【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 圖 513為鑒幅器原理圖。輸入端的 e0是感應(yīng)同步器定尺繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，由式 e0=E0msinωt 可知， e0是交變電動(dòng)勢(shì)。該信號(hào)首先通過(guò)低通濾波器 Ⅰ ，濾去交變信號(hào)中的高次諧波和干擾信號(hào)，獲得較為理想的正弦波形。通過(guò)運(yùn)算放大器將信號(hào) 放大。然后，由互為反向的開(kāi)關(guān)信號(hào) SL和 實(shí)現(xiàn)通道的通斷控制，其開(kāi)關(guān)頻率與輸入信號(hào)相同。由圖 514a可見(jiàn)，在 e0信號(hào)的 0～ π 區(qū)間， SL=1， 使 S1接通， e0信號(hào)經(jīng) 、 S1， 到達(dá)低通濾波器 Ⅱ 的輸入端 UE； e0信號(hào)的 π ～ 2π 區(qū)間， =1，使 S1接通， e0信號(hào)經(jīng) A反向器 A S2， 到達(dá)低通濾波器 Ⅱ 的輸入端 UE。 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 工作臺(tái)做正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于反向器 A2的作用，使 e0負(fù)半周也變成正半周信號(hào)。這樣在 UE處得到了一單向脈動(dòng)的直流信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)低通濾波器 Ⅱ 后，鑒幅器輸出信號(hào)為一平滑的直流信號(hào) UF。 從圖中可見(jiàn)，由于 UF是 UE的平均值，它的大小與 e0信號(hào)的電動(dòng)勢(shì)幅值 E0m直接有關(guān)。 E0m增大， UF也跟著增大，所以的大小實(shí)際上反映了 θ 和 之間相位差的大小。 UF越大， θ 和 之間相位差越大。另外，從圖 514中可以看出，站柜臺(tái)正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，輸出端 UF為正值；工作臺(tái)反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，輸出端 UF為負(fù)值。 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 正向運(yùn)動(dòng) （ θ ＞ j ） 反向運(yùn)動(dòng) （ θ ＜ j ） π 2π ω t ω t ω t ω t SL LS (a)鑒幅器輸出波形 e0 UE UF O O O π /2 π 3π /2 2π （ b）數(shù)字正、余弦勵(lì)磁信號(hào) 2j π 2π j O O U U － U － U U1 U2 圖 514 幅值比較控制波形 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) －頻率變換器 電壓－頻率變換器的作用是將鑒幅器輸出的電壓 UF變換成相應(yīng)的脈沖序列，并且脈沖序列的頻率與 UF電壓的高低成正比。由于電壓 UF是雙極性的， UF電壓經(jīng)極性處理電路后，使 Un成為 UF的絕對(duì)值，且始終大于 0。壓控振蕩器（ VCO） 將輸入的單極性直流電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)頻率的脈沖輸出。壓控振蕩器（ VCO） 它輸出的脈沖頻率與控制電壓成正比關(guān)系。 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 感應(yīng)同步器滑尺繞組的勵(lì)磁可采用模擬量勵(lì)磁式和脈沖調(diào)寬式。由于模擬量勵(lì)磁方式易受外界干擾而影響精度，所以比較多地采用脈沖調(diào)寬式勵(lì)磁方式。脈沖寬度調(diào)制實(shí)際上是用控制矩形波脈寬的方法來(lái)等效地實(shí)現(xiàn)正弦波勵(lì)磁，其波形如圖 514b所示。 若滑尺上的兩勵(lì)磁繞組加以矩形波勵(lì)磁信號(hào)。則兩勵(lì)磁繞組信號(hào) U1和 U2為： 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 式中 A—— 矩形波的幅值 —— 正弦波勵(lì)磁中的電氣角，在此為影響矩形波寬度的參數(shù)。 其中 U1的脈寬為 2 ， U2的脈寬為 π － 2 。 如用傅立葉級(jí)數(shù)對(duì) U1和 U2進(jìn)行展開(kāi)，并消去高次諧波，則 U1和 U2信號(hào)的基波分量為： （ 5－ 5） （ 5－ 6） 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 可以看出，設(shè)法消除高次諧波的影響后，用脈寬調(diào)制的矩形波勵(lì)磁與正弦波勵(lì)磁在幅值工作方式下工作的功能完全相當(dāng)。