第五章数控机床的伺服驱动系统§5—1概述数控机床伺服驱动系统是指以机床移动部件(如工作台、动力头等，本书仅以工作台为例)的位置和速度作为控制量的自动控制系统，又称拖动系统。在数控机床上，伺服驱动系统接收来自插补装置或插补软件生成的进给脉冲指令，经过一定的信号变换及电压、功率放大，将其转化为机床工作台相对于切削刀具的运动。目前，这主要通过对交、直流伺服电机或步进电机等进给驱动元件的控制来实现。数控机床的伺服驱动系统作为一种实现切削刀具与工件间运动的进给驱动和执行机构，是数控机床的一个重要组成部分，它在很大程度上决定了数控机床的性能，如数控机床的最高移动速度、跟踪精度、定位精度等一系列重要指标取决于伺服驱动系统性能的优劣。因此，随着数控机床的发展，研究和开发高性能的伺服驱动系统，一直是现代数控机床研究的关键技术之一。一、伺服驱动系统的性能对数控机床伺服驱动系统的主要性能要求有下列几点：(1)进给速度范围要大。不仅要满足低速切削进给的要求，如还要能满足高速进给的要求，如5mmmin，10000mmmin。(2)位移精度要高。伺服系统的位移精度是指指令脉冲要求机床工作台进给的位移量和该指令脉冲经伺服系统转化为工作台实际位移量之间的符合程度。两者误差愈小，伺服系统的位移精度愈高。目前，高精度的数控机床伺服系统位移精度可达到在全程范围内±5µm。通常，插补器或计算机的插补软件每发出一个进给脉冲指令，伺服系统将其转化为一个相应的机床工作台位移量，我们称此位移量为机床的脉冲当量。一般机床的脉冲当量为0.01~0.005 mm脉冲，高精度的CNC机床其脉冲当量可达0.001mm脉冲。脉冲当量越小，机床的位移精度越高。(3)跟随误差要小。即伺服系统的速度响应要快。(4)伺服系统的工作稳定性要好。要具有较强的抗干扰能力，保证进给速度均匀、平稳，从而使得能够加工出粗糙度低的零件。二、数控机床伺服驱动系统的基本组成数控机床伺服驱动系统的基本组成如图5-1所示。数控机床的伺服驱动系统按有无反馈检测单元分为开环和闭环两种类型(见数控机床伺服驱动系统分类)，这两种类型的伺服驱动系统的基本组成不完全相同。但不管是哪种类型，执行元件及其驱动控制单元都必不可少。驱动控制单元的作用是将进给指令转化为驱动执行元件所需要的信号形式，执行元件则将该信号转化为相应的机械位移。图5-1数控机床伺服驱动系统的基本组成开环伺服驱动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。执行元件对系统的特性具有重要影响。闭环伺服驱动系统由执行元件、驱动控制单元、机床，以及反馈检测单元、比较控制环节组成。反馈检测单元将工作台的实际位置检测后反馈给比较控制环节，比较控制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。在CNC系统中，由于计算机的引入，比较控制环节的功能由软件完成，从而导致系统结构的一些改变，但基本上还是由执行元件、反馈检测单元、比较控制环节、驱动控制单元和机床组成。三、数控机床伺服驱动系统的分类数控机床的伺服驱动系统按其用途和功能分为进给驱动系统和主轴驱动系统；按其控制原理和有无位置检测反馈环节分为开环系统和闭环系统；按驱动执行元件的动作原理分为电液伺服驱动系统和电气伺服驱动系统。电气伺服驱动系统又分为直流伺服驱动系统和交流伺服驱动系统。1. 进给驱动与主轴驱动进给驱动是用于数控机床工作台或刀架坐标的控制系统，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。一般地，对于进给驱动系统，主要关心它的转矩大小、调节范围的大小和调节精度的高低，以及动态响应速度的快慢。对于主轴驱动系统，主要关心其是否具有足够的功率、宽的恒功率调节范围及速度调节范围。2. 开环控制和闭环控制数控机床伺服驱动系统按有无位置反馈分两种基本的控制结构，即开环控制和闭环控制，如图5--1所示。由此形成位置开环控制系统和位置闭环控制系统。闭环控制系统又可根据位置检测装置在机床上安装的位置不同，进一步分为半闭环伺服驱动控制系统和全闭环伺服驱动控制系统。若位置检测装置安装在机床的工作台上，构成的伺服驱动控制系统为全闭环控制系统；若位置检测装置安装在机床丝杠上，构成的伺服驱动控制系统则为半闭环控制系统。现代数控机床的伺服驱动多采用闭环控制系统。开环控制系统常用于经济型数控或老设备的改造。3. 直流伺服驱动与交流伺服驱动70年代和80年代初，数控机床多采用直流伺服驱动。直流大惯量伺服电机具有良好的宽调速性能，输出转矩大，过载能力强，而且，由于电机惯性与机床传动部件的惯量相当，构成闭环后易于调整。而直流中小惯量伺服电机及其大功率晶体管脉宽调制驱动装置，比较适应数控机床对频繁启动、制动，以及快速定位、切削的要求。但直流电机一个最大的特点是具有电刷和机械换向器，这限制了它向大容量、高电压、高速度方向的发展，使其应用受到限制。进入80年代，在电机控制领域交流电机调速技术取得了突破性进展，交流伺服驱动系统大举进入电气传动调速控制的各个领域。交流伺服驱动系统的最大优点是交流电机容易维修，制造简单，易于向大容量、高速度方向发展，适合于在较恶劣的环境中使用。