1、数控技术Numerical Control Technology哈尔滨理工大学机械电子工程系董玉红 教授哈尔滨理工大学数控技术精品课程2第3章 数控伺服系统3.1 概述 3.2 伺服系统的驱动元件3.3 步进式伺服系统 3.4 鉴相式伺服系统3.5 鉴幅式伺服系统 3.6 脉冲比较式伺服系统3.7 CNC数字伺服系统哈尔滨理工大学数控技术精品课程33.1 概 述( Introduction ) 数控伺服系统是指以机床移动部件（如工作台、主轴和刀具等）的位置和速度作为控制量的自动控制系统，又称为随动系统。数控伺服系统的作用在于接受来自数控装置的进给脉冲信号，经过一定的信号变换及电压、功率放大，驱
2、动机床移动部件实现运动，并保证动作的快速性和准确性。 哈尔滨理工大学数控技术精品课程43.1.1 对数控伺服系统的要求 精度高 快速响应特性好 调速范围宽 系统可靠性好 哈尔滨理工大学数控技术精品课程53.1.2 数控伺服系统的基本组成 数控伺服驱动系统按有无反馈检测元件分为开环和闭环（含半闭环）两种类型。哈尔滨理工大学数控技术精品课程6 开环伺服系统由驱动控制单元、执行元件和机床组成。通常，执行元件选用步进电机，因系统不对输出进行检测，所以执行元件对系统的特性具有重要影响。 闭环（半闭环）伺服系统由执行元件、驱动控制单元、机床，以及反馈检测元件、比较环节组成。反馈检测元件分为速度反馈和位置反
3、馈两类，闭环伺服系统采用位置反馈元件将工作台的实际位置检测后反馈给比较环节，比较环节将指令信号和反馈信号进行比较，以两者的差值作为伺服系统的跟随误差，经驱动控制单元驱动和控制执行元件带动工作台运动。伺服系统局部闭环回路采用速度反馈单元检测执行元件的速度输出，间接保证工作台的移动精度。哈尔滨理工大学数控技术精品课程73.1.3 数控伺服系统的分类按控制方式和有无检测反馈环节分类 按这种方法可以将伺服系统分为开环、半闭环和闭环伺服系统。 按反馈比较控制方式的不同，闭环、半闭环伺服系统又可分为以下几种： 数字脉冲比较伺服系统 鉴相式伺服系统 鉴幅式伺服系统 全数字伺服系统哈尔滨理工大学数控技术精品课
4、程83.1.3 数控伺服系统的分类按伺服系统的用途和功能分类 按这种方法可以将伺服系统分为进给驱动系统和主轴驱动系统。 进给驱动系统用于数控机床工作台或刀架坐标的控制系统，来控制机床各坐标轴的切削进给运动，并提供切削过程所需的转矩。主轴驱动系统控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴提供驱动功率和所需的切削力。 哈尔滨理工大学数控技术精品课程93.1.3 数控伺服系统的分类按执行元件的类别分类 按这种方法可以将伺服系统分为直流伺服系统和交流伺服系统。 此外，还可按驱动方式分类，将伺服系统分为液压伺服驱动系统、电气伺服驱动系统和气压伺服驱动系统；按控制信号分类，将伺服系统分为数字伺服系统、模拟伺服系统
5、和数字模拟混合伺服系统等。 哈尔滨理工大学数控技术精品课程103.2 伺服系统的驱动元件( Drive Components of Servo System ) 伺服驱动元件又称为执行电机，它具有根据控制信号的要求而动作的功能。在输入电信号之前，转子静止不动；电信号到来之后，转子立即转动，且转向、转速随电信号的方向和大小而改变，同时带动一定的负载运动；电信号一旦消失，转子立即自行停转。哈尔滨理工大学数控技术精品课程113.2.1 步进电机 步进电机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应角位移的机电元件。每输入一个脉冲，步进电机转轴就转过一定角度。 步进电机角位移量与电脉冲数成正比
