伺服控制系統(tǒng)

區(qū)第十章伺服控制系統(tǒng)_J=J本章概述伺服系統(tǒng)是指以機(jī)械位置或角度作為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)。在數(shù)控機(jī)床中，伺服系統(tǒng)主要指各坐標(biāo)軸進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的位置控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)接受來自CNC裝置的進(jìn)給脈沖，經(jīng)變換和放大，再驅(qū)動(dòng)各加工坐標(biāo)軸按指令脈沖運(yùn)動(dòng)。這些軸有的帶動(dòng)工作臺(tái)，有的帶動(dòng)刀架，通過及個(gè)坐標(biāo)軸的綜合聯(lián)動(dòng)，使刀具相對(duì)于工件產(chǎn)生各種復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，加工出所要求的復(fù)雜形狀工件。進(jìn)給伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置和機(jī)床機(jī)械傳部件間的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。它包括機(jī)械、電子、電機(jī)（早期產(chǎn)品還包括液壓）等各種部件，并涉及到強(qiáng)電與弱電控制，是一個(gè)比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)。要使它成為一個(gè)既能使各部件互相配合協(xié)調(diào)工作，又能滿足相當(dāng)高的技術(shù)性能指標(biāo)的控制系統(tǒng)，的確是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的任務(wù)。再現(xiàn)有技術(shù)條件下，CNC裝置的性能已相當(dāng)優(yōu)異，并正在迅速向更高水平發(fā)展，而數(shù)控機(jī)床的最高運(yùn)動(dòng)速度、跟蹤及定位精度、加工表面質(zhì)量、生產(chǎn)率及工作可靠性等技術(shù)指標(biāo)，往往又主要決定于伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。數(shù)控機(jī)床的故障也主要出現(xiàn)在伺服系統(tǒng)上?？梢娞岣咚欧到y(tǒng)的技術(shù)性能和可靠性，對(duì)于數(shù)控機(jī)床具有重大意義，研究與開發(fā)高性能的伺服系統(tǒng)一直是現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)之一。本章要點(diǎn)*了解位置控制系統(tǒng)的概況、基本要求、特點(diǎn)和系統(tǒng)組成。■?掌握步進(jìn)電動(dòng)機(jī)環(huán)形分配器的基本原理及其硬、軟件的實(shí)現(xiàn)方法；■?掌握步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不同類型的驅(qū)動(dòng)電路及其優(yōu)缺點(diǎn)。目錄：10.1概述10.1.1伺服系統(tǒng)的組成及工作原理10.1.2伺服系統(tǒng)的分類10.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)位置控制系統(tǒng)10.2.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖分配電路10.2.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)電路10.3伺服系統(tǒng)中的位置檢測(cè)元件10.3.1位置檢測(cè)元件的要求和種類10.3.2光電脈沖編碼器10.3.3旋轉(zhuǎn)變壓器10.4直流伺服系統(tǒng)10.4.1直流伺服系統(tǒng)類型10.4.2脈沖比較型直流伺服系統(tǒng)10.5交流伺服系統(tǒng)簡介10.1概述伺服系統(tǒng)是指以機(jī)械位置或角度作為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)。在數(shù)控機(jī)床中，伺服系統(tǒng)主要指各坐標(biāo)軸進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的位置控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)接受來自CNC裝置的進(jìn)給脈沖，經(jīng)變換和放大，再驅(qū)動(dòng)各加工坐標(biāo)軸按指令脈沖運(yùn)動(dòng)。