因此，可將對(duì)電氣角的控制轉(zhuǎn)變對(duì)脈沖寬度的控制。在數(shù)字電路中，對(duì)脈沖寬度的控制比較準(zhǔn)確和容易實(shí)現(xiàn)。 圖 515是脈沖調(diào)寬矩形脈沖發(fā)生器原理圖，其中脈沖加減器和兩個(gè)分頻系數(shù)相同的分頻器用于實(shí)現(xiàn)數(shù)字移相，計(jì)數(shù)觸發(fā)脈沖 和 的頻率是在時(shí)鐘脈沖的基礎(chǔ)上，按位置反饋脈沖 Pf和電壓－頻率變換器輸出信號(hào) US的狀態(tài)進(jìn)行加減的。每個(gè)分頻器有兩路相差 90176。 的電角度的溢出脈沖輸出，通過(guò)組合邏輯進(jìn)行調(diào)寬脈沖的波形合成。 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 當(dāng)無(wú)實(shí)際值脈沖時(shí)，時(shí)鐘脈沖 CP直接加于分頻器，分頻結(jié)果輸出為參考信號(hào)。此時(shí)產(chǎn)生的勵(lì)磁信號(hào)為 sin0176。 和cos0176。 。 當(dāng)工作臺(tái)移動(dòng)時(shí)，滑尺和定尺有位置偏差，產(chǎn)生反饋脈沖 Pf。 根據(jù)運(yùn)動(dòng)方向信號(hào) Ux， 使兩分頻器中一個(gè)做加，一個(gè)做減，于是產(chǎn)生向前移相信號(hào) A和向后移相信號(hào) B。 經(jīng)過(guò)組合邏輯門(mén)，產(chǎn)生信號(hào) sin1和 sin cos1和 cos2。 再經(jīng)輸出門(mén)將這些信號(hào)合成，產(chǎn)生調(diào)制波 U1和 U2。 加于滑尺的相應(yīng)繞組上。 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 速度控制信號(hào)的實(shí)現(xiàn)的方式 經(jīng)位置控制的脈沖比較、相位比較或幅值比較獲得的位置偏差均以脈沖的形式存在，該位置偏差經(jīng)一定的轉(zhuǎn)換后，形成速度控制信號(hào)，數(shù)控系統(tǒng)一般輸出的速度控制信號(hào)為模擬電壓－ 10～ +10V， 作為伺服驅(qū)動(dòng)裝置的控制信號(hào)。該信號(hào)通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)。速度控制信號(hào)的大小與伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比；速度控制信號(hào)的正、負(fù)決定了伺服電動(dòng)機(jī)的正、反轉(zhuǎn)。從位置偏差到速度控制信號(hào)的形成如圖 516所示。 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 速度指令 VC=位置偏差 Pe 位置增益 KV。 位置增益 KV決定了速度對(duì)位置偏差的響應(yīng)程度，它反映了伺服系統(tǒng)的靈敏度。 將速度指令 VC轉(zhuǎn)換為速度控制電壓 UP的轉(zhuǎn)換電路常采用的脈寬調(diào)制器 (PWM)的方法。圖 517所示為某一具體的 PWM電路。 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 速度指令寄存器和粗、精減法計(jì)數(shù)器 圖 517是位置控制的硬件部分。它由速度指令寄存器，4位粗計(jì)數(shù)器、 9位精計(jì)數(shù)器，模擬開(kāi)關(guān)和電壓放大部分組成，它是一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置。由軟件部分計(jì)算出的速度指令值首先送入硬件部分的速度指令寄存器寄存，如前所述，每1/2插補(bǔ)時(shí)間軟件部分計(jì)算一次位置偏移量 ΔD i和速度指令值 V0i， 因此，每 4ms速度指令寄存器得到一個(gè)新值。速度指令寄存器有 14位，最大指令 VC為（ － 1） =177。8191 。最高位用作符號(hào)位， 0～ 8位送往精計(jì)數(shù)器， 9～ 12位送往精計(jì)數(shù)器。 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 最高位用作符號(hào)位， 0～ 8位送往精計(jì)數(shù)器， 9～ 12位送往精計(jì)數(shù)器。精計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)時(shí)鐘頻率是 4MHZ最大計(jì)數(shù)值是512，每計(jì)一個(gè)數(shù)的時(shí)間是 ， 512的計(jì)數(shù)時(shí)間是128μs 。 