数控机床的伺服驱动系统研讨

1、第五章第五章5.1 5.1 概述概述 5.2 5.2 位置控制位置控制5.3 5.3 主轴定向控制主轴定向控制 5.4 5.4 伺服系统性能及参数伺服系统性能及参数 5.5 5.5 全数字式伺服系统全数字式伺服系统 5.6 5.6 经济型数控系统经济型数控系统 5.7 5.7 标准型数控系统标准型数控系统 5.8 5.8 典型典型FANUCFANUC数控系统介绍数控系统介绍 5.1 5.1 概述概述 伺服(Servo)，本意为“服从”的含义。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的联接环节，是数控机床的重要组成部分，包含机械传动、电气

2、驱动、检测、自动控制方面的内容，涉及强电与弱电控制。进给伺服系统是以机床移动部件位置为控制量的自动控制系统，它根据数控系统插补运算生成的位置指令，精确地变换为机床移动部件的位移，直接反映了机床坐标轴跟踪运动指令和实际定位的性能。 5.1.1 5.1.1 伺服系统的组成伺服系统的组成 伺服系统完成机床移动部件（如工作台；主轴或刀具进给等）的位置和速度控制。它接收计算机的插补命令，将插补脉冲转换为机械位移。伺服系统的性能直接影响数控机床的精度和工作台的速度等技术指标。 （1）高精度 由于数控机床的动作是由伺服电动机直接驱动的，为了保证移动部件的定位精度，对进给伺服系统要求定位准确。一般要求定位精度

3、达到0.010.001mm；高档设备的定位精度要求达到0.1m以上。速度控制要求在负载变化时有较强的抗扰动能力，以保证速度恒定。这样才能在轮廓加工中保证有较好的加工精度。 5.1.2 5.1.2 数控机床对伺服系统的要求数控机床对伺服系统的要求 （2）可逆运行 在加工过程中，机床工作台根据加工轨迹的要求，随时都可能实现正向或反向运动，同时要求在方向变化时，不应有反向间隙和运动的损失。从能量角度看，应该实现能量的可逆转换，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的机械惯性能量变为电能回馈给电网，以实现快速制动。 （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

4、良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快。这就对伺服系统的动态性能提出了两方面的要求：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，或从最大减少到零，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；另一方面，当负载突变时，过渡过程恢复时间要短且无振荡，这样才能达到光滑的加工表面。 （4）调速范围宽 目前数控机床一般要求进给伺服系统的调速范围是030m/min，有的已达到240m/min。除去滚珠丝杠和降速齿轮的降速作用。伺服电动机要有更宽的调速范围。

5、对于主轴电动机，因使用无级调速，要求有（1:100）（1:1000）范围内的恒转矩调速以及1:10以上的恒功率调速。 （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。现代的数控机床，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的转矩。对于数控机床进给伺服系统主要是速度和位置控制。 （6）较强的过载能力 由于电动机加减速时要求有很快的响应速度，而使电动机可能在过载的条件下工作，这就要求电动机有较强的抗过载能力。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的惯量，由于要求系统的快速响应性能好，因而电

6、动机的惯量要与移动部件的惯量匹配。通常要求电动机的惯量不小于移动部件惯量。 5.2 5.2 位置控制位置控制 位置控制是进给伺服系统的重要组成部分，是保证进给位置精度的重要环节。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，根据进给系统的需要由CNC装置发送所需要的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所示。 位置变换/速度 电动机 速度调节器 速度传感器 位置传感器 位置检测 速度控制 位置控制 位置比较器 实际位置 实际速度 速度比较器 位置变换/速度 位置指令 PC Pf P UP UP U

7、P 图 5-1 位置控制回路组成 * + 5.2.1 5.2.1 位置比较实现的方式位置比较实现的方式 位置控制的作用是将CNC装置插补出的瞬时位置指令值PC和检测出的位置Pf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UP。 输入位置比较器中的位置指令有两类方式脉冲列和数值指令。 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，易于实现数字化的闭环位置控制。脉冲比较伺服系统的检测元件可以是光电脉冲编码器或光栅。但普遍采用光电编码器作为位置检测元件，以半闭环形式构成伺服系统。 脉冲比较伺服系统是将位置指令脉冲与检测元件反馈

8、脉冲在比较器进行比较，得到位置偏差脉冲信号。伺服系统根据这一偏差信号去驱动电动机，原理框图如图5-2所示。 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的脉冲比较伺服系统。它主要由下列部分组成： 指令脉冲 比较环节 反馈脉冲 脉冲处理 位置检测 光栅或光 电编码器 Pci Pi 图 5-2 脉冲比较伺服系统结构框图 D/A 转换器 伺服放大器 Pi 伺服 电动机 工作台 Pf (1) 由计算机数控制装置提供指令的脉冲。 (2) 反映机床工作台实际位置的位置检测器。 (3) 完成指令信号与反馈信号相比较的比较器。 (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的数/