6、，电机的转速与脉冲频率成正比。改变脉冲频率的高低就可以在很大范围内调速，并能迅速起动、制动、反转。 若用同一频率的脉冲源控制几台步进电机，它们可以同步运行。 哈尔滨理工大学数控技术精品课程123.2.1 步进电机步进电机的种类和工作原理 步进电机的种类繁多，有旋转运动的，直线运动的和平面运动的。从结构上看，它分为反应式与激磁式，激磁式又可分为供电激磁和永磁式两种。按定子数目可分为单段定子式与多段定子式。按相数可分为单相、两相、三相及多相，转子做成多极。 目前反应式步进电机使用较为广泛，下面主要以反应式步进电机为例，介绍步进电机的工作原理。哈尔滨理工大学数控技术精品课程133.2.1 步进电机
7、图3.2所示为三相反应式步进电机的工作原理图。哈尔滨理工大学数控技术精品课程143.2.1 步进电机 它的定子有6个极，每极都绕有控制绕组，每两个相对的极组成一相。转子是4个均匀分布的齿，上面没有绕组。步进电机的工作原理与电磁铁相似。定子绕组依次通电，转子被吸引一步一步前进，每步转过的角度称为步距角。它的工作过程为： 当A相通电时，B相和C相都不通电。由于磁通总是沿着磁阻最小的路径通过，使转子的l、3齿与定子A相的两个磁极齿对齐。哈尔滨理工大学数控技术精品课程153.2.1 步进电机 此时，因转子只受到径向力而无切向力故转矩为零，转子被锁定在该位置上，如图3.2a所示；随后A相断电，B相通电，
8、转子受电磁力的作用，逆时针旋转30，使2、4齿与B相磁极齿对齐，如图3.2b所示；若使B相断电，C相通电，转子再转30，使1、3齿与C相磁极齿对齐，如图3.2c所示。 若C相断电，A相再次通电时， 2、4齿与A相磁极齿对齐，转子又转过30。依此类推，形成步进式旋转。 哈尔滨理工大学数控技术精品课程163.2.1 步进电机 如图3.3所示为一种具有代表性的单段三相反应式步进电机，它的定子上有6个磁极，上面的绕组按星形联接成A、B、C三相。哈尔滨理工大学数控技术精品课程173.2.1 步进电机 每相绕组有两个磁极，转子铁芯上均匀分布40个小齿，定子每个极靴上均布5个小齿。同时定子、转子的齿数应该适
9、当配合，即要求在A-A相一对磁极下，定子、转子齿一一对齐时，下一相（B相）绕组所在的一对磁极下的定子、转子齿错开一个齿距的1/m（m为相数）；再下一相（C相）的一对磁极下的定子、转子齿错开2/m。依此类推。哈尔滨理工大学数控技术精品课程183.2.1 步进电机2.步进电机的特性 步距角 m定子的相数；z转子的齿数；k通电方式系数，三相三拍时k=1,三相六拍时k=2。 起动频率 连续运行频率 加减速特性 另外，矩角特性和动态特性也是步进电机较重要的特性。 mzk360mzk360哈尔滨理工大学数控技术精品课程193.2.2 直流伺服电机1.直流伺服电机的结构特点 mzk360以永磁式宽调速直流电
10、机为例，介绍直流伺服电机的结构特点。哈尔滨理工大学数控技术精品课程203.2.2 直流伺服电机1.直流伺服电机的结构特点 永久磁铁激磁的宽调速直流伺服电机的结构如图3.4所示。电机定子2采用不易去磁的永磁材料，转子1直径大并且有槽，因而热容量大，结构上又采用了通常凸极式和隐极式永磁电机磁路的组合，提高了电机气隙磁密。在电机尾部通常装有低纹波(纹波系数一般在2以下)的测速发电机作为闭环伺服系统必不可少的速度反馈元件，这样不仅使用方便，而且保证了安装精度。mzk360哈尔滨理工大学数控技术精品课程213.2.2 直流伺服电机1.宽调速直流伺服电机性能特点 输出力矩大 过载能力强 动态响应性能好 低
11、速运转平稳 易于调试 宽调速直流伺服电机还同时配装有高精度低纹波的测速发电机，旋转变压器(或编码盘)及制动器，为速度环提供了较高的增益，能获得优良的低速刚度和动态性能。mzk360哈尔滨理工大学数控技术精品课程223.2.2 直流伺服电机2.直流伺服电机调速 晶闸管直流调速（SCR） 晶闸管直流调速是通过调节触发装置的控制电压大小（控制晶闸管的开放角）来移动触发脉冲的相位，从而改变了整流电压的大小，使直流电机电枢电压变化而平滑调速。 脉宽调制直流调速（PWM） PWM调速是在大功率开关晶体管的基极上，加上脉宽可调的方波电压，控制开关管的导通率，达到调速的目的。 mzk360哈尔滨理工大学数控技