同时，从减少伺服驱动系统外形尺寸和提高可靠性角度来看，采用交流电机比直流电机将更合理§5—2开环步进式伺服驱动系统步进式伺服驱动系统是典型的开环控制系统。在此系统中，执行元件是步进电机。它受驱动控制线路的控制，将代表进给脉冲的电平信号直接变换为具有一定方向、大小和速度的机械转角位移，并通过齿轮和丝杠带动工作台移动。由于该系统没有反馈检测环节，它的精度较差，速度也受到步进电机性能的限制。但它的结构和控制简单、容易调整，故在速度和精度要求不太高的场合具有一定的使用价值。一、步进电机的种类、结构及工作原理1. 步进电机的种类步进电机的分类方式很多，常见的分类方式有按产生力矩的原理、按输出力矩的大小以及按定子和转子的数量进行分类等。根据不同的分类方式，可将步进电机分为多种类型，如表5--1所示。表5-1步进电机的分类分类方式具体类型（1）反应式：转子无绕组，由被激磁的定子绕组产生反应力矩实现按力矩产生的原理步进运行（2）激磁式：定、转子均有激磁绕组（或转子用永久磁钢），由电磁力矩实现步进运行（1）伺服式：输出力矩在百分之几之几至十分之几（N·m）只能驱动较小的负载，要与液压扭矩放大器配用，才能驱动机床工作台等较大按输出力矩大小的负载（2）功率式：输出力矩在5-50N·m以上，可以直接驱动机床工作台等较大的负载按定子数按各相绕组分布（1）单定子式（2）双定子式（3）三定子式（4）多定子式（1）径向分布式：电机各相按圆周依次排列（2）轴向分布式：电机各相按轴向依次排列2. 步进电机的结构目前，我国使用的步进电机多为反应式步进电机。在反应式步进电机中，有轴向分相和径向分相两种，如表5--1所述。图5--2是一典型的单定子、径向分相、反应式伺服步进电机的结构原理图。它与普通电机一样，分为定子和转子两部分，其中定子又分为定子铁心和定子绕组。定子铁心由电工钢片叠压而成，其形状如图中所示。定子绕组是绕置在定子铁心6个均匀分布的齿上的线圈，在直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起，构成一相控制绕组。图5--2所示的步进电机可构成三相控制绕组，故也称三相步进电机。若任一相绕组通电，便形成一组定子磁极，其方向即图中所示的NS极。在定子的每个磁极上，即定子铁心上的每个齿上又开了5个小齿，齿槽等宽，齿间夹角为9°，转子上没有绕组，只有均匀分布的40个小齿，齿槽也是等宽的，齿间夹角也是9°，与磁极上的小齿一致。此外，三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开13齿距，如图5--3所示。当A相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时，B3齿距角，C相磁极齿超前(或滞后)转子相磁极上的齿刚好超前(或滞后)转子齿1齿23齿距角。图5-2单定子径向分相反应式伺服步进电机结构原理图点击进入动画观看步电机工作原理图5-3步进电机的齿距图5--4是一个五定子、轴向分相、反应式伺服步进电机的结构原理图。从图中可以看出，步进电机的定子和转子在轴向分为五段，每一段都形成独立的一相定子铁心、定子绕组和转子，图5--5所示的是其中的一段。各段定子铁心形如内齿轮，由硅钢片叠成。转子形如外齿轮，也由硅钢片制成。各段定子上的齿在圆周方向均匀分布，彼此之间错开15齿距，其转子齿彼此不错位。当设置在定子铁心环形槽内的定子绕组通电时，形成一相环形绕组，构成图中所示的磁力线。除上面介绍的两种形式的反应式步进电机之外，常见的步进电机还有永磁式步进电机和永磁反应式步进电机，它们的结构虽不相同，但工作原理相同。3. 步进电机的工作原理步进电机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。图5--6是一种最简单的反应式步进电机，下面以它为例来说明步进电机的工作原理。图5--6(a)中，当A相绕组通以直流电流时，根据电磁学原理，便会在AA方向上产生一磁场，在磁场电磁力的作用下，吸引转子，使转子的齿与定子AA磁极上的齿对齐。若A相断电，B相通电，这时新的磁场其电磁力又吸引转子的两极与BB磁极齿对齐，转子沿顺时针转过60°。通常，步进电机绕组的通断电状态每改变一次，其转子转过的角度α称为步距角。因此，图5--6(a)所示步进电机的步距角α等于60°。如果控制线路不停地按A→B→C→A…的顺序控制步进电机绕组的通断电，步进电机的转子便不停地顺时针转动。若通电顺序改为A→C→B→A…，同理，步进电机的转子将逆时针不停地转动。图5-4五定子径向分相反应式伺服步进电机结构原理图磁回路转子定子硅钢片图5-5一段定子、转子及磁回路图5-5 一段定子、转子及磁回路上面所述的这种通电方式称为三相三拍。还有一种三相六拍的通电方式，它的通电顺序是：顺时针为A→AB→B→BC→C→CA→A…；逆时针为A→AC→C→CB→B→BA→A…。若以三相六拍通电方式工作，当A相通电转为A和B同时通电时，转子的磁极将同时受到A相绕组产生的磁场和B相绕组产生的磁场的共同吸引，转子的磁极只好停在A和B两相磁极之间，这时它的步距角α等于30°。