第五章 伺服驱动系统5

相位比较伺服系统的闭环和半闭环的区别
在检测元件上的不同点： 在半闭环控制中，多采用 旋转变压器作为检测元件；在闭环控制中，多采用感应 同步器作为检测元件。
在安装位置上的不同点：半闭环的检测元件一般安 装在丝杠轴上，而闭环的检测元件则安装在工作台上。
脉冲调相器的作用: 将来自数控装置的进给脉冲信
系统最后输出逻辑电平型的脉宽调制信号，直接送至 PWM功率放大器模块，该功率模块上也可以有电机的电 流检测和脉冲编码器的中继传送等电路。
2. 全数字伺服系统的特点
① 在全数字系中，对逻辑电平以下的信号漂移、噪声干扰 将不予响应，而且还可用软件进行自动补偿，因而提高 了速度、位置控制的精度和稳定性。
② 在全硬件的模拟控制系统中，微弱信号的信、噪分离很 困难，很难将控制精度提高到毫微级别以上，而在全数 字伺服系统中，可以通过增加数字信号的位长，达到所 要求的控制精度。
③ 由于是软件控制，在全数字伺服系统中，可以预先设定 数值进行反向间隙补偿；可以进行定位精度的软件补偿； 甚至因热变形或机构受力变形所引起的定位误差，也可 以在实测出数据后通过软件进行补偿。
四、全数字进给伺服系统
1. 概述
在进给伺服系统的研究开发中，一直致力于用软件控制 尽可能多地取代硬件电路，以降低系统的成本和提高系统 的性能。
随着高速数字信号处理器、单片微型计算机、大规模集 成电路的出现；可用逻辑电平控制其通断的功率晶体管、 功率场效应管的商品化，使得高精度、多功能的全数字进 给伺服系统发展很快，并将逐渐成为进给伺服系统的主流。
④ 全数字伺服系统中控制调节环节全部软件化，很容易 引进经典和现代控制理论中的许多控制策略，如比例 （P），比例-积分（PI）和比例-积分-微分（PID）控制 等，而且这些控制调节环节的结构和参数可以根据负载 惯量等条件的不同，通过软件进行设定和修改。这样可 以使系统的控制性能达到最完善的程度，得到最佳的控 制效果。
(1) 开始时，指令脉冲 F＝0，且工作台处于静止状态，则反 馈脉冲Pf =0，经比较环节 e＝F一Pf ＝0，伺服电机的速度给 定为0，伺服电机不动，工作台仍处于静止状态。
((22)) 当当指指令令脉脉冲冲FF＞＞oo，，工作台在没有移动之前，反馈脉冲 过工P正较作转f((程作向环台换34仍))相台进节重后为当比类稳给 。 新，0指较似定。按稳变，令环，在随负定为经脉节只指着反在模比冲输是令电馈指拟较F出此所机原令给环＜的时规的 理 所定节o位，定e运，规电e＜置其＝的转当定压o偏控F反，的，，F一差制=向检位使工PP信过位测置模f作f＞号时程置元。拟台0e，与上件调，向是偏正。的速调反一差向反系速方个指馈e统系向数＝令脉工统进字F脉冲作驱给一量冲信。动。P，的f号工最＝经控进作后0D，制／入台，工A比向
(2) 当指令脉冲 F＞0，经脉冲调相器，PA ＝ +qo，因工作 台，过原伺(程3)来服相当静 驱类指止动似令，使，脉工P只B冲作＝是F台0此＜，作时0鉴，正P相A其向器＝控运的制动- q输过，o 出，程直△工与至q作正△＝台向qP＝向指A一0反令。P方脉B向＝冲进的+q给控o＞。制o 直至△q ＝0 。
2. 幅值比较伺服系统的闭环和半闭环的比较
幅值比较伺服系统的闭环和半闭环的区别
在检测元件上的不同点： 在半闭环控制中，多采用 旋转变压器作为检测元件；在闭环控制中，多采用感应 同步器作为检测元件。
在安装位置上的不同点：半闭环的检测元件一般安 装在丝杠轴上，而闭环的检测元件则安装在工作台上。
鉴幅器的任务 通过检测出检测元件输出电压信号的
如伺服系统的速度控制采用PI控制方式，并且系统中 引入自校正机构，使系统形成自适应PI控制方式。一方面 系统可以自动辨识被控机械对象的参数，主要是机械负载 的转动惯量，自动整定控制器参数，以适应被控对象参数 的变化。另一方面系统具有常规PI调节器结构简单、工作 稳定、鲁棒性较强等优点。
③ 其他控制
由于全数字伺服系统，以通用微型计算机的硬件为基 础，进行软件控制，可以很灵活地采用不同的控制策略。 目前发展的控制方法还有：预测控制、学习控制和各种自 适应控制等等。
特点: 结构比较简单，易于实现数字化控制。在控制
性能上数字比较伺服系统要优于模拟方式、混合方式的 伺服系统。
三、幅值比较伺服系统
以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值， 用幅值比较的方法构成闭环和半闭环控制。
1. 主要组成
基准信号发生器、脉冲调相器、检测元件、鉴相器、 伺服放大器、伺服电动机等。
幅值，获得励磁信号qd与q的相对关系。 检测的电压幅值需经电压—频率变换电路变成相应的数
字脉冲，一方面与F比较以获得位置偏差信号△s，另一 方面作为修改励磁信号中qd值的设定输入。
3. 幅值比较伺服系统的工作原理 (闭环)
(1) 开始时，指令脉冲 F＝0，工作台处于静止状态， qd=q 经鉴幅器检测到检测元件输出电压幅值为0，由电压—频率变 换电路所得的Pf=0，比较环节的位置偏差信号△s＝F一Pf＝o ，伺服放大器的速度给定为0，伺服电机不动，工作台仍处于 静止状态。
号转换为相位变化信号，该相位变化信号，可用正弦信号 或方波信号表示。
当进给脉冲 F=0，则脉冲调相器的输出与基准信号发生 器发出的基准信号同相位，没有相位差。
当输出一个正向或反向进给脉冲，则脉冲调相器就输出 超前或滞后基准信号一个相应的相位角。
3. 相位比较伺服系统的工作原理 (闭环)
(1) 开始时，指令脉冲 F＝0，工作台处于静止状态，PA、 PB为同频率同相位的脉冲信号，经鉴相器鉴相判别，△q＝0， 伺服放大器速度给定为0，伺服电机不动，工作台仍处于静止 状态。
4. 特点
结构比较简单，易于实现数字化控制。在控制性能 上数字比较伺服系统要优于模拟方式、混合方式的伺服 系统。
二、相位比较伺服系统
用相位比较的方法构成闭环和半闭环控制。
1. 主要组成
基准信号发生器、脉冲调相器、检测元件、鉴相器、 伺服放大器、伺服电动机等。
2. 相位比较伺服系统的闭环和半闭环的比较
⑤ 系统能够高速传递多种状态参数信息，进行系统故障 的自诊断和报警。
3. 全数字进给伺服系统的发展
为了适应高速、高精度加工的需要，提高系统的性 能，在全数字伺服系统中，目前发展的方法有
① 前馈控制（feedforward control） 在数控机床高速加工时，传统进给伺服系统的位置误
差（位置滞后）很大，反映到被加工零件上是其轨迹误 差很大，增大位置环的增益系数可以减小位置误差，但 是会影响系统的稳定性，或者会产生惯性冲击。
2. 脉冲比较伺服系统的闭环和半闭环的比较
脉冲比较伺服系统的闭环和半闭环