12、术精品课程233.2.2 直流伺服电机2.直流伺服电机调速 与晶闸管调速相比，PWM调速具有以下特点： 1）频带宽。 2）电机脉动小。 3）电源的功率因数高。 4）动态硬度好，系统具有良好的线性。 mzk360哈尔滨理工大学数控技术精品课程243.2.2 直流伺服电机2.直流伺服电机调速 脉宽调制直流调速原理 脉宽调制器的基本工作原理是，利用大功率晶体管的开关作用，将直流电压转换成一定频率的方波电压，加到直流电机的电枢上。通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢的平均电压，从而调节电机的转速。图3.5所示为PWM-M系统的工作原理图。 mzk360哈尔滨理工大学数控技术精品课程253.2.2 直流伺
13、服电机2.直流伺服电机调速 脉宽调制直流调速原理图 mzk360哈尔滨理工大学数控技术精品课程263.2.2 直流伺服电机2.直流伺服电机调速 PWM-M系统的主回路电气原理图 mzk360哈尔滨理工大学数控技术精品课程273.2.3 交流伺服电机1.交流伺服电机的结构特点 mzk360以杯形转子交流伺服电机为例，介绍交流伺服电机的结构特点。哈尔滨理工大学数控技术精品课程283.2.3 交流伺服电机2.交流伺服电机的工作原理 mzk360哈尔滨理工大学数控技术精品课程293.2.3 交流伺服电机2.交流伺服电机的工作原理 如图3.8所示。它的定子上装有空间相差90电角度的两相分布绕组，一相为励
14、磁绕组f，它始终接在交流电源Uf上；另一相为控制绕组k，接输入信号电压Uk。Uf与Uk二者频率相同。控制电压为零时，定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场，电机无启动转矩，转子不能启动。若有控制电压加在控制绕组上，且控制绕组内流过的电流和励磁绕组内的电流不同，则在定子内产生一定大小的椭圆形旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向旋转。mzk360哈尔滨理工大学数控技术精品课程303.2.3 交流伺服电机2.交流伺服电机的调速 mzk360图a 脉冲幅值调制（PAM）法 图b 脉宽调制的控制法哈尔滨理工大学数控技术精品课程313.2.4 直线电机 直线电机是一种能将电信号直接转换成为直线位移的电机。由于它无需转
15、换机构即可直接获得直线运动，所以直线电机没有传动机械的磨损，并且噪音低、结构简单、操作维护方便。 在数控设备中，直线电机已成为重要的驱动元件。目前直线电机主要应用的机型有直流直线电机、交流直线电机以及直线步进电机等，在实际中应用较多的是交流直线电机。下面以交流直线电机为例来介绍直线电机的结构特点。mzk360哈尔滨理工大学数控技术精品课程323.2.4 直线电机 若把旋转式交流伺服电机（图3.10a）沿径向剖开，并将电机的圆周拉平展开，则可演变成扁平型交流直线伺服电机（图3.10b） mzk360哈尔滨理工大学数控技术精品课程333.2.4 直线电机 为了实现在一定范围内的直线运动，初级和次级
16、不能一样长。同样为了消除初、次级之间的单边磁拉力，减轻次级重量，交流直线伺服电机通常做成双边型的。mzk360哈尔滨理工大学数控技术精品课程343.2.4 直线电机 直线电机由于结构上的改变，所以具有以下优点： 结构简单 应用范围广、适应性强 反应速度快，灵敏度高，随动性好。 额定值高、冷却条件好 有精密定位和自锁能力 工作稳定可靠，寿命长 mzk360哈尔滨理工大学数控技术精品课程353.3 步进式伺服系统( Stepper Servo System ) 步进式伺服系统又称开环步进伺服系统，系统中没有位置和速度反馈电路，不像闭环伺服系统那样需要进行复杂的设计计算与试验校正。因此系统具有结构简
