于实现数字移相，计数触发脉冲 和 频率是在时钟脉冲基础上，按位置反馈脉冲,P,f,和电压频率变换器输出信号,U,S,状态进行加减。每个分频器有两路相差90电角度溢出脉冲输出，经过组合逻辑进行调宽脉冲波形合成。,数控机床的伺服驱动系统研讨,第65页,数控机床伺服驱动系统,数控机床的伺服驱动系统研讨,第66页,数控机床伺服驱动系统,当无实际值脉冲时，时钟脉冲,CP,直接加于分频器，分频结果输出为参考信号。此时产生励磁信号为,sin0,和,cos0。,当工作台移动时，滑尺和定尺有位置偏差，产生反馈脉冲,P,f,。,依据运动方向信号,U,x,，,使两分频器中一个做加，一个做减，于是产生向前移相信号,A,和向后移相信号,B,。,经过组合逻辑门，产生信号,sin1,和,sin2、cos1,和,cos2。,再经输出门将这些信号合成，产生调制波,U,1,和,U,2,。,加于滑尺对应绕组上。,数控机床的伺服驱动系统研讨,第67页,数控机床伺服驱动系统,5.2.2 速度控制信号实现方式,经位置控制脉冲比较、相位比较或幅值比较取得位置偏差均以脉冲形式存在，该位置偏差经一定转换后，形成速度控制信号，数控系统普通输出速度控制信号为模拟电压10+10,V，,作为伺服驱动装置控制信号。该信号经过伺服驱动装置驱动伺服电动机。速度控制信号大小与伺服电动机转速成正比；速度控制信号正、负决定了伺服电动机正、反转。从位置偏差到速度控制信号形成如图5-16所表示。,数控机床的伺服驱动系统研讨,第68页,数控机床伺服驱动系统,速度指令,V,C,=,位置偏差,P,e,位置增益,K,V,。,位置增益,K,V,决定了速度对位置偏差响应程度，它反应了伺服系统灵敏度。,将速度指令,V,C,转换为速度控制电压,U,P,转换电路常采取脉宽调制器(,PWM,),方法。图5-17所表示为某一详细,PWM,电路。,数控机床的伺服驱动系统研讨,第69页,数控机床伺服驱动系统,5.2.2.1 速度指令存放器和粗、精减法计数器,图5-17是位置控制硬件部分。它由速度指令存放器，4位粗计数器、9位精计数器，模拟开关和电压放大部分组成，它是一个模数转换装置。由软件部分计算出速度指令值首先送入硬件部分速度指令存放器存放，如前所述，每1/2插补时间软件部分计算一次位置偏移量,D,i,和速度指令值,V,0i,，,所以，每4,ms,速度指令存放器得到一个新值。速度指令存放器有14位，最大指令,V,C,为（1）=8191。最高位用作符号位，08位送往精计数器，912位送往精计数器。,数控机床的伺服驱动系统研讨,第70页,数控机床伺服驱动系统,最高位用作符号位，08位送往精计数器，912位送往精计数器。精计数器计数时钟频率是4,MH,Z,最大计数值是512，每计一个数时间是0.25,s，512,计数时间是128,s。,粗计数器时钟频率是125,MH,Z,，,每减一个数频率是8,s，,最大计数值是16，共用128,s。,所以可知粗、精计数器计数周期都是128,s。,为能连续计数，每隔128,s，,速度指令存放器必须向两个计数器同时送数一次。在4,ms,时间内共送数34次。这么，脉宽调制器就可将速度指令存放器中速度指令值,V,C,变换成周期等于置数周期,T,（128us），,而宽度与,V,C,值成正比调宽脉冲（包含,M,PC,和,M,PF,）。,数控机床的伺服驱动系统研讨,第71页,数控机床伺服驱动系统,数控机床的伺服驱动系统研讨,第72页,数控机床伺服驱动系统,5.2.2.2 模拟开关,图5-18是模拟开关电路图。三个标准电压5,V、2.5 V、0 V,分别接到传输门,A,、,B,、,C,输入端，三个门输出端连到一起，作为电压输出端，三个门开关控制信号来自计数器和符号位。若符号位,SN,为正，计数器输出,M,P,也为正，则与非门输出为负，反向器,a,输出为正，,A,门通，使输出端,N,P,电压为5,V。,此时与非门输出为正，,c,输出为负；因,M,P,为正，因而,b,输出为负，,B,、,C,两门都关闭。当符号位,SN,为负，计数器,M,P,输出为正时，与门输出为正与非门输出为负，使,C,门开通，输出端,N,P,电压为0,V，,此时,A,、,B,两门关闭。当计数器输出,M,P,为负时，不论符号位,SN,是正还是负，,C,门开通，,A,、,B,两门关闭，输出端,N,P,为2.5,V。,数控机床的伺服驱动系统研讨,第73页,数控机床伺服驱动系统,数控机床的伺服驱动系统研讨,第74页,数控机床伺服驱动系统,M,P,何时为正何时为负，与计数器计数值大小相关。粗精计数器都是减法计数器，从两个计数器置入数开始计算，当把置入数减到零时计数结束。在置数周期128,s,期间内，计数值减到0以前计数器输出高电平，以后输出低电平。因而每一个置数周期输出一个方波。计数值越大，计数时间越长，方波正半周越宽。当精计数器置数值为511时（低9位每位都是二进制1）正半周宽度等于置数周期，负半周为0，当粗计数器置数值为15时，在全部置数周期内（128,s）,输出高电平。,数控机床的伺服驱动系统研讨,第75页,数控机床伺服驱动系统,模拟开关输出电压,N,P,与计数器输出方波相对应：在正半周时，,M,P,为高电平，依据符号位不一样，或门打开，,N,P,为5,V,或0,V；,负半周时，门打开，,N,P,为2.5,V。,所以,N,P,是一个半波宽随计数值而改变脉冲。脉冲周期,T,等于计数器置数周期。它直流平均电压,U,NP,（,单位为,V）,能够表示以下：,作用就是要将不带符号,M,P,改变成反应正、负速度指令标准电压,U,NP,（,包含,U,NPC,和,U,NPF,），,其波形如图5-19所表示。,数控机床的伺服驱动系统研讨,第76页,数控机床伺服驱动系统,数控机床的伺服驱动系统研讨,第77页,数控机床伺服驱动系统,当速度指令为正时，,SN,=0,U,NP,=2.5（1/,T,）(V),当速度指令为负时，,SN,=1,U,NP,=2.5（1/,T,）(V),其中,/,T,为脉宽占空比，该比值越大，说明速度指令越大。,依