【正文】 進(jìn)入可逆計(jì)數(shù)器。由于脈沖比較器具有脈沖分離功能，所以在指令脈沖和反饋脈沖不同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，脈沖比較器進(jìn)行正常的脈沖信號(hào)比較。 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) 相位比較伺服系統(tǒng) 一、相位比較伺服系統(tǒng)組成 相位比較伺服系統(tǒng)的檢測(cè)元件可以是旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器或磁柵等。 原理框圖如圖 55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) （ 1）能輸出一系列具有一定頻率的脈沖信號(hào)，為伺服系統(tǒng)提供一個(gè)相位比較基準(zhǔn)的基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器。 （ 3）檢測(cè)工作臺(tái)位移的位置檢測(cè)元件（感應(yīng)同步器）。 （ 5）將鑒相器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行功率和電壓放大的伺服放大器。 根據(jù)感應(yīng)同步器工作在相位工作方式時(shí)有 其中， 。實(shí)現(xiàn)相位比較的比較器為鑒相器。 （ 5－ 1） 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) 二、相位比較伺服系統(tǒng)的工作原理 脈沖 — 相位變換器又稱脈沖調(diào)相器，作用有兩個(gè)：一是通過(guò)對(duì)基準(zhǔn)脈沖進(jìn)行分頻，產(chǎn)生基準(zhǔn)相位脈沖 ，由該脈沖形成的正、余弦勵(lì)磁繞組的勵(lì)磁電壓頻率與 頻率相同，感應(yīng)電壓 ud的相位 隨著工作臺(tái)的移動(dòng)，相對(duì)于基準(zhǔn)相位 有超前或滯后；二是通過(guò)對(duì)指令脈沖 Pc+、 PC的加、減，再通過(guò)分頻產(chǎn)生相位超前或滯后于 的指令相位脈沖 。如(圖 56)所示為 Pc+=2時(shí)的相位比較波形圖。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) ， Pc+=2， 在指令獲得瞬時(shí)，工作臺(tái)仍靜止，此時(shí)，指令脈沖的相位 超前基準(zhǔn)相位 ，但實(shí)際位置相位 保持不變，經(jīng)鑒相器 ，速度控制信號(hào)大于零，伺服電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，工作臺(tái)正向移動(dòng)，如圖 56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)圖 56 相位比較波形圖（一）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)圖 56 相位比較波形圖（二）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) 4. 隨著工作臺(tái)的繼續(xù)正向移動(dòng)，實(shí)際相位 超前基準(zhǔn)相位 的數(shù)值增加，當(dāng) 時(shí)，經(jīng)鑒相器 ，速度控制信號(hào)為零，伺服電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，工作臺(tái)停止在指令所要求的位置上，如圖 56所示。所不同的是指令脈沖相對(duì)于基準(zhǔn)脈沖為減脈沖，故指令相位 相對(duì)于基準(zhǔn)相位 滯后，同時(shí)，實(shí)際相位 相對(duì)于基準(zhǔn)相位 也為滯后，經(jīng)鑒相器比較后所得的速度指令信號(hào)為負(fù)，伺服電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，工作臺(tái)移動(dòng)至指令位置。 至于一個(gè)脈沖相當(dāng)于多少相位增量，取決于脈沖 — 相位變換器中的分頻系數(shù) N和脈沖當(dāng)量。 電角度），脈沖當(dāng)量 δ= mm/ 脈沖，則相位增量為 δ/τ360176。=176。 的相位移，因此需要將一個(gè)節(jié)距分成 2023等份，即分頻系數(shù) N=2023（ 176。）。 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) 三、脈沖調(diào)相器 脈沖調(diào)相器是將脈沖數(shù)量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)相位的裝置。由基準(zhǔn)脈沖信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的基準(zhǔn)脈沖信號(hào) f0分成兩路。另一路輸入調(diào)相分頻通道，和指令脈沖一起作用，產(chǎn)生指令相位信號(hào) 。在基準(zhǔn)脈沖信號(hào)觸發(fā)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)器和 X計(jì)數(shù)器之前，先向 X計(jì)數(shù)器輸入一定數(shù)量的指令脈沖 PC+。由于標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)器是 N分頻，所以 N個(gè)基準(zhǔn)脈沖會(huì)使標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)器的輸出變化一個(gè)周期，即360176。 