數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用第七章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng).ppt

1、第七章 數(shù)控機床的伺服系統(tǒng),第一節(jié) 概述,數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)是CNC插補器的輸出，信號作為輸入用來控制機床部件的位置和速度的自動控制系統(tǒng)，也稱隨動系統(tǒng)，進給拖動系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)的輸入量來自數(shù)控裝置發(fā)出的進給脈沖或進給位移量，伺服系統(tǒng)的輸出就是能直接驅(qū)動伺服電機所需的電壓或電流，從而經(jīng)伺服電機傳動系統(tǒng)，使機床的工作臺等產(chǎn)生精確的位移。 伺服系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)的重要組成部分，伺服系統(tǒng)的性能在很大的程度上決定了數(shù)控機床的性能。例如，數(shù)控機床的最高移動速度，跟蹤速度，定位速度等指標(biāo)均與伺服系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)性能有關(guān)。因此，伺服系統(tǒng)一直是現(xiàn)代數(shù)控機床的關(guān)鍵技術(shù)之一。 數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)如圖7-1所示。這

2、是一個雙閉環(huán)系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)是速度環(huán)，外 環(huán)是位置環(huán)。速度環(huán)中用作速度反饋的檢測裝置，目前大多數(shù)通過位置量的微分得到速度。速度控制單元由速度調(diào)節(jié)器，電流調(diào)節(jié)器及功率驅(qū)動放大器等組成。位置環(huán)是由CNC裝置中的位置控制模塊、速度單元、位置檢測及反饋控制等組成。位置控制主要是對機床運動坐標(biāo)軸進行控制使之滿足一定的位置精度，速度控制在滿足位置控制的前提下，按系統(tǒng)的參數(shù)與控制速度使之以最快響應(yīng)且無超調(diào)滿足進給要求。,圖7-1 伺服系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)圖,第二節(jié) 伺服系統(tǒng)的基本性能指標(biāo)的要求及分類,一、對性能指標(biāo)的要求,（1）控制精度高 伺服系統(tǒng)的控制精度是指反映出輸出量的精度程度，當(dāng)然最終還要看機床的精度，對定位精

3、度和輪廓加工精度要求都比較高，對一般切削加工的數(shù)控機床定位精度一般為0.10.001mm，對于高精度高速切削及高檔磨床其精度要求達到0.1m，控制精度不得低于機床的總體精度。一般總體機床精度為0.01mm對控制精度不得低于0.005mm較為合適。 （2）穩(wěn)定性好 穩(wěn)定性是指系統(tǒng)受外界干擾要小，在外界干擾作用下，能在短暫的時間內(nèi)恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)。伺服系統(tǒng)有較強的抗干擾能力，確保進給速度的正常工作。 （3）快速響應(yīng) 快速響應(yīng)是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的重要指標(biāo)，它反映了系統(tǒng)在確保精度的前提下的跟蹤速度，穩(wěn)定性是指系統(tǒng)受外界干擾要小，當(dāng)穩(wěn)定輸入發(fā)生跳變時，系統(tǒng)能在較短的時間內(nèi)從一個狀態(tài)過度到新的狀態(tài)，要

4、求伺服系統(tǒng)跟蹤指令信號的響應(yīng)更快。 （4）調(diào)速范圍寬 調(diào)速范圍RN是指生產(chǎn)機械要求電機能提供的最高轉(zhuǎn)速nmax和最低轉(zhuǎn)速nmin之比，通常RN=nmax/nmin ，式中，nmax和nmin一般都是指額定轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)速。 在中、高檔數(shù)控機床中就要求伺服系統(tǒng)具有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍。目前，最先進的水平是，在進給速度范圍已可達到脈沖當(dāng)量為1m的情況之下，進給速度以0240m/min連續(xù)可調(diào)。但對于一般中檔數(shù)控機床而言，要求伺服系統(tǒng)在024m/min進給速度下都能工作就足夠了。一般來說，對于要求速度范圍為1:20000的位置控制系統(tǒng)，在總的開環(huán)位,置增益為20（1/s）時，只要保證速度單元具有1:1000

5、的調(diào)速范圍就完全可以滿足要求。當(dāng)然，現(xiàn)代數(shù)控機床中最先進水平的速度控制單元的技術(shù)已達到1:100000的調(diào)速范圍。 對于主軸伺服系統(tǒng)主要是速度及準(zhǔn)?？刂?，它要求1:1001000范圍內(nèi)的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和1：10以上的恒功率調(diào)速，而且保證足夠大的輸出功率。 （5）低速大轉(zhuǎn)矩 一般切削加工時，大切削量均采用低速進給，所以要求伺服系統(tǒng)在低速時要有大的轉(zhuǎn)矩輸出。進給伺服控制屬于恒轉(zhuǎn)矩控制，而主軸伺服控制在低速時為恒轉(zhuǎn)矩控制，在高速時為恒功率控制，在低速下要減小或消除難以解決的爬行現(xiàn)象及低速振動噪音。對于主軸用的伺服系統(tǒng)有時可以用一個的進給伺服系統(tǒng)來替代主軸伺服系統(tǒng)，一般為速度控制系統(tǒng)，除上面的一般要求之外

6、，還具有下面的控制功能： 1)準(zhǔn)?？刂?為了自動換刀，要求主軸能進行高精度的準(zhǔn)確位置停止。 2)角度分析控制 分度有兩種：一是固定的等分角位置控制。二是連續(xù)的任意角度控 制。（作特殊加工時，主軸坐標(biāo)有了進給坐標(biāo)的功能，稱為“C”軸控制。） 為了滿足對伺服系統(tǒng)的要求，對伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件伺服電機也相應(yīng)提出高精度、快反映、寬調(diào)速和大轉(zhuǎn)矩的要求，一般具備小慣量大轉(zhuǎn)矩的具體特征。 1) 1) 最低進給速度到最高進給速度范圍都能穩(wěn)定運行平滑過度。 2) 2) 進給電機應(yīng)具有大的較長時間的過載能力，一般能過載4-5倍左右，持續(xù)時間達10 。 分鐘以上，轉(zhuǎn)動慣量要小 3) 3)滿足快速響應(yīng)的要求，一般進給伺

7、服電機做成細(xì)長，高檔進給具備400rad/s2以上的 加速度，保證電機在0.2s以內(nèi)從靜止起動到1500rad/min。 4)電機應(yīng)能承受頻繁的起動制動和反轉(zhuǎn)，20次/min以上。,二、伺服系統(tǒng)的分類,1. 按調(diào)節(jié)理論分類 1) 1)開環(huán)伺服系統(tǒng) 開環(huán)伺服系統(tǒng)即無位置反饋的系統(tǒng)，其驅(qū)動元件主要是功率步進電機或電液脈沖馬達，這兩種驅(qū)動元件不用位置檢測元件實現(xiàn)定位，而是靠驅(qū)動裝置本身，轉(zhuǎn)過的角度正比于指令脈沖的個數(shù)，運動速度由進給脈沖的頻率決定。 2)2) 閉環(huán)伺服系統(tǒng) 閉環(huán)系統(tǒng)實際上是誤差控制的隨動系統(tǒng)，數(shù)控機床進給系統(tǒng)的誤差是CNC輸出的位置當(dāng)指令和機床工作臺移動實際位置的差值。閉環(huán)系統(tǒng)具備位

