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10 kW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  为
  （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  ，就可使电枢电压的平均值(即直流分量 )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2000 Hz，即 
图5—9 PWM 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  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—10 PWM —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。
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  输出电压信号
 是此时测量元件激磁信号的电气角。  的幅值  代表着工作台的位移。  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 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
 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 变为 ，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
不为零，  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 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
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  经放大器  、反相器  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  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  接通，而此时  为低，控制电子开关  断开；当参考信号D为低时，控制电子开关 断开，而 为高使 接通。我们知道，测量元件输出的电压信号为
 
当工作台正向进给时， 的幅值  为正；当工作台反向进给时， 为负。如果参考信号D在  为正时为高，那么，工作台正向进给时，检波器的输出  为正；工作台反向进给时，检波器的输出 为负。 信号再经过一次滤波去掉脉动成分，就得到平滑的直流电压  ，检波器的工作波形图如图5--30所示。
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  是一个积分器，当输入信号的幅值大时， 的输出上升到+2.5 V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  和  是两个电压比较器，它们的作用是检测 的信号。当 输出的电压上升到+2.5 V时， 的输出突然由1变为0；而 的输出电压值下降到-2.5 V时， 的输出突然由1变为0。 和 的输出又被送到同步器，每当 和 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  和场效应管使积分器 复位， 的输出等于输入，同时 或 的输出又变为高电平。另外 和 输出的脉冲信号又控制符号触发器置位或清零，指出方向。  表示正向，  表示反向。图5--32是电压频率转换的波形图。
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 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  和  ，即 
式中 的大小由脉冲的多少和方向决定； 和 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  ；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 ；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  ；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 ；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  ，B计数器的输出B及其两分频后的信号  ，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
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
 （ 5—3）
式中  为系统速度放大系统；  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  ，如果超过该 ，系统工作就不稳定了。
2．无负载机床丝杠最大转速 
机床丝杠的最大无负载转速  应按下式计算：
 （5—4）
 （5—5）
式中  是鉴相器允许两相信号的最大相位差。二极管型鉴相的  门电路型鉴相器的  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， 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(  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 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 
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  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，  与 成反比。
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  与机床丝杠的实际转角  之差称为稳态误差，设机床丝杠以  的转速旋转，则系统稳态误差  为
 （5—6）
5．动态特性
当在鉴相器的输入端加一阶跃输入  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 。
(2) 超调量  要小。它影响机床加工精度的提高和粗糙度的降低。
 （5—7）
(3) 调节时间  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 、减小静不灵敏区 、减小稳态误差 以及提高系统刚性等，均须增大系统速度放大系数 。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。 |
