数控机床的伺服系统.ppt

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1、第七章 数控机床的伺服驱动系统,主要内容,7.1 概述 7.2 步进电机及其驱动控制系统 7.3 直流伺服电机及其速度控制 7.4 交流伺服电机及其速度控制系统 7.5 直线电机及其在数控机床中的应用简介 7.6 位置控制,7.1 概述,伺服驱动系统的定义:,伺服驱动系统接收数控单元的位移/速度控制指令,驱动工作台/主轴按照控制指令的要求进行运动。伺服驱动系统直接影响移动速度、跟踪精度、定位精度等一系列重要指标，是数控机床的关键技术。,7.1 概述,伺服驱动系统的作用:,接受CNC装置发出的位移指令信号，由伺服驱动装置作一定的转换和放大后，经伺服电机（直流、交流伺服电机、步进电机等）和机械传动

2、机构，驱动机床的工作台等执行部件实现工作进给或快速运动。,数控机床的伺服驱动,7.1 概述,数控机床的伺服驱动,7.1 概述,7.1 概述,一、数控机床对进给伺服系统的要求有：1高精度（输出量能复现输入量的精确程度）2稳定性好（抗干扰能力）3响应速度快（系统跟踪精度）4电机调速范围宽（最高转速和最低转速比）5低速大转矩6可靠性高(对环境的适应性),7.1 概述,二、伺服系统的基本组成,7.1 概述,三、伺服系统的分类 按控制原理和有无检测反馈装置：开环和闭环伺服系统；按其用途和功能：进给驱动系统和主轴驱动系统；按其驱动执行元件的动作原理：电液伺服驱动系统、电气伺服驱动系统（直流伺服驱动系统、交

3、流伺服驱动系统及直线电机伺服系统）,7.1 概述,7.1 概述,闭环进给伺服系统结构,7.2 步进电机及其驱动控制系统,步进电机工作原理按电磁吸引原理工作（以反应式步进电机为例）反应式步进电机的定子上有磁极，每个磁极上有激磁绕组，转子无绕组，有周向均布的齿，依靠磁极对齿的吸合工作。,7.2 步进电机及其驱动控制系统,7.2 步进电机及其驱动控制系统,两个相对的磁极组成一相。,注意：这里的“相”和三相交流电中的“相”的概念不同。步进电机通的是电脉冲，主要是指线图的联接和组数的区别。,7.2 步进电机及其驱动控制系统,步进电机的工作方式(通电顺序)可分为：三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。,

4、1）三相单三拍：,（1）三相绕组联接方式：Y 型,7.2 步进电机及其驱动控制系统,1）三相单三拍工作方式：,7.2 步进电机及其驱动控制系统,A 相通电使转子1、3齿和 AA 对齐,B,B,A,C,C,A,B相通电，转子2、4齿和B相轴线对齐,C,C相通电，转子1、3齿和C相轴线对齐,A,B,C,1,3,2,4,A,B,C,1,3,2,4,A,7.2 步进电机及其驱动控制系统,三相单三拍的特点：,（1）每来一个电脉冲，转子转过 30。,（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序。,（3）每次定子绕组只有一相通电，在切换瞬间失去自锁转矩，容易产生失步，只有一相绕组产生力矩吸引转子，在平衡位置

5、易产生振荡。,7.2 步进电机及其驱动控制系统,2)三相六拍工作方式通电顺序为：AABBBCCCAA 六拍。,通电顺序AABBBCCCAA（逆时针）AACCBCBCAA（顺时针）每步转过15，步距角是三相三拍工作方式的一半，特点：电机运转中始终有一相定子绕组通电，运转比较平稳。,7.2 步进电机及其驱动控制系统,3)双三拍工作方式定子绕组通电顺序为ABBCCAAB（转子逆时针旋转）ACBCCA（转子顺时针旋转）有两对磁极同时对转子的两对齿进行吸引，每步仍旋转30。特点：始终有一相定子绕组通电，工作比较平稳。避免了单三拍通电方式的缺点,7.2 步进电机及其驱动控制系统,实际上步进电机转子齿数很多