8、置檢測裝置，該裝置測出實際直線位移成實際角位移，并將測量值反饋給伺服控制系統(tǒng)給定量進行比較，求得誤差。作為下一環(huán)節(jié)的輸入并進行控制，構(gòu)成閉環(huán)位置控制。 由于閉環(huán)伺服系統(tǒng)是反饋控制，反饋測量裝置精度高，所以系統(tǒng)傳動鏈的誤差可得到補償從而大大提高了跟隨精度和定位精度。目前閉環(huán)系統(tǒng)的分辨率多為1m定位精度可達0.010.05mm，高精度系統(tǒng)分辨率可達0.1m。 3)半閉環(huán)系統(tǒng) 位置檢測元件裝在進給電機軸上，從電機軸到實際位移一般為機械傳動不用檢測，這個機械傳動鏈的誤差一般可看以固定不變的可以用加工程序來補償（如間隙等），一般地半閉環(huán)系統(tǒng)的精度低于閉環(huán)系統(tǒng)。 對于伺服系統(tǒng)的電控部分來說半閉環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)

9、的控制原理上是一樣的，只是閉環(huán)系統(tǒng)環(huán)內(nèi)包括較多的機械傳動部件，傳動誤差均可被補償，理論上精度可以達到很高，而半閉環(huán)往復(fù)還不能全部消除傳動鏈造成的誤差，但由于半閉環(huán)比閉環(huán)調(diào)整容易，因此目前使用半閉環(huán)系統(tǒng)較多，只在具備性能穩(wěn)定，使用過程溫差變化不大的高精度數(shù)控機床上才使用全閉環(huán)伺服系統(tǒng)。,2. 按使用的驅(qū)動元件分類,1）電液系統(tǒng) 電液系統(tǒng)的執(zhí)行元件為液壓元件，其前一級為電氣元件，驅(qū)動元件為液動機和液壓缸，常用的有電液脈沖馬達和電液伺服馬達。電液脈沖馬達驅(qū)動力矩大，但制造成體高、壽命不太長，所以只是在具有特殊要求時，才采用電液伺服系統(tǒng)。 2）電氣伺服系統(tǒng) 電氣伺服系統(tǒng)全部采用電子器件和電機部件，隨著

10、電子工業(yè)的發(fā)展，制）造成本越來越低，可靠性越來越高。電氣伺服系統(tǒng)中的驅(qū)動元件主要有步進電機、直流伺服電機和交流伺服電機。 3、按執(zhí)行電機類型分類 1)1）直流伺服系統(tǒng) 直流伺服系統(tǒng)常用的伺服電機有小慣量直流伺服電機和永磁直流伺服電機。 永磁直流伺服電機能在較大過載轉(zhuǎn)矩下長時間工作以及電機的轉(zhuǎn)子慣量較大，能直接與絲杠相連而不需中間傳動位置。此外，它還有一個特點是可在低速下運轉(zhuǎn)，如能在1r/min甚至在0.1/min下平穩(wěn)地運轉(zhuǎn)。因此，這種直流伺服系統(tǒng)在數(shù)控機床上獲得了廣泛的運用。永磁直流伺服電機的缺點是有電刷，限制了轉(zhuǎn)速的提高，一般額定轉(zhuǎn)速為10001500r/min，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格較貴。

11、2）交流伺服系統(tǒng) 交流伺服系統(tǒng)使用交流異步伺服電機和永磁同步伺服電機，交流伺服電機沒有電刷換向器，維護保養(yǎng)簡單且轉(zhuǎn)子慣量較有直流電機小，使得動態(tài)響應(yīng)好，另外在同樣體積下，交流電機的輸出功率可比直流電機提高50%左右，交流電機的容量可以比直流電機造得大，達到更高的電壓和轉(zhuǎn)速。,4. 驅(qū)動軸分類 1）進給伺服系統(tǒng) 它包括速度控制環(huán)和位置控制環(huán)。進給伺服系統(tǒng)完成各坐標(biāo)軸的進給運動，快速響應(yīng)好，精度高，具有定位和輪廓跟蹤功能，是數(shù)控機床中要求最高的伺服控制。 2）主軸伺服系統(tǒng) 一般的主軸控制只是一個速度控制系統(tǒng)，主要實現(xiàn)主軸的旋轉(zhuǎn)運動，提供切削過程中任意轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)矩和功率，對于具有準(zhǔn)?？刂频闹鬏S與進給伺

12、服系統(tǒng)一樣，有時就用進給伺服系統(tǒng)來替代主軸伺服系統(tǒng)。,5. 按反饋量的方式分類,1)1）脈沖、數(shù)字比較伺服系統(tǒng) 該系統(tǒng)是閉環(huán)伺服系統(tǒng)中的一種控制方式，它是將數(shù)控裝置發(fā)出的數(shù)字（或脈沖）指令信號與檢測裝置測得的以數(shù)字（或脈沖）形式表示的反饋信號直接進行比較，以產(chǎn)生位置誤差，達到閉環(huán)控制。 脈沖、數(shù)字比較伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)、整機控制穩(wěn)定，在一般數(shù)控伺服系統(tǒng)中應(yīng)用十分普遍。 2）相位比較伺服系統(tǒng) 在相位比較伺服系統(tǒng)中，給定量與反饋量都變成某個載波的相位通過檢相器作兩者相位比較，獲得實際位置與給定位置的偏差，實現(xiàn)閉環(huán)控制。 相位伺服系統(tǒng)對于感應(yīng)式檢測元件如旋轉(zhuǎn)變壓器，感應(yīng)同步器較適用。 1)

13、3）幅值比較伺服系統(tǒng) 幅值比較伺服系統(tǒng)是以位置檢測信號的幅值大小來反映位移量。系統(tǒng)工作時要將此幅值信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后給定數(shù)字信號進行比較，從而獲得位置偏差信號構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。 在現(xiàn)代數(shù)控中相位比較和幅值比較系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上和安裝維護上都比脈沖、數(shù)字比較系統(tǒng)復(fù)雜和要求高，在一般情況下脈沖、數(shù)字比較伺服系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，而相位比較系統(tǒng)又比幅值比較系統(tǒng)應(yīng)用的多。,第三節(jié) 用步進電機工作開環(huán)伺服系統(tǒng),一、步進電機簡介,步進電機是較早實用的典型的機電一體化元件組件。步進電動機本體、步進電動機驅(qū)動器和控制器構(gòu)成步進電動機系統(tǒng)不可分割的三大部分。 1. 步進電動機具有自身的特點，歸納起來有： 1）可以用數(shù)字信號

14、直接進行開環(huán)控制，整個系統(tǒng)造價低。 2）位移與輸入脈沖信號樹相對應(yīng)，步距誤差不長期積累，可以組成結(jié)構(gòu)較為簡單而又 具有一定精度的開環(huán)控制系統(tǒng)，也可以在要求高精度時組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。 3）無刷，電動機本體部件少，可靠性高。 4）易于起動，停止，正反轉(zhuǎn)及變轉(zhuǎn)。 5）停止時，可以通電自鎖。 6）速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，同時用一臺控制器控制幾步電動機，可使它們 完全同步運行。 7）步進電動機帶慣性負(fù)載能力差。 8）由于存在失步和低頻共振，因此步進電動機的加減方法根據(jù)利應(yīng)用狀態(tài)的不同而復(fù) 雜化。,2. 步進電動機的常用術(shù)語,1）步距角 指每給一個電脈沖信號電動機轉(zhuǎn)子所應(yīng)轉(zhuǎn)過的角度的理論值。步距角

15、 b=公式 360/（mzrK），式中zr轉(zhuǎn)子齒數(shù)，m1運行拍數(shù)，通常等于相數(shù)或相數(shù)的整數(shù)倍，即m1=km，m電動機相數(shù)，K通電方式。 2）齒距角 相鄰兩齒中心線間的夾角，通常定子和轉(zhuǎn)子具有相同的齒距角。 3）零位或初始穩(wěn)定平衡位置 指不變繞組通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子在理想空載狀態(tài)下的平衡位置。 4）失調(diào)角 失調(diào)角是指轉(zhuǎn)子偏離理論平衡點的角度。 5）矩角特性 矩角特性是指不改變各相繞組的通電狀態(tài)，即一相或幾相繞組同時通以直流電流時，電磁矩與失調(diào)角的關(guān)系，即 T=f()。 6）最大靜轉(zhuǎn)矩 矩角特性上轉(zhuǎn)矩最大值Tk稱為最大靜轉(zhuǎn)矩 7）最大靜轉(zhuǎn)矩特性 繞組電流改變時，最大靜轉(zhuǎn)矩與相應(yīng)電流的關(guān)系 Tk=f(I)