当由A和B两相同时通电转为B相通电时，转子磁极再沿顺时针旋转30°，与B相磁极对齐。其余依此类推。采用三相六拍通电方式，可使步距角α缩小一半。图5—6步进电机工作原理图点击进入动画观看步进电机工作原理(a)(b)图5--6(b)中的步进电机，定子仍是A，B，C三相，每相两极，但转子不是两个磁极而是四个。当A相通电时，是1和3极与A相的两极对齐，很明显，当A相断电、B相通电时，2和4极将与B相两极对齐。这样，在三相三拍的通电方式中，步距角α等于30°，在三相六拍通电方式中，步距角α则为15°。综上所述，可以得到如下结论：(1)步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转过一个确定的角度，即步进电机的步距角α；(2)改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向随之改变；(3)步进电机定子绕组通电状态的改变速度越快，其转子旋转的速度越快，即通电状态的变化频率越高，转子的转速越高；(4)步进电机步距角α与定子绕组的相数m、转子的齿数z、通电方式k有关，可用下式表示：α=3600(mzk)式中m相m拍时，k=1；m相2m拍时，k=2；依此类推。(5--1)对于图5--2所示的单定子、径向分相、反应式伺服步进电机，当它以三相三拍通电方式工作时，其步距角为α=3600(mzk)=3600(3×40×1)=30若按三相六拍通电方式工作，则步距角为α=3600(mzk)=3600(3×40×2)=1.504. 步进电机的主要特性(1)步距角。步进电机的步距角是反映步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过的角度。它是决定步进伺服系统脉冲当量的重要参数。数控机床中常见的反应式步进电机的步距角一般为。步距角越小，数控机床的控制精度越高。(2)矩角特性、最大静态转矩Mjmax和启动转矩Mq。矩角特性是步进电机的一个重要特性，它是指步进电机产生的静态转矩与失调角的变化规律。(3)启动频率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所允许的最高频率，称为启动频率或突跳频率。若启动时频率大于突跳频率，步进电机就不能正常启动。空载启动时，步进电机定子绕组通电状态变化的频率不能高于该突跳频率。(4)连续运行的最高工作频率fmax。步进电机连续运行时，它所能接受的，即保证不丢步运行的极限频率，称为最高工作频率。它是决定定子绕组通电状态最高变化频率的参数，它决定了步进电机的最高转速。(5)加减速特性。步进电机的加减速特性是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突跳频率的工作频率时，变化速度必须逐渐上升；同样，从最高工作频率或高于突跳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时间、减速时间不能过小，否则会出现失步或超步。我们用加速时间常数Ta和减速时间常数Td来描述步进电机的升速和降速特性，如图5--8所示。图5-8加减速特性曲线二、步进式伺服驱动系统工作原理步进式伺服驱动系统主要由步进电机驱动控制线路和步进电机两部分组成，如图5--7所示。驱动控制线路接收来自数控机床控制系统的进给脉冲信号(指令信号)，并把此信号转换为控制步进电机各相定子绕组依此通电、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，转子带动丝杠转动，丝杠再带动工作台移动。图5-7步进式伺服系统原理框图下面从步进式伺服系统如何实现对机床工作台移动的移动量、速度和移动方向进行控制三个方面，对其工作原理进行介绍。1. 工作台位移量的控制数控机床控制系统发出的N个进给脉冲，经驱动线路之后，变成控制步进电N，使步进电机定子绕组的通电状态机定子绕组通电、断电的电平信号变化次数变化N次。由步进电机工作原理可知，定子绕组通电状态的变化次数N决定了步=Nα(α即步距角)。该角位移经丝杠、螺母之后转变为进电机的角位移ϕ,ϕ工作台的位移量L，L=ϕt3600(t为螺距)。即进给脉冲的数量N→定子绕N→步进电机的转角ϕ→工作台位移量L。f组通电状态变化次数2. 工作台进给速度的控制机床控制系统发出的进给脉冲的频率，经驱动控制线路之后，表现为控制步进电机定子绕组通电、断电的电平信号变化频率，也就是定子绕组通电状态变化频率。而定子绕组通电状态的变化频率f决定了步进电机转子的转速ω。该转子转速ω经丝杠螺母转换之后，体现为工作台的进给速度v。即进给脉冲的频率定子绕组通电状态的变化频率f→f→步进电机的转速ω→工作台的进给速度v。3. 工作台运动方向的控制当控制系统发出的进给脉冲是正向时，经驱动控制线路，使步进电机的定子各绕组按一定的顺序依次通电、断电；当进给脉冲是负向时，驱动控制线路则使定子各绕组按与进给脉冲是正向时相反的顺序通电、断电。由步进电机的工作原理可知，通过步进电机定子绕组通电顺序的改变，可以实现对步进电机正转或反转的控制，从而实现对工作台的进给方向的控制。