這些軸有的帶動(dòng)工作臺(tái)，有的帶動(dòng)刀架，通過及個(gè)坐標(biāo)軸的綜合聯(lián)動(dòng)，使刀具相對(duì)于工件產(chǎn)生各種復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，加工出所要求的復(fù)雜形狀工件。進(jìn)給伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置和機(jī)床機(jī)械傳部件間的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。它包括機(jī)械、電子、電機(jī)（早期產(chǎn)品還包括液壓）等各種部件，并涉及到強(qiáng)電與弱電控制，是一個(gè)比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)。要使它成為一個(gè)既能使各部件互相配合協(xié)調(diào)工作，又能滿足相當(dāng)高的技術(shù)性能指標(biāo)的控制系統(tǒng)，的確是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的任務(wù)。再現(xiàn)有技術(shù)條件下，CNC裝置的性能已相當(dāng)優(yōu)異，并正在迅速向更高水平發(fā)展，而數(shù)控機(jī)床的最高運(yùn)動(dòng)速度、跟蹤及定位精度、加工表面質(zhì)量、生產(chǎn)率及工作可靠性等技術(shù)指標(biāo)，往往又主要決定于伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。數(shù)控機(jī)床的故障也主要出現(xiàn)在伺服系統(tǒng)上?？梢娞岣咚欧到y(tǒng)的技術(shù)性能和可靠性，對(duì)于數(shù)控機(jī)床具有重大意義，研究與開發(fā)高性能的伺服系統(tǒng)一直是現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)之一。10.1.1伺服系統(tǒng)的組成及工作原理伺服電機(jī)又稱執(zhí)行電機(jī)，它時(shí)控制電機(jī)的一個(gè)種類。伺服電機(jī)可以把輸入的電壓信號(hào)變換成為軸上的角唯一和角速度輸出。在控制系統(tǒng)中，伺服系統(tǒng)時(shí)一種十分廣泛應(yīng)用的系統(tǒng)，伺服電機(jī)在系統(tǒng)中的用作執(zhí)行元件的。根據(jù)被控對(duì)象的不同，由伺服電機(jī)組成的伺服系統(tǒng)一般有三種基本控制方式，即位置、速度、力矩控制方式。通常位置和速度控制用得比較多。在伺服系統(tǒng)中，控制電路十分關(guān)鍵，它直接影響到系統(tǒng)的性能品質(zhì)。10.1.2伺服系統(tǒng)的分類按調(diào)節(jié)理論分類開環(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(dòng)元件主要是功率步進(jìn)電機(jī)或液壓脈沖馬達(dá)。這兩種驅(qū)動(dòng)元件的工作原理的實(shí)質(zhì)是數(shù)字脈沖到角度位移的變換，它不用位置檢測(cè)元件實(shí)現(xiàn)定位，而是靠驅(qū)動(dòng)裝置本身，轉(zhuǎn)過的角度正比與指令脈沖的個(gè)數(shù)；運(yùn)動(dòng)速度由進(jìn)給脈沖的頻率決定。開環(huán)伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單，易于控制，但精度差，低速不平穩(wěn)，告訴扭矩小。一般用于輕載負(fù)載變化不大或經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床上。閉環(huán)伺服系統(tǒng)閉環(huán)伺服系統(tǒng)是誤差控制隨動(dòng)隨動(dòng)系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的誤差，是CNC輸出的位置指令和機(jī)床工作臺(tái)（或刀架）實(shí)際位置的差值。閉環(huán)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)執(zhí)行元件不能反映運(yùn)動(dòng)的位置，因此需要有位置檢測(cè)裝置。該裝置測(cè)出實(shí)際位移量或者實(shí)際所處的位置，并將測(cè)量值反饋給CNC裝置，與指令進(jìn)行比較，求得誤差，依次構(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(cè)量裝置精度很高，所以系統(tǒng)傳動(dòng)鏈的誤差，環(huán)內(nèi)各元件的誤差以及運(yùn)動(dòng)中造成的誤差都可以得到補(bǔ)償，從而大大提高了跟隨精度和定位精度。