17、单、使用维护方便、可靠性高和制造成本低等一系列优点，主要适用于速度和精度要求不十分高的中小型机床，如经济型数控机床和对现有的普通机床进行数控化改造中。哈尔滨理工大学数控技术精品课程363.3.1 步进式伺服系统的工作原理 步进式伺服系统主要由步进电机的驱动控制线路和步进电机两部分组成，系统中指令信号是单向传递的，驱动控制线路接收数控装置发出的进给脉冲信号，并将其转换为控制步进电机各相定子绕组依次通、断电的信号，使步进电机运转。步进电机的转子与机床丝杠连在一起（也可通过齿轮传动接到丝杠上），转子带动丝杠转动，从而使工作台运动。 工作台位移量的控制 工作台运动方向的控制 工作台进给速度的控制哈尔滨
18、理工大学数控技术精品课程373.3.2 步进电机的驱动控制线路 根据步进式伺服系统的工作原理，步进电机驱动控制线路的功能是将具有一定频率f、一定数量和方向的进给脉冲转换成控制步进电机各相定子绕组通断电的电平信号。电平信号的变化频率、变化次数和通电顺序与进给指令脉冲的频率、数量和方向对应。 为了能够实现以上功能，一个较完善的步进电机驱动控制线路由脉冲混合电路、加减脉冲分配电路、加减速电路、环形分配器和功率放大器组成，如图3.12所示。哈尔滨理工大学数控技术精品课程383.3.2 步进电机的驱动控制线路 线路中脉冲混合电路、加减脉冲分配电路、加减速电路和环形分配器可用硬件线路来实现，也可用软件来实
19、现。 哈尔滨理工大学数控技术精品课程393.3.2 步进电机的驱动控制线路 线路各个部分的功能： 脉冲混合电路 加减脉冲分配电路 加减速电路 环形分配器 5.功率放大器哈尔滨理工大学数控技术精品课程403.3.2 步进电机的驱动控制线路 加减速电路输入输出特性哈尔滨理工大学数控技术精品课程413.3.2 步进电机的驱动控制线路 图3.15所示为两坐标步进电机伺服进给系统框图。以三相反应式步进电机的软环形分配器的设计为例，简要说明基于查表法的软环形分配器的程序设计方法。环形分配器哈尔滨理工大学数控技术精品课程42X向步进电机Z向步进电机节拍序号CBA存储单元方向节拍序号cba存储单元方向PA2P
20、A1PA0地址内容PA5PA4PA3地址内容00012A00H01H反转正转00012A10H08H反转正转10112A01H03H10112A11H18H20102A02H02H20102A12H10H31102A03H06H31102A13H30H41002A04H04H41002A14H20H51012A05H05H51012A15H28H表3.1 步进电机环形分配器的输出状态表哈尔滨理工大学数控技术精品课程433.3.2 步进电机的驱动控制线路 单电压供电功放器 功率放大器哈尔滨理工大学数控技术精品课程443.3.2 步进电机的驱动控制线路 双电压供电功放器 功率放大器哈尔滨理工大学数
21、控技术精品课程453.3.3 提高步进式伺服系统精度措施 步进式伺服系统是一个开环伺服系统，在此系统中，步进电机的质量、机械传动部分的结构和质量以及控制电路的完善与否，均影响系统的工作精度。为此，需要从控制方法上采取一些措施，弥补其不足。 传动间隙补偿 螺距误差补偿 细分线路 哈尔滨理工大学数控技术精品课程463.4 鉴相式伺服系统( Comparing Phasic Servo System ) 鉴相式伺服系统是数控机床中使用较多的一种位置控制系统，它是采用相位比较方式实现闭环（及半闭环）控制的伺服系统。鉴相式伺服系统具有工作可靠、抗干扰性强、精度高等优点，但由于增加了位置检测、反馈、比较等
