（原創(chuàng)kevin001）
在數(shù)控機(jī)床上，尤其是在計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床上，閉環(huán)伺服驅(qū)動系統(tǒng)由于具有工作可靠、抗干擾性強(qiáng)以及精度高等優(yōu)點(diǎn)，因而相對于開環(huán)伺服驅(qū)動系統(tǒng)更為常用。但由于閉環(huán)伺服驅(qū)動系統(tǒng)增加了位置檢測、反饋、比較等環(huán)節(jié)，與步進(jìn)式開環(huán)系統(tǒng)相比，它的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，調(diào)試也相對更困難一些。一、 一、 閉環(huán)伺服驅(qū)動系統(tǒng)的執(zhí)行元件隨著數(shù)控技術(shù)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(diǎn)：(1) 盡可能減少電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量，以提高系統(tǒng)的快速動態(tài)響應(yīng)；(2) 盡可能提高電機(jī)的過載能力，以適應(yīng)經(jīng)常出現(xiàn)的沖擊現(xiàn)象；(3) 盡可能提高電機(jī)低速運(yùn)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(jī)械加工的特殊性，一般的電機(jī)不能滿足數(shù)控機(jī)床對伺服控制的要求。目前，在數(shù)控機(jī)床上廣泛應(yīng)用的有直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)。1.直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)是機(jī)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(jī)多為大功率直流伺服電機(jī)，如低慣量電機(jī)和寬調(diào)速電機(jī)等。這些伺服電機(jī)雖然結(jié)構(gòu)不同，各有特色，但其工作原理與直流電機(jī)類似。 (1) 低慣量直流伺服電機(jī)。主要有無槽電樞直流伺服電機(jī)及其他一些類型的電機(jī)。無槽電樞直流伺服電機(jī)的工作原理與一般直流電機(jī)相同，其結(jié)構(gòu)的差別和特點(diǎn)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(jié)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(jī)大10倍以上。它的輸出功率在幾十瓦至10 kW以內(nèi)。主要用于要求快速動作、功率較大的系統(tǒng)。 (2) 寬調(diào)速直流力矩電機(jī)。這種電機(jī)用提高轉(zhuǎn)矩的方法來改善其動態(tài)性能。它的結(jié)構(gòu)形式與一般直流電機(jī)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(diǎn)： (3) 直流伺服電機(jī)的脈寬調(diào)速原理。調(diào)整直流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法主要是調(diào)整電樞電壓。目前使用最廣泛的方法是晶體管脈寬調(diào)制器—直流電機(jī)調(diào)速(PWM—M)。它具有響應(yīng)快，效率高，調(diào)速范圍寬以及噪音污染小，簡單可靠等優(yōu)點(diǎn)。脈寬調(diào)制器的基本工作原理是，利用大功率晶體管的開關(guān)作用，將直流電壓轉(zhuǎn)換成一定頻率的方波電壓，加到直流電機(jī)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(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。圖5--9是PWM— M系統(tǒng)的工作原理圖。設(shè)將圖5--9(a)中的開關(guān)K周期地閉合、斷開，開和關(guān)的周期是T。在一個周期內(nèi)，閉合的時間為τ，斷開的時間為T-τ。若外加電源的電壓U是常數(shù)，則電源加到電機(jī)電樞上的電壓波形將是一個方波列，其高度為U，寬度為τ，如圖5--9(b)所示。它的平均值 為 （5-2）式中的δ=τ／T，稱為導(dǎo)通率。當(dāng)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(jī)的轉(zhuǎn)速。實(shí)際的PWM—M系統(tǒng)用大功率三極管代替開關(guān)K 。其開關(guān)頻率是2000 Hz，即 圖5—9 PWM 調(diào)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(dāng)K斷開時，由于電樞電感La的存在，電機(jī)的電樞電流 可通過它形成回路而流通。圖5--9 (a)所示的電路只能實(shí)現(xiàn)電機(jī)單方向的速度調(diào)節(jié)。為使電機(jī)實(shí)現(xiàn)雙向調(diào)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5—10 PWM —M系統(tǒng)的主回路電氣原理圖 2.交流伺服電機(jī)交流伺服電機(jī)驅(qū)動是最新發(fā)展起來的新型伺服系統(tǒng)，也是當(dāng)前機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)方面的一個新動向。該系統(tǒng)克服了直流驅(qū)動系統(tǒng)中電機(jī)電刷和整流子要經(jīng)常維修、電機(jī)尺寸較大和使用環(huán)境受限制等缺點(diǎn)。