综上所述，在开环步进式伺服系统中，输入的进给脉冲的数量、频率、方向，经驱动控制线路和步进电机，转换为工作台的位移量、进给速度和进给方向，从而实现对位移的控制。三、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N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、变化次数和通断电顺序与进给指令脉冲的频率、数量和方向对应。为了能够实现该功能，一个较完整的步进电机的驱动控制线路应包括脉冲混合电路、加减脉冲分配电路、加减速电路、环形分配器和功率放大器(见图5--8)，并应能接收和处理各种类型的进给指令控制信号如自动进给信号、手动信号和补偿信号等。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，也可用软件来实现。图5-8驱动控制线路框图四、提高步进式伺服驱动系统精度的措施步进式伺服驱动系统是一个开环系统，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，均影响到系统的工作精度。要提高系统的工作精度，应从这几个方面考虑：如改善步进电机的性能，减少步距角；采用精密传动副，减少传动链中传动间隙等。但这些因素往往由于结构和工艺的关系而受到一定的限制。为此，需要从控制方法上采取一些措施，弥补其不足。1. 细分线路所谓细分线路，是把步进电机的一步再分得细一些。如十细分线路，将原来输入一个进给脉冲步进电机走一步变为输入10个脉冲才走一步。换句话说，采用十细分线路后，在进给速度不变的情况下，可使脉冲当量缩小到原来的110。若无细分，定子绕组的电流是由零跃升到额定值的，相应的角位移如图5--15(a)所示。采用细分后，定子绕组的电流要经过若干小步的变化，才能达到额定值，相应的角位移如图5--15(b)所示。¦Θ¦ΘO(a) tO (b) t图5-15 细5-15细分前后一步角位移波形图图分前后一步角位移波形图 （a）无细分（b）细分后(a) 无细分 (b) 细分后2. 齿隙补偿齿隙补偿又称反向间隙补偿。机械传动链在改变转向时，由于齿隙的存在，会引起步进电机的空走，而无工作台的实际移动。在开环伺服系统中，这种齿隙误差对于机床加工精度具有很大的影响，必须加以补偿。齿隙补偿的原理是：先测出齿隙的大小，设为Nd；在加工过程中，每当检测到工作台的进给方向改变时，在改变后的方向增加Nd个进给脉冲指令，用以克服因步进电机的空走而造成的齿隙误差。3. 螺距误差补偿在步进式开环伺服驱动系统中，丝杠的螺距积累误差直接影响着工作台的位移精度，若想提高开环伺服驱动系统的精度，就必须予以补偿。补偿原理如图5--16所示。通过对丝杠的螺距进行实测，得到丝杠全程的误差分布曲线。误差有正有负，当误差为正时，表明实际的移动距离大于理论的移动距离，应该采用扣除进给脉冲指令的方式进行误差的补偿，使步进电机少走一步；当误差为负时，表明实际的移动距离小于理论的移动距离，应该采取增加进给脉冲指令的方式进行误差的补偿，使步进电机多走一步。具体的做法是：(1)安置两个补偿杆分别负责正误差和负误差的补偿；(2)在两个补偿杆上，根据丝杠全程的误差分布情况及如上所述螺距误差的补偿原理，设置补偿开关或挡块；(3)当机床工作台移动时，安装在机床上的微动开关每与挡块接触一次，就发出一个误差补偿信号，对螺距误差进行补偿，以消除螺距的积累误差。机床运动1O误差3l2脉冲数120.01 mmO0-1-2脉冲数微动开关A补偿杆 A补偿杆 BB负补偿脉冲 A正补偿脉冲 B误差O补偿脉冲图5-16螺距误差补偿原理曲线1—理想的移动（没有螺距误差）曲线2—实际的移动（有螺距的误差）曲线曲线曲线 1 - 理想3—补偿前的误差曲线的移动（没有螺距的误差）4—补偿后的误差曲线曲线 2 - 实际的移动（有螺距的误差）图5-16 螺距误差补偿原理曲线 3 - 补偿前的误差曲线§5—3闭环伺服控制原理与系统曲线 3 - 补偿后的误差曲线在数控机床上，尤其是在计算机数控机床上，闭环伺服驱动系统由于具有工作可靠、抗干扰性强以及精度高等优点，因而相对于开环伺服驱动系统更为常用。但由于闭环伺服驱动系统增加了位置检测、反馈、比较等环节，与步进式开环系统相比，它的结构比较复杂，调试也相对更困难一些。一、闭环伺服驱动系统的执行元件随着数控技术的发展，对执行元件的要求愈来愈高，归纳起来主要有以下几点：(1)尽可能减少电机的转动惯量，以提高系统的快速动态响应；(2)尽可能提高电机的过载能力，以适应经常出现的冲击现象；(3)尽可能提高电机低速运行的稳定性和均匀性，以保证低速时伺服系统的精度。鉴于机械加工的特殊性，一般的电机不能满足数控机床对伺服控制的要求。目前，在数控机床上广泛应用的有直流伺服电机和交流伺服电机。1. 直流伺服电机直流伺服电机是机床伺服系统中使用较广的一种执行元件。在伺服系统中常用的直流伺服电机多为大功率直流伺服电机，如低惯量电机和宽调速电机等。这些伺服电机虽然结构不同，各有特色，但其工作原理与直流电机类似。(1)低惯量直流伺服电机。主要有无槽电枢直流伺服电机及其他一些类型的电机。