半閉環(huán)系統(tǒng)位置檢測(cè)元件不直接安裝在進(jìn)給坐標(biāo)的最終運(yùn)動(dòng)部件上，而是中間經(jīng)過機(jī)械傳動(dòng)部件的位置轉(zhuǎn)換，稱為間接測(cè)量。亦即坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)鏈有一部分在位置閉環(huán)以外，在環(huán)外的傳動(dòng)誤差沒有得到系統(tǒng)的補(bǔ)償，因而這種伺服系統(tǒng)的精度低于閉環(huán)系統(tǒng)。半閉環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)是一致的，不同點(diǎn)只是閉環(huán)系統(tǒng)環(huán)內(nèi)包括較多的機(jī)械傳動(dòng)部件，傳動(dòng)誤差均可被補(bǔ)償。理論上精度可以達(dá)到很高。但由于受機(jī)械變形、溫度變化、振動(dòng)以及其它因素的影響，系統(tǒng)穩(wěn)定性難以調(diào)整。此外，機(jī)床運(yùn)行一段時(shí)間后，由于機(jī)械傳動(dòng)部件的磨損、變形以及其它因素的改變，容易使系統(tǒng)穩(wěn)定性改變，精度發(fā)生變化。因此，目前使用半閉環(huán)系統(tǒng)較多。只在具備傳動(dòng)部件緊密度高、性能穩(wěn)定、使用過程溫差變化不大的高精度數(shù)控機(jī)床上使用全閉環(huán)伺服系統(tǒng)。按使用驅(qū)動(dòng)元件分類電液伺服系統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件是液壓元件，其前一級(jí)為電氣元件。驅(qū)動(dòng)元件為液壓機(jī)和液壓缸，常用的有電液脈沖馬達(dá)和電液伺服馬達(dá)。數(shù)控機(jī)床發(fā)展的初期，多數(shù)采用電液伺服系統(tǒng)。電液伺服系統(tǒng)具有在低速下可以得到很高的輸出力矩，以及剛性好、時(shí)間常數(shù)小、反映快和速度平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。然而，液壓系統(tǒng)需要油箱、油管等供油系統(tǒng)，體積大。此外，還有噪聲、漏油等問題，故從20世紀(jì)70年代起逐步被電氣伺服系統(tǒng)代替。只是具有特殊要求時(shí)才采用電液伺服系統(tǒng)。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(jī)部件，操作維護(hù)方便，可靠性高。電氣伺服系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)元件主要有步進(jìn)電機(jī)和交流伺服電機(jī)。它們沒有液壓系統(tǒng)中的噪聲、污染和維修費(fèi)用高等問題，但反應(yīng)速度和低速力矩不如液壓系統(tǒng)高，現(xiàn)在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)線路、電機(jī)本身的結(jié)構(gòu)都得到很大的改善，性能大大提高，已經(jīng)在更大的范圍取代液壓伺服系統(tǒng)。按使用直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)分直流伺服系統(tǒng)直流伺服系統(tǒng)常用的伺服電機(jī)有小慣量直流伺服電機(jī)和永磁直流伺服電機(jī)（也稱為大慣量寬調(diào)速直流伺服電機(jī)）。小慣量伺服電機(jī)最大限度地減少了電樞的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，所以能獲得最好的快速性。小慣量伺服電機(jī)一般都設(shè)計(jì)成有高的額定轉(zhuǎn)速和低的慣量，所以應(yīng)用時(shí)，要經(jīng)過中間機(jī)械傳動(dòng)（如齒輪副）才能與絲杠相連接。交流伺服系統(tǒng)交流伺服系統(tǒng)使用交流異步伺服電機(jī)和永磁同步伺服電機(jī)。由于直流伺服電機(jī)存在著固有的圈點(diǎn)，使其應(yīng)用環(huán)境受到限制。交流伺服電機(jī)沒有這些缺點(diǎn)，且轉(zhuǎn)子慣量較直流電機(jī)小，使得動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。另外在同體積條件下，交流電機(jī)的輸出功率可比直流電機(jī)提高10%?70%。還有交流電機(jī)的容量可以比直流電機(jī)造的大，達(dá)到更高的轉(zhuǎn)速和電壓。按進(jìn)給驅(qū)動(dòng)和主軸驅(qū)動(dòng)分類進(jìn)給伺服系統(tǒng)進(jìn)給伺服系統(tǒng)是指一般概念的伺服系統(tǒng)，它包括速度控制環(huán)和位置控制環(huán)。