9、模转换器。 (5) 执行元件（伺服电动机）。 2.脉冲比较伺服系统的工作原理 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的指令进给量，频率代表了工作台的进给速度，方向代表了工作台的进给方向。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，随着伺服电动机的转动，产生序列脉冲输出，脉冲的频率将随着转速的快慢而升降。现设工作台处于静止状态。 （1）指令脉冲PC=0，这时反馈脉冲Pf=0，则Pe=0，则伺服电动机的速度给定为零，工作台继续保持静止不动。 （2）现有正向指令PC+=2，可逆计数器加2，在工作台尚未移动之前，反馈脉冲

10、Pf+=0，可逆计数器输出Pe=Pc+Pf+=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Pf+产生，当Pf+时，可逆计数器减，此时Pe=Pc+Pf+=210，伺服电动机仍正转，工作台继续正向进给。 （4）当Pf+=2时，Pe=Pc+Pf+=22=0，则速度指令为零，伺服电动机停转，工作台停止在位置指令所要求的位置。 当指令脉冲为反向PC-时，控制过程与正向时相同，只是Pe0，工作台反向进给。 脉冲分离电路的作用是：在加、减脉冲先后分别到来时，各自按预定的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，则由该电路保证先

11、作加法计数，然后再作减法计数，这样可保证两路计数脉冲均不会丢失。 当采用绝对式编码器时，通常情况下，先将位置检测的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。 3. 脉冲比较器 (1)脉冲比较器概述 脉冲比较伺服系统是将PC的脉冲符号与Pf的脉冲符号相比较，得到脉冲偏差信号Pe。比较器为由加减可逆计数器组成的数字脉冲比较器，其组成框图如图5-3所示。 Pf+ 脉冲分离电路 可逆计数器 Pe Pf- Pc+ Pc- 图 5-3 脉冲比较器框图 PC+、PC-和Pf+、Pf-的加、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PC+正向运动指令+Pf+正向位置反馈P

12、C-反向运动指令Pf-反向位置反馈表5-1 PC、Pf的定义 1 1 1 1 1 A2 A1 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A13 A12 A11 A10 R R C C Pf- Pc+ Pf+ Pc- D D D D D CP CP CP CP CP CP Q Q Q Q Q Q B B A RD RD A Q0 Q7 +Vcc +Vcc +Vcc +Vcc 加 减 可逆计数器 图 5-4 脉冲比较器 SOUT S S 在脉冲比较伺服系统中，只有实现指令脉冲PC和反馈脉冲Pf的比较后，才能得出位置的偏差值Pi，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、

13、 5、 8、 9为或非门； 2、 3、 6、 7为触发器； 12为8位移位寄存器； 10、 11为单稳态触发器； 13为可逆计数器。当PC与Pf不同时输出时，在和 5中同一时刻只有一路有脉冲输出， 9输出始终是低电平。如此时工作台要做正向进给，正向指令脉冲Pc+出现，该脉冲经 、 2、 3、 4输出，使可逆计数器 13做加法计数。 1AAAAAAAAAAAAAA1AAAAA 可逆计数器的内容由0变为正数，其输出经/转换和放大后，使伺服电动机带动工作台正向移动。工作台移动后，位置检测元件测得代表工作台位置的正向反脉冲Pf+，该脉冲经 5、 6、 7、 8输出，使可逆计数器 13做减法计数。此时，

14、可逆计数器的内容就是Pc+和Pf+的偏差值Pe。当可逆计数器的内容变为0时，说明偏差值Pe=0，即工作台的实际位置等于指令要求的位移，进给过程结束。反向进给时，反向指令脉冲PC-使可逆计数器做减法计数，反向反馈脉冲Pf-使可逆计数器做加法计数，其他过程和正向进给相同。 AAAAA 但也有可能出现指令脉冲和反馈脉冲同时输入的情况。如出现这种情况，为防止可逆计数器内部操作因脉冲的“竞争”而产生误操作，影响脉冲比较的可靠性，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的输出同时为0，使 9输出为1，单稳态触发器 10、 11有脉冲输

15、出。 10输出的负脉冲同时封锁 3和 7，使指令脉冲和反馈脉冲不能通过 3和 7而进入可逆计数器。 1AAAAAAAAAA 11的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）通过 8输出到可逆计数器做减法计数。由于脉冲比较器具有脉冲分离功能，所以在指令脉冲和反馈脉冲不同时出现时，脉冲比较器进行正常的脉冲信号比较。即使指令脉冲和反馈脉冲同时出现，也由硬件逻辑电路保证，先做加法计数，后做减法计数，保证了两路的脉冲不会丢失。 AAAA5.1.2 相位比较伺服系统 一、相位比较伺服系统组成 相位比较伺服系统的检测元件可以是旋转变压器、感应同步

16、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的相位，在鉴相器中进行相位比较，得到实际相位与给定位置相位的相位差 。原理框图如图5-5所示。它主要由以下部分组成。 f0 放大 整形 滤波 励磁 电路 脉冲一相 位变换器 鉴相器 基准脉冲 发生器 基准相位 脉冲 P0 指令相位 脉冲 PC fc+ fc- sin cos ud 图 5-5 相位比较控制原理框图 实际相位脉冲 Pf （1）能输出一系列具有一定频率的脉冲信号，为伺服系统提供一个相位比较基准的基准信号发生器。 （2）将来自计算机数控装置的进给脉冲转变为相位变化信号的脉冲调相器。 （3）检测工作台位移的位置检测元件（感应