它能在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)產(chǎn)生理想的轉(zhuǎn)矩，結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，用于數(shù)控機(jī)床等進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)為精密位置控制。交流伺服電機(jī)的工作原理與兩相異步電機(jī)相似 。然而 ，由于它在數(shù)控機(jī)床中作為執(zhí)行元件，將交流電信號轉(zhuǎn)換為軸上的角位移或角速度 ，所以要求轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動。特別是當(dāng)它已在轉(zhuǎn)動時，如果控制信號消失，它立即停止轉(zhuǎn)動。而普通的感應(yīng)電動機(jī)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動一會兒。交流伺服電機(jī)也是由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)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(jī)的氣隙中產(chǎn)生圓形的旋轉(zhuǎn)磁場。若兩個電壓的幅值不等或相位不為90°電角度，則產(chǎn)生的磁場將是一個橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場。加在控制繞組上的信號不同，產(chǎn)生的磁場橢圓度也不同。例如，負(fù)載轉(zhuǎn)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(jī)的轉(zhuǎn)速。交流伺服電機(jī)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5—11交流伺服電機(jī)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(zhuǎn)換器、比較器、驅(qū)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(diǎn)：一是它的測量元件是以鑒幅式工作狀態(tài)進(jìn)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(zhuǎn)變壓器和感應(yīng)同步器；二是比較器所比較的是數(shù)字脈沖量，而與之對應(yīng)的鑒相式伺服系統(tǒng)的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(zhǔn)信號，兩數(shù)字脈沖量可直接在比較器中進(jìn)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(jìn)入比較器的信號有兩路：一路來自數(shù)控裝置插補(bǔ)器或插補(bǔ)軟件的進(jìn)給脈沖，它代表了數(shù)控裝置要求機(jī)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(shí)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(jìn)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來，經(jīng)信號處理線路轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字脈沖信號，該數(shù)字脈沖信號作為反饋信號進(jìn)入比較器與進(jìn)給脈沖進(jìn)行比較。若兩者相等，比較器的輸出為零，說明工作臺實(shí)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(shí)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(zhuǎn)換電路的作用是將比較器輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)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(qū)動線路進(jìn)行電壓和功率放大，驅(qū)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(jī)械位移檢測出來并轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖量。 圖5-26 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(jī)械位移檢測出來并轉(zhuǎn)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(xì)地介紹過，下面重點(diǎn)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(diào)電路、電壓頻率轉(zhuǎn)換器和sin／cos發(fā)生器組成。由測量元件的工作原理可知，當(dāng)工作臺移動時，測量元件根據(jù)工作的位移量，即絲杠轉(zhuǎn)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(yīng)，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(diào)。解調(diào)電路也稱鑒幅器。解調(diào)后的信號經(jīng)電壓頻率轉(zhuǎn)換器變成計(jì)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(jì)數(shù)脈沖及其符號送到比較器與進(jìn)給脈沖比較；另一方面，經(jīng)sin／cos發(fā)生器，產(chǎn)生驅(qū)動測量元件的兩路信號sin和cos，使 角與此相對應(yīng)發(fā)生改變。該驅(qū)動信號是方波信號，它的脈寬隨計(jì)數(shù)脈沖的多少而變。