无槽电枢直流伺服电机的工作原理与一般直流电机相同，其结构的差别和特点是：电枢铁心是光滑无槽的圆体，电枢绕组用环氧树脂固化成型并粘结在电枢铁心表面上，电枢的长度与外径之比在5倍以上，气隙尺寸比一般的直流电机大10倍以上。它的输出功率在几十瓦至10kW以内。主要用于要求快速动作、功率较大的系统。(2)宽调速直流力矩电机。这种电机用提高转矩的方法来改善其动态性能。它的结构形式与一般直流电机相似，通常采用他激式。目前几乎都用永磁式电枢控制。它具有以下特点：(3)直流伺服电机的脉宽调速原理。调整直流伺服电机转速的方法主要是调整电枢电压。目前使用最广泛的方法是晶体管脉宽调制器—直流电机调速(PWM—M)。它具有响应快，效率高，调速范围宽以及噪音污染小，简单可靠等优点。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5--9是PWM—M系统的工作原理图。设将图5--9(a)中的开关K周期地闭合、断开，开和关的周期是T。在一个周期内，闭合的时间为τ，断开的时间为T-τ。若外加电源的电压U是常数，则电源加到电机电枢上的电压波形将是一个方波列，其高度为U，宽度为τ，如图5--9(b)所示。它的平均值Ua为1ττUa=∫udt=U=δTUT0T（5-2）式中的δ=τ／T，称为导通率。当T不变时，只要连续地改变τ(0∼T)，就可使电枢电压的平均值(即直流分量Ua)由0连续变化至U，从而连续地改变电机的转速。实际的PWM—M系统用大功率三极管代替开关K。其开关频率是2000Hz，即T=12000=0.5ms图5—9PWM调速系统的电器原理图5--9(a)中的二极管是续流二极管，当K断开时，由于电枢电感La的存在，电机的电枢电流Ia可通过它形成回路而流通。图5--9(a)所示的电路只能实现电机单方向的速度调节。为使电机实现双向调速，必须采用桥式电路。图5--10所示的桥式电路为PWM—M系统的主回路电气原理图。图5—10PWM—M系统的主回路电气原理图2. 交流伺服电机交流伺服电机驱动是最新发展起来的新型伺服系统，也是当前机床进给驱动系统方面的一个新动向。该系统克服了直流驱动系统中电机电刷和整流子要经常维修、电机尺寸较大和使用环境受限制等缺点。它能在较宽的调速范围内产生理想的转矩，结构简单，运行可靠，用于数控机床等进给驱动系统为精密位置控制。交流伺服电机的工作原理与两相异步电机相似。然而，由于它在数控机床中作为执行元件，将交流电信号转换为轴上的角位移或角速度，所以要求转子速度的快慢能够反映控制信号的相位，无控制信号时它不转动。特别是当它已在转动时，如果控制信号消失，它立即停止转动。而普通的感应电动机转动起来以后，若控制信号消失，它往往不能立即停止而要继续转动一会儿。交流伺服电机也是由定子和转子构成。定子上有励磁绕组和控制绕组，这两个绕组在空间相差90°电角度。若在两相绕组上加以幅值相等、相位差90°电角度的对称电压，则在电机的气隙中产生圆形的旋转磁场。若两个电压的幅值不等或相位不为90°电角度，则产生的磁场将是一个椭圆形旋转磁场。加在控制绕组上的信号不同，产生的磁场椭圆度也不同。例如，负载转矩一定，改变控制信号，就可以改变磁场的椭圆度，从而控制伺服电机的转速。交流伺服电机的控制方式有三种：幅值控制、相位控制和幅值相位混合控制。图5--11所示为这三种控制方法的电气原理和矢量图。图5—11交流伺服电机的控制方法二、鉴幅式伺服系统1. 鉴幅式伺服系统的工作原理图5--25是鉴幅式伺服系统的方框图。该系统由测量元件及信号处理线路、数模转换器、比较器、驱动环节和执行元件五部分组成。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。图5-25鉴幅式伺服系统鉴幅式系统的工作原理如下：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的信号处理线路都没有脉冲输出，比较器的输出为零。这时，执行元件不能带动工作台移动。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还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停止。在鉴幅式伺服系统中，数模转换电路的作用是将比较器输出的数字量转化为直流电压信号，图5--26测量元件及信号处理线路该信号经驱动线路进行电压和功率放大，驱动执行元件带动工作台移动。测量元件及信号处理线路是将工作台的机械位移检测出来并转换为数字脉冲量。测量元件解调线路电压频率转换Sin/cos发生器图5-26测量元件及信号处理线路测量元件及信号处理线路是如何将工作台的机械位移检测出来并转换为数字脉冲的呢?测量元件的工作原理在第四章中已经详细地介绍过，下面重点介绍信号处理线路的工作原理。图5-26是测量元件及信号处理线路的框图，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。由测量元件的工作原理可知，当工作台移动时，测量元件根据工作的位移量，即丝杠转角θ输出电压信号VB=Vmsin(α−β)sinωtα是此时测量元件激磁信号的电气角。