進(jìn)給伺服系統(tǒng)完成各坐標(biāo)軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，具有定位和輪廓跟蹤功能。王軸伺服系統(tǒng)嚴(yán)格來說，一般的主軸控制只是一個(gè)速度控制系統(tǒng)。主要實(shí)現(xiàn)主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，提供切削過程中的轉(zhuǎn)矩和功率，且保證任意轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，完成在轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的無極變速。具有C軸控制的主軸與進(jìn)給伺服系統(tǒng)一樣，為一般概念的位置伺服控制系統(tǒng)。區(qū)10?2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)位置控制系統(tǒng)ZU步進(jìn)電動(dòng)機(jī)位置控制系統(tǒng)一般采用開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。10.2.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖分配電路步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組是按一定通電方式工作的，為實(shí)現(xiàn)這種輪流通電，需將控制脈沖按規(guī)定的通電方式分配到電動(dòng)機(jī)的每相繞組。這種分配既可以用硬件來實(shí)現(xiàn)，也可以用軟件來實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)脈沖分配的硬件邏輯電路稱為環(huán)行分配器。在計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)中，采用軟件實(shí)現(xiàn)脈沖分配的方式相應(yīng)稱作軟件環(huán)分。⑴ Cb)⑴ Cb)JWLJL步進(jìn)毓沖分配器電源步進(jìn)電劫機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方推圖硬件環(huán)形分配器：硬件環(huán)形分配器需要根據(jù)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相數(shù)和要求的通電方式設(shè)計(jì)，圖為一個(gè)三相六拍的環(huán)形分配器。分配器的主體是三個(gè)J-K觸發(fā)器。三個(gè)J-K觸發(fā)器的Q輸出端分別經(jīng)各自的功放線路與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)A、B、C三相繞組連接。當(dāng)QA=1時(shí)，A相繞組通電；QB=1時(shí)，B相繞組通電；QC=1時(shí)，C相繞組通電。W+AX和W-AX是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制信號(hào)。正轉(zhuǎn)時(shí)，各相通電順序：A-AB-B-BC-C-CA反轉(zhuǎn)時(shí)，各相通電順序：A-AC-C-CB-B-BA（h）A柑通電 （b）B相通電<c）C相通電軟件環(huán)分：對(duì)于不同的計(jì)算機(jī)和接口器件，軟件環(huán)分有不同的形式，現(xiàn)以AT89C51單片機(jī)配置的系統(tǒng)為例加以說明。1） 由P1口作為驅(qū)動(dòng)電路的接口控制脈沖經(jīng)AT89C51的并行I/O接口P1口輸出到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相的功率放大器輸入，設(shè)P1口的P1.0輸出至A相，P1.1輸出至B相，P1.2輸出至C相。2） 建立環(huán)形分配表為了使電動(dòng)機(jī)按照如前所述順序通電，首先必須在存儲(chǔ)器中建立一個(gè)環(huán)形分配表，存儲(chǔ)器各單元中存放對(duì)應(yīng)繞組通電的順序數(shù)值，當(dāng)運(yùn)行時(shí)，依次將環(huán)形分配表中的數(shù)據(jù)，也就是對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)器單元的內(nèi)容送到P1口，使P1.0、P1.1、P1.2依次送出有關(guān)信號(hào)，從而使電動(dòng)機(jī)輪流通電。表為三相六拍環(huán)形分配表，K為存儲(chǔ)器單元基地址（十六位二進(jìn)制數(shù)），后面所加的數(shù)為地址的索引值。