根據(jù)傅里葉展開式，當(dāng)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(zhuǎn)子沒有新位移，因激磁信號電氣角由 變?yōu)?nbsp; ，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(zhuǎn)換器、sin／cos信號發(fā)生器，產(chǎn)生下一個激磁信號，該激磁信號將使測量元件的輸出進(jìn)一步接近于零，這個過程的不斷重復(fù)，直到測量元件的輸出為零時止。在這個過程中，電壓頻率轉(zhuǎn)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(dāng)有連續(xù)的進(jìn)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(diǎn)須要說明，測量元件的激磁信號sin／cos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(diào)線路中，須首先進(jìn)行濾波，將這些高次諧波的影響排除掉。2.鑒幅式伺服系統(tǒng)的主要控制線路1) 解調(diào)線路圖5--27是解調(diào)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(jì)、濾波器和放大器組成。電位計(jì)W1用來調(diào)節(jié)解調(diào)線路的靈敏度，通過調(diào)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，它是一個帶放大器和反相器的電子開關(guān)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(dāng)參考信號D為高時，控制電子 開關(guān) 接通，而此時 為低，控制電子開關(guān) 斷開；當(dāng)參考信號D為低時，控制電子開關(guān) 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(dāng)工作臺正向進(jìn)給時， 的幅值 為正；當(dāng)工作臺反向進(jìn)給時， 為負(fù)。如果參考信號D在 為正時為高，那么，工作臺正向進(jìn)給時，檢波器的輸出 為正；工作臺反向進(jìn)給時，檢波器的輸出 為負(fù)。 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) 電壓頻率轉(zhuǎn)換器電壓頻率轉(zhuǎn)換器的作用是根據(jù)輸入的電壓值，產(chǎn)生出相應(yīng)的脈沖。當(dāng)輸入電壓為正時，輸出正向脈沖；當(dāng)輸入電壓為負(fù)時，輸出反向脈沖，脈沖的方向用符號寄存器的輸出表示；當(dāng)輸入為零時，不產(chǎn)生任何脈沖。隨著輸入電壓信號幅值的增加，電壓頻率轉(zhuǎn)換器的輸出開始出現(xiàn)脈沖，圖5--31是電壓頻率轉(zhuǎn)換器線路圖，其工作原理如下： 放大器 是一個積分器，當(dāng)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(dāng)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(dāng) 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 V時， 的輸出突然由1變?yōu)?。 和 的輸出又被送到同步器，每當(dāng) 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(yīng)管使積分器 復(fù)位， 的輸出等于輸入，同時 或 的輸出又變?yōu)楦唠娖健Ａ硗?nbsp; 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(zhuǎn)換的波形圖。 電壓頻率轉(zhuǎn)換器的輸出一方面作為工作臺的實(shí)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sin／cos發(fā)生器(見圖5--33)。 3) sin／cos發(fā)生器sin／cos發(fā)生器的任務(wù)是根據(jù)電壓頻率轉(zhuǎn)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(zhǔn)信號的頻率和計(jì)數(shù)器的位數(shù)調(diào)整、控制 。通常 ，sin／cos發(fā)生器可分為兩部分 ，即脈沖相位轉(zhuǎn)換線路和sin／cos信號生成線路。圖5--33是一具體的sin／cos信號發(fā)生器，其工作原理如下：當(dāng)電壓頻率轉(zhuǎn)換器有正向計(jì)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(jìn)入A計(jì)數(shù)器的加端，使A計(jì)數(shù)器多加這些正向計(jì)數(shù)脈沖，A計(jì)數(shù)器的輸出便超前參考計(jì)數(shù)器的輸出一個相位角 ；同時，它經(jīng)門3直接進(jìn)入B計(jì)數(shù)器減端，使B計(jì)數(shù)器減掉這些正向計(jì)數(shù)脈沖，B計(jì)數(shù)器輸出便滯后參考計(jì)數(shù)器的輸出一個相應(yīng)角 ；若電壓頻率轉(zhuǎn)換器輸出的是反向計(jì)數(shù)脈沖，則該反向脈沖在方向符號的控制下，一方面經(jīng)門2、門4使B計(jì)數(shù)器多加這些反向計(jì)數(shù)脈沖，B計(jì)數(shù)器的輸出超前參考計(jì)數(shù)器的輸出一個相位角 ；另一方面經(jīng)門2直接進(jìn)入A計(jì)數(shù)器減端，使A計(jì)數(shù)器減掉這些反向計(jì)數(shù)脈沖，A計(jì)數(shù)器的輸出滯后參考計(jì)數(shù)器的輸出一個相位角 ；若電壓頻率轉(zhuǎn)換器沒有計(jì)數(shù)脈沖輸出，A和B兩計(jì)數(shù)器的輸出與參考計(jì)數(shù)器的輸出同相位。實(shí)現(xiàn)以上這部分功能的線路稱之為脈沖相位轉(zhuǎn)換線路，它與鑒相式伺服系統(tǒng)中的脈沖調(diào)相器基本相同。A計(jì)數(shù)器的輸出A及其兩分頻后的信號 ，B計(jì)數(shù)器的輸出B及其兩分頻后的信號 ，以及參考計(jì)數(shù)器輸出的參考信號共同進(jìn)入sin／cos信號生成線路。