17、同步器）。 （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的鉴相器。 （5）将鉴相器输出的电压信号进行功率和电压放大的伺服放大器。 （6）实现电信号到机械位移转换的执行元件。 根据感应同步器工作在相位工作方式时有 其中， 。相位比较的实质不是脉冲数量上的比较，而是脉冲相位之间的比较，如超前或滞后多少。实现相位比较的比较器为鉴相器。 由于旋转变压器，感应同步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，故相位比较首先要解决信号处理问题，即怎样形成指令相位脉冲和实际相位脉冲 。 sin()sin(2/ )dmmukUtkUtX2/XfP（51） 二、相位比较伺服系统的

18、工作原理 脉冲相位变换器又称脉冲调相器，作用有两个：一是通过对基准脉冲进行分频，产生基准相位脉冲 ，由该脉冲形成的正、余弦励磁绕组的励磁电压频率与 频率相同，感应电压ud的相位 随着工作台的移动，相对于基准相位 有超前或滞后；二是通过对指令脉冲Pc+、PC-的加、减，再通过分频产生相位超前或滞后于 的指令相位脉冲 。 0P0P00PcP 由于指令相位脉冲 的相位 和实际相位脉冲 的相位 均以基准相位脉冲 的相位 为基准，因此， 和 通过鉴相器即能获得 超前 ，还是 超前 ，或两者相等。如(图5-6)所示为Pc+=2时的相位比较波形图。cPcfP 1.当无进给指令时，即Pc+=0，工作台静止，指

19、令脉冲的相位 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5-6a所示。f0P0c0cffcc0f00 2.有正向进给指令，Pc+=2，在指令获得瞬时，工作台仍静止，此时，指令脉冲的相位 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所示。 3.随着工作台的正向移动，有反馈信号产生，由此产生的实际相位 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5-6c所示。

20、c0f0f0cf0 鉴相器 基准脉冲 f0 基准相位0 指令相位0 实际相位f 0 =cf ud f f PC+=0 工作台静止(16 分频) PC+=2 工作台仍静止 +1 +1 (a) (b) 图5-6 相位比较波形图（一）0 f0 0 ud c f PC+=2 Pf+=2 工作台运动 PC+=2 Pf+=2 工作台至指令位置 (a) (b) (d) (c) 图5-6 相位比较波形图（二） 4. 随着工作台的继续正向移动，实际相位 超前基准相位 的数值增加，当 时，经鉴相器 ，速度控制信号为零，伺服电动机停转，工作台停止在指令所要求的位置上，如图5-6所示。 当进给为反向指令时，相位比较同

21、正向进给类似。所不同的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的速度指令信号为负，伺服电动机反转，工作台移动至指令位置。 f0cf0c0f0 鉴相器的输出信号通常为脉宽调制波，需经低通滤波器去高次谐波，变换为平滑的电压信号，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Up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的分频系数N和脉冲当量。如感应同步器一个节距=2mm（相当360电角度），脉冲当量=0.001 mm/脉冲，则相位增量为/

22、360=0.001/2360=0.18/脉冲，即一个脉冲相当于0.18的相位移，因此需要将一个节距分成2000等份，即分频系数N=2000（0.182000=360）。 在感应同步器中，相位角 与直线位移X成正比，当采用旋转变压器时，相位角 即为角位移本身。 三、脉冲调相器 脉冲调相器是将脉冲数量转换成相应相位的装置。图5-7为脉冲调相器的工作原理框图，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的基准脉冲信号f0分成两路。一路输入基准分频通道，通过分频、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步器滑尺的sin绕组和cos绕组作为励磁，它们与基准信号有

23、确定的相位关系。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 。 sintcos tcP S 鉴相器 滤波 放大 滤波 脉冲调相器 指令脉冲 分频器 2 （调相分频通道） 分频器 1 （基准分频通道） 感应同步器 脉冲加减器 基准信号发生器 f0 NE US UC PS PC cP P 定 尺 滑 尺 PCi 图 5-7 脉冲调相器工作原理 脉冲调相器的工作原理如下：回路中有标准计数器和X计数器，两计数器的分频数相同。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的指令脉冲PC+。当基准脉冲信号触发两计数器后，两计数器输出的信号频率相同，但相位却不同。由于

24、标准计数器是N分频，所以N个基准脉冲会使标准计数器的输出变化一个周期，即360。X计数器输入端同样接收到N个基准脉冲，但由于先前X计数器已接收了PC个正指令脉冲，实际上X计数器接收了N+PC个脉冲，所以它的输出在变化到360后，又变化了 1=（PC/N）360，即X计数器的相位超前了标准计数器 1，其波形如图5-8所示。 实际工作中，输入指令脉冲是在基准脉冲触发两计数器的同时进行的。若指令脉冲为PC+，则标准计数器在接收到N1N个基准脉冲，即输出还没有到达一个周期时，X计数器已经接收了N1+PC=N个脉冲，完成了一个周期。结果使X计数器的相位比较标准计数器超前了（ 1= PC+/N360），如