16、為最大轉(zhuǎn)矩特性。 8）誤差 步進電動機的誤差有兩種：一是最大步矩誤差，是指電動機旋轉(zhuǎn)一周內(nèi)相鄰兩步之間最大步矩和理想步矩角的差值，用理想布局的百分?jǐn)?shù)表示；二是最大累計誤差，是指任意位置開始經(jīng)過任意步之間，角位移誤差的最大值。 9）響應(yīng)頻率 在步進電動機可以任意運動而不丟步，最大頻率稱為響應(yīng)頻率，通常用起動頻率fs來作為衡量的指標(biāo)。它是指在一定的負(fù)載下直接起動而不失步的極限頻率，稱為極限起動頻率或突跳頻率。,10）運行頻率 指在額定負(fù)載下使頻率連續(xù)上升時，步進電動機能不失步運行的極限頻率。 11）起動矩頻特性 負(fù)載慣量一定時，起動頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系稱為起動矩頻特性，也稱牽入特性。 12）運

17、行矩頻特性 在負(fù)載慣量一定時運行頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系稱為矩頻特性，又稱牽出特性。 13）慣頻特性 在負(fù)載力矩一定時，頻率和負(fù)載慣量之間的關(guān)系，稱為慣頻特性。慣頻特性分為起動慣頻特性和運行慣頻特性。 14）單步響應(yīng) 單步響應(yīng)是指步進電動機在帶電不動的情況下，改變一次脈沖電壓，轉(zhuǎn)子由起動到停止的運動軌跡。 二、步進電動機驅(qū)動器 步進電動機驅(qū)動系統(tǒng)的性能除與電動機自身的性能有關(guān)外，還與驅(qū)動器有很大關(guān)系。因此，對步進電動機驅(qū)動器的設(shè)計研究是CNC系統(tǒng)開發(fā)中的重要工作。步進電動機驅(qū)動器的框圖如圖7-2所示，一般由環(huán)形分配器（簡稱環(huán)分），信號處理級，推動級，驅(qū)動級等各部分組成，用于功率步進電動機的驅(qū)動

18、器還有多種保護路線。 環(huán)形分配器是把單個走步信號換成步進電機的控制信號。如三相六拍分配信號，五相十拍分配信號等，環(huán)形分配器可以由硬件完成，也可以由軟件來完成，用硬件完成 的稱為硬環(huán)分，用軟件完成的稱為軟環(huán)分。 從環(huán)形分配器輸出的各相導(dǎo)通或截止的信號送入信號處理級。信號處理是實現(xiàn)信號必要的轉(zhuǎn)換，合成等功能，產(chǎn)生斬波，抑制等特殊功能的信號，從而產(chǎn)生特殊功能的驅(qū)動。在實際應(yīng)用中信號處理級還與各種保護電路各種控制電路組合，形成較高可靠性的驅(qū)動輸出。,圖7-2 步進電動機驅(qū)動器的框圖,圖7-3 高低壓驅(qū)動原理圖,推動級的作用是將較小的信號加以放大，變成足以推動驅(qū)動級輸入的較大信號。推動級還承擔(dān)電平轉(zhuǎn)換的

19、作用。 保護級的作用是保護驅(qū)動級功率器件，通?？梢宰麟娏鞅Ｗo，過熱保護，過壓保護，欠壓保護等。 1高低壓驅(qū)動 高低壓驅(qū)動的設(shè)計思想是，在導(dǎo)前沿用高電壓供電來提高電流的前沿上升率，而在前沿過后用低電壓來維持繞組的電流。 高低壓驅(qū)動的原理線路如圖7-3所示，主回路由高壓管TH電動機繞組，低壓管TL串聯(lián)而成，UH加高壓，UL加低壓，電動機繞組回路不串電阻。 低壓管的輸入信號，來自環(huán)形分配器，其脈寬由環(huán)分輸出決定。當(dāng)IL為高電平時該相導(dǎo)通；為低電平時，該相截止。IH是由IL的前沿經(jīng)微分再經(jīng)整形獲得，形成脈沖寬度工作頻率變化的定寬脈沖，一般將高壓脈寬整定為13ms，設(shè)IH的脈寬為tH，IL的脈寬為tL，

20、在相繞組導(dǎo)通的過程中，在前沿開始的tH時間內(nèi)，由于高低壓輸入信號同時有效，使高低壓管同時導(dǎo)通電流的通路如圖7-4(a)所示，繞組電流由高壓電源供給。此時，機能組電流有很陡的前沿，并迅速形成上沖，見圖7-4（b）所示，當(dāng)tH過后高壓管轉(zhuǎn)為截止?fàn)顟B(tài)，低壓電源開始供電，TL繼續(xù)處于導(dǎo)通狀態(tài)，電流路徑如圖7-5(a)所示，由于繞組很小，又不串電阻，所以低壓電源只需數(shù)伏就可以提供較大的電流，其波形如圖7-5（b）所示。 在低頻工作時，由于電動機反電勢較小，繞組電流在tH時間內(nèi)幾乎完全由高電壓的大小來決定。因為UH電壓很高，繞組回路電阻很小所以繞組電流上升很快，能超過和繞組的額定電流，但tH時間過后，高壓

21、立即關(guān)閉，電流在低壓回路迅速下降，直到變?yōu)橛傻蛪弘娫此鶝Q定的繞組電流大小，波形見圖7-6（a）所示。雖然剛開始電流上沖很多，但占整個導(dǎo)通時間tL的比例很小，即tLtH，因此繞組電流的平均值仍在額定值附近。,圖7-4 高壓電流路徑及電流波形,圖7-5 低壓導(dǎo)通時電流路徑及波形,當(dāng)運行頻率繼續(xù)升高時，tLtH，此時，前級的信號處理中使tH跟蹤tL的寬度，保持tH=tL，實際上要跟蹤tL壓縮tH的脈寬，使電路一直處于高壓供電狀態(tài)。電流波形如圖7-6 （c）。 在tL時間過后，繞組電流進入續(xù)流狀態(tài)，續(xù)流回路如圖7-7所示。電流將經(jīng)DL電動機繞組DH泄放，磁場的能量將回饋給高壓電源，這樣既達到了縮短泄放

22、時間，又節(jié)約了電能作用?？焖傩狗艑μ岣唑?qū)動系統(tǒng)的高頻效益是有利的。 由于這種驅(qū)動線路在低頻時繞組電流有較大的上沖，所以低頻時電動機振動噪聲較大，還存在低頻共振。 圖7-8給出一種高低壓驅(qū)動的實用線路，圖中只給出了一相的電路。 以一相為例，當(dāng)A相繞組信號分成兩路去處理，設(shè)A=1時一路經(jīng)推動級三極管T，去推動達林頓大功率晶體管T2，使T2導(dǎo)通，另一路經(jīng)單穩(wěn)態(tài)電路形成高壓定寬信號，再經(jīng)過兩極反相器推動管T2（NPN）和T3（PNP）來推動大功率達林晶體管TH。在高壓脈寬的作用期間，TL、TH均為導(dǎo)通，繞組由高壓UH供電，當(dāng)高壓脈寬tH過去后，只有tL導(dǎo)通，繞組由電流經(jīng)DL、DH泄放后變零，完成一次勵