6、，齿数越多，步距角越小,7.2 步进电机及其驱动控制系统,为改善运行性能，定子磁极上的齿的齿距与转子的齿距相同，但各极的齿依次与转子的齿错开齿距的1m（m电机相数）。每次定子绕组通电状态改变时，转子只转过齿距的1m（如三相三拍）或12m（如三相六拍）达到新的平衡位置。,7.2 步进电机及其驱动控制系统,齿距的1m（m电机相数）,3600/Z,转子40个齿，若通电为三相三拍，当转子齿与A相定子齿对齐时，转子齿与B相定子齿相差（3），与C相定子齿相差（6）。,7.2 步进电机及其驱动控制系统,每给一个脉冲信号，电机转子转过角度的理论值。,7.2.2 步进电机的主要特性1步距角,m定子相数；z转子齿

7、数；k通电系数，m相m拍，k1；m相2m拍，k2。,一般很小，如：31.5，1.50.75，0.720.36等,7.2 步进电机及其驱动控制系统,静态：步进电机处于通电状态，转子处在不动状态。静态转矩Mj：在电机轴上施加一个负载转矩M，转子会在载荷方向上转过一个角度（失调角），转子因而受到一个电磁转矩Mj的作用与负载平衡。,2矩角特性、最大静态转矩Mjmax和启动转矩Mq,7.2 步进电机及其驱动控制系统,矩角特性：步进电机单相通电的静态转矩Mj随失调角的变化曲线。,启动频率或突跳频率fq：空载时，步进电机由静止突然启动并进入不丢步的正常运行状态所允许的最高频率。高于启动频率，将不能正常起动。

8、启动时的惯频特性：是指电机带动纯惯性负载时启动频率和负载转动惯量之间的关系。,3启动频率fq和启动时的惯频特性,7.2 步进电机及其驱动控制系统,步进电机在带负载（尤其是惯性负载）下的启动频率比空载要低。,连续运行频率：步进电机启动后，其运行速度能跟踪指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率。其值远大于启动频率。运行矩频特性：是描述步进电机在连续运行时，输出转矩与连续运行频率之间的关系。,4运行矩频特性,7.2 步进电机及其驱动控制系统,步进电机的加减速特性描述步进电机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加、减速过程中，定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系。当要求步进电机启动到大于启动频率

9、的工作频率时，变化速度必须逐渐上升；从最高工作频率或高于启动频率的工作频率停止时，变化速度必须逐渐下降。逐渐上升和下降的加速、减速时间不能过小，否则会失步或超步。,5加、减速特性,7.2 步进电机及其驱动控制系统,1根据相数分类有三、四、五、六相等，相数越多，步距角越小，通电方式采用m相m拍、双m拍和m相2m拍，m相m拍和m相2m拍通电方式中，可采用一/二相、二三相转换通电，如五相步进电机，五相十拍的二三相转换方式：ABABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEAB,7.2.3 步进电机的分类,7.2 步进电机及其驱动控制系统,根据定子与转子间磁场建立方式，可分：反应式、永磁反应式（混合式）两

10、类。反应式步进电机：定子有多相磁极，其上有励磁绕组，转子无绕组，用软磁材料制成，由被励磁的定子绕组产生反应力矩实现步进运行永磁反应式步进电机：定子结构与反应式相似，转子用永磁材料制成或有励磁绕组、由电磁力矩实现步进运行。,2根据产生力矩的原理分类,7.2 步进电机及其驱动控制系统,可将步进电机分两类：伺服步进电机 功率步进电机伺服步进电机（快速步进电机），输出力矩在几十数百Nm，只能带动小负载，加上液压扭矩放大器可驱动工作台。功率步进电机输出力矩在550Nm以上，能直接驱动工作台。,3根据输出力矩的大小分类,7.2 步进电机及其驱动控制系统,7.2 步进电机及其驱动控制系统,4根据结构分类,步

11、进电机可制成轴向分相式（多段式）径向分相式（单段式）,步进电机的驱动控制由环形分配器和功率放大器组成。环形分配器的主要功能：将数控装置送来的一串指令脉冲，按步进电机所要求的通电顺序分配给步进电机驱动电源的各相输入端，以控制励磁绕组的通断，实现步进电机的运行及换向。,7.2.4 步进电机的环形分配器,7.2 步进电机及其驱动控制系统,1硬件环形分配器可由D触发器或JK触发器构成，亦可用专用集成芯片或通用可编程逻辑器件。,7.2 步进电机及其驱动控制系统,硬件环形分配驱动与数控装置的连接,CH250是国产三相反应式步进电机环形分配器专用集成电路芯片，通过控制端的不同接法可组成三相双三拍和三相六拍的