25、图5-8所示。 标准计数器 X 计数器 基准信号 X 计数器信号 1=PC+/N360 X 计数器信号 基准信号 PC+/N360 增加PC+/N360以前 增加PC+/N360以后 图 5-8 输入 PC+前后的波形变化 f0 N N PC+ (a) (b) (c) 标准计数器 X 计数器 f0 N N PC- X 计数器信号 基准信号 1=PC-/N360 抵消PC-以前 抵消PC-以后 图 5-9 输入 PC-前后的波形变化 利用标准计数器和X计数器实现数量到相位的变换时，必须使基准脉冲在向两计数器输入的过程中，能加入一定的指令脉冲。这个功能由脉冲加减器完成，如图5-10所示。 、 是由

26、基准脉冲发生器发出的在相位错开180的同频率信号， 是主频率，经与非门输出，作为计数器的基准脉冲。 是指令脉冲的同步信号。当没有指令脉冲时，与非门开，A脉冲由此通过。当输入一个PC指令脉冲时，触发器 1的Q1变为1，触发器2的Q2也变为1，由于 为0，封住了与非门，所以扣除了一个 序列脉冲。当输入一个PC+指令脉冲时，触发器C3的Q3变为1，触发器C4的Q4也变为1。 出现脉冲时，Q4和B端均为1，与非门打开，脉冲进入最后的输出端。由于 、错相180，所以使 序列脉冲中插入一个序列脉冲 。 ABABC2QBA BABA 1Q 输出 J J K K K K Q1 Q2 Q4 Q3 J J C1

27、C2 C4 C3 & & 2Q 3Q 4Q A B PC+ PC （a） 原理图 图5-10 脉冲加减器 （一）1 1 +1 A B PC PC+ Q3 Q4 Q2 Q1 输出 （b）波形图 图5-10 脉冲加减器 （二） 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。半加器输出的逻辑函数为 。式中为指令信号的二分之一分频，为位置信号的二分之一分频。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，

28、下与门输出为0，或门输出端S=1。 D 四、鉴相器SABABABBAAB 信号也出现时， =1， =1，使两与门输出均为0，或门输出端S=0。由于 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。有关信号的波形图见图5-10。从图中可以看出，S信号是一个周期的方波脉冲，它的波脉宽度与 、 两信号的相位差 成正比。可以通过低通滤波的方法取出它的直流分量，作为相位差 的电平指示。越大，S端输出方波的平均电压越大。 BABAABAB 信号是超前还是滞后信号，可借助于NE端来判断。输出端为NE的触发器 由下降沿触发。当接于 端的

29、 信号超前于 信号时， 领先于 从1变为0， 触发器由 信号的下降沿触发时， 端的 信号已为0，所以NE端也为0，如图5-10b所示。当接于 端的 信号滞后于信号时， 领先 从1变为0， 触发器由 信号的下降沿触发时， 端的 信号仍为1，所以NE端也为1。 ADDABABDBDADABADBDA 指令信号 位置信号 A A A A B B B B A A B B S S NE NE (b) + Q Q Q D D D CP CP CP PC Pf Pf PC (a) 图 5-11 半加器鉴相线路及波形图 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的幅值变化来反映机械位移的大小，并

30、以此作为位置反馈信号，与指令信号进行比较构成的闭环控制系统。该系统的特点之一是所有的位置检测元件都工作在幅值工作方式。幅值比较伺服系统常用感应同步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的过程与相位比较伺服系统相类似。 1.幅值比较伺服系统的组成和工作原理 (1) 幅值比较伺服系统的组成 图5-12是采用感应同步器作为位置检测元件的幅值比较控制系统。它主要由以下部分组成： 指令脉冲 反馈脉冲 e Pci 图 5-12 幅值比较伺服系统原理框图 D/A 转换器 伺服 电动机 工作台 Pf 伺服 放大器 电压频率 变换器 鉴幅器 励磁电路 位台检测 元件 完成指令脉冲与反馈脉冲

31、比较的比较器。 将比较器输出数字信号转变成伺服电动机模拟控制信号的数/模转换器。 将模拟控制信号进行功率和电压放大的伺服放大器。 检测工作台位移的位置检测元件。 为感应同步器正、余弦绕组提供信号的励磁电路。 将定尺的输出信号转变为幅值信号的鉴幅器。 将鉴幅器的直流电压转变成反馈脉冲的电压频率变换器。 实现电信号到机械位移转换的执行元件。 (2) 幅值比较伺服系统的工作原理 当采用幅值工作方式时，感应同步器滑尺正弦绕组和分别输入频率相同、幅值成正交关系的励磁信号：式中 励磁信号的电压幅值； 已知的电气角，系统中可通过改变角的大小来控制滑尺励磁信号的幅值； 正弦交变励磁信号的角频率。 sinsin