22、元件，与步进式伺服系统相比，它的结构比较复杂，调试也比较困难。哈尔滨理工大学数控技术精品课程473.4.1鉴相式伺服系统的组成 图3.20所示是鉴相式伺服系统方框图，它主要由基准信号发生器、脉冲调相器、检测元件及信号处理线路、鉴相器、驱动线路和执行元件等组成。 哈尔滨理工大学数控技术精品课程483.4.1鉴相式伺服系统的组成 各组成部分的功能介绍： 基准信号发生器 脉冲调相器 检测元件及信号处理线路 鉴相器 鉴相器的输入信号有两路，一路是来自脉冲调相器的指令信号；另一路是来自检测元件及信号处理线路的反馈信号，它反映了工作台的实际位移量大小。 驱动线路和执行元件哈尔滨理工大学数控技术精品课程49
23、3.4.2鉴相式伺服系统的工作原理 鉴相式伺服系统利用相位比较的原理进行工作。 当数控机床的数控装置要求工作台沿一个方向进给时，插补器或插补软件便产生一系列进给脉冲。 该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，其频率代表了工作台的进给速度，其方向代表了工作台的进给方向。哈尔滨理工大学数控技术精品课程503.4.3鉴相式伺服系统的控制线路脉冲调相器 脉冲调相器的功能是按照所输入指令脉冲的要求对载波信号进行相位调整。如图3.21所示为脉冲调相器组成原理框图。 哈尔滨理工大学数控技术精品课程513.4.3鉴相式伺服系统的控制线路脉冲相位变换的原理 假设时钟脉冲频率为F，计数器（当分频器
24、用）的容量为N，则这两个计数器的最后一级输出频率f为：f=F/N。如果在时钟脉冲触发两计数器以前，先向其中一个计数器（如x计数器）输入一定数量脉冲x，则当时钟脉冲触发两计数器以后，两计数器输出信号频率仍相同，但相位不同。N个时钟脉冲使标准计数器的输出变化一个周期，即360，N+x个脉冲使x计数器的输出在变化一个周期（360）后，又变化=x，即超前标准计数器一个相位角。以后每来N个时钟脉冲，两计数器都变化一个周期，其原理图和波形如图3.22a、b所示。哈尔滨理工大学数控技术精品课程523.4.3鉴相式伺服系统的控制线路 若在时钟脉冲触发两计数器的过程中，加入一定数量的脉冲+x给x计数器，这样就会
25、使输入给x计数器的脉冲总数比给标准计数器的计数脉冲多了x个，结果使x计数器输出的信号相位超前=（+x/N）360，如图3.22c所示。 哈尔滨理工大学数控技术精品课程533.4.3鉴相式伺服系统的控制线路 假如在时钟脉冲不断触发两计数器过程中，加入一定数量的-x脉冲给x计数器，使加入的-x个脉冲抵消了进入x计数器的x个时钟脉冲，则在两计数器的最末一级输出端将出现x计数器的相位滞后标准计数器一个相位，=(x/N)360，如图3.23a、b所示。哈尔滨理工大学数控技术精品课程543.4.3鉴相式伺服系统的控制线路2.鉴相器 鉴相器又称相位比较器，它的作用是鉴别指令信号与反馈信号的相位，判别两者之间
26、的相位差，将其变成一个带极性的误差电压信号，作为速度单元的输入信号。 鉴相器的结构形式很多，常用的有二极管鉴相器，可以用来鉴别正弦信号之间的相位差；触发器（门电路）鉴相器，可以对方波信号之间的相位差进行鉴别。 下面以触发器鉴相器为例说明鉴相器的工作原理。哈尔滨理工大学数控技术精品课程553.4.3鉴相式伺服系统的控制线路2.鉴相器 如图3.25所示，触发器为不对称触发的双稳态触发器。 哈尔滨理工大学数控技术精品课程563.5 鉴幅式伺服系统 ( Comparing Amplitude Servo System ) 鉴幅式伺服系统是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