12、工作方式,7.2 步进电机及其驱动控制系统,三相六拍接线图:,2软件环形分配器 由数控装置中的软件完成环形分配，直接驱动步进电机各绕组的通、断电。用软件环形分配器只需编制不同的环形分配程序，可使线路简化，成本下降，可灵活地改变步进电机的控制方案。,7.2 步进电机及其驱动控制系统,软件环形分配器的设计方法:查表法、比较法、移位寄存器法等，常用查表法。,7.2 步进电机及其驱动控制系统,以三相反应式步进电机的环形分配器为例，说明查表法工作原理。,7.2 步进电机及其驱动控制系统,7.2 步进电机及其驱动控制系统,16进制,7.2 步进电机及其驱动控制系统,：MOV DPTR，#2A00H MOV

13、 R0，#00LOOP：MOV A，R0 MOVC A，A+DPTR MOV P1，A LCALL 1000 INC R0 CJNE R0，#06H，LOOP AJMP 2100DB 01H，03H，02H，06H，04H，05H1000：MOV R3，#FFDT1：MOV R4，#FFDT2：DJNZ R4，DT2 DJNZ R3，DT1 RET,步进电机的速度控制进给脉冲频率f 定子绕组通电/断电状态变化频率f 步进电机转速 工作台的进给速度V。V=60f,7.2 步进电机及其驱动控制系统,作用：是将环形分配器或微处理机送来的弱电信号变为强电信号，以得到步进电机控制绕组所需要的脉冲电流及所

14、需要的脉冲波形。,7.2 步进电机及其驱动控制系统,7.2.5 功率放大电路,7.2.5 功率放大电路种类：就其采用的功率放大器件分，有中功率晶体管、大功率晶体管、大功率达林顿晶体管、可控硅等；就其工作原理分，有单电压驱动、高低电压驱动、恒流斩波、调频调压、细分电路等。步进电机有几相，就需要几组功率放大电路。,7.2 步进电机及其驱动控制系统,1高低电压切换驱动电路特点：高压充电，保证电流以较快的速度上升，低压供电，维持绕组中的电流为额定值。,7.2 步进电机及其驱动控制系统,2恒流斩波电路,7.2 步进电机及其驱动控制系统,7.2 步进电机及其驱动控制系统,3调频调压驱动电路,4细分驱动电路

15、,7.2 步进电机及其驱动控制系统,根据磁场产生方式分：他励式、永磁式、并励式、串励式和复励式五种。结构上：有一般电枢式、无槽电枢式、印刷电枢式、绕线盘式和空心杯电枢式等。为避免电刷换向器的接触，有无刷直流伺服电机。根据控制方式分：磁场控制方式、电枢控制方式。,7.3.1 直流伺服电机的结构与分类,7.3 直流伺服电机及其速度控制,在数控机床中，进给系统常用的直流伺服电机有：1小惯性直流伺服电机因转动惯量小而得名。这类电机一般为永磁式。小惯量直流电机最大限度地减小电枢的转动惯量，所以能获得最快的响应速度。在早期的数控机床上应用得比较多。,7.3 直流伺服电机及其速度控制,2大惯量宽调速直流伺服

16、电机（直流力矩电机）转子直径较大，线圈绕组匝数增加，力矩大，转动惯量大，能在较大过载转矩时长时间工作，因此可直接与丝杠相连，不需中间传动装置。没有励磁回路的损耗，外型尺寸比类似的其他直流伺服电机小。特点：能在较低转速下实现平稳运行，最低可达1rmin，甚至0.1rmin。数控机床上应用广泛。,7.3 直流伺服电机及其速度控制,3无刷直流伺服电机（无整流子电机）没有换向器，由同步电机和逆变器组成，逆变器由装在转子上的转子位置传感器控制。实质是一种交流调速电机，调速性能可达到直流伺服发电机的水平，又取消了换向装置和电刷部件，提高了电机使用寿命。,7.3 直流伺服电机及其速度控制,直流伺服电机的调速