32、SmUUtcossinCmUUtmU（52） （53） 当正弦、余弦绕组的励磁信号加入后，定尺绕组的感应电动势为： 式中 K感应系数； 定尺绕组与滑尺绕组的相对位移角； E0m定尺绕组电动势幅值。 00sin()sinsinmmeKUtEt（54） 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的位移角 ，可改变励磁信号 角的设定值，然后，测量E0m的大小，当设定值 变化到使E0m=0，即 时，就间接地通过设定值 获得了定尺和滑尺之间位移角 的实际值。所以幅值比较伺服系统中，若要获得 和 之间的关系，只需要检测的电动势即可。这项工作由鉴幅器来完成。为了实现闭环控制，

33、电动势幅值需经电压频率变换电路，才能变成相应的数字脉冲。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，另一方面作为修改励磁信号中 的设定输入，使 跟随 的变化。 幅值比较伺服系统具体的工作过程如下：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的电动势幅值为0，由电压频率变换电路得到反馈脉冲Pf也为0。所以比较器输出的位置偏差Pe=PCPf=0，伺服电动机速度给定值为0，工作台继续处于静止状态。 当系统接收到正的指令脉冲PC0时，工作台仍保持静止状态，和均没有变化，反馈脉冲Pf仍为0。因此，比较器输出的位置偏差Pe=PCPf0，该偏差是一数字量，所以在比较器和伺服放大器之

34、间设有数模转换器，使其成为伺服系统的速度给定信号。 0CP 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。此时定尺和滑尺间的位移角 超前于励磁信号的电气角 ，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，转换成相应的的反馈脉冲Pf。脉冲Pf一方面与指令脉冲作比较，获得位置偏差Pe=PCPf；另一方面输入励磁电路，作为修改励磁信号电气角 的设定输入，使 跟随 变化。若仍有Pe=PCPf0，则工作台还没有指令要求的位置，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，

35、= ，定尺绕组电动势幅值E0m=0，工作台又处于静止状态。 若系统接收到负的指令脉冲，整个系统的检测、比较及控制过程与系统接收到正的指令脉冲类似。只是工作台向反向进给，定尺与滑尺之间的位移角 滞后于励磁信号的电气角 ， ，使 跟随 变化，直到到达负向指令要求的位置，工作台又处于静止状态。 从上可以看出，在幅值比较伺服系统中，励磁信号的电气角 是由系统设定的，并跟随工作台的进给而被动变化的，所以可以利用作为工作台实际位置的测量值。当工作台到达进给指令要求的位置并稳定后，有 ，数显装置显示的电气角 ，实际上就是的位移角 ，即工作台的位移量。 2.鉴幅器 LS R1 R2 R R e0 A1 A2

36、S1 S2 UF UE SL 图 5-13 鉴定幅器原理图 低通滤波器 低通滤波器 D 图5-13为鉴幅器原理图。输入端的e0是感应同步器定尺绕组的感应电动势，由式e0=E0msint可知，e0是交变电动势。该信号首先通过低通滤波器，滤去交变信号中的高次谐波和干扰信号，获得较为理想的正弦波形。通过运算放大器将信号 放大。然后，由互为反向的开关信号SL和 实现通道的通断控制，其开关频率与输入信号相同。由图5-14a可见，在e0信号的0区间，SL=1，使S1接通，e0信号经 、S1，到达低通滤波器的输入端UE；e0信号的2区间， =1，使S1接通，e0信号经A1、反向器A2、 S2，到达低通滤波器

37、的输入端UE。 1ASL1ASL 工作台做正向运动时，由于反向器A2的作用，使e0负半周也变成正半周信号。这样在UE处得到了一单向脉动的直流信号。该信号经低通滤波器后，鉴幅器输出信号为一平滑的直流信号UF。从图中可见，由于UF是UE的平均值，它的大小与e0信号的电动势幅值E0m直接有关。E0m增大，UF也跟着增大，所以的大小实际上反映了和 之间相位差的大小。UF越大，和 之间相位差越大。另外，从图5-14中可以看出，站柜台正向运动时，输出端UF为正值；工作台反向运动时，输出端UF为负值。 正向运动 （） 反向运动 （） 2 t t t t SL LS (a)鉴幅器输出波形 e0 UE UF O

38、 O O /2 3/2 2 （b）数字正、余弦励磁信号 2 2 O O U U U U U1 U2 图 5-14 幅值比较控制波形 3.电压频率变换器 电压频率变换器的作用是将鉴幅器输出的电压UF变换成相应的脉冲序列，并且脉冲序列的频率与UF电压的高低成正比。由于电压UF是双极性的，UF电压经极性处理电路后，使Un成为UF的绝对值，且始终大于0。压控振荡器（VCO）将输入的单极性直流电压转换成相应频率的脉冲输出。压控振荡器（VCO）它输出的脉冲频率与控制电压成正比关系。 4.脉冲调宽式励磁信号 感应同步器滑尺绕组的励磁可采用模拟量励磁式和脉冲调宽式。由于模拟量励磁方式易受外界干扰而影响精度，所

39、以比较多地采用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的方法来等效地实现正弦波励磁，其波形如图5-14b所示。 若滑尺上的两励磁绕组加以矩形波励磁信号。则两励磁绕组信号U1和U2为： 10AUA 20AUA 式中 A矩形波的幅值 正弦波励磁中的电气角，在此为影响矩形波宽度的参数。 其中U1的脉宽为2 ，U2的脉宽为2 。如用傅立叶级数对U1和U2进行展开，并消去高次谐波，则U1和U2信号的基波分量为： 1( )sinsinmf tUt2( )cossinmf tUt（55） （56） 可以看出，设法消除高次谐波的影响后，用脉宽调制的矩形波励磁与正弦波励磁在幅值工作方式下工作的功