可見，要是電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，只需依次輸出表中各單元的內(nèi)容即可。當(dāng)輸出狀態(tài)已是表底狀態(tài)時(shí)，則修改索引值使下次輸出重新為表首狀態(tài)。如要使電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，則只需反向依次輸出各單元的內(nèi)容。當(dāng)輸出狀態(tài)達(dá)到表首狀態(tài)時(shí)，則修改指針使下一次輸出重新為表底狀態(tài)。10.2.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)電路步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路實(shí)際上是一種脈沖放大電路，使脈沖具有一定的功率驅(qū)動(dòng)能力。由于功率放大器的輸出直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)繞組，因此，功率放大電路的性能對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能影響很大。對(duì)驅(qū)動(dòng)電路要求的核心問題則是如何提高步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的快速性和平穩(wěn)性。目前，國內(nèi)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路主要有以下幾種：1.單電壓限流型驅(qū)動(dòng)電路單電壓驅(qū)動(dòng)電路圖所示是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一相的驅(qū)動(dòng)電路，L是電動(dòng)機(jī)繞組，晶體管VT可以認(rèn)為是一個(gè)無觸點(diǎn)開關(guān)，它的理想工作狀態(tài)應(yīng)使電流流過繞組L的波形盡可能接近矩形波。但是由于電感線圈中的電流指數(shù)規(guī)律上升，其時(shí)間常數(shù)，須經(jīng)過的時(shí)間后才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)電流。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組本身的電阻很小，所以，時(shí)間常數(shù)很大，從而嚴(yán)重影響電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)頻率。為了減小時(shí)間常數(shù)，在勵(lì)磁繞組中串以電阻R，這樣時(shí)間常數(shù)就大大減小，縮短了繞組中電流上升的過度過程，從而提高了工作速度。在電阻R兩端并聯(lián)電容C，是由于電容上的電壓不能突變，在繞組由截止到導(dǎo)通的瞬間，電源電壓全部降落在繞組上，使電流上升更快，所以，電容C又稱為加速電容。單電壓驅(qū)動(dòng)電路二極管V在晶體管VT截止時(shí)起續(xù)流和保護(hù)作用，以防止晶體管截止瞬間繞組產(chǎn)生的反電勢(shì)造成管子擊穿，串聯(lián)電阻RD使電流下降更快，從而使繞組電流波形后沿變陡。這種電路的缺點(diǎn)是R上有功率消耗。為了提高快速性，需加大R的阻值，隨著阻值的加大，電源電壓也勢(shì)必提高，功率消耗也進(jìn)一步加大，正因?yàn)檫@樣，單電壓限流型驅(qū)動(dòng)電路的使用受到了限制。2.高低壓切換型驅(qū)動(dòng)電路高低壓切換型驅(qū)動(dòng)電路的最后高低壓制接型翼幼帽踣M原理田Cb）唱龐、電流波形圖一級(jí)如圖（a）所示，相應(yīng)的電壓電流波形圖如圖（b）所示。這種電路中采用高壓和低壓兩種電壓供電，一般高壓大于60V，低壓為5高低壓制接型翼幼帽踣M原理田Cb）唱龐、電流波形圖V1在VT1和VT2都截止時(shí)通過電源和V2為電機(jī)繞組提供放電回路。在t1-t2時(shí)間內(nèi)。VT1和VT2均飽和導(dǎo)通，+80V的高壓電源經(jīng)過VT1和VT2管加到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的繞組上，使其電流迅速上升，當(dāng)時(shí)間到達(dá)t2時(shí)，或電流上升到某一數(shù)值時(shí)，Ub2變?yōu)榈碗娖剑琕T2截止，電動(dòng)機(jī)繞組的電流由+12V電源經(jīng)過VT1管來維持，此時(shí)，電流下降到電動(dòng)機(jī)的額定電流，直到t3時(shí)Ub1也為低電平，VT1管截止，電動(dòng)機(jī)繞組電流下降到0。一般電壓