17、原理与方法组成：磁极（定子）、电枢（转子）、电刷与换向片他励式直流伺服电机工作原理：直流电源接在两电刷间，电流通入电枢线圈，切割磁力线，产生电磁转矩。,7.3 直流伺服电机及其速度控制,CE电动势常数CT转矩常数n电机转速n0电机理想空载转速,他励式直流伺服电机的转速公式,Ra电机电枢回路总电阻Tm电机电磁转矩Ua电机电枢端电压 励磁磁通Ea电枢绕组感应电动势,7.3 直流伺服电机及其速度控制,负载转矩Tm=0,则有,直流电机转速与转矩的关系称机械特性,机械特性是电机的静态特性，是稳定运行时带动负载的性能，此时，电磁转矩与外负载相等。电机转速与理想转速的差n，反映了电机机械特性硬度，n越小，机

18、械特性越硬。,n0,直流电机的基本调速方式有三种:调节电阻Ra、调节电枢电压Ua和调节磁通的值。,7.3 直流伺服电机及其速度控制,电枢电阻调速不经济，调速范围有限，很少采用。调节电枢电压（调压调速）时，直流电机机械特性为一组平行线，只改变电机的理想转速n0，保持了原有较硬的机械特性，所以调压调速主要用于伺服进给驱动系统电机的调速,如果n值较大，不可能实现宽范围的调速。永磁式直流伺服电机的n值较小，因此，进给系统常采用永磁式直流电机。,7.3 直流伺服电机及其速度控制,调节磁通（调磁调速）不但改变了电机的理想转速，而且使直流电机机械特性变软，所以调磁调速主要用于机床主轴电机调速。,7.3 直流

19、伺服电机及其速度控制,7.3.3 直流伺服电机速度控制单元的调速控制方式直流电机速度控制单元常采用的调速方法：晶闸管（可控硅）调速系统 晶体管脉宽调制（PWM）调速系统。,7.3 直流伺服电机及其速度控制,1晶闸管调速系统,7.3 直流伺服电机及其速度控制,直流双环调速系统,7.3 直流伺服电机及其速度控制,主回路：二组反并接，分别实现正转和反转,原理：三相整流器，由二个半波整流电路组成。每部分内又分成共阴极组（11、13、15）和共阳极组（12、14、16）。为构成回路，共阴极组和共阳极组中必须各有一个可控硅同时导通。只要改变可控硅触发角（即改变导通角），就能改变可控硅的整流输出电压，从而改

20、变直流伺服电机的转速。,7.3 直流伺服电机及其速度控制,2PWM调速控制系统控制电路简单，不需附加关断电路，开关特性好。广泛应用中、小功率直流伺服系统,7.3 直流伺服电机及其速度控制,直流电机电压的平均值:,T脉冲周期，Ton导通时间,7.3 直流伺服电机及其速度控制,脉宽调制（PWM）系统组成：,7.3 直流伺服电机及其速度控制,脉宽调制器作用：将电压量转换成可由控制信号调节的矩形脉冲，为功率晶体管的基极提供一个宽度可由速度指令信号调节的脉宽电压。组成：调制信号发生器（三角波和锯齿波两种）和比较放大器。原理：以三角波发生器为例介绍,7.3 直流伺服电机及其速度控制,USr 速度指令转化过

21、 来的直流电压U-三角波USC-脉宽调制器的输出（US r+U）调制波形图,7.3 直流伺服电机及其速度控制,开关功率放大器是脉宽调制速度单元的主回路结构：有两种形式：H型（桥式）、T型。每种电路又有单极性工作方式和双极性工作方式，各种不同的工作方式又可组成可逆开关放大电路和不可逆开关放大电路。可逆H型双极式PWM开关功率放大器为例,7.3 直流伺服电机及其速度控制,可逆H型双极式PWM开关功率放大器,7.3 直流伺服电机及其速度控制,US,A,B,D1,D2,D3,D4,M,T1,T2,T4,T3,UdUAB,电机正转、反转、停止：由正、负驱动电压脉冲宽窄定。当正脉冲较宽时，即t1T/2，平

22、均电压为正，电机正转；当正脉冲较窄时，t1T/2，平均电压为负，电机反转；正负脉冲宽度相等，t1=T/2，平均电压为零，电机停转。电机速度的改变：电枢平均电压UAB越大转速越高。UAB由驱动电压脉冲宽度决定。,7.3 直流伺服电机及其速度控制,电刷和换向有磨损，有时会产生火花；换向器由多种材料制成，制作工艺复杂；电机最高速度受限制；结构复杂，成本较高，所以在使用上受到一定的限制。,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,直流电机缺点：,7.4.1 交流伺服电机的分类与特点数控机床上应用的交流电机一般都为三相。分：异步型和同步型交流伺服电机。从建立所需气隙磁场的磁势源来说，同步型交流电机分：电磁式