40、能完全相当。因此，可将对电气角的控制转变对脉冲宽度的控制。在数字电路中，对脉冲宽度的控制比较准确和容易实现。 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的分频器用于实现数字移相，计数触发脉冲 和 的频率是在时钟脉冲的基础上，按位置反馈脉冲Pf和电压频率变换器输出信号US的状态进行加减的。每个分频器有两路相差90的电角度的溢出脉冲输出，通过组合逻辑进行调宽脉冲的波形合成。 CPCP CP 分频器 1 分频器 2 图 5-15 脉冲调宽矩形脉冲发生器原理图 脉 冲 加 减 器 组合 逻辑 功率 驱动 正弦 绕组 余弦 绕组 /CP /CP U1 U2 A B P U

41、S sin2 cos1 sin1 cos2 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。此时产生的励磁信号为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Pf。根据运动方向信号Ux，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U1和U2。加于滑尺的相应绕组上。 5.2.2 5.2.2 速度控制信号的实现的方式速度控制信号的实现的方式 经位置控制的脉冲比较、相位比较或幅值比较获得的位置偏差均以脉冲的形式存在，该位置偏差经

42、一定的转换后，形成速度控制信号，数控系统一般输出的速度控制信号为模拟电压10+10V，作为伺服驱动装置的控制信号。该信号通过伺服驱动装置驱动伺服电动机。速度控制信号的大小与伺服电动机的转速成正比；速度控制信号的正、负决定了伺服电动机的正、反转。从位置偏差到速度控制信号的形成如图5-16所示。 速度指令VC=位置偏差Pe位置增益KV。 位置增益KV决定了速度对位置偏差的响应程度，它反映了伺服系统的灵敏度。 将速度指令VC转换为速度控制电压UP的转换电路常采用的脉宽调制器(PWM)的方法。图5-17所示为某一具体的PWM电路。 速度控制电压 UP (VCMD) 位置增益 KV 速度指令 VC 位置

43、偏差 Pe 图 5-16 速度控制信号的形成 转换电路 5.2.2.1 速度指令寄存器和粗、精减法计数器 图5-17是位置控制的硬件部分。它由速度指令寄存器，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。由软件部分计算出的速度指令值首先送入硬件部分的速度指令寄存器寄存，如前所述，每1/2插补时间软件部分计算一次位置偏移量Di和速度指令值V0i，因此，每4ms速度指令寄存器得到一个新值。速度指令寄存器有14位，最大指令VC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。 132 最高位用作符号位，08位送往精计数器，912位送往精

44、计数器。精计数器的计数时钟频率是4MHZ最大计数值是512，每计一个数的时间是0.25s，512的计数时间是128s。粗计数器时钟频率是125MHZ，每减一个数的频率是8s，最大计数值是16，共用128s。因此可知粗、精计数器的计数周期都是128s。为能连续计数，每隔128s，速度指令寄存器必须向两个计数器同时送数一次。在4ms时间内共送数34次。这样，脉宽调制器就可将速度指令寄存器中的速度指令值VC变换成周期等于置数周期T（128us），而宽度与VC值成正比的调宽脉冲（包括MPC和MPF）。 数据总线 精计数器 模拟开关 模拟开关 粗计数器 符号位 送数电路 地址线 UP速度 指令电压 91

45、2 位 08 位 14 位 SN UREFS UREFC UREFC UREFS UNPF UNPC MPC MPF UREFD 20k 图 5-17 PWM 电路 30k 7.5k 120k 3.6k 30k 1000Pf 0.04uf 5100Pf A1 A2 + + 速 度 指 令 寄 存 器 WAC1 DEXB012.14 R1 R7 R6 R5 R4 R2 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5V、2.5 V、0 V分别接到传输门A、B、 C的输入端，三个门的输出端连到一起，作为电压输出端，三个门开关的控制信号来自计数器和符号位。若符号位SN为正，计数器

46、的输出MP也为正，则与非门的输出为负，反向器a的输出为正，A门通，使输出端NP的电压为5V。此时与非门的输出为正，c的输出为负；因MP为正，因而b的输出为负，B 、C两门都关闭。当符号位SN为负，计数器MP的输出为正时，与门的输出为正与非门的输出为负，使C门开通，输出端NP电压为0V，此时A、B两门关闭。当计数器的输出MP为负时，无论符号位SN是正还是负，C门开通，A、B两门关闭，输出端NP为2.5V。 图 5-18 是模拟开关电路图 调宽脉冲MP 符号SN & & 5V 2.5V 0V NP A B C a b c UREFS UREFC MP何时为正何时为负，与计数器的计数