VB的幅值Vmsin(α−β)代表着工作台的位移。VB经滤波、放大、检波、整流以后，变成方向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，这个过程称为解调。解调电路也称鉴幅器。解调后的信号经电压频率转换器变成计数脉冲，脉冲的个数与电压幅值成正比，并用符号触发器表示方向。一方面，该计数脉冲及其符号送到比较器与进给脉冲比较；另一方面，经sin／cos发生器，产生驱动测量元件的两路信号sin和cos，使α角与此相对应发生改变。该驱动信号是方波信号，它的脉宽随计数脉冲的多少而变。根据傅里叶展开式，当该方波信号作用于测量元件时，其基波信号分量为VS=Vmsinα1sinωtVK=Vmsinα1cosωt(5−5)(5−6)α1角的大小由方波的宽度决定。若测量元件的转子没有新位移，因激磁信号电气角由α变为α1，它所输出的幅值信号也随之变化，而且逐步趋于零。若输出的新的幅值信号VB′=Vmsin(α1−θ)不为零，VB′将再一次经电压频率转换器、sin／cos信号发生器，产生下一个激磁信号，该激磁信号将使测量元件的输出进一步接近于零，这个过程的不断重复，直到测量元件的输出为零时止。在这个过程中，电压频率转换器送给比较器的脉冲数量正好等于θ角所代表的工作台的位移量。通常，我们总希望测量过渡过程尽可能短，如果这个过程很长，当有连续的进给脉冲时，由于来自测量元件的反馈脉冲不能及时到来，比较器输出的误差信号本身就带有很大的误差，因而必定要造成伺服系统的拖动误差，从而影响加工精度。还有一点须要说明，测量元件的激磁信号sin／cos是方波信号，傅里叶展开后，可分解为基波信号和无穷个高次谐波信号，因此，测量元件的输出也必然含有这些高次谐波的影响，故在解调线路中，须首先进行滤波，将这些高次谐波的影响排除掉。2. 鉴幅式伺服系统的主要控制线路1)解调线路图5--27是解调线路图，它由三部分组成，即低通滤波器、放大器和检波器。如前所述，来自测量元件的信号除包含基波信号VB=Vmsin(α−θ)之外，还有高次谐波，需用低通滤波器将它滤掉。图5--28是一种低通滤波线路图。它主要由可变电位计、滤波器和放大器组成。电位计W1用来调节解调线路的灵敏度，通过调节W1输出电压，改变低通滤波器的输出。放大器用来提高输出阻抗，使低通滤波器有良好的阻抗匹配。低通滤波器输出信号的幅值和功率较小，故经过一级放大之后送到检波器。放大器的参数可根据低通滤波器的输出信号的幅值和检波器对它的要求选定，放大器是集成元件，可根据要求选择。图5--29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。输入信号V1经放大器T1、反相器T2和RC线路变成两列相位相反的交变电压信号，参考信号是与VD同频率、同相位的方波信号。当参考信号D为高时，控制电子开关K1接通，而此时D为低，控制电子开关K2断开；当参考信号D为低时，控制电子开关K1断开，而D为高使K2接通。我们知道，测量元件输出的电压信号为VB=Vmsin(α−β)sinωt当工作台正向进给时，VB的幅值Vmsin(α−θ)为正；当工作台反向进给时，Vmsin(α−θ)为负。如果参考信号D在sinωt为正时为高，那么，工作台正向进给时，检波器的输出VE为正；工作台反向进给时，检波器的输出VE为负。VE信V号再经过一次滤波去掉脉动成分，就得到平滑的直流电压F，检波器的工作波形图如图5--30所示。VDVDOD¦tΨOD¦tΨOVE¦tΨOVE¦tΨOVF¦tΨOVF¦tΨO¦tΨ¦tΨO图5-30 检波器波形图 (a) 正向进给时 (b) 反向进给时2)电压频率转换器电压频率转换器的作用是根据输入的电压值，产生出相应的脉冲。当输入电压为正时，输出正向脉冲；当输入电压为负时，输出反向脉冲，脉冲的方向用符号寄存器的输出表示；当输入为零时，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，图5--31是电压频率转换器线路图，其工作原理如下：放大器OA1是一个积分器，当输入信号的幅值大时，OA1的输出上升到+2.5V所需的积分时间短，当输入信号的幅值小时，积分的时间长一些，如图5--32所示。放大器OA2和OA3是两个电压比较器，它们的作用是检测OA1的信号。当OA1输出的电压上升到+2.5V时，OA2的输出突然由1变为0；而OA1的输出电压值下降到-2.5V时，OA3的输出突然由1变为0。OA2和OA3的输出又被送到同步器，每当OA2和OA3有由高电平到低电平的跳变时，同步器输出一个同步脉冲。该脉冲经三极管Q1和场效应管使积分器OA1复位，OA1的输出等于输入，同时OA2或OA3的输出又变为高电平。另外OA2和OA3输出的脉冲信号又控制符号触发器置位或清零，指出方向。Q=0表示正向，Q=1表示反向。图5--32是电压频率转换的波形图。VFOOA1输出t+2.5VOt5VOA2输出O5VtOA3输出O脉冲输出t5VO5Vt方向符号Ot图5-32 电压频率转换器工作波形图电压频率转换器的输出一方面作为工作台的实际位移被送到鉴幅系统的比较器，另一方面作为激磁信号的电气角α被送到sin／cos发生器(见图5--33)。