粗計(jì)數(shù)器時(shí)鐘頻率是 125MHZ， 每減一個(gè)數(shù)的頻率是8μs ， 最大計(jì)數(shù)值是 16，共用 128μs 。 因此可知粗、精計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)周期都是 128μs 。 為能連續(xù)計(jì)數(shù)，每隔 128μs ， 速度指令寄存器必須向兩個(gè)計(jì)數(shù)器同時(shí)送數(shù)一次。在 4ms時(shí)間內(nèi)共送數(shù) 34次。這樣，脈寬調(diào)制器就可將速度指令寄存器中的速度指令值 VC變換成周期等于置數(shù)周期 T（ 128us）， 而寬度與 VC值成正比的調(diào)寬脈沖（包括 MPC和 MPF）。 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 模擬開(kāi)關(guān) 圖 518是模擬開(kāi)關(guān)電路圖。三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電壓＋ 5V、＋ V、 0 V分別接到傳輸門(mén) A、 B、 C的輸入端，三個(gè)門(mén)的輸出端連到一起，作為電壓輸出端，三個(gè)門(mén)開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)來(lái)自計(jì)數(shù)器和符號(hào)位。若符號(hào)位 SN為正，計(jì)數(shù)器的輸出 MP也為正，則與非門(mén) Ⅰ 的輸出為負(fù)，反向器 a的輸出為正， A門(mén)通，使輸出端 NP的電壓為＋ 5V。 此時(shí)與非門(mén) Ⅱ 的輸出為正， c的輸出為負(fù)；因 MP為正，因而 b的輸出為負(fù)， B 、 C兩門(mén)都關(guān)閉。當(dāng)符號(hào)位 SN為負(fù)，計(jì)數(shù)器 MP的輸出為正時(shí)，與門(mén) Ⅰ 的輸出為正與非門(mén) Ⅱ 的輸出為負(fù)，使 C門(mén)開(kāi)通，輸出端 NP電壓為 0V， 此時(shí) A、 B兩門(mén)關(guān)閉。當(dāng)計(jì)數(shù)器的輸出 MP為負(fù)時(shí)，無(wú)論符號(hào)位 SN是正還是負(fù)， C門(mén)開(kāi)通， A、 B兩門(mén)關(guān)閉，輸出端 NP為＋ 。 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) MP何時(shí)為正何時(shí)為負(fù)，與計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值大小有關(guān)。粗精計(jì)數(shù)器都是減法計(jì)數(shù)器，從兩個(gè)計(jì)數(shù)器置入數(shù)開(kāi)始計(jì)算，當(dāng)把置入的數(shù)減到零時(shí)計(jì)數(shù)結(jié)束。在置數(shù)周期 128μs 期間內(nèi)，計(jì)數(shù)值減到 0以前計(jì)數(shù)器輸出高電平，以后輸出低電平。因而每一個(gè)置數(shù)周期輸出一個(gè)方波。計(jì)數(shù)值越大，計(jì)數(shù)的時(shí)間越長(zhǎng)，方波的正半周越寬。當(dāng)精計(jì)數(shù)器的置數(shù)值為 511時(shí)（低 9位每位都是二進(jìn)制的 1）正半周的寬度等于置數(shù)周期，負(fù)半周為 0，當(dāng)粗計(jì)數(shù)器的置數(shù)值為 15時(shí)，在全部置數(shù)周期內(nèi)（ 128μs ） 輸出高電平。 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 模擬開(kāi)關(guān)的輸出電壓 NP與計(jì)數(shù)器的輸出方波相對(duì)應(yīng)：在正半周時(shí)， MP為高電平，根據(jù)符號(hào)位不同，或門(mén)打開(kāi)， NP為＋ 5 V或 0V； 負(fù)半周時(shí)，門(mén)打開(kāi)， NP為＋ 。 因此 NP是一個(gè)半波寬隨計(jì)數(shù)值而變化的脈沖。脈沖周期 T等于計(jì)數(shù)器的置數(shù)周期。它的直流平均電壓 UNP（ 單位為 V） 可以表示如下： 作用就是要將不帶符號(hào)的 MP變化成反映正、負(fù)速度指令的標(biāo)準(zhǔn)電壓 UNP（ 包括 UNPC和 UNPF）， 其波形如圖 519所示。 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 當(dāng)速度指令為正時(shí)， SN=0 UNP=（ 1－ τ/ T） (V) 當(dāng)速度指令為負(fù)時(shí)， SN=1 UNP=（ 1＋ τ/ T） (V) 其中 τ/ T為脈寬占空比，該比值越大，說(shuō)明速度指令越大。 