Ub1由脈沖分配經(jīng)過幾級(jí)放大獲得，電壓Ub2由單穩(wěn)定時(shí)或定流裝置再經(jīng)脈沖變壓器獲得。優(yōu)點(diǎn)：功耗小，啟動(dòng)力矩大，突跳頻率和工作頻率高。優(yōu)點(diǎn)：功耗小，啟動(dòng)力矩大，突跳頻率和工作頻率高。缺點(diǎn)：大功率管的數(shù)量要多用一倍，增加了驅(qū)動(dòng)電源。PWM型驅(qū)動(dòng)電路恒頻脈寬調(diào)制功放電路基本上是把斬波恒流和斬波平滑功放電路的特點(diǎn)集于一身，功能更好。V1是20kHz的方波，它作為各相D觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)CP，以保證各相以同樣的頻率進(jìn)行斬波。V2是步進(jìn)控制信號(hào)。Vref是比較器OP的正輸入端信號(hào)，它用于確定電機(jī)繞組電流iL的穩(wěn)定值。恒頻脈寬調(diào)制功率放大電路不但有較好高頻特性，而且有效地減少了步進(jìn)電機(jī)的噪聲，同時(shí)還降低了功耗。因此體積也可以減少。但是由于斬波的頻率較高，對(duì)功放管的要求也稍高。而這種電路的低頻振蕩也較高。10.3.1位置檢測(cè)元件的要求和種類感應(yīng)同步器：感應(yīng)同步器根據(jù)用途不同和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分成直線式和旋轉(zhuǎn)式（圓盤式）兩大類，直線式由定尺和滑尺組成，旋轉(zhuǎn)式由定子和轉(zhuǎn)子組成，前者用以測(cè)量工作機(jī)構(gòu)的直線位移，后者用以測(cè)量旋轉(zhuǎn)角度。

網(wǎng)形編碼器持構(gòu)示患閣網(wǎng)形編碼器持構(gòu)示患閣圖所示為直線感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)。定尺和滑尺由一系列開口線圈串聯(lián)而成，其中一尺產(chǎn)生分布的交變磁場(chǎng)，另一尺則作為讀出裝置。由圖可見，當(dāng)兩個(gè)線圈的軸線重合時(shí)，讀出的信號(hào)盡大；而當(dāng)兩個(gè)線圈的軸線錯(cuò)開時(shí)t/2,輸出為零。同理，當(dāng)滑尺繼續(xù)移動(dòng)T/2時(shí)，輸出信號(hào)最大，但相位相反。絕對(duì)值脈沖編碼器：絕對(duì)值編碼器通過讀取編碼盤上的圖案來表示軸的位置。它由一組二元信號(hào)（“0”和“1”）按一定規(guī)律組成代碼，每一個(gè)代碼對(duì)應(yīng)于編碼器的一個(gè)確定位置。編碼器由編碼模具和讀碼裝置兩部分組成。編碼模具由若干個(gè)二進(jìn)制碼元按一定編碼規(guī)律組成。圖表示一個(gè)二進(jìn)制編碼的碼盤，其中4個(gè)碼道分別相應(yīng)于二進(jìn)制的20、21、22和23各位，陰影部分表示為“1”，而空白部分表示為零，共16個(gè)代碼。讀碼裝置是多種多樣的，依編碼模具的二元信號(hào)形成原理而定。例如，以導(dǎo)電一不導(dǎo)電作為“1”和“0”，讀碼裝置就需要采用電刷，而當(dāng)以透光一不透光表示“1”和“0”時(shí)，讀碼裝置相應(yīng)地采用光電方法。光刪：計(jì)量光柵是用于數(shù)控機(jī)床的精密檢測(cè)元件，是閉環(huán)系統(tǒng)中另一種用得較多的測(cè)量裝置，用作位移或轉(zhuǎn)角的測(cè)量，測(cè)量精度可達(dá)幾微米。在玻璃的表面上制成透明與不透明間隔相等的線紋，稱透射光柵；在金屬的鏡面上制成全反射與漫反射間隔相等的線紋，稱反射光柵，也可以把線紋做成具有一定衍射角度的定向光柵。計(jì)量光柵分為長光柵（測(cè)量直線位移）和圓光柵（測(cè)量角位移），而每一種又根據(jù)其用途和材質(zhì)的不同分為多種。柵位置檢測(cè)裝置由光源、長光柵（標(biāo)尺光柵）、短光柵（指示光柵）和光電元件等組成，如圖所示。根據(jù)光柵的工作原理分透射直線式和莫爾條紋式光柵兩類。10.3.2光電脈沖編碼器1、分類與結(jié)構(gòu)脈沖編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生器。它把機(jī)械轉(zhuǎn)角變成電脈沖，是一種常用的角位移傳感器。脈沖編碼器分光電式、接觸式和電磁感應(yīng)式三種。光電式的精度與可靠性都優(yōu)于其他兩種，因此數(shù)控機(jī)床上只使用光電式脈沖編碼器。由霍耳效應(yīng)構(gòu)成的電磁感應(yīng)或脈沖發(fā)生器也有用作速度檢測(cè)的。光電脈沖編碼器按每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖數(shù)的多少來分，又有多種型號(hào)。根據(jù)機(jī)床滾珠絲杠螺距來選用相應(yīng)的脈沖編碼器。增量式光電脈沖編碼器最初的結(jié)構(gòu)就是一種光電盤。