X計(jì)數(shù)器輸入端同樣接收到 N個(gè)基準(zhǔn)脈沖，但由于先前 X計(jì)數(shù)器已接收了 PC個(gè)正指令脈沖，實(shí)際上 X計(jì)數(shù)器接收了N+PC個(gè)脈沖，所以它的輸出在變化到 360176。 ， 即 X計(jì)數(shù)器的相位超前了標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)器 1，其波形如圖 58所示。若指令脈沖為 PC+， 則標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)器在接收到 N1＜ N個(gè)基準(zhǔn)脈沖，即輸出還沒(méi)有到達(dá)一個(gè)周期時(shí)， X計(jì)數(shù)器已經(jīng)接收了 N1+PC=N個(gè)脈沖，完成了一個(gè)周期。 ）， 如圖58所示。這個(gè)功能由脈沖加減器完成，如圖 510所示。 的同頻率信號(hào)， 是主頻率，經(jīng)與非門 Ⅰ 輸出，作為計(jì)數(shù)器的基準(zhǔn)脈沖。當(dāng)沒(méi)有指令脈沖時(shí)，與非門 Ⅰ 開(kāi)， A脈沖由此通過(guò)。當(dāng)輸入一個(gè) PC+指令脈沖時(shí)，觸發(fā)器 C3的 Q3變?yōu)?1，觸發(fā)器 C4的 Q4也變?yōu)?1。由于 、錯(cuò)相 180176。 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)圖 510 脈沖加減器 （一）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)圖 510 脈沖加減器 （二）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) 為了將指令信號(hào)與反饋信號(hào)進(jìn)行相位比較，需要應(yīng)用鑒相器。半加器輸出的邏輯函數(shù)為 。若 、 信號(hào)相位相同，則或門兩輸入端同時(shí)為 0， S=0。此時(shí)， =1， =0，上與門輸出為 1，下與門輸出為 0，或門輸出端 S=1。 由于 信號(hào)相位超前， =0時(shí)，仍有 =1，使上與門輸出為 0，下與門輸出為 1，或門輸出端又有 S=1， 直到和都為 0，或門又為 S=0。從圖中可以看出， S信號(hào)是一個(gè)周期的方波脈沖，它的波脈寬度與 、 兩信號(hào)的相位差 △ 成正比。 △越大， S端輸出方波的平均電壓越大。輸出端為 NE的觸發(fā)器 由下降沿觸發(fā)。當(dāng)接于 端的 信號(hào)滯后于信號(hào)時(shí)， 領(lǐng)先 從 1變?yōu)?0， 觸發(fā)器由 信號(hào)的下降沿觸發(fā)時(shí)， 端的 信號(hào)仍為 1，所以 NE端也為 1。該系統(tǒng)的特點(diǎn)之一是所有的位置檢測(cè)元件都工作在幅值工作方式。幅值比較伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的過(guò)程與相位比較伺服系統(tǒng)相類似。它主要由以下部分組成： 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) ① 完成指令脈沖與反饋脈沖比較的比較器。 ③ 將模擬控制信號(hào)進(jìn)行功率和電壓放大的伺服放大器。 ⑤ 為感應(yīng)同步器正、余弦繞組提供信號(hào)的勵(lì)磁電路。 ⑦ 將鑒幅器的直流電壓轉(zhuǎn)變成反饋脈沖的電壓－頻率變換器。 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) (2) 幅值比較伺服系統(tǒng)的工作原理 當(dāng)采用幅值工作方式時(shí)，感應(yīng)同步器滑尺正弦繞組和分別輸入頻率相同、幅值成正交關(guān)系的勵(lì)磁信號(hào)：式中 —— 勵(lì)磁信號(hào)的電壓幅值； —— 已知的電氣角，系統(tǒng)中可通過(guò)改變角的大小來(lái)控制滑尺勵(lì)磁信號(hào)的幅值； —— 正弦交變勵(lì)磁信號(hào)的角頻率。 （ 5－ 4） 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) 若 ，則定尺繞組電動(dòng)勢(shì)幅值 E0m≠0 。所以幅值比較伺服系統(tǒng)中，若要獲得 和 之間的關(guān)系，只需要檢測(cè)的電動(dòng)勢(shì)即可。為了實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，電動(dòng)勢(shì)幅值需經(jīng)電壓－頻率變換電路，才能變成相應(yīng)的數(shù)字脈沖。 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) 幅值比較伺服系統(tǒng)具體的工作過(guò)程如下：初始狀態(tài)時(shí)工作臺(tái)靜止不動(dòng)，指令脈沖 ， ， 經(jīng)鑒幅器檢測(cè)定尺繞組的電動(dòng)勢(shì)幅值為 0，由電壓－頻率變換電路得到反饋脈沖 Pf也為 0。 當(dāng)系統(tǒng)接收到正的指令脈沖 PC＞ 0時(shí)，工作臺(tái)仍保持靜止?fàn)顟B(tài)，和均沒(méi)有變化，反饋脈沖 Pf仍為 0。 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) 于是，伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)工作臺(tái)正向進(jìn)給，同步感應(yīng)器滑尺相對(duì)于定尺產(chǎn)生位移。 