27、信号与指令信号进行比较构成的闭环控制系统。它与鉴相式伺服系统的主要区别有两点：一是它的测量元件是以鉴幅式工作状态进行工作的，因此，可用于鉴幅式伺服系统的测量元件有旋转变压器和感应同步器；二是比较器所比较的是数字脉冲量，而与之对应的鉴相式伺服系统的鉴相器所比较的是相位信号，故在鉴幅式伺服系统中，不需要基准信号，两数字脉冲量可直接在比较器中进行脉冲数量的比较。哈尔滨理工大学数控技术精品课程57鉴幅式伺服系统的组成 图3.26所示为鉴幅式伺服系统方框图。该系统由测量元件及信号处理线路、数模转换器、比较器、放大环节和执行元件五部分组成。 哈尔滨理工大学数控技术精品课程583.5.1鉴幅式伺服系统的工作
28、原理 进入比较器的信号有两路，一路来自数控装置插补器或插补软件的进给脉冲，它代表了数控装置要求机床工作台移动的位移；另一路来自测量元件及信号处理线路，也是以数字脉冲形式出现，它代表了工作台实际移动的距离。 鉴幅系统工作前，数控装置和测量元件及信号处理线路都没有脉冲输出，比较器的输出为零，这时，执行元件不带动工作台移动。 哈尔滨理工大学数控技术精品课程593.5.1鉴幅式伺服系统的工作原理 出现进给脉冲信号之后，比较器的输出不再为零，执行元件开始带动工作台移动，同时以鉴幅式工作的测量元件又将工作台的位移检测出来，经信号处理线路转换成相应的数字脉冲信号，该数字脉冲信号作为反馈信号进入比较器与进给脉
29、冲进行比较。若两者相等，比较器的输出为零，说明工作台实际移动的距离等于指令信号要求工作台移动的距离，执行元件停止带动工作台移动；若两者不相等，说明工作台实际移动的距离不等于指令信号要求工作台移动的距离，执行元件继续带动工作台移动，直到比较器输出为零时为止。哈尔滨理工大学数控技术精品课程603.5.2鉴幅式伺服系统的控制线路 测量元件及信号处理电路 图3.27所示为测量元件及信号处理线路框图，它主要由测量元件、解调电路、电压频率转换器和sin/cos发生器组成。 哈尔滨理工大学数控技术精品课程613.5.2鉴幅式伺服系统的控制线路解调线路 解调线路就是鉴幅器，如图3.28所示是解调线路图，它由低
30、通滤波器、放大器和检波器三部分组成。哈尔滨理工大学数控技术精品课程623.5.2鉴幅式伺服系统的控制线路解调线路 低通滤波器输出信号的幅值和功率较小，经过一级放大之后送到检波器。放大器是集成元件，放大器的参数可根据低通滤波器输出信号的幅值和检波器对它的要求选定。 检波器的作用是将滤波后的基波正弦信号转变为直流电压。 如图3.29所示是一种检波器线路图，它是一个带放大器和反相器的电子开关电路。哈尔滨理工大学数控技术精品课程633.5.2鉴幅式伺服系统的控制线路解调线路 哈尔滨理工大学数控技术精品课程643.5.2鉴幅式伺服系统的控制线路解调线路 哈尔滨理工大学数控技术精品课程653.5.2鉴幅式
31、伺服系统的控制线路3. 电压频率转换器 电压频率转换器的作用是把检波后输出的模拟电压VF变成相应的脉冲序列，VF为正时，输出正向脉冲；VF为负时，输出反向脉冲。 脉冲的方向用符号寄存器的输出表示。VF为零时，不产生任何脉冲。随着输入电压信号幅值的增加，电压频率转换器的输出开始出现脉冲。如图3.31所示是一种电压频率转换器线路图。哈尔滨理工大学数控技术精品课程663.5.2鉴幅式伺服系统的控制线路3. 电压频率转换器 哈尔滨理工大学数控技术精品课程673.5.2鉴幅式伺服系统的控制线路3. 电压频率转换器 哈尔滨理工大学数控技术精品课程683.5.2鉴幅式伺服系统的控制线路4. 比较器 比较器的
32、作用是对指令脉冲信号和反馈脉冲信号进行比较。一般来说，来自数控装置的指令脉冲信号可以是两种形式，一种是用一条线路传送进给方向信号，一条线路传送进给脉冲信号；另一种是用一条线路传送正向进给脉冲，一条线路传送反向进给脉冲。来自测量元件及信号处理线路的反馈信号是采用第一种形式表示的。 哈尔滨理工大学数控技术精品课程693.5.2鉴幅式伺服系统的控制线路4. 比较器 图3.33所示是指令脉冲为第一种形式时的一种比较器结构。在该比较器中，反馈脉冲一定不能与指令脉冲同时出现。 哈尔滨理工大学数控技术精品课程703.5.2鉴幅式伺服系统的控制线路 sin/cos发生器 sin/cos发生器的任务是根据电压频