47、值大小有关。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，当把置入的数减到零时计数结束。在置数周期128s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，计数的时间越长，方波的正半周越宽。当精计数器的置数值为511时（低9位每位都是二进制的1）正半周的宽度等于置数周期，负半周为0，当粗计数器的置数值为15时，在全部置数周期内（128s）输出高电平。 模拟开关的输出电压NP与计数器的输出方波相对应：在正半周时，MP为高电平，根据符号位不同，或门打开，NP为5 V或0V；负半周时，门打开，NP为2.5V。因此NP是一个半波宽随计数值而变

48、化的脉冲。脉冲周期T等于计数器的置数周期。它的直流平均电压UNP（单位为V）可以表示如下： 作用就是要将不带符号的MP变化成反映正、负速度指令的标准电压UNP（包括UNPC和UNPF），其波形如图5-19所示。 MP UNP UNP (SN=0) (SN=1) 0 0 0 2.5V 2.5V 2.5V 5V t t t T 图 5-19 模拟开关输出波形图 当速度指令为正时，SN=0 UNP=2.5（1/T）(V) 当速度指令为负时，SN=1 UNP=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。 根据图5-17，UNP经滤波和运算放大器A1、A2处理后，设标准电

49、压UREFD=2.024 V，则速度控制电压 UP=10.6254UNPC0.25UNPF(V) （57） （58） （59） （1）当正向最高速度指令值VC=+8191时，占空比/T=1，根据式（57），UNP=0V，即UNPC=0 V，UNPF=0 V，根据式（59）UP=10.625 V，这表示伺服电动机获得最高正向转速。 （2）当反向最高速度指令值VC=8191时，占空比/T= 1，根据式（58），UNP=5V，即UNPC=5V，UNPF=5V，根据式（59）UP=10.625 V，这表示伺服电动机获得最高反向转速。 这样速度控制电压VCMD约在10+10 V范围内线性变化，该电压作为

50、伺服驱动装置的控制电压，其大小决定了伺服电动机的转速，正、负号决定了伺服电动机的正、反转，最终实现工作台进给速度的调整和正、反向进给。 5.2.2.3 数模转换时数字量与模拟电压的对应关系 由于粗计数器是对14位的速度指令寄存器中的912位计数，因此它每减一个数相当于精计数器减512次计数。也就是说计数器的每次减1，计数器使速度指令电压UP的变化比精计数器大512倍。为此在硬件部分采用了两个措施。措施1是降低粗计数器的计数频率。由前述可知：精粗计数器的计数频率之比是 。措施2是增大放大倍数，由上面可知的放大倍数是4，而的放大倍数是0.25，两者之比为16。其结果为3216=512，正好与速度指

51、令寄存器第九位的权值相同。 432125ZZMHKH5.2.3 5.2.3 位置控制实例位置控制实例 进给坐标轴的位置控制一般采用大规模专用集成电路位置控制芯片，也可采用通用芯片构成位置控制模板。5.2.3.1 位置控制芯片 1. MB8739 MB8739是FANUC公司设计的专用位置控制芯片，其结构如图5-20所示。该芯片适用的位置检测装置为增量式的光栅或光电编码器。在图中，与伺服电动机同轴联接的光电编码器产生一系列脉冲，该脉冲经接收器反馈到MB8739，其中，PA、PB为相位差90的序列脉冲，PC为零标志脉冲。 图 5-20 MB8739 组成的位置控制框图 位置增益 漂移补偿 伺服驱

52、动单元 误差 寄存器 参考 计数器 接收器 鉴相器 地 址 译 码 器 DDA PWM D/A F/V DMR TSA、TSB PA、PB、PC A0A5 D6D7 MB8739 PG SM VCMD FCMD CCMD REF CMR MB8739包括位置测量与反馈全部线路，集成度非常高，其结构主要包括以下几个部分： (1) DDA插补器 该插补器作为粗、精二级插补结构的第二级精插补，即细插补，它的输入是上一级软件插补及一个插补周期的进给信息，即粗插补数据。 (2) 误差寄存器 实现指令位置与实际位置的比较，并寄存比较后的误差Pe，实际上是采用可逆计数器的脉冲比较。位置指令PC来自DDA插补

53、器，位置反馈值Pf来自鉴相器，即Pe=PCPf。 (3) 位置增益 将位置偏差乘以位置增益KV，获得速度指令值VC。位置增益KV决定了速度对位置偏差的响应程度，它反映了伺服系统的灵敏度和稳定性，是位置控制的很重要的一个伺服参数，可根据实际系统要求来设定。 (4) 漂移补偿 伺服系统经常受到漂移的干扰，即在无速度输出时，坐标轴可能发生移动，从而影响机床的精度。漂移补偿的作用就是当漂移达到一定程度时，自动予以补偿。 (5) 速度指令脉宽调制PWM 其作用就是将速度指令调制成某一固定频率，宽度与位置偏差成正比的矩形波脉冲，输出粗误差指令CCMD和精误差指令FCMD。 (6) 鉴相器 其作用就是处理光

