1、鉴相鉴幅伺服系统鉴相鉴幅伺服系统 3.4.1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第1页/共44页 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。第
2、2页/共44页 3.4.3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。第3页/共44页 3.4.3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（3
3、60）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。第4页/共44页 3.4.3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。第5页/共44页 3.4.3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
4、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。第6页/共44页 3.4.3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。第7页/共44页 3.4.3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。第8
5、页/共44页3.5 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。第9页/共44页 鉴幅式伺服系统的组成。该系统由测量元件及信
6、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。第10页/共44页 3.5.1鉴幅式伺服系统的工作原理 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。第11页/共44页 3.5.1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
7、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。第12页/共44页 3.5.2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。第13页/共44页 3.5.2鉴幅式伺服系统的控制线路解
8、调线路 解调线路就是鉴幅器，如图3.28所示是解调线路图，它由低通滤波器、放大器和检波器三部分组成。第14页/共44页 3.5.2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。第15页/共44页 3.5.2鉴幅式伺服系统的控制线路解调线路 第16页/共44页 3.5.2鉴幅式伺服系统的控制线路解调线路 第17页/共44页 3.5.2鉴
9、幅式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。第18页/共44页 3.5.2鉴幅式伺服系统的控制线路3.电压频率转换器 第19页/共44页 3.5.2鉴幅式伺服系统的控制线路3.电压频率转换器 第20页/共44页 3.5.2鉴幅式伺服系统的控制线路4.比较器 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
10、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。第21页/共44页 3.5.2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。第22页/共44页 3.5.2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=Vmsin
11、sintVK=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。第23页/共44页 3.5.2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。第24页/共44页3.6 脉冲比较式伺服系统(Pulse Comparing Servo 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
12、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。第25页/共44页 3.6.1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。第26页/共44页 3.6.2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=
13、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。第27页/共44页 3.6.2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
14、e=0，工作台停在指令所规定的反向某个位置上。第28页/共44页 3.6.3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。第29页/共44页 3.6.3主要工作部件 数字脉冲数码转换器 数码转换为数字脉冲 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，第30页/共44页 3.6.3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
15、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。第31页/共44页 3.6.3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的数字脉冲比较器。比较器的构成原理图如图3.38所示。第32页/共44页 3.6.3主要工作部件2.比较器 第33页/共44页3.7 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
16、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。第34页/共44页3.7.0 CNC伺服系统 CNC数字伺服系统的结构框图如图3.39所示。第35页/共44页3.7.0 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
17、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。第36页/共44页3.7.0 CNC伺服系统以旋转变压器为测量元件的CNC数字伺服系统第37页/共44页 3.7.1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)的计算第38页/共44页 3.7.2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 第39页/共44页 3.7.2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。
18、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：NPFNPCRDPVRRVRRVRRRRV15651565)1(第40页/共44页 3.7.2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。第41页/共44页 3.7.2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。第42页/共44页 3.7.2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 第43页/共44页感谢您的观看！第44页/共44页