33、率转换器输出脉冲的多少和方向，生成测量元件的激磁信号VS和VK， 即VS=VmsinsintVK=Vmcossint 式中，的大小由脉冲的多少和方向决定；VS和VK的频率和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。 哈尔滨理工大学数控技术精品课程713.5.2鉴幅式伺服系统的控制线路6. 数模（D/A）转换器 数模转换器也称脉宽调制器，其任务是把比较器的数字量转变为电压信号。目前，已有许多不同精度、不同形式的数模（D/A）转换器，只要满足伺服系统对它的输入输出要求，就可以直接选用。哈尔滨理工大学数控技术精品课程723.6 脉冲比较式伺服系统( Pulse Comparing Se
34、rvo System ) 随着数控技术的发展，在位置控制伺服系统中，采用数字脉冲的方法构成位置闭环控制，受到了普遍的重视。这种系统的主要优点是结构比较简单，目前采用较多的是以光栅和光电编码器作为位置检测装置的半闭环控制系统。哈尔滨理工大学数控技术精品课程733.6.1脉冲比较式伺服系统的组成 比较完整的脉冲比较式伺服系统可由指令信号、反馈测量信号、比较器、转换器、驱动执行元件等几个主要环节组成，如图3.34所示。 哈尔滨理工大学数控技术精品课程743.6.2脉冲比较式伺服系统工作原理 下面以采用光电脉冲编码器为测量元件的系统为例说明数字脉冲比较伺服系统的工作原理。 光电编码器与伺服电机的转轴连
35、接，随着电机的转动产生脉冲序列输出，其脉冲的频率将随着转速的快慢而升降。若工作台处于静止状态，指令脉冲Pc=0，这时反馈脉冲Pf亦为零，经比较器可得偏差e=PcPf=0，则伺服电机的速度给定为零，工作台继续保持静止不动。 哈尔滨理工大学数控技术精品课程753.6.2脉冲比较式伺服系统工作原理 随着指令脉冲的输入，Pc0，在工作台尚未移动之前，反馈脉冲Pf仍为零。经比较器比较，得偏差e=PcPf0，若指令脉冲为正向进给脉冲，则e0，由速度控制单元驱动电机带动工作台正向进给。 随着电机运转，光电脉冲编码器将输出反馈脉冲Pf送入比较器，与指令脉冲Pc进行比较，若e=PcPf0，工作台继续运动，不断反
36、馈，直到e=PcPf=0，即反馈脉冲数等于指令脉冲 数 ， 工 作 台 停 在 指 令 规 定 的 位 置 上 。 当指令脉冲为反向运动脉冲时，控制过程与Pc为正时基本上类似。只是e0，工作台作反向进给，直至e=0，工作台停在指令所规定的反向某个位置上。哈尔滨理工大学数控技术精品课程763.6.3主要工作部件 数字脉冲数码转换器 数字脉冲转换为数码 对于数字脉冲转化为数码，其最简单的实现方法就是采用一个可逆计数器，它将输入的脉冲进行计数，以数码值输出。图3.35所示是由两个二十进制计数器组成的数字脉冲数码转换器。 哈尔滨理工大学数控技术精品课程773.6.3主要工作部件 数字脉冲数码转换器 数
37、码转换为数字脉冲 对于数码转化为数字脉冲，常用的有两种方法。第一种方法是采用减法计数器组成的线路，如图3.36所示， 哈尔滨理工大学数控技术精品课程783.6.3主要工作部件 数字脉冲数码转换器 数码转换为数字脉冲 第二种方法是用一个脉冲乘法器，数字脉冲乘法器实质上就是将输入的二进制数码转化为等值的脉冲数输出，其示意图如图3.37所示。哈尔滨理工大学数控技术精品课程793.6.3主要工作部件2. 比较器 在脉冲比较系统中，使用的比较器有多种结构，根据其功能可分为两种：一种是数码比较器，另一种是数字脉冲比较器。 数字脉冲比较器中常采用带有可逆回路的可逆计数器进行工作。下面介绍一种具有脉冲分离功能