圖5--34是sin／cos信號生成線路，它的輸出就是所要求的測量元件的激磁信號。 圖5--34中sin和cos的邏輯表達(dá)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(jìn)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(jìn)給的方向，一條線路傳送進(jìn)給脈沖；第二種是用一條線路傳送正向進(jìn)給脈沖，一條線路傳送反向進(jìn)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(jìn)入比較器的脈沖信號形式不同，比較器的構(gòu)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(jié)構(gòu)。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(dāng)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，進(jìn)入可逆計(jì)數(shù)器加端，使可逆計(jì)數(shù)器作加法計(jì)數(shù)，可逆計(jì)數(shù)器的內(nèi)容由零變?yōu)檎龜?shù)。其輸出經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換、驅(qū)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(jìn)入可逆計(jì)數(shù)器減端，使可逆計(jì)數(shù)器作減法計(jì)數(shù)，可逆計(jì)數(shù)器的內(nèi)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(jìn)入計(jì)數(shù)器減端，使可逆計(jì)數(shù)器作減法計(jì)數(shù)，可逆計(jì)數(shù)器的內(nèi)容為負(fù)。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(jìn)入可逆計(jì)數(shù)器加端，使可逆計(jì)數(shù)器作加法計(jì)數(shù)。當(dāng)指令信號由一個方向向另一個方向轉(zhuǎn)換時，一定要在工作臺停止后再進(jìn)行，即可逆計(jì)數(shù)器的內(nèi)容變?yōu)榱銜r再進(jìn)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(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)換器數(shù)模轉(zhuǎn)換器也稱脈寬調(diào)制器，它的任務(wù)是把比較器的數(shù)字量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枴Ｄ壳埃延性S多不同精度、不同形式的數(shù)模(D／A)轉(zhuǎn)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(yīng)用。
四、 三、 數(shù)字比較式伺服系統(tǒng)1.數(shù)字比較系統(tǒng)的構(gòu)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(jī)床工作臺位置信號 。它可以是數(shù)碼信號 ，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(zhuǎn)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(zhì)而決定取舍。(5) 驅(qū)動執(zhí)行元件。它根據(jù)比較器的輸出帶動機(jī)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(chǎn)生模擬反饋信號的測量元件，如旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器等，但要通過模數(shù)(A／D)轉(zhuǎn)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(fù)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(zhuǎn)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(jī)、液壓伺服馬達(dá)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(zhuǎn)換器(1) 數(shù)字脈沖轉(zhuǎn)換為數(shù)碼。對于數(shù)字脈沖轉(zhuǎn)化為數(shù)碼，其簡單的實(shí)現(xiàn)就是一個可逆計(jì)數(shù)器，它將輸入的脈沖進(jìn)行計(jì)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(jì)數(shù)器可以是二進(jìn)制的、二—十進(jìn)制的或其他類型的計(jì)數(shù)器，圖5--39是由兩個二—十進(jìn)制計(jì)數(shù)器組成的數(shù)字脈沖—數(shù)碼轉(zhuǎn)換器。 圖5-39 數(shù)字脈沖轉(zhuǎn)化為數(shù)碼的線路 (2) 數(shù)碼轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖。對于數(shù)碼轉(zhuǎn)化為數(shù)字脈沖，常用的有兩種方法。第一種方法是采用減法計(jì)數(shù)器組成的線路，如圖5--40所示，先將要轉(zhuǎn)換的數(shù)碼置入減法計(jì)數(shù)器，當(dāng)時鐘脈沖CP到來之后，一方面使減法計(jì)數(shù)器作減法計(jì)數(shù)，另一方面進(jìn)入與門。若減法計(jì)數(shù)器的內(nèi)容不為“0”，該CP脈沖通過與門輸出，若減法計(jì)數(shù)器的內(nèi)容變?yōu)椤?”，則與門被關(guān)閉，CP脈沖不能通過。