在一個(gè)圓盤的圓周上分成相等的透明與不透明部分，圓盤與工作軸一起旋轉(zhuǎn)。此外還有一個(gè)固定不動(dòng)的扇形薄片與圓盤平行放置，并制作有辨向狹繾或狹縫群），當(dāng)光線通過這兩個(gè)作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的透光與不透光部分時(shí)，使光電元件接受到的光通量也時(shí)大時(shí)小地連續(xù)變化（近似于正弦信號(hào)），經(jīng)放大、整形電路的變換后變成脈沖信號(hào)。通過計(jì)量脈沖的數(shù)目和頻率即可測(cè)出工作軸的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速。該編碼器通過十字連接頭與伺服電動(dòng)機(jī)連接，它的法蘭盤固定在電動(dòng)機(jī)的端面上，罩上防護(hù)罩，構(gòu)成完整的驅(qū)動(dòng)部件。光電脈沖編碼器的結(jié)構(gòu)示意圖見圖。光電豚沖柴町胃縮料術(shù)怠甬■—印例電峪成：2-此m3—JI兄骨】—佑*肥Sh

s—6—?-rails-磁、2、工作原理光線透過圓光柵和指示光柵的線紋，在光電元件上形成明暗交替變化的條紋，產(chǎn)生兩組近似于正弦波的電流信號(hào)A與B，兩者的相位相差900,經(jīng)放大、整形電路變成方波，如圖所示。若A相超前于B相，對(duì)應(yīng)電動(dòng)機(jī)作正向旋轉(zhuǎn)；若B相超前于A相，對(duì)應(yīng)電動(dòng)機(jī)作反相旋轉(zhuǎn)。若以該方波的前沿或后沿產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖，可以形成代表正向位移和反向位移的脈沖序列。

阻尼轉(zhuǎn)矩<8N*cm旅密待正潸聊到IJ阻尼轉(zhuǎn)矩<8N*cm旅密待正潸聊到IJ電命—? （a）信號(hào)處理線路（b）光電輸出波形圖Z相是一轉(zhuǎn)脈沖，它是用來產(chǎn)生機(jī)床的基準(zhǔn)點(diǎn)的。通常，數(shù)控機(jī)床的機(jī)械參考點(diǎn)與各軸的脈沖編碼器發(fā)Z相脈沖的位置是一致的。在應(yīng)用時(shí)，從脈沖編碼器輸出的，四個(gè)方波被引入位置控制回路，經(jīng)辨向和乘以倍率后，變成代表位移的測(cè)量脈沖。經(jīng)頻率一電壓變換器變成正比于頻率的電壓，作為速度反饋信號(hào)，供給速度控制單元進(jìn)行速度調(diào)節(jié)。圖（a）為光電脈沖編碼器的信號(hào)處理線路圖。其中施密特觸發(fā)器作為放大整形用。它將相差90o的二組正弦波電流信號(hào)A與B，放大整形為方波。若A相超前B相90o（圖（b）右）則輸出正轉(zhuǎn)脈沖列G；若A相落后B相900,如圖（b）左，則輸出反轉(zhuǎn)脈沖列F。若門電路如圖（b）所示由與或門組成，則在輸入信號(hào)一周期內(nèi)有4個(gè)脈沖輸出，即把與位移（轉(zhuǎn)角）成正比的柵距角或莫爾條紋寬度細(xì)分成四等分了。10.3.3旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器是一種間接測(cè)量裝置，由于它具有結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)作靈敏、工作可靠、對(duì)環(huán)境條件要求低、輸出信號(hào)幅度大和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，所以在連續(xù)控制系統(tǒng)中得到了普通使用。旋轉(zhuǎn)變壓器又叫同步分解器，它是一種控制用的微電機(jī)，在結(jié)構(gòu)上與兩相繞線式異步電動(dòng)機(jī)相似，由定子和轉(zhuǎn)子組成。定子繞組為變壓器一次側(cè)，轉(zhuǎn)子繞組為變壓器二次側(cè)。激磁電壓接到二次側(cè)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)由一次側(cè)輸出。由于定子和轉(zhuǎn)子之間的磁通分布符合正弦規(guī)律，所以當(dāng)激磁電壓加到定子繞組時(shí)，通過電磁耦合，轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。如圖所示，由變壓器原理，設(shè)一次繞組匝數(shù)為N1,二次繞組匝數(shù)為N2,n=N1/N2為變壓比。當(dāng)一次側(cè)輸入交變電壓U1=Umsin①t時(shí)，二次側(cè)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)E2=nU1=nUmsin①t。10.4直流伺服系統(tǒng)"直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和一般直流電動(dòng)機(jī)一樣，只是為了減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量而做得細(xì)長一些。