54、电编码器的反馈信号，通过辨向和倍频获得表示运动方向的一系列脉冲。一方面作为位置反馈脉冲，另一方面经频率电压变换（F/V）形成速度反馈模拟电压TSA、TSB，其大小与转速成正比，正、负由鉴相器对PA、PB脉冲的相位进行辨向获得。 (7) 参考计数器 机床各坐标轴回参考点时，通过参考计数器对零标志脉冲PC进行计数，产生参考点信号REF，又称栅格信号。 (8) 地址译码器 控制芯片内部各数据和寄存器的地址选择。 (9) CMR和DMR CMR是指令脉冲倍率，DMR为检测脉冲倍率，它们的数值由软件设定。设置的目的是为了在比较器中进行比较的指令脉冲和反馈脉冲的当量相符。设光电编码器的每转脉冲数为N，指令

55、脉冲当量为，滚珠丝杠螺距为t，则CMR=N/tDMR 在MB8739中，经PWM调制后形成正速度指令FCMD和CCMD，通过D/A生成速度控制电压VCMD，相当于前述的UP，作为伺服驱动装置的速度控制信号，控制伺服电动机的转速及转向。 2. MB8720 图 5-21 MB8720 组成位置控制框图 位置 指令值 位置偏差增 量寄存器Pe PWM 速度指令 值寄存器 D/A 伺服驱 动装置 插补 增量 实际位置值 实际位置 计数器 sin、cos 信号发生器 sin cos F/V MB8720 VCMD SM TG 旋转变压器 感应电压 sin cos TSA 位置 检测 电路 PC PC

56、/ PC / Pf Pf Pf Pe Vc 偏移补偿 位置增益 MB8720也是FANUC公司专用位置控制芯片。该芯片适配的位置检测装置为工作在幅值方式下的旋转变压器或感应同步器，其位置控制如图5-21所示。 1. 位置控制的软件处理 在数控系统伺服中断期间，系统每隔4ms定时地从MB8720中的实际位置计数器中采集实际位置增量Pf（在4ms内所移动的实际位移，按脉冲当量换算后所得的数字量），原实际位置为 ，则新的实际位置值为/fffPPP/fP 同样，插补周期每8ms内的位置指令增量为PC，位置指令值为，则新的位置指令值为 式中系数1/2是因为8ms插补的进给量是由两次4ms的位置控制中断来

57、实现的。位置偏差Pe为 其中 为原位置偏差，Pe为位置偏差增量。位置偏差增量Pe乘以位置增益及偏移补偿后得到速度指令值VC送MB8720。 /1/2CcCPPP/(1/2)()eCfcCffPPPPPPP/(1/2)cfCfeePPPPPP/eP 2. 位置控制的硬件处理 在MB8720中，数字量的速度指令值经PWM调制输出再经D/A转换得到速度控制电压VCMD。 同时，旋转变压器或感应同步器的感应电压经位置检测电路中的鉴幅器、绝对值处理和方向辨别及F/V变换后得到相应的频率脉冲送MB8720。在MB8720中，该脉冲一方面作为计数脉冲送入实际位置计数器，另一方面至sin、cos信号发生器，使

58、sin、cos励磁电压的电气设定角始终跟随感应电压中的相位角。MB8720输出的sin、cos信号经过位置检测电路中的滤波、放大后加到旋转变压器或感应同步器中的正、余弦励磁绕组上。 5.2.3.2 位置控制模板 数控系统采用位置控制模板的方案很普遍，图5-22为采用位置控制模板的CNC系统结构框图。 图 5-22 位置控制模板 CNC 系统结构框图 跟随误差 计数器 位置控制 输出组件 伺服速度单元 位置检测组件 速度测量元件 位置测量元件 CPU SM 位置控制功能由软件和硬件两部分共同实现。软件负责计算位置跟随误差和进给速度指令的数值；硬件由位置控制输出组件和位置测量组件组成。 位置控制输

59、出组件的作用是将数控系统以数字形式输出的跟随误差转换为伺服驱动所需的速度电压信号。位置输出组件一般包括D/A转换和放大两个环节。位置输出组件中的D/A由缓冲计数器、二进制计数器、数值检出器、方向控制线路和比较放大器五个部分组成，以脉宽调制（PWM）的形式输出模拟电压。 位置测量组件的作用是对位置反馈信号进行整形、放大辨向，必要时进行倍频处理，输出脉冲至跟随误差计数器进行位置比较。 西门子数控系统所有的位置控制模板，如MS230、MS250和MS300等都是一些典型产品。图5-23所示为SINUMERIK810数控系统位控模板（又称测量模块）接口示意图。 图5-23中，X141伺服输出端的17、

60、4端子，5、18端子及25、12端子分别是第1轴、第2轴和第3轴（可定义为X轴、Y轴、Z轴或主轴）的速度控制电压，该电压为直流模拟电压1010V；1、14端子，21、8端子和9、22端子分别为第1轴、第2轴和第3轴的伺服驱动“使能”（Enable）信号。所谓“使能”就是伺服驱动条件，如润滑、压力、电磁制动释放等条件是否满足，该信号为直流24V控制电压输出。 在图5-23中，增量式光电编码器或光栅输出信号 和 、 和 、 和 的定义及作用可参见第三章第二节光电编码器 和 ， 和 ， 和 信号。1aU1aU2aU2aU 位控模块通过数控系统总线与其他模块进行信息传递，位置控制功能由软件和硬件两部分共同实现。软件负责位置偏差的计