計(jì)數(shù)器從開始計(jì)數(shù)到減為“0”。剛好與置入計(jì)數(shù)器中數(shù)碼等值的數(shù)字脈沖從與門輸出，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)碼—數(shù)字脈沖的轉(zhuǎn)換。第二種方法是用一個脈沖乘法器，在討論插補(bǔ)原理時曾介紹過，數(shù)字脈沖乘法器實(shí)質(zhì)上就是將輸入的二進(jìn)制數(shù)碼轉(zhuǎn)化為等值的脈沖個數(shù)輸出。其示意圖如圖5--41所示。 圖5-40 數(shù)碼轉(zhuǎn)化為數(shù)字脈沖的線路之一 圖5-41 數(shù)碼轉(zhuǎn)化為數(shù)字脈沖線路之二2) 比較器在數(shù)字比較系統(tǒng)中，使用的比較器有多種結(jié)構(gòu)，根據(jù)其功能可分為兩類：一是數(shù)碼比較器；二是數(shù)字脈沖比較器。在數(shù)碼比較器中，比較的是兩個數(shù)碼信號，而輸出可以是定性的，即只指出參加比較的數(shù)誰大誰小，也可以是定量的，指出參加比較的數(shù)誰大,大多少。在數(shù)字脈沖比較器中，常用的方法是帶有可逆回路的可逆計(jì)數(shù)器。
五、 四、 閉環(huán)伺服系統(tǒng)的性能下面以鑒相式伺服系統(tǒng)為例來討論閉環(huán)伺服系統(tǒng)的性能。1．系統(tǒng)工作穩(wěn)定性由于鑒相系統(tǒng)是一個自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，故在設(shè)計(jì)時必須進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，校核系統(tǒng)的工作穩(wěn)定情況，以保證系統(tǒng)是在穩(wěn)定區(qū)內(nèi)工作。穩(wěn)定性的校核是根據(jù)傳遞函數(shù)進(jìn)行的，鑒相系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可表示為 （ 5—3）式中 為系統(tǒng)速度放大系統(tǒng)； 為系數(shù)。根據(jù)羅斯--侯維智穩(wěn)定判據(jù)，可計(jì)算出保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作的最大速度放大系數(shù) ，如果超過該 ，系統(tǒng)工作就不穩(wěn)定了。2．無負(fù)載機(jī)床絲杠最大轉(zhuǎn)速 機(jī)床絲杠的最大無負(fù)載轉(zhuǎn)速 應(yīng)按下式計(jì)算： （5—4） （5—5）式中 是鑒相器允許兩相信號的最大相位差。二極管型鑒相的 門電路型鑒相器的 由此可見，門電路型鑒相器較二極管型鑒相器可得到高幾倍的最大轉(zhuǎn)速，即可使機(jī)床工作臺得到更高的進(jìn)給速度。λ是鑒相器非均勻輸出系數(shù)。二極管型鑒相器的λ=0.64；門電路型鑒相器的λ=1。此外， 是在直流放大器和電液伺服閥均未達(dá)到飽和工作條件下導(dǎo)出的。由于負(fù)載慣性的存在，一般，系統(tǒng)啟動頻率都低于系統(tǒng)最大工作頻率( 對應(yīng)的工作頻率)，即系統(tǒng)不能從靜止?fàn)顟B(tài)突然加速到使機(jī)床絲杠在無負(fù)載最大轉(zhuǎn)速 下工作，必須設(shè)置使系統(tǒng)在啟動時逐步加速的加速回路。有時還須要設(shè)置停止時逐步減速的減速回路，如步進(jìn)式伺服系統(tǒng)中的加減速回路。3．系統(tǒng)靜不靈敏區(qū) 系統(tǒng)從停止?fàn)顟B(tài)使執(zhí)行元件以最慢速度開始正向或反向轉(zhuǎn)動所需的鑒相器的最小相位差稱 為系統(tǒng)靜不靈敏區(qū)。它直接影響到機(jī)床的調(diào)整與加工精度，因此，希望它愈小愈好。系統(tǒng)靜不靈敏區(qū)主要由執(zhí)行元件(如電液伺服閥和液壓馬達(dá))造成， 與 成反比。4．穩(wěn)態(tài)誤差ε當(dāng)數(shù)控機(jī)床工作臺作等速運(yùn)動時，系統(tǒng)的輸入轉(zhuǎn)角 與機(jī)床絲杠的實(shí)際轉(zhuǎn)角 之差稱為穩(wěn)態(tài)誤差，設(shè)機(jī)床絲杠以 的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，則系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差 為 （5—6）5．動態(tài)特性當(dāng)在鑒相器的輸入端加一階躍輸入 時，機(jī)床絲杠，即旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子將按圖5--20所示的過程隨動，該過渡過程應(yīng)滿足如下品質(zhì)指標(biāo)： 圖 5-20 系統(tǒng)過渡過程 (1) 盡可能減小穩(wěn)態(tài)誤差 。(2) 超調(diào)量 要小。它影響機(jī)床加工精度的提高和粗糙度的降低。 （5—7）(3) 調(diào)節(jié)時間 要短。(4) 過渡過程的振蕩次數(shù)要少。由以上各性能可見，提高機(jī)床絲杠無負(fù)載最高轉(zhuǎn)速 、減小靜不靈敏區(qū) 、減小穩(wěn)態(tài)誤差 以及提高系統(tǒng)剛性等，均須增大系統(tǒng)速度放大系數(shù) 。但這會導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性的降低，因此，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作的前提下應(yīng)盡可能增大系統(tǒng)的速度放大系數(shù)。 圖 5-43 測速反饋原理圖 6．提高系統(tǒng)穩(wěn)定性能的措施(1) 降低系統(tǒng)的速度放大系數(shù)。(2) 采用積分--微分串聯(lián)校正裝置。(3) 采用速度、加速度負(fù)反饋并聯(lián)校正裝置。圖5--43為該裝置的原理圖。
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