23、及非电磁式两大类。非电磁式有磁滞式、永磁式和反应式多种。,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,永磁式同步电机：优点：结构简单、运行可靠效率高；缺点：启动特性欠佳。与直流电机比：外形尺寸、重量、转子惯量大幅减小与异步交流伺服电机相比：效率高、体积小。,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,异步型交流伺服电机与同容量的直流电机相比：优点：重量轻，价格便宜；缺点：转速受负载的变化影响较大，不能经济地实现范围较广的平滑调速，故异步型交流伺服电机用在主轴驱动系统中。,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,1永磁式交流同步电机结构：电机由定子、转子和检测元件组成,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,永

24、磁式交流同步电机工作原理和性能,nrns60f1p ns同步转速，转子磁极的轴线与定子磁极的轴线夹角，nr转子旋转转速，f1交流电源频率（定子供电频率），p定子和转子的极对数,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,2交流主轴电机(异步型交流伺服电机)定子三相绕组通三相交流电，产生旋转磁场，磁场切割转子中的导体，导体感应电流与定子磁场相作用产生电磁转矩，推动转子转动，转速nr为,ns同步转速，f1交流电源频率（定子供电频率）s转差率，s=(nsnr)/ns，p极对数,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,7.4.3 交流伺服电机的变频调速nrns60f1p 由上两式可见，只要改变交流伺服电机的供

25、电频率f1，即可改变电机转速，所以交流伺服电机调速应用最多的是变频调速。变频调速的主要环节是：为交流电机提供变频电源的变频器。变频器分：交交 变频交直交 变频,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,交交变频：利用可控硅整流器直接将工频交流电（频率50Hz）变成频率较低的脉动交流电，正组输出正脉冲，反组输出负脉冲，脉动交流电的基波是所需的变频电压。该方法所得的交流电波动比较大，且最大频率即为变频器输入的工频电压频率。,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,交直交变频：先将交流电整流成直流电，然后将直流电压变成矩形脉冲波电压，矩形脉冲波的基波是所需的变频电压。该调频方式所得交流电的波动小，调频范围

26、比较宽，调节线性度好。,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,数控机床常采用交直交变频调速。在交直交变频中：根据中间直流电压是否可调分：中间直流电压可调PWM逆变器、中间直流电压固定的PWM逆变器；根据中间直流电路储能元件是大电容还是大电感分：电压型逆变器、电流型逆变器SPWM（正弦波PWM）变频器是目前应用最广、最基本的一种交直交型电压型变频器，在交流调速系统中获得广泛应用。,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,SPWM变压变频器调制原理（以单相为例）正弦脉宽调制（SPWM）波形:与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波。等效原理：把正弦波分成n等分，每一区间面积用与其相等的等幅不等宽的

27、矩形面积代替。正弦波的正负半周均如此处理。,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,SPWM控制波的生成:正弦波三角波调制Q：电压比较器UR：由指令脉冲转换来的U：三角波发生器,电路原理示意图,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,指令脉冲转换来的信号,三相SPWM控制电路框图,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,整流器将三相工频交流电变成直流电逆变器将整流电路输出的直流电压逆变成三相交流电，驱动电机运行,主回路,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,指令脉冲转换来的信号,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,7.4.4 交流伺服电机的矢量控制矢量控制(磁场定向控制)是德国FBlasche于1

28、971年提出的。交流伺服电机可以利用SPWM进行矢量变频调速控制，使得交流调速获得如同直流调速同样优良的理想性能。经过30多年的工业实践的考验、改进和提高，目前广泛应用工业生产实践中。,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,1矢量控制的基本原理 交流电机矢量控制的基本思想：利用“等效”概念，将三相交流电机输入的电流（矢量）变换为等效的直流电机中彼此独立的励磁电流和电枢电流（标量），建立起交流电机的等效数学模型，然后通过对这两个量的反馈控制，实现对电机的转矩控制；再通过相反的变换，将被控制的等效直流电机还原为三相交流电机，那么三相交流电机的调速性能就完全体现了直流电机的调速性能。等效变换的准则：