23、磁過程。 高壓脈寬由Rf、Cf決定，脈寬 tH=0.45RfCf 圖中TL、TH選BU14A，高壓取80V，低壓取6V，可以用于驅(qū)動110機座號的三相反應(yīng)式步進電動機。,圖7-6 頻率不同時各種電流波形,圖7-7 續(xù)流回路,圖7-8 高低壓驅(qū)動實用線路,三、斬波恒流驅(qū)動,高低壓驅(qū)動的目的，就是要使導(dǎo)通相不論在鎖定低頻或高頻工作時，都保持額定值。斬波恒流驅(qū)動方式可較好地解決這一問題。 圖7-9畫出斬波恒流驅(qū)動的電路原理圖。電機繞組回路與高低壓驅(qū)動器不同的是，低壓管放射極串聯(lián)一個大功率、小電阻值的電阻接地，電動機繞組的電流經(jīng)這個小電阻通地，小電阻的壓降與電動機繞組電流成正比，所以這個電阻稱為取樣電

24、阻，F(xiàn)1、F2、F4為非門，F(xiàn)3為與非門，控制TH和TL兩個晶體管的導(dǎo)通和截止。由環(huán)形分配器分配來的相繞組導(dǎo)通脈沖，接至A點，其波形如圖7-10（a）所示，送到F1、F2，通過F2直接開通晶體管TL，與非門F3除環(huán)形分配器來的信號外，還有一段信號來自比較器。比較器的兩個輸入端，其正輸入接給定電平，負(fù)輸入端接來自取樣電阻的電壓信號。導(dǎo)通脈沖到來之前，由邏輯電路可知，輸出低電平，TH和TL都截止，取樣電阻中無電流流過，反饋到比較器的輸入信號為零，比較器輸出為高電平，見圖7-10（d）。 當(dāng)環(huán)形分配器輸出導(dǎo)通信號時，高電平使F1、F3輸出為0，F(xiàn)2、F4輸出為1，使TH和TL兩管導(dǎo)通。高電壓經(jīng)TH向

25、電動機的繞組供電，電路回路如圖7-11(a)所示，由于電動機繞組有較大的的電感，所以電流成指數(shù)上升，但所加電壓較高，所以電流上升較快。取樣電阻上的電壓代表了電流的大小。當(dāng)電流超過所設(shè)定值時，比較器輸入的取樣電壓超過給定電壓，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出變低電平從而F3輸出高電平，F(xiàn)4輸出低電平，關(guān)斷高壓管TH，此時，磁場能量將使繞組電流按原來的方向繼續(xù)流動，經(jīng)由低壓管TL取樣電阻，地線，二極管D1構(gòu)成的續(xù)流回路消耗磁場的能量，見圖7-11（b）。此時電流將按指數(shù)曲線衰減，逐漸下降。當(dāng)取樣電阻上得到是電壓小于給定電壓時，比較器又翻轉(zhuǎn)回去，F(xiàn)4高電平，打開高壓管，電源又開始向繞組供電，電流又會上升。如此反復(fù)，

26、電動機繞組是電流就穩(wěn)定在由給定電平所決定的數(shù)值上，形成小小的鋸齒波，如圖7-11（c）。,圖7-9 斬波恒流驅(qū)動原理圖,圖7-10 各點波形圖,圖7-11 供電及續(xù)流時電流路徑,當(dāng)環(huán)形分配器 輸出低電平時，高低壓管都截止，此時繞組的續(xù)流與高低壓時相同，經(jīng)D1、D2向電源泄放。泄放回路的特點與高低壓驅(qū)動時基本相同。 斬波恒流驅(qū)動中，由于驅(qū)動電壓較高，所以電流上升很快，當(dāng)?shù)竭_所需的數(shù)值時，由于取樣電阻反饋控制作用，繞組電流可以恒定在確定的數(shù)值上，而且不隨電動機的轉(zhuǎn)速而變化，從而保證在很大的頻率范圍內(nèi)電動機都能輸出恒定轉(zhuǎn)矩。 圖7-10（e）可見，在環(huán)形分配器中所給出的相繞組導(dǎo)通時間內(nèi)，電源電壓并不

27、是一直向繞組供電，而只是一個個的窄脈沖，總的輸入能量是各脈沖時間的電壓與電流乘積積分的總和。與其他的驅(qū)動方式比較，取自電源的能量大幅度下降。因此，這種驅(qū)動器有很高的效率。 這種驅(qū)動器的另一優(yōu)點是減少電動機共振現(xiàn)象的發(fā)生。由于電動機共振的基本原因是能量過剩，而斬波恒流驅(qū)動輸入的能量是自動隨著繞組電流調(diào)節(jié)，能量過剩時續(xù)流時間長，而供電時間減小，因此可減小能量的積聚。 斬波恒流驅(qū)動存在其自身的特點，主要表現(xiàn)為： 1）高頻響應(yīng)快； 2）輸出轉(zhuǎn)矩均勻； 3）共振現(xiàn)象基本消除； 4）線路工作可靠。,第四節(jié) 直流伺服系統(tǒng)電機與速度控制單元,直流伺服電機作為直流伺服系統(tǒng)的一個執(zhí)行元件，直流伺服系統(tǒng)能夠控制機床

28、進給速度和位置，直流伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一般為三閉環(huán)控制：電樞電流閉環(huán)，速度閉環(huán)與位置閉環(huán)，如圖7-12所示電流反饋一般采用取樣電阻、霍爾電路傳感器等。,圖7-12 直流驅(qū)動系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu),因為直流伺服電機容易調(diào)速，尤其是他勵直流伺服電機具有較硬的機械特性，所以直流伺服系統(tǒng)自70年代以來，在數(shù)控機床中得到了廣泛的應(yīng)用。 在現(xiàn)代數(shù)控中，極大部分的直流伺服電機采用永磁直流伺服電機。 永磁直流伺服電機具有如下優(yōu)點 1）能承受的峰值電流和過載倍數(shù)高； 2）具有大的轉(zhuǎn)矩/慣量比、快速性好； 3）低速時輸出力矩大，轉(zhuǎn)動慣量大； 這種電機可以和機床的進給絲桿直接相連，省去了齒輪等傳動機構(gòu)，且避免了齒隙 造成的振動

29、和噪聲，以及齒隙誤差。低速運行平穩(wěn)。 4）啟動力矩大； 5）調(diào)速范圍大； 6）與高性能的速度控制單元組成速度控制系統(tǒng)時，調(diào)速范圍超過1：1000。 7）具有高精度的檢測元件。 8）使電機能平滑旋轉(zhuǎn)和穩(wěn)定工作，使整個伺服系統(tǒng)具有良好的低速剛度和高的動態(tài) 性能，伺服精度高。 它的主要缺點是：轉(zhuǎn)子溫度升高，會影響機床的精度；轉(zhuǎn)子慣量大，又要快速性好，需增大電源裝置和增強機械傳動鏈的剛度。,直流伺服系統(tǒng)中控制單元也是一個主要部分，其形式不止一種，敘述如下：,一、脈寬調(diào)制器式控制單元,在功率晶體管開關(guān)型伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)中目前廣泛采用脈沖寬度調(diào)制式驅(qū)動系統(tǒng)，數(shù)控機床驅(qū)動系統(tǒng)也不例外。 所謂脈寬調(diào)速，即是利

30、用脈寬調(diào)制器對大功率晶體管開關(guān)放大器的開關(guān)時間進行控制，將直流電壓轉(zhuǎn)換成某一頻率的矩形波電壓，加到直流電機的電樞兩端，通過對矩形波脈沖寬度的控制，改變電樞兩端的平均電壓，從而達到調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的目的。 PWM控制方式的速度控制單元由脈沖寬度調(diào)制器和脈沖功率放大器兩部分組成。 1脈沖功率放大器（PWM系統(tǒng)的主回路） 開關(guān)型功率放大器的驅(qū)動回路有兩種結(jié)構(gòu)形式，一種是H型（也稱橋式），另一種是T型。這里介紹常用的H型，它的電路原理如圖7-13所示。圖中VD1VD4為續(xù)流二極管，用于保護功率晶體管VT1VT4。SM即直流伺服電動機。 H型電路在控制方式上分為雙極式和單極式。下面介紹雙極式功率驅(qū)動原理：