38、的数字脉冲比较器。比较器的构成原理图如图3.38所示。哈尔滨理工大学数控技术精品课程803.6.3主要工作部件2. 比较器 哈尔滨理工大学数控技术精品课程813.7 CNC数字伺服系统( CNC Digital Servo System ) CNC数字伺服系统是指用于高精度CNC机床上的伺服系统，它与前面介绍的伺服系统相比，具有精度高、稳定性好等优点。CNC数字伺服系统可分成软件部分和硬件部分。软件部分主要完成跟随误差的计算，即指令信号和反馈信号的比较计算；硬件部分主要由位置检测组件和位置控制输出组件组成。 哈尔滨理工大学数控技术精品课程823.7.0 CNC伺服系统 CNC数字伺服系统的结构
39、框图如图3.39所示。 哈尔滨理工大学数控技术精品课程833.7.0 CNC伺服系统 在CNC数字伺服系统中，由于用计算机充当了指令信号和反馈信号的比较环节，故反馈信号必须是数码形式或数字脉冲形式，否则，将增加计算机的接口线路，使系统变得复杂。常见CNC数字伺服系统有以鉴幅方式工作的旋转变压器、感应同步器为测量元件的伺服系统和以光栅、编码盘为测量元件的伺服系统。 图3.40所示是以旋转变压器为测量元件的CNC数字伺服系统框图。下面以旋转变压器为测量元件的CNC数字伺服系统为例介绍其工作原理。哈尔滨理工大学数控技术精品课程843.7.0 CNC伺服系统以旋转变压器为测量元件的CNC数字伺服系统哈
40、尔滨理工大学数控技术精品课程853.7.1软件部分 以FANUC 7M系统为例，7M系统是采用实时中断实现伺服控制的。 跟随误差的计算 进给速度指令(数字量)的计算哈尔滨理工大学数控技术精品课程863.7.2硬件部分 位置控制输出组件 位置控制输出组件线路框图如图3.41所示 哈尔滨理工大学数控技术精品课程873.7.2硬件部分 位置控制输出组件 滤波放大器由运算放大器A1和A2等组成，如图3.41所示。A1是放大倍数为1的高输入阻抗电路，A2将粗精调宽脉冲NPC和NPF按16倍的比例混合，并且滤掉脉冲成分，将直流成分放大到所需的电压VP。按如图3.41所示的滤波放大电路，可定出Vp的计算公式
41、： NPFNPCRDPVRRVRRVRRRRV15651565)1 (哈尔滨理工大学数控技术精品课程883.7.2硬件部分2. 位置检测组件 位置检测组件由检波器、电压频率转换器、正余弦信号发生器和实际位置计数器等电路组成，其方框图如图3.42所示。 哈尔滨理工大学数控技术精品课程893.7.2硬件部分2. 位置检测组件 脉宽调制式的正弦、余弦信号发生器的方框图如图3.43所示。它由混合电路、两套分频比为1000的计数器和正弦、余弦波形组合门电路以及驱动器等组成。 哈尔滨理工大学数控技术精品课程903.7.2硬件部分2. 位置检测组件 余弦和正弦调宽脉冲的工作波形如图3.44所示 哈尔滨理工大
42、学数控技术精品课程913.1 简述数控伺服系统的组成和作用。3.2 数控机床对伺服系统有哪些基本要求？3.3 数控伺服系统有哪几种类型？简述各自的特点。3.4 简述步进电机的分类及其一般工作原理。3.5 什么是步距角？步进电机的步距角大小取决于哪些因素？3.6 试比较交流和直流伺服电机的特点。3.7 分析交流和直流伺服电机的速度调节方式。3.8 步进式伺服系统是如何对机床工作台的位移、速度和进给方向进行控制的？复 习 题哈尔滨理工大学数控技术精品课程923.9 如何提高步进式伺服驱动系统的精度？3.10 简述鉴相式伺服系统的组成和工作原理。3.11 简述鉴幅式伺服系统的组成和工作原理。3.12 鉴幅式伺服系统中，基准信号发生器的作用是什么？3.13 简述脉冲比较式伺服系统的组成和工作原理。3.14 CNC数字伺服系统与NC伺服系统相比有何特点？3.15 简述CNC数字伺服系统的位置检测组件的工作过程。复 习 题
