（原創kevin001）
在數控機床上，尤其是在計算機數控機床上，閉環伺服驅動系統由于具有工作可靠、抗干擾性強以及精度高等優點，因而相對于開環伺服驅動系統更為常用。但由于閉環伺服驅動系統增加了位置檢測、反饋、比較等環節，與步進式開環系統相比，它的結構比較復雜，調試也相對更困難一些。一、 一、 閉環伺服驅動系統的執行元件隨著數控技術的發展，對執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，以提高系統的快速動態響應；(2) 盡可能提高電機的過載能力，以適應經常出現的沖擊現象；(3) 盡可能提高電機低速運行的穩定性和均勻性，以保證低速時伺服系統的精度。鑒于機械加工的特殊性，一般的電機不能滿足數控機床對伺服控制的要求。目前，在數控機床上廣泛應用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中使用較廣的一種執行元件。在伺服系統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、功率較大的系統。 (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(PWM—M)。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，從而調節電機的轉速。圖5--9是PWM— M系統的工作原理圖。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τ，斷開的時間為T-τ。若外加電源的電壓U是常數，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，稱為導通率。當T不變時，只要連續地改變 ，就可使電樞電壓的平均值(即直流分量 )由0連續變化至U，從而連續地改變電機的轉速。實際的PWM—M系統用大功率三極管代替開關K 。其開關頻率是2000 Hz，即 圖5—9 PWM 調速系統的電器原理 圖5--9(a)中的二極管是續流二極管，當K斷開時，由于電樞電感La的存在，電機的電樞電流 可通過它形成回路而流通。圖5--9 (a)所示的電路只能實現電機單方向的速度調節。為使電機實現雙向調速，必須采用橋式電路。圖5--10所示的橋式電路為PWM —M系統的主回路電氣原理圖。 圖5—10 PWM —M系統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展起來的新型伺服系統，也是當前機床進給驅動系統方面的一個新動向。該系統克服了直流驅動系統中電機電刷和整流子要經常維修、電機尺寸較大和使用環境受限制等缺點。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，用于數控機床等進給驅動系統為精密位置控制。交流伺服電機的工作原理與兩相異步電機相似 。然而 ，由于它在數控機床中作為執行元件，將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。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5—11交流伺服電機的控制方法
二、 鑒幅式伺服系統1.鑒幅式伺服系統的工作原理圖5--25是鑒幅式伺服系統的方框圖。該系統由測量元件及信號處理線路、數模轉換器、比較器、驅動環節和執行元件五部分組成。它與鑒相式伺服系統的主要區別有兩點：一是它的測量元件是以鑒幅式工作狀態進行工作的，因此，可用于鑒幅式伺服系統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字脈沖量，而與之對應的鑒相式伺服系統的鑒相器所比較的是相位信號，故在鑒幅式伺服系統中，不需要基準信號，兩數字脈沖量可直接在比較器中進行脈沖數量的比較。 圖5-25 鑒幅式伺服系統鑒幅式系統的工作原理如下：進入比較器的信號有兩路：一路來自數控裝置插補器或插補軟件的進給脈沖，它代表了數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，也是以數字脈沖形式出現，它代表了工作臺實際移動的距離。鑒幅系統工作前，數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，執行元件不能帶動工作臺移動。出現進給脈沖信號之后，比較器的輸出不再為零，執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，經信號處理線路轉換成相應的數字脈沖信號，該數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，執行元件繼續帶動工作臺移動，直到比較器輸出為零時停止。在鑒幅式伺服系統中，數模轉換電路的作用是將比較器輸出的數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驅動線路進行電壓和功率放大，驅動執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械位移檢測出來并轉換為數字脈沖的呢?測量元件的工作原理在第四章中已經詳細地介紹過，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sin／cos發生器組成。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。解調后的信號經電壓頻率轉換器變成計數脈沖，脈沖的個數與電壓幅值成正比，并用符號觸發器表示方向。