根據(jù)圖 517， UNP經(jīng)濾波和運(yùn)算放大器 A A2處理后，設(shè)標(biāo)準(zhǔn)電壓 UREFD= V， 則速度控制電壓 UP=－ 4UNPC－ (V) （ 5－ 7） （ 5－ 8） （ 5－ 9） 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) （ 1）當(dāng)正向最高速度指令值 VC=+8191時(shí)，占空比 τ/ T=1， 根據(jù)式（ 5－ 7）， UNP=0V， 即 UNPC=0 V， UNPF=0 V， 根據(jù)式（ 5－ 9） UP= V， 這表示伺服電動(dòng)機(jī)獲得最高正向轉(zhuǎn)速。 （ 2）當(dāng)反向最高速度指令值 VC=－ 8191時(shí)，占空比 τ/ T= 1， 根據(jù)式（ 5－ 8）， UNP=5V， 即 UNPC=5V， UNPF=5V， 根據(jù)式（ 5－ 9） UP=－ V， 這表示伺服電動(dòng)機(jī)獲得最高反向轉(zhuǎn)速。 這樣速度控制電壓 VCMD約在－ 10～ +10 V范圍內(nèi)線性變化，該電壓作為伺服驅(qū)動(dòng)裝置的控制電壓，其大小決定了伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，正、負(fù)號(hào)決定了伺服電動(dòng)機(jī)的正、反轉(zhuǎn)，最終實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)進(jìn)給速度的調(diào)整和正、反向進(jìn)給。 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 數(shù)模轉(zhuǎn)換時(shí)數(shù)字量與模擬電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系 由于粗計(jì)數(shù)器是對(duì) 14位的速度指令寄存器中的 9～ 12位計(jì)數(shù)，因此它每減一個(gè)數(shù)相當(dāng)于精計(jì)數(shù)器減 512次計(jì)數(shù)。也就是說(shuō)計(jì)數(shù)器的每次減 1，計(jì)數(shù)器使速度指令電壓 UP的變化比精計(jì)數(shù)器大 512倍。為此在硬件部分采用了兩個(gè)措施。措施 1是降低粗計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)頻率。由前述可知：精粗計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)頻率之比是 。措施 2是增大放大倍數(shù)，由上面可知的放大倍數(shù)是 4，而的放大倍數(shù)是 ，兩者之比為 16。其結(jié)果為 3216=512 ，正好與速度指令寄存器第九位的權(quán)值相同。 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 位置控制實(shí)例 進(jìn)給坐標(biāo)軸的位置控制一般采用大規(guī)模專(zhuān)用集成電路位置控制芯片，也可采用通用芯片構(gòu)成位置控制模板。 位置控制芯片 1. MB8739 MB8739是 FANUC公司設(shè)計(jì)的專(zhuān)用位置控制芯片，其結(jié)構(gòu)如圖 520所示。該芯片適用的位置檢測(cè)裝置為增量式的光柵或光電編碼器。在圖中，與伺服電動(dòng)機(jī)同軸聯(lián)接的光電編碼器產(chǎn)生一系列脈沖，該脈沖經(jīng)接收器反饋到 MB8739， 其中，PA、 PB為相位差 90176。 的序列脈沖， PC為零標(biāo)志脈沖。 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) MB8739包括位置測(cè)量與反饋全部線路，集成度非常高，其結(jié)構(gòu)主要包括以下幾個(gè)部分： (1) DDA插補(bǔ)器 該插補(bǔ)器作為粗、精二級(jí)插補(bǔ)結(jié)構(gòu)的第二級(jí)精插補(bǔ)，即細(xì)插補(bǔ)，它的輸入是上一級(jí)軟件插補(bǔ)及一個(gè)插補(bǔ)周期的進(jìn)給信息，即粗插補(bǔ)數(shù)據(jù)。 (2) 誤差寄存器 實(shí)現(xiàn)指令位置與實(shí)際位置的比較，并寄存比較后的誤差 Pe， 實(shí)際上是采用可逆計(jì)數(shù)器的脈沖比較。位置指令 PC來(lái)自 DDA插補(bǔ)器，位置反饋值 Pf來(lái)自鑒相器，即 Pe=PC－ Pf。 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) (3) 位置增益 將位置偏差乘以位置增益 KV， 獲得速度指令值 VC。 位置增益 KV決定了速度對(duì)位置偏差的響應(yīng)程度，它反映了伺服系統(tǒng)的靈敏