31、四個功率晶體管的基極驅(qū)動電壓分為兩組：Ub1=Ub4, Ub2=Ub3=Ub1。加到各晶體管基極上的電壓波形如圖7-14所示。 若0tt1時，Ub1=Ub4為正，Ub2=Ub3為負(fù)，使VT1和VT4飽和導(dǎo)通，VT2和VT3截止，加在電樞端電壓UAB=US（忽略VT1和CT4的飽和壓降）。電樞電流ia沿回路1流通，ia的波形見圖7-14（b）中的ia1。,圖7-13 H型脈沖功率放大電路,圖7-14 H型雙極性工作方式電壓及電流波形,若t1tT時，Ub1和Ub4為負(fù)，Ub2和Ub3為正，使VT1和VT4截止，但VT2和VT3不能立即導(dǎo)通，這是因為在電樞電感反電勢的作用下，電樞電流ia經(jīng)VD2和V

32、D3續(xù)流，沿回路2流通。由于VD2和VD3的壓降使VT2和VT3承受反壓緣故，VT2和VT3能否導(dǎo)通，取決于續(xù)流電流的大小，若ia較大時，在t1至T時間內(nèi)，續(xù)流較大，則ia一直為正，如圖7-14(b)所示，此時，VT2和VT3沒來得及導(dǎo)通，下一個周期即到來，又使VT1和VT4導(dǎo)通，電樞電流ia又開始上升，使ia維持在一個正值附近波動；若ia較小時，在t1至T時間內(nèi)，續(xù)流可能降到零，于是VT2和VT3在電源和反電動勢的共同作用下導(dǎo)通，ia沿回路3流通，方向反向，電動機處于反接制動狀態(tài)，直到下一個周期（電樞電壓AB0情況），VT4和VT1導(dǎo)通，ia才開始回升，如圖7-15所示。 直流伺服電動機的轉(zhuǎn)

33、向取決于電樞電流的平均值，即取決于電樞兩端的電壓平均值。 若在一個周期（T）內(nèi)，t1=T/2，則加在基極上的正脈沖寬度(Tt1)相等，VT21、VT4與VT2、VT3的導(dǎo)通時間相等，則電樞電壓平均值為零，電機靜止不動。 若t1Tt1，電樞電壓平均電壓大于零，則電動機正轉(zhuǎn)，平均值越大，轉(zhuǎn)速越高。 若t1Tt1，電樞平均電壓小于零，則電動機反轉(zhuǎn)，平均值的絕對值越大，反轉(zhuǎn)速越高。 由上述過程可知，只要能改變加在功率放大器的控制脈沖的寬度，就能控制電機的轉(zhuǎn)向、停止和速度。并且電機的停止是動態(tài)靜止，有利于消除正反轉(zhuǎn)死區(qū)。,2脈沖寬度調(diào)制器 為了能給功率放大器提供一個寬度由速度指令信號調(diào)節(jié)的控制脈沖序列，

34、需要有一個能將電壓信號（代表速度）轉(zhuǎn)換為脈沖寬度的調(diào)節(jié)變換裝置，稱為脈沖寬度調(diào)制器。 常用的有以鋸齒波作為調(diào)制信號的脈沖寬度調(diào)制器，以三角波作為調(diào)制信號的脈沖寬度調(diào)制器和數(shù)字脈沖寬度調(diào)制器。 在微機數(shù)控系統(tǒng)中，因為速度指令是以數(shù)字量的形式給出的，采用數(shù)字脈沖寬度調(diào)制器較為方便。脈沖寬度調(diào)制器可用硬件（定時器/計數(shù)器）、硬件加軟件或軟件來實現(xiàn)。這樣電路簡單，控制靈活。圖7-16是微機PWM驅(qū)動系統(tǒng)的原理框圖。 微機輸出脈寬控制信號驅(qū)動器放大，驅(qū)動PWM主回路的功率晶體管開關(guān)。開關(guān)頻率及脈沖寬度都可采用軟件形式的數(shù)字寬度調(diào)制器來調(diào)節(jié)。計算機同時采用速度和位置反饋信號，并利用軟件對速度和位置進行調(diào)節(jié)

35、。 3PWM驅(qū)動系統(tǒng)的主要特點 與晶閘管調(diào)速單元相比，PWM速度控制單元有如下特點： 1）電機損耗和噪聲小 晶體管開關(guān)頻率很高，遠比轉(zhuǎn)子能跟隨的頻率高，也避開了機械的共振。由于開關(guān)頻率高，使得電樞電流僅靠電樞電感或附加較小的電抗器便可連續(xù)，所以電機損耗小，發(fā)熱小。 2）系統(tǒng)動態(tài)性好，響應(yīng)頻帶寬 PWM控制方式的速度控制單元與較小慣量的電機相匹配時，可以充分發(fā)揮系統(tǒng)的性能，從而獲得很寬的頻帶。頻帶越寬，伺服系統(tǒng)校正瞬態(tài)負(fù)載的能力就越高。,圖7-16 微電腦式PWM原理框圖,3）低速時電流脈動和轉(zhuǎn)速脈動都很小，穩(wěn)速精度高 4）功率晶體工作在開關(guān)狀態(tài)，其損耗小電源利用率高，并且控制方便 5）響應(yīng)很快

36、 PWM控制方式，具有四象限的運動能力，即電動機既能驅(qū)動負(fù)載，也能制負(fù)載，所以響應(yīng)快。 6）功率晶體管承受高峰值電流能力差。,第五節(jié) 交流伺服與主軸準(zhǔn)停系統(tǒng),交流伺服電機有了飛速發(fā)展，它不但克服了直流伺服電機結(jié)構(gòu)上存在機械整流子、電刷維護困難、造價高、壽命短、應(yīng)用環(huán)境受限制等的特點，而且，存在交流伺服電機堅固耐用、經(jīng)濟可靠及動態(tài)響應(yīng)性好等等特點。近年來，交流伺服系統(tǒng)發(fā)展迅速，并有逐步取代直流伺服系統(tǒng)的趨勢。 交流伺服電機一般有異步型交流伺服電機和同步型交流伺服電機。當(dāng)用變頻電源供電時，對于電機可方便地獲得與頻率成正比的可變轉(zhuǎn)速，可得到非常硬的機械特性和很寬的調(diào)速范圍。在數(shù)控的伺服系統(tǒng)中多采用永

37、磁同步型伺服電機。 對于具有準(zhǔn)停功能的主軸，實際上與進給軸的功能幾乎一樣，有時就用一個多余的進給軸來替代主軸伺服系統(tǒng)。,一、永磁交流伺服電機的結(jié)構(gòu)原理,永磁交流伺服電機的結(jié)構(gòu)剖面圖如圖7-17所示。它主要由三部分組成：定子、轉(zhuǎn)子和 檢測元件。定子具有齒槽，內(nèi)有三相繞組，形狀與普通交流電機的定子相同，但其外形多呈多邊形，且無外殼，利于散熱。轉(zhuǎn)子由多塊永久磁鐵2和沖片（見圖7-18）組成。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是氣隙磁密較高，極數(shù)較多。 它的工作原理類似于電磁式同步電機的工作原理，只是將轉(zhuǎn)子中的磁繞組產(chǎn)生換成永久的磁鐵。 定子三相繞組接上交流電源后就會產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，該旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為ns在磁場力的作用