脈沖 Pf一方面與指令脈沖作比較，獲得位置偏差Pe=PC－ Pf； 另一方面輸入勵(lì)磁電路，作為修改勵(lì)磁信號(hào)電氣角 的設(shè)定輸入，使 跟隨 變化。直到使位置偏差 Pe=PC－ Pf=0， 伺服電動(dòng)機(jī)速度給定值 0。 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) 若系統(tǒng)接收到負(fù)的指令脈沖，整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)、比較及控制過(guò)程與系統(tǒng)接收到正的指令脈沖類似。 從上可以看出，在幅值比較伺服系統(tǒng)中，勵(lì)磁信號(hào)的電氣角 是由系統(tǒng)設(shè)定的，并跟隨工作臺(tái)的進(jìn)給而被動(dòng)變化的，所以可以利用作為工作臺(tái)實(shí)際位置的測(cè)量值。 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) 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) 圖 513為鑒幅器原理圖。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。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。 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)。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。 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。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。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） 它輸出的脈沖頻率與控制電壓成正比關(guān)系。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。 若滑尺上的兩勵(lì)磁繞組加以矩形波勵(lì)磁信號(hào)。 其中 U1的脈寬為 2 ， U2的脈寬為 π － 2 。因此，可將對(duì)電氣角的控制轉(zhuǎn)變對(duì)脈沖寬度的控制。 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。 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。此時(shí)產(chǎn)生的勵(lì)磁信號(hào)為 sin0176。 。 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。 再經(jīng)輸出門將這些信號(hào)合成，產(chǎn)生調(diào)制波 U1和 U2。 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)。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)。 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。 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。 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。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。8191 。 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。 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 。 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。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）。三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電壓＋ 5V、＋ V、 0 V分別接到傳輸門 A、 B、 C的輸入端，三個(gè)門的輸出端連到一起，作為電壓輸出端，三個(gè)門開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)來(lái)自計(jì)數(shù)器和符號(hào)位。 此時(shí)與非門 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兩門都關(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門開(kāi)通， A、 B兩門關(guān)閉，輸出端 NP為＋ 。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。因而每一個(gè)置數(shù)周期輸出一個(gè)方波。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。 因此 NP是一個(gè)半波寬隨計(jì)數(shù)值而變化的脈沖。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。 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。 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)