3)sin／cos发生器sin／cos发生器的任务是根据电压频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(5−7)(5−8)和VK，即VS=VmsinαsinωtVK=Vmcosαsinωt式中α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。通常，sin／cos发生器可分为两部分，即脉冲相位转换线路和sin／cos信号生成线路。图5--33是一具体的sin／cos信号发生器，其工作原理如下：当电压频率转换器有正向计数脉冲输出时，该正向脉冲在方向符号的控制下，经门3、门5进入A计数器的加端，使A计数器多加这些正向计数脉冲，A计数器的输出便超前参考计数器的输出一个相位角α1；同时，它经门3直接进入B计数器减端，使B计数器减掉这些正向计数脉冲，B计数器输出便滞后参考计数器的输出一个相应角α1；若电压频率转换器输出的是反向计数脉冲，则该反向脉冲在方向符号的控制下，一方面经门2、门4使B计数器多加这些反向计数脉冲，B计数器的输出超前参考计数器的输出一个相位角α2；另一方面经门2直接进入A计数器减端，使A计数器减掉这些反向计数脉冲，A计数器的输出滞后参考计数器的输出一个相位角α2；若电压频率转换器没有计数脉冲输出，A和B两计数器的输出与参考计数器的输出同相位。实现以上这部分功能的线路称之为脉冲相位转换线路，它与鉴相式伺服系统中的脉冲调相器基本相同。A计数器的输出A及其两分频后的信号A2，B计数器的输出B及其两分频后的信号B2，以及参考计数器输出的参考信号共同进入sin／cos信号生成线路。图5--34是sin／cos信号生成线路，它的输出就是所要求的测量元件的激磁信号。图5--34中sin和cos的逻辑表达式为⎧ABsin=⎪22⎪⎨⎪cos=⎛A⊕A⎞⎛B⊕B⎞⎜⎟⎜⎟⎪22⎝⎠⎝⎠⎩(5−9)4)比较器鉴幅系统比较器的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以下两种形式：第一种是用一条线路传递进给的方向，一条线路传送进给脉冲；第二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。来自测量元件信号处理线路的反馈信号是采用第一种形式表示的。进入比较器的脉冲信号形式不同，比较器的构造也不相同。图5--36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。比较器的工作原理是，当有正向指令脉冲出现时，该脉冲在方向符号控制下经门2、门4，进入可逆计数器加端，使可逆计数器作加法计数，可逆计数器的内容由零变为正数。其输出经数模转换、驱动环节，使执行元件带动工作台正向移动。工作台移动之后，测量元件将移动的距离检测出来，并经信号处理线路以正向反馈信号送入比较器。该正向反馈信号经门6、门8进入可逆计数器减端，使可逆计数器作减法计数，可逆计数器的内容就是指令信号和反馈信号之差。若指令脉冲为反向脉冲，则经门3、门8进入计数器减端，使可逆计数器作减法计数，可逆计数器的内容为负。这时，反馈信号也一定是反向脉冲，反向脉冲经门7、门4进入可逆计数器加端，使可逆计数器作加法计数。当指令信号由一个方向向另一个方向转换时，一定要在工作台停止后再进行，即可逆计数器的内容变为零时再进行，否则要造成加工误差。图5--37是指令脉冲用第二种形式表示时的一种比较器的结构，其工作原理与第一种比较器的原理基本相同，这里不再分析。5)数模转换器数模转换器也称脉宽调制器，它的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，只要能满足伺服系统对它的输入输出要求，可直接选来应用。四、数字比较式伺服系统1. 数字比较系统的构成一个数字比较系统最多可由6个主要环节组成(见图5-38)：(1)由数控装置提供的指令信号。它可以是数码信号，也可以是脉冲数字信号。(2)由测量元件提供的机床工作台位置信号。它可以是数码信号，也可以是数字脉冲信号。(3)完成指令信号与测量反馈信号比较的比较器。(4)数字脉冲信号与数码的相互转换部件。它依据比较器的功能以及指令信号和反馈信号的性质而决定取舍。(5)驱动执行元件。它根据比较器的输出带动机床工作台移动。在数字比较系统中，常用的位置测量反馈元件有光栅和编码盘。前者提供的是数字脉冲序列，后者是数码信号。虽然在此类系统中也可以采用能产生模拟反馈信号的测量元件，如旋转变压器、感应同步器等，但要通过模数(A／D)转换，将模拟量变为数字量以后才能提供给系统，这样会增加系统的复杂程度，故在典型的数字比较系统中很少采用。图5-38数字比较系统的组成常用的数字比较器大致有三类：数码比较器、数字脉冲比较器、数码与数字脉冲比较器。由于指令和反馈信号不一定能适合比较的需要，因此，在指令和比较器之间以及反馈和比较器之间有时须增加“数字脉冲—数码转换”的线路。比较器的输出反映了指令信号和反馈信号的差值，以及差值的方向。