29、变换前后必须产生同样的旋转磁场。,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,2矢量控制的等效过程（1）三相/二相变换 将三相交流电机变换为等效的二相交流电机以及与其相反的变换。采用的方法：把异步电动机的A、B、C三相坐标系的交流量变换为-两相固定坐标系的交流量（2）矢量旋转变换将二相交流电机变换为等效的直流电机。,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,7.5.1 直线电机的特点机床进给系统采用直线电机直接驱动，与原旋转电机传动方式的最大区别是：取消了从电机到工作台（拖板）之间的机械中间传动环节，即把机床进给传动链的长度缩短为零，故这种传动方式称为“直接驱动”，也称“零传动”。直接驱动避免了丝杠传动

30、中的反向间隙、惯性、摩擦力和刚性不足等缺点。,7.5直线电机及其在数控机床中的应用简介,7.5直线电机及其在数控机床中的应用简介,7.5.2 直线电机的基本结构和分类感应式旋转电机演变为直线电机的过程,7.5直线电机及其在数控机床中的应用简介,由永磁旋转电机演变为直线电机的过程,7.5直线电机及其在数控机床中的应用简介,旋转电机演变为圆筒型直线电机的过程,7.5直线电机及其在数控机床中的应用简介,弧型直线电机,圆盘型直线电机,7.5直线电机及其在数控机床中的应用简介,直线电机的基本工作原理 直线电机不仅在结构上相当于是从旋转电机演变而来的，而且其工作原理也与旋转电机相似。,7.5直线电机及其在

31、数控机床中的应用简介,数控机床进给伺服系统是位置随动系统，需要对位置和速度进行精确控制，通过对位置环、速度环、电流环的控制来实现。,7.6 位置控制,根据对位置环、速度环和电流环的控制是软件还是硬件来实现，可将伺服系统分为：混合式伺服系统和全数字式伺服系统。混合式伺服系统通过软件实现位置环控制，通过硬件实现速度环和电流环的控制，是一种软硬结合、数字信号和模拟信号结合的混合系统。对于混合式伺服系统，根据位置比较方式的不同，分为：数字脉冲比较伺服系统、相位比较伺服系统、幅值比较伺服系统。,7.6 位置控制,全数字伺服系统用计算机软件实现数控系统中位置环、速度环和电流环的控制，即系统中的控制信息全用

32、数字量处理。,7.6.1 相位比较伺服系统特点：将指令脉冲信号和位置检测反馈信号都转换为相应的同频率的某一载波的不同相位的脉冲信号，在位置控制单元进行相位比较，相位差反映了指令位置与实际位置的偏差。相位比较伺服系统的位置检测元件采用旋转变压器、感应同步器或磁栅，这些装置工作在相位工作状态。,7.6 位置控制,采用感应同步器作为位置检测元件的相位比较伺服系统原理框图,7.6 位置控制,脉冲调相器作用：通过对基准脉冲f0进行分频，产生基准脉冲信号P0，由P0形成感应同步器正、余弦励磁绕组的励磁信号Ps、Pc，Ps、Pc的频率与P0频率相同，感应电压Ud的相位f随工作台的移动而相对于基准相位0有超前

33、或滞后；通过对指令脉冲Fc的加、减，再通过分频产生相位超前或滞后于P0的指令相位脉冲Pc。,7.6 位置控制,7.6 位置控制,数字移相的工作原理:设分频器由4个二进制计数触发器T0T3组成，分频数m2416，即每输入16个脉冲产生一个溢出脉冲信号。,7.6 位置控制,7.6 位置控制,分频数m16，则每个指令脉冲产生了3601622.5的相移；m2000，则每个指令脉冲产生了36020000.18的相移；,7.6 位置控制,例如:0.001mm，感应同步器节距22mm，则单位脉冲所对应的相移角？,此时分频数m3600.182000，分频器输入的基准脉冲频率将是励磁频率的m倍。若本例感应同步器