38、下，磁場帶著轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)，使轉(zhuǎn)子也以同步轉(zhuǎn)速ns旋轉(zhuǎn)。,1-定子 2-永久磁鐵 3-軸向通風(fēng)孔 4-轉(zhuǎn)軸 圖7-17 永磁交流伺服電機的結(jié)構(gòu)剖面圖,1-鐵心 2-永久磁鐵 3-非磁性套筒 圖7-18 永磁轉(zhuǎn)子示意圖,當(dāng)轉(zhuǎn)子加上負(fù)載后，將造成定子磁場軸線與轉(zhuǎn)子磁極軸線不重合，其夾角為，負(fù)載越大，也越大，但只要不超過一定的限度，轉(zhuǎn)子始終跟著定子的旋轉(zhuǎn)磁場以恒定的同步轉(zhuǎn)速ns旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為n=ns=60f/p(r/min)，式中f電源頻率，p磁極對數(shù)。 永磁交流伺服電機的機械特性比直流伺服電機的機械特性要硬，在正常工作區(qū)，轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩曲線更接近水平線。斷續(xù)工作區(qū)的范圍擴大，高速性能優(yōu)越，有利于提高電機

39、的加、減能力。 二、交流伺服電機的速度控制單元,由于同步伺服電機的轉(zhuǎn)速為n=60f/p，不存在轉(zhuǎn)差率問題，因此，不能用調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率S的方法來調(diào)速，也由于要求無級調(diào)速，只能用變頻（f）的方法調(diào)速。 永磁交流伺服系統(tǒng)有兩種類型，一是矩形波電流驅(qū)動的永磁永流伺服系統(tǒng)，二是正弦波電流驅(qū)動的永磁永流伺服系統(tǒng)。第一種也稱為無刷直流伺服電動機，第二種也稱無刷交流伺服電動機。從發(fā)展趨勢看，正弦波驅(qū)動將成為主導(dǎo)地位。 永磁交流伺服電機變頻調(diào)速控制單元中的主要部件是變頻器。變頻器分為交直交型和交交型變頻器，前者廣泛應(yīng)用在數(shù)控機床和伺服系統(tǒng)中。所謂交直交型變頻器中的交直是將交流變?yōu)橹绷麟姡苯皇菍⒅绷髯優(yōu)檎{(diào)頻、調(diào)壓的

40、交流電，通常采用脈寬調(diào)制原理。 關(guān)于脈沖調(diào)制的原理是這樣的：假如我們要在電機和某相繞組內(nèi)獲得一個正弦電流，以A相為例，A（A=sint）則我們可以用以下的等效措施來獲得。電路及波形如圖7-19所示。,圖7-19 脈寬調(diào)制的電路結(jié)構(gòu)及波形圖,設(shè)Tp為脈沖周期，用脈寬調(diào)制的等效電流iP表達式為： ia=1/TpEc/RLdt=Ec/RLK， （7.5.1） K占空比 欲使繞阻內(nèi)的電流為正弦波則 ia=1/TpEc/RLsint （7.5.2） 由（7.5.1）及（7.5.2）得：K=sint K是t的函數(shù)，在不同的相位處K的值是不同的，計算和實現(xiàn)脈寬調(diào)制時通常把一個周期上分成固定的若干份，每一份都

41、有對應(yīng)的占控比，發(fā)相應(yīng)的脈寬信號，該信號用來控制H型電路的相應(yīng)M03管。一般把t在2的周期上分成1000分就足夠能使iP的波形接近所期望的正弦波了。我們只需在計算機內(nèi)制一個1000個點的占空比數(shù)據(jù)表，這1000個點均對應(yīng)與t為2角度以內(nèi)。此表是由精確計算sint得到。當(dāng)t的間隔為0.36用計算機的定時器中斷。在中斷服務(wù)子程序取1000個點中心的對應(yīng)點的占空比值。是取滿1000個點，說明iP完成了一個周期，若要改變速度時只需改變一個值即定時器時間常數(shù)即可改變了檢表取表的速度，改變iP的頻率的目的完成變速的要求。,第六節(jié) 伺服系統(tǒng)的位置控制,位置控制分為開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)控制。開環(huán)控制實際上就是步

42、進電機系統(tǒng)。半閉環(huán)一般只能保證伺服電機的角位移，無法從根本上消除傳動間隙。全閉環(huán)可以消除傳動間隙。從電氣角度看，全閉環(huán)與半閉環(huán)是一樣的。在控制方式上位置控制主要由以下三種：,一、數(shù)字比較伺服系統(tǒng),數(shù)字比較伺服系統(tǒng)的閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)框圖如圖7-20所示。整個系統(tǒng)由三部分組成：采用光電編碼器產(chǎn)生位置反饋脈沖信號Pf；實現(xiàn)指令脈沖F與反饋脈沖Pf的脈沖比較，以取得位置偏差信號e；以位置偏差e 作為速度給定的伺服電機速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 閉環(huán)與半閉環(huán)在結(jié)構(gòu)上的不同點是：半閉環(huán)的檢測元件一般安裝在絲杠軸上，而閉環(huán)的檢測元件則安裝在工作臺上。 閉環(huán)數(shù)字比較伺服系統(tǒng)的工作原理簡述如下： （1）開始時，指令脈沖F=0

43、，且工作臺原來處于靜止?fàn)顟B(tài)，則反饋脈沖Pf為零，經(jīng)比較環(huán)節(jié)則e=F-Pf=0，那么伺服電機的速度給定為零，伺服電機不動，工作臺仍處于靜止?fàn)顟B(tài)。 （2）令脈沖為正向指令脈沖時，即F0，工作臺在沒有移動之前，反饋脈沖Pf仍為零，經(jīng)比較環(huán)節(jié)比較 ，e=F-Pf0，那么，調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動工作臺正向進給。隨著電機的運轉(zhuǎn)，檢測元件的反饋脈沖信號通過采樣進入比較環(huán)節(jié)。該脈沖比較環(huán)節(jié)對F和Pf進行比較，按負(fù)反饋原理，只有當(dāng)F和Pf的脈沖個數(shù)相等時，偏差e=F-Pf=0，工作臺才重新穩(wěn)定在指令所規(guī)定的位置上。,（3）當(dāng)指令脈沖F為負(fù)向指令時，即F0，其控制過程與F為正向指令脈沖的控制過程類似，只是此時e0，工作臺向

44、反方向進給。最后，工作臺準(zhǔn)確地停在指令所規(guī)定的反向的某個穩(wěn)定位置上。 （4）比較環(huán)節(jié)輸出的位置偏差信號e是一個數(shù)字量，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后，才能變?yōu)槟M給定電壓，使模擬調(diào)速系統(tǒng)工作。 數(shù)字比較伺服系統(tǒng)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)比較簡單，易于實現(xiàn)數(shù)字化控制。在控制性能上數(shù)字 比較伺服系統(tǒng)要優(yōu)于模擬方式，混合方式的伺服系統(tǒng)。,二、相位比較伺服系統(tǒng),相位比較伺服系統(tǒng)是數(shù)控機床常用的一種位置控制系統(tǒng)。它的結(jié)構(gòu)形式與所用的位置檢測元件有關(guān)，常用的檢測元件是旋轉(zhuǎn)變壓器和感應(yīng)同步器，并要工作在相位工作狀態(tài)。 圖7-20，閉環(huán)相位比較伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。它們在結(jié)構(gòu)上基本相同唯一區(qū)別是檢測元件及在機床上的安裝位置不同。它們的主要部分