一方面，該計數脈沖及其符號送到比較器與進給脈沖比較；另一方面，經sin／cos發生器，產生驅動測量元件的兩路信號sin和cos，使 角與此相對應發生改變。該驅動信號是方波信號，它的脈寬隨計數脈沖的多少而變。根據傅里葉展開式，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 變為 ，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， 將再一次經電壓頻率轉換器、sin／cos信號發生器，產生下一個激磁信號，該激磁信號將使測量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.鑒幅式伺服系統的主要控制線路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用來調節解調線路的靈敏度，通過調節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，故經過一級放大之后送到檢波器。放大器的參數可根據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電路。輸入信號 經放大器 、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) 電壓頻率轉換器電壓頻率轉換器的作用是根據輸入的電壓值，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變為0；而 的輸出電壓值下降到-2.5 V時， 的輸出突然由1變為0。 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 的輸出又變為高電平。另外 和 輸出的脈沖信號又控制符號觸發器置位或清零，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的比較器，另一方面作為激磁信號的電氣角 被送到sin／cos發生器(見圖5--33)。 3) sin／cos發生器sin／cos發生器的任務是根據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 式中 的大小由脈沖的多少和方向決定； 和 的頻率和周期根據要求可用基準信號的頻率和計數器的位數調整、控制 。通常 ，sin／cos發生器可分為兩部分 ，即脈沖相位轉換線路和sin／cos信號生成線路。圖5--33是一具體的sin／cos信號發生器，其工作原理如下：當電壓頻率轉換器有正向計數脈沖輸出時，該正向脈沖在方向符號的控制下，經門3、門5進入A計數器的加端，使A計數器多加這些正向計數脈沖，A計數器的輸出便超前參考計數器的輸出一個相位角 ；同時，它經門3直接進入B計數器減端，使B計數器減掉這些正向計數脈沖，B計數器輸出便滯后參考計數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脈沖，則該反向脈沖在方向符號的控制下，一方面經門2、門4使B計數器多加這些反向計數脈沖，B計數器的輸出超前參考計數器的輸出一個相位角 ；另一方面經門2直接進入A計數器減端，使A計數器減掉這些反向計數脈沖，A計數器的輸出滯后參考計數器的輸出一個相位角 ；若電壓頻率轉換器沒有計數脈沖輸出，A和B兩計數器的輸出與參考計數器的輸出同相位。實現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中的脈沖調相器基本相同。A計數器的輸出A及其兩分頻后的信號 ，B計數器的輸出B及其兩分頻后的信號 ，以及參考計數器輸出的參考信號共同進入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的邏輯表達式為 4) 比較器鑒幅系統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。比較器的工作原理是，當有正向指令脈沖出現時，該脈沖在方向符號控制下經門2、門4，進入可逆計數器加端，使可逆計數器作加法計數，可逆計數器的內容由零變為正數。其輸出經數模轉換、驅動環節，使執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。該正向反饋信號經門6 、門8進入可逆計數器減端，使可逆計數器作減法計數，可逆計數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，則經門3、門8進入計數器減端，使可逆計數器作減法計數，可逆計數器的內容為負。這時，反饋信號也一定是反向脈沖，反向脈沖經門7、門4進入可逆計數器加端，使可逆計數器作加法計數。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，即可逆計數器的內容變為零時再進行，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) 數模轉換器數模轉換器也稱脈寬調制器，它的任務是把比較器的數字量轉變為電壓信號。目前，已有許多不同精度、不同形式的數模(D／A)轉換器，只要能滿足伺服系統對它的輸入輸出要求，可直接選來應用。