34、励磁频率取10kHz，分频系数2000，则基准频率f0200010kHz20MHz。,36020.00l36020.18,基准分频通道输出两路频率和幅值相同、相位差90的电压信号，以供给感应同步器滑尺的正、余弦绕组励磁。实现：最后一级触发器的输入脉冲相差180，经2分频后，输出的脉冲信号Ps、Pc相位互差90。,7.6 位置控制,鉴相器（相位比较器）作用：鉴别指令信号与反馈信号的相位，判别两者之间的相位差及其相位超前、滞后的关系，并把它变成相应的误差电压信号作为速度单元的输入信号。鉴相器的结构形式很多，根据信号波形的不同，常用的鉴相器有两种类型：二极管型鉴相器（变压器型），可以鉴别正弦波信号之

35、间的相位差；门电路型鉴相器（触发器型鉴相器），可以鉴别方波信号之间的相位差。,7.6 位置控制,鉴相器输出信号通常为脉宽调制波，需滤波、整流，变换为电压信号，以作为速度控制信号Un*。同时，鉴相器判别出脉冲移相和位置检测所得的脉冲信号的超前、滞后的关系，使得速度控制信号在输入正向指令脉冲时为正，反向指令时为负。,7.6 位置控制,7.6.2 幅值比较伺服系统以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值，并以此作为位置反馈信号与指令信号进行比较，构成半闭环控制系统，简称幅值伺服系统。与相位伺服系统相比，最显著的区别：位置检测元件工作在幅值工作方式，感应同步器、旋转变压器和磁栅比较器比较的是数字脉

36、冲量，不是相位信号，所以不需要基准信号。,7.6 位置控制,检测元件采用旋转变压器时，在幅值比较过程中，工作台不断移动，通过变换，反馈脉冲不断产生，经脉冲比较得到偏差脉冲，直至指令脉冲等于反馈脉冲、偏差脉冲为零，工作台停止在指令要求的位置上。,7.6 位置控制,采用旋转变压器作为位置检测元件的幅值比较伺服系统原理框图,鉴幅器组成：低通滤波器、放大器和检波器。功能：对位置检测装置输出的代表工作台实际位移的电压信号进行滤波、放大、检波、整流，变成正、负与工作台移动方向相对应、幅值与工作台位移成正比的直流电压信号。电压频率变换器作用：根据输入的电压值，产生相应的脉冲。输出一方面作为工作台的实际位移送

37、入比较器，另一方面作为励磁信号送入励磁电路。励磁电路：根据电压频率变换器输出脉冲的多少和方向，生成检测装置所需的励磁电压信号Us和Uc，电气角的大小由脉冲的多少和方向决定，Us和Uc的频率及周期根据要求可用基准信号的频率和计数器的位数调整、控制。,7.6 位置控制,7.6 位置控制,在幅值比较过程中，工作台不断移动，通过变换反馈脉冲不断产生，经脉冲比较得到偏差脉冲，直至指令脉冲等于反馈脉冲、偏差脉冲为零，工作台停止在指令要求的位置上。,采用感应同步器作为位置检测元件的幅值比较伺服系统原理框图,7.6.3 数字脉冲比较伺服系统 结构较简单，常用光电编码器、光栅作位置检测装置，以半闭环的控制结构形

38、式较为普遍。特点：指令脉冲信号与位置检测装置的反馈脉冲信号在比较器中以脉冲数字的形式进行比较。,7.6 位置控制,采用光电编码器作为位置检测装置的数字脉冲比较伺服系统的半闭环控制原理框图,7.6.4 全数字控制伺服系统用计算机软件实现数控系统中位置环、速度环和电流环的控制。CNC系统直接将插补运算得到的位置指令以数字信号的形式传送给伺服驱动单元，伺服驱动单元本身具有位置反馈和位置控制功能，速度环和电流环都具有数字化测量元件，速度控制和电流控制由专用CPU独立完成，对伺服电机的速度调节也是由微处理器完成。CNC与伺服驱动之间通过通讯联系，采用专用接口芯片。,7.6 位置控制,可采用以下新技术，通过计算机软件实现最优控制，达到同时满足高速度和高精度的要求。1前馈控制2预测控制 3学习控制或重复控制普通数控机床的伺服系统根据传统的反馈控制原理设计，很难达到无跟踪误差控制，即很难同时达到高速度和高精度。全数字控制伺服系统采用总线通讯方式，便于机床的安装、维护，提高了系统可靠性；同时，具有丰富的自诊断、自测量和显示功能。在数控机床的伺服系统中得到了越来越多的应用。,7.6 位置控制,