45、有：基準(zhǔn)信號發(fā)生器，脈沖調(diào)相器，檢測元件，鑒相器，伺服放大器，伺服電機等。 脈沖調(diào)相器又稱數(shù)字相位變換器，它的作用是將來自數(shù)控裝置的進給脈沖信號轉(zhuǎn)換為相位變化信號，該相位變化信號，可用正弦信號或方波信號表示。若沒有進給脈沖輸出，則脈沖調(diào)相器的輸出與基準(zhǔn)信號發(fā)生器發(fā)出的基準(zhǔn)信號同相位，沒有相位差。若輸出一個正向或反向進給脈沖，則脈沖調(diào)相器就輸出超前或滯后基準(zhǔn)信號一個相應(yīng)的相位角。 鑒相器有兩個輸入信號，這兩個輸入信號同頻率，其相位均以與基準(zhǔn)信號的相位差表示。鑒相器就是鑒別這兩個輸入信號的相位差，其輸出信號為正比于這個輸入信號的電壓信號。,相位比較伺服系統(tǒng)中，檢測元件工作在相位工作狀態(tài)。檢測信號經(jīng)

46、整形放大后的Pb作為位置反饋信號。進給脈沖（指令脈沖）F經(jīng)脈沖調(diào)相后，轉(zhuǎn)換成頻率為F0的脈沖信號Pa。Pa、Pb為鑒相器的輸入，鑒相器的輸出信號就反映了指令位置與實際位置的偏差。經(jīng)伺服系統(tǒng)放大器和伺服電機構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)，驅(qū)動工作臺，實現(xiàn)位置跟蹤。相位比較伺服系統(tǒng)的工作原理簡述如下： （1）工作臺靜止?fàn)顟B(tài) 指令脈沖F=0，工作臺原來靜止，則Pa、Pb為同頻率同相位的脈沖信號，經(jīng)鑒相器鑒相判別=0，那么伺服放大器的速度給定為零，它輸出到伺服電機的電樞電壓為零，電機不轉(zhuǎn)，則工作臺維持在靜止?fàn)顟B(tài)。 （2）工作臺正向運動 當(dāng)指令脈沖F為正，經(jīng)脈沖調(diào)相器，Pa產(chǎn)生的相移+。因工作臺原來靜止，Pb=0，那么

47、鑒相器的輸出=Pa-Pb=+0，則伺服驅(qū)動部分就使工作臺作正向運動，直至為零而止。 （3）工作臺負(fù)向運動 當(dāng)指令脈沖F為負(fù)，經(jīng)脈沖調(diào)相器，Pa產(chǎn)生的相移-。那么鑒相器的輸出 =-。在的控制下，伺服電機驅(qū)動工作臺作負(fù)向運動直至為零而止。 總之，機床工作臺在指令脈沖的作用下，作正向或反向運動，Pa、Pb在新的位置上繼續(xù)保持同頻同相的穩(wěn)定狀態(tài)，一旦F=0，正在運動著的工作臺就迅速制動,三、幅值比較伺服系統(tǒng),幅值比較伺服系統(tǒng)中，是以位置檢測，則信號的幅值大小來反映機械位移的數(shù)值，并以此作為反饋信號。檢測元件以幅值工作狀態(tài)進行工作，常用的檢測元件主要有旋轉(zhuǎn)變壓器和感應(yīng)同步器。 閉環(huán)幅值比較伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

48、框圖如圖7-21所示，從圖中看出，比較環(huán)節(jié)是數(shù)字比較，實現(xiàn)指令脈沖信號F與反饋脈沖信號Pf的比較，以獲得位置偏差信號s。 由幅值工作狀態(tài)的感應(yīng)同步器的原理可知。位置檢測元件的輸出電壓是正弦交變信號幅值與角度d-的差值的正弦值成比例。d是系統(tǒng)設(shè)定的值，是反映實際位移x的電角度。只有當(dāng)差值d-在90范圍內(nèi)，該幅值的絕對值才與|sin（d-）|成正比，若d，則檢測信號的幅值為正。該檢測信號幅值的正負(fù)表明了指令位置與實際位置之間超前或滯后的關(guān)系。與的差值越大，則位置的偏差越大。由此看來，只要能檢測元件輸出電壓信號的幅值，就能獲得勵磁d與的相對關(guān)系。這就是鑒幅器的任務(wù)。為了進行閉環(huán)控制，該電壓幅值需經(jīng)電

49、壓頻率變換電路變成相應(yīng)的數(shù)字脈沖，一方面與F比較比獲得位置偏差信號s，另一方面作為修改輸入信號中d值的設(shè)定輸入。下面簡述幅值比較伺服系統(tǒng)的工作原理： 若F=0，則工作臺靜止不動，若指令脈沖F=0，則有d=（原來靜止?fàn)顟B(tài)），經(jīng)鑒相檢測到檢測元件輸出電壓幅值為零，由電壓頻率變換電路所得的Pf也為零，那么比較輸入輸出位置偏差信號s=F-Pf=0，則伺服電機調(diào)速部分的速度給定為零，工作臺繼續(xù)移動。, 若F為正的指令脈沖，則工作臺正向運動，由于伺服電機未轉(zhuǎn)動之前，d與均未變，仍保持相等，所以反饋脈沖Pf亦為零，若F為正指令脈沖，那么s=F-Pf0。s經(jīng)D/A變換后作為伺服電機調(diào)速系統(tǒng)的速度給定值。伺服電

50、機向正指令位置轉(zhuǎn)動。帶動工作臺正向運動。一運動，d與不相等，反饋脈沖Pf就出現(xiàn)了。則位置偏差值s逐漸減小，直至F=Pf，s=0。系統(tǒng)在新的指令位置上達到平衡，工作臺停止正向運動。 需指出的是，變化，若d不隨變化，雖然工作臺在向指令位置靠近，但d與的差值增加了。這不符合系統(tǒng)設(shè)計要求，為此，把Pf經(jīng)勵磁電路修改d，使d跟隨變化。一旦指令脈沖 F 重新為零，反饋脈沖 Pf 一方面使 s 為零，另一方面也使d值增大， 令d與差值為零，使在新的平衡位置是檢測元件輸出電壓為零。 若F指令脈沖為負(fù)，則工作臺向負(fù)方向移動。若F為負(fù)指令脈沖，即F0時基本相似，只是工作臺向反向移動。d也跟隨變化，直至在負(fù)向的指令

51、位置而停止。 綜上所述，在幅值比較伺服系統(tǒng)中，勵磁信號的電角度d由系統(tǒng)設(shè)定，并跟隨工作臺的進給變化?？梢岳胐作為工作臺實際位置的測量值，并通過數(shù)顯裝置將其顯示。工作臺在穩(wěn)定平衡位置時，數(shù)顯裝置所顯示的是指令位置的實測值。,第七節(jié) 數(shù)控伺服系統(tǒng)的可靠性,數(shù)控機床的自動化程度高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在伺服系統(tǒng)中更是集中了大量不同品種規(guī)格、不同電壓等級和控制功率的電子和電力器件，因此對整個系統(tǒng)的可靠性提出了很高的要求。 通常，數(shù)控系統(tǒng)的可靠性主要取決于由弱電電子器件組成的控制部分的性能。這一方面是由于電子元器件環(huán)境應(yīng)用中自身也有可靠性的問題，同時也由于伺服系統(tǒng)中強電設(shè)備將對整個數(shù)控裝置產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾，因

52、此，本節(jié)把數(shù)控伺服系統(tǒng)可靠性問題的討論主要集中在電子器件控制部分。 實際上，數(shù)控裝置作為一個工業(yè)自動控制系統(tǒng)，不能在設(shè)計和研究之后才注意到它的可靠性問題，而應(yīng)該在系統(tǒng)設(shè)計的初期就著手進行可靠性設(shè)計。本節(jié)將對可靠性的基本概念和有關(guān)數(shù)控伺服系統(tǒng)可靠性設(shè)計的基本方法作簡要介紹。,一、可靠性的基本概念,可靠性是產(chǎn)品的一種屬性，是其在規(guī)定條件下正確執(zhí)行預(yù)期功能在時間上的量度。只有 功能適當(dāng)，操作使用方便而且有效使用期長的產(chǎn)品，才能在工業(yè)環(huán)境中推廣應(yīng)用。因此，可靠性往往是對產(chǎn)品質(zhì)量進行綜合評價的重要指標(biāo)。 隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)在對于工業(yè)控制系統(tǒng)的可靠性問題已不再局限于一般定性的或純理論的分析，而開始逐步地建