四、 三、 數字比較式伺服系統1.數字比較系統的構成一個數字比較系統最多可由6個主要環節組成(見圖5-38)：(1) 由數控裝置提供的指令信號。它可以是數碼信號，也可以是脈沖數字信號。(2) 由測量元件提供的機床工作臺位置信號 。它可以是數碼信號 ，也可以是數字脈沖信號。(3) 完成指令信號與測量反饋信號比較的比較器。(4) 數字脈沖信號與數碼的相互轉換部件。它依據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) 驅動執行元件。它根據比較器的輸出帶動機床工作臺移動。在數字比較系統中，常用的位置測量反饋元件有光柵和編碼盤。前者提供的是數字脈沖序列，后者是數碼信號。雖然在此類系統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(A／D)轉換，將模擬量變為數字量以后才能提供給系統，這樣會增加系統的復雜程度，故在典型的數字比較系統中很少采用。 圖5-38 數字比較系統的組成常用的數字比較器大致有三類：數碼比較器、數字脈沖比較器、數碼與數字脈沖比較器。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“數字脈沖—數碼轉換”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，控制執行元件。執行元件可以是伺服電機、液壓伺服馬達等。一個具體的數字比較系統，根據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，也可以僅由其中的某幾部分組成。2．數字比較系統的主要功能部件1) 數字脈沖—數碼轉換器(1) 數字脈沖轉換為數碼。對于數字脈沖轉化為數碼，其簡單的實現就是一個可逆計數器，它將輸入的脈沖進行計數，以數碼值輸出。根據對數碼形式的要求不同，可逆計數器可以是二進制的、二—十進制的或其他類型的計數器，圖5--39是由兩個二—十進制計數器組成的數字脈沖—數碼轉換器。 圖5-39 數字脈沖轉化為數碼的線路 (2) 數碼轉換為數字脈沖。對于數碼轉化為數字脈沖，常用的有兩種方法。第一種方法是采用減法計數器組成的線路，如圖5--40所示，先將要轉換的數碼置入減法計數器，當時鐘脈沖CP到來之后，一方面使減法計數器作減法計數，另一方面進入與門。若減法計數器的內容不為“0”，該CP脈沖通過與門輸出，若減法計數器的內容變為“0”，則與門被關閉，CP脈沖不能通過。計數器從開始計數到減為“0”。剛好與置入計數器中數碼等值的數字脈沖從與門輸出，從而實現了數碼—數字脈沖的轉換。第二種方法是用一個脈沖乘法器，在討論插補原理時曾介紹過，數字脈沖乘法器實質上就是將輸入的二進制數碼轉化為等值的脈沖個數輸出。其示意圖如圖5--41所示。 圖5-40 數碼轉化為數字脈沖的線路之一 圖5-41 數碼轉化為數字脈沖線路之二2) 比較器在數字比較系統中，使用的比較器有多種結構，根據其功能可分為兩類：一是數碼比較器；二是數字脈沖比較器。在數碼比較器中，比較的是兩個數碼信號，而輸出可以是定性的，即只指出參加比較的數誰大誰小，也可以是定量的，指出參加比較的數誰大,大多少。在數字脈沖比較器中，常用的方法是帶有可逆回路的可逆計數器。
五、 四、 閉環伺服系統的性能下面以鑒相式伺服系統為例來討論閉環伺服系統的性能。1．系統工作穩定性由于鑒相系統是一個自動調節系統，故在設計時必須進行穩定性計算，校核系統的工作穩定情況，以保證系統是在穩定區內工作。穩定性的校核是根據傳遞函數進行的，鑒相系統的傳遞函數可表示為 （ 5—3）式中 為系統速度放大系統； 為系數。根據羅斯--侯維智穩定判據，可計算出保證系統穩定工作的最大速度放大系數 ，如果超過該 ，系統工作就不穩定了。2．無負載機床絲杠最大轉速 機床絲杠的最大無負載轉速 應按下式計算： （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速，即可使機床工作臺得到更高的進給速度。λ是鑒相器非均勻輸出系數。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到飽和工作條件下導出的。由于負載慣性的存在，一般，系統啟動頻率都低于系統最大工作頻率( 對應的工作頻率)，即系統不能從靜止狀態突然加速到使機床絲杠在無負載最大轉速 下工作，必須設置使系統在啟動時逐步加速的加速回路。有時還須要設置停止時逐步減速的減速回路，如步進式伺服系統中的加減速回路。3．系統靜不靈敏區 系統從停止狀態使執行元件以最慢速度開始正向或反向轉動所需的鑒相器的最小相位差稱 為系統靜不靈敏區。它直接影響到機床的調整與加工精度，因此，希望它愈小愈好。系統靜不靈敏區主要由執行元件(如電液伺服閥和液壓馬達)造成， 與 成反比。4．穩態誤差ε當數控機床工作臺作等速運動時，系統的輸入轉角 與機床絲杠的實際轉角 之差稱為穩態誤差，設機床絲杠以 的轉速旋轉，則系統穩態誤差 為 （5—6）5．動態特性當在鑒相器的輸入端加一階躍輸入 時，機床絲杠，即旋轉變壓器轉子將按圖5--20所示的過程隨動，該過渡過程應滿足如下品質指標： 圖 5-20 系統過渡過程 (1) 盡可能減小穩態誤差 。(2) 超調量 要小。它影響機床加工精度的提高和粗糙度的降低。 （5—7）(3) 調節時間 要短。(4) 過渡過程的振蕩次數要少。由以上各性能可見，提高機床絲杠無負載最高轉速 、減小靜不靈敏區 、減小穩態誤差 以及提高系統剛性等，均須增大系統速度放大系數 。但這會導致系統穩定性的降低，因此，在保證系統穩定工作的前提下應盡可能增大系統的速度放大系數。 圖 5-43 測速反饋原理圖 6．提高系統穩定性能的措施(1) 降低系統的速度放大系數。(2) 采用積分--微分串聯校正裝置。(3) 采用速度、加速度負反饋并聯校正裝置。圖5--43為該裝置的原理圖。
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