将这一输出信号放大后，控制执行元件。执行元件可以是伺服电机、液压伺服马达等。一个具体的数字比较系统，根据指令信号和测量反馈信号的形式，以及选择的比较器的形式，可以是一个包括上述6个部分的系统，也可以仅由其中的某几部分组成。2． 数字比较系统的主要功能部件1)数字脉冲—数码转换器(1)数字脉冲转换为数码。对于数字脉冲转化为数码，其简单的实现就是一个可逆计数器，它将输入的脉冲进行计数，以数码值输出。根据对数码形式的要求不同，可逆计数器可以是二进制的、二—十进制的或其他类型的计数器，图5--39是由两个二—十进制计数器组成的数字脉冲—数码转换器。图5-39数字脉冲转化为数码的线路(2)数码转换为数字脉冲。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5--40所示，先将要转换的数码置入减法计数器，当时钟脉冲CP到来之后，一方面使减法计数器作减法计数，另一方面进入与门。若减法计数器的内容不为“0”，该CP脉冲通过与门输出，若减法计数器的内容变为“0”，则与门被关闭，CP脉冲不能通过。计数器从开始计数到减为“0”。刚好与置入计数器中数码等值的数字脉冲从与门输出，从而实现了数码—数字脉冲的转换。第二种方法是用一个脉冲乘法器，在讨论插补原理时曾介绍过，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个数输出。其示意图如图5--41所示。图5-40数码转化为数字脉冲的线路之一图5-41数码转化为数字脉冲线路之二2)比较器在数字比较系统中，使用的比较器有多种结构，根据其功能可分为两类：一是数码比较器；二是数字脉冲比较器。在数码比较器中，比较的是两个数码信号，而输出可以是定性的，即只指出参加比较的数谁大谁小，也可以是定量的，指出参加比较的数谁大,大多少。在数字脉冲比较器中，常用的方法是带有可逆回路的可逆计数器。五、闭环伺服系统的性能下面以鉴相式伺服系统为例来讨论闭环伺服系统的性能。1． 系统工作稳定性由于鉴相系统是一个自动调节系统，故在设计时必须进行稳定性计算，校核系统的工作稳定情况，以保证系统是在稳定区内工作。稳定性的校核是根据传递函数进行的，鉴相系统的传递函数可表示为KvW=amSm+am−1Sm−1+⋯+a1S+Kv式中(5−10)（5—3）Kv为系统速度放大系统；am,am−1,⋯,a1为系数。根据罗斯--侯维智稳定判据，可计算出保证系统稳定工作的最大速度放大系数Kvmax，如果超过该Kvmax，系统工作就不稳定了。2．无负载机床丝杠最大转速nmax机床丝杠的最大无负载转速nmax应按下式计算：60nmax≤λϕmaxKvmaxrmin)(5−11)(60nmax≤λϕmaxKv2rmin)(5−11)π(max2πϕmax=(ϕ−θ)max(5−12)ϕmax=(ϕ−θ)max(5−12)式中（5—4）（5—5）ϕmax是鉴相器允许两相信号的最大相位差。二极管型鉴相的ϕmax=2π门电路型鉴相器的ϕmax=π,2π,4π,iii由此可见，门电路型鉴相器较二极管型鉴相器可得到高几倍的最大转速，即可使机床工作台得到更高的进给速度。λ是鉴相器非均匀输出系数。二极管型鉴相器的λ=0.64；门电路型鉴相器的λ=1。此外，nmax是在直流放大器和电液伺服阀均未达到饱和工作条件下导出的。由于负载惯性的存在，一般，系统启动频率都低于系统最大工作频率(nmax对应的工作频率)，即系统不能从静止状态突然加速到使机床丝杠在无负载最大转速nmax下工作，必须设置使系统在启动时逐步加速的加速回路。有时还须要设置停止时逐步减速的减速回路，如步进式伺服系统中的加减速回路。3．系统静不灵敏区ϕmin系统从停止状态使执行元件以最慢速度开始正向或反向转动所需的鉴相器的最小相位差称ϕmin=(ϕ−θ)min为系统静不灵敏区。它直接影响到机床的调整与加工精度，因此，希望它愈小愈好。系统静不灵敏区主要由执行元件(如电液伺服阀和液压马达)造成，4．稳态误差ε当数控机床工作台作等速运动时，系统的输入转角ϕ与机床丝杠的实际转角ϕmin与Kv成反比。n(rads)的转速旋转，θ之差称为稳态误差，设机床丝杠以W则系统稳态误差ε为ε=nWKv（5—6）5．动态特性当在鉴相器的输入端加一阶跃输入ϕ(5−13)=ϕ0时，机床丝杠，即旋转变压器转子将按图5--20所示的过程随动，该过渡过程应满足如下品质指标：图5-20系统过渡过程(1)尽可能减小稳态误差ε。(2)超调量σ%要小。它影响机床加工精度的提高和粗糙度的降低。σ%=θmax−θ(∞)θ(∞)×100%(5−14)（5—7）(3)调节时间TP要短。(4)过渡过程的振荡次数要少。由以上各性能可见，提高机床丝杠无负载最高转速nmax、减小静不灵敏区ϕmin、减小稳态误差ε以及提高系统刚性等，均须增大系统速度放大系数Kv。但这会导致系统稳定性的降低，因此，在保证系统稳定工作的前提下应尽可能增大系统的速度放大系数。图5-43测速反馈原理图6．提高系统稳定性能的措施(1)降低系统的速度放大系数。(2)采用积分--微分串联校正装置。(3)采用速度、加速度负反馈并联校正装置。图5--43为该装置的原理图。