53、立起一系列工程計算的方法。下面介紹在工業(yè)控制系統(tǒng)中有關(guān)可靠性的一些基本概念。,1可靠度R（t） 一個系統(tǒng)（或設(shè)備，元件等）在規(guī)定的條件下，工作到t時刻，能正確的完成規(guī)定功能的概率，稱為描述其可靠性程度的特征量，簡稱可靠度，記作R（t）。 可以簡單的說，可靠度是產(chǎn)品在一定的時間內(nèi)不易發(fā)生故障的程度，與之相對的則是因系統(tǒng)故障而引起規(guī)定功能的失效。 2失效率(t) 失效率是指在t時刻之前系統(tǒng)沒有發(fā)生故障，而在t時刻之后的單位時間內(nèi)因故障而引起的失效的概率。失效率從反面說明系統(tǒng)的可靠性，因而也廣泛的應(yīng)用于可靠性的討論中。 通常，可靠度和失效率都是時間的函數(shù)。對于一個實際的產(chǎn)品或系統(tǒng)，這些可靠性函數(shù)可通

54、過對大量的隨機發(fā)生的失效事件的統(tǒng)計計算取得結(jié)果。通常，對于一個質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品，其失效可用一個常數(shù)表示，即稱為平均失效率，記作?？赏ㄟ^試驗確定受試產(chǎn)品的平均失效率，其計算公式為 =n/Tn （7.7.1） 式中 n定時間內(nèi)失效的產(chǎn)品數(shù)； Tn受試產(chǎn)品的總試驗時間； N受試產(chǎn)品的總數(shù)。失效率的單位為“1/n”，常用單位為“%/kh”，或?qū)懽鳛椤癶”。,圖7-23 典型的可靠性曲線,圖7-23是典型的可靠度R（t）和失效率（t）曲線。失效率（t）有一段低平部 分，表示產(chǎn)品的偶然失效率可視為常數(shù)。此時，其可靠度為以為參數(shù)的指數(shù)函數(shù) R(t)=e-t 表7-1為常用電子元器件失效率數(shù)據(jù)的列表，可用于系統(tǒng)

55、可靠性計算時的參考。 對于象數(shù)控機床這樣的工業(yè)自動控制系統(tǒng)，由于所包含的元器件品種規(guī)格多，數(shù)量大，所以整機可靠性問題往往要比單個元器件的情況復(fù)雜的多。圖7-24為表示一個系統(tǒng)的失效率隨時間變化的典型曲線。按照曲線的形狀，這種失效率曲線常稱為“浴盤曲線”。該曲線可分成三個時期： （1） 早期（ttA） 一種產(chǎn)品由于設(shè)計制造等內(nèi)在的質(zhì)量問題，或者因為包裝，運輸，存儲和使用方面的種種因素，往往在推出的初期會暴露出較多的缺陷。因而，在早期使用中將出現(xiàn)較高的失效率。隨著時間的推移，通過不斷完善設(shè)計和制造工藝，可以是失效率逐漸降低到一個而穩(wěn)定的數(shù)值。這種情況類似機械運動部件之間“跑合”過程。 （2） 有效

56、壽命期（tAttB） 成熟產(chǎn)品中的大部分進入了質(zhì)量穩(wěn)定的有效期。此時產(chǎn)品的失效是因偶然原因造成的故障，也稱偶然失效期。在該期間內(nèi)，可以認(rèn)為失效率是常數(shù)，即(t)= 。在表7.7.1中的失效率數(shù)值就是有效壽命期中的偶然失效率。,（3）損壞期（tBt） 器件的材料和結(jié)構(gòu)相繼發(fā)生磨損、老化以至損壞，造成系統(tǒng)的失效率急劇上升。產(chǎn)品一旦達到這一時期，應(yīng)該盡快更換或淘汰。 對于一個應(yīng)用系統(tǒng)，總是希望早期失效持續(xù)時間短且失效率盡量低，有效壽命期盡量長一些。通常，驗收考機時，要求連續(xù)工作幾個小時至幾十小時，就是希望及時發(fā)現(xiàn)或淘汰早期失效的產(chǎn)品。一種產(chǎn)品如果早期失效率過高，顯然會給使用者造成不可靠的印象。即使在

57、有效壽命期內(nèi)，失效率還與實際的使用環(huán)境有關(guān)，其中尤其以負(fù)載大小和環(huán)境溫度對比性能的影響最大。例如，對于電阻，晶體管，集成電路，電容器件，以負(fù)載功率的十分之一時失效率為表7-1中的數(shù)量。然而負(fù)載若增加到額定值，失效率就可能提高26倍左右。所以從可靠性的角度看，額定負(fù)載并非是元器件長期穩(wěn)定工作的安全邊界。 3平均故障間隔時間MTBF(Mean Time Between Failures) 對于一個可維護的系統(tǒng)，兩次故障之間平均工作時間稱為平均故障間隔時間，簡稱MTBF，也稱平均無故障工作時間。即MTBF=(可能工作的總時間)/(總的故障數(shù)) 在實用中常常用MTBF表示產(chǎn)可靠性的一項指標(biāo)。作為一種平

58、均壽命的表示方法，其值可由下式計算： MTBF=1/ (7.7.1) 4平均故障修復(fù)時間MTTR(Mean Time To Repair) 考慮到實際系統(tǒng)的故障總是難免的，對于可維護的系統(tǒng)，總希望一旦出現(xiàn)故障，修復(fù)的時間越短越好。一個系統(tǒng)的平均故障修復(fù)時間，簡稱MTBF，依據(jù)具體情況應(yīng)該有一定的限制。一般，系統(tǒng)的MTBF越大，而MTTR越小，則它的可靠性很高，可維修性也很好。,作為一種綜合評價的尺度，可提出有效的概念。把MTBF看作系統(tǒng)的可能工作時間，把MTTR看作為不能工作時間，則可能工作時間與總時間之比稱為該系統(tǒng)的平均有效度，記作A。A=MTBF/(MTBF+MTTR) 有效度能比較全面地

59、反映出一個系統(tǒng)可供正確使用的能力。,二、影響可靠性的因素,一臺數(shù)控機床，從數(shù)控柜到伺服電機，電子和電力元件五花八門，成千上萬，要對影響整機可靠性的因素作全面的分析評價是極為困難的。只有少數(shù)的專門機構(gòu)才有可能對次作深入的研究分析。而對大多數(shù)應(yīng)用人員，只能從一些具體問題入手，根據(jù)已有的實踐經(jīng)驗作一定的分析，努力采取必要的措施克服不利因素，提高整機的可靠性。 1元器件的失效 元器件是構(gòu)成整個數(shù)控裝置的基本單元，單個器件的可靠性是整機可靠性的基礎(chǔ)。按照概率計算的法則，整機的失效率等于各組成部分失效率之和。例如，若設(shè)某個裝置由5000個硅三極管組成，在不考慮溫度和負(fù)載對失效率的影響時，可作如下計算：查表7.7.1可知，1個硅三極管的失效率=0.01(h-5)，則平均無故障間隔時間MTBF=1/=10+7(h)。5000個該類元件總失效率=50000.01=50(h-5),則MTBF=1/=2103(h) 由此可見，隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴大，并且再