它的勵(lì)磁繞組和電通常采用電樞控制，就是勵(lì)磁電壓f通常采用電樞控制，就是勵(lì)磁電壓f一定，建立的磁通量①也是定值，而將控制電壓Uc加在電樞上，其接線圖如圖所示。直流伺服電動(dòng)機(jī)接線圖直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)構(gòu)特性(n=f(T))和直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)一樣，也用下式表示：n=Uc/KE①-Ra/KEKT①T圖是直流伺服電動(dòng)機(jī)在不同控制電壓下(Uc為額定控制電壓)的機(jī)械特性曲線。直流伺服電動(dòng)機(jī)的n=f(T)曲線由圖可見：在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，當(dāng)磁通不變時(shí)，如果升高電樞電壓，電機(jī)的轉(zhuǎn)速就升高；反之，降低電樞電壓，轉(zhuǎn)速就下降；當(dāng)Uc=0時(shí)，電動(dòng)機(jī)立即停轉(zhuǎn)。要電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，可改變電樞電壓的極性。10.4.1直流伺服系統(tǒng)類型從傳遞函數(shù)的角度來看，位置控制器相當(dāng)于一個(gè)比例環(huán)節(jié)，其比例系數(shù)是KP。位置控制器輸出是數(shù)字量，必須經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換之后才能控制調(diào)速單元，D/A轉(zhuǎn)換也相當(dāng)于一個(gè)比例環(huán)節(jié)，其比例系數(shù)是KA。從位置環(huán)的角度來看，調(diào)速單元可以等效為一慣性環(huán)節(jié)KV(TvS+1)，式中，Tv為慣性時(shí)間常數(shù)；Kv為調(diào)速單元的放大倍數(shù)。調(diào)速單元輸出的量是速度量，這一速度量經(jīng)過積分環(huán)節(jié)1/s后成為角位移量。位置量檢測(cè)環(huán)節(jié)是指位置傳感器(光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器等)和后置處理電路。這個(gè)環(huán)節(jié)也可以看作是一個(gè)比例環(huán)節(jié)，比例系數(shù)是KJ。

相位比較的進(jìn)給伺服系統(tǒng)采用相位比較法實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)，是高性能數(shù)控機(jī)床中所使用的一種伺服系統(tǒng)。相位伺服系統(tǒng)的核心問題是，如何把位置檢測(cè)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的相位檢測(cè)，并通過相位比較實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件的速度控制。棚位比較何暇系境京理槌圖幅值比較的進(jìn)給伺服系統(tǒng)幅值比較伺服系統(tǒng)是以位置檢測(cè)信號(hào)的幅值大小來反映機(jī)械位移的數(shù)值，并以此作為位置反饋信號(hào)與指令信號(hào)進(jìn)行比較構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的特點(diǎn)之一是，所用的位置檢測(cè)元件應(yīng)工作在幅值工作方式。感應(yīng)同步器和旋轉(zhuǎn)變壓器都可以用于幅值伺服系統(tǒng)。幅值伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的過程與相位伺服系統(tǒng)有許多相似之處。數(shù)據(jù)采樣式進(jìn)給伺服系統(tǒng)數(shù)據(jù)采樣式諼垸位置伺版系統(tǒng)兄電健呻糖碼蜀熱迎機(jī)0位置橙粗堪件數(shù)據(jù)采樣式進(jìn)給伺服系統(tǒng)數(shù)據(jù)采樣式諼垸位置伺版系統(tǒng)兄電健呻糖碼蜀熱迎機(jī)0位置橙粗堪件出息件區(qū)1。?4直流伺服系統(tǒng)10.4.2脈沖比較型直流伺服系統(tǒng)（相位比較型）圖所示為用于工件輪廓加工的一個(gè)坐標(biāo)進(jìn)給伺服系統(tǒng)，它包含速度控制單元和位置控制外環(huán)，由于它的位置環(huán)是按給定輸入脈沖數(shù)和反饋脈沖數(shù)進(jìn)行比較而構(gòu)成閉環(huán)控制，所以稱該系統(tǒng)為脈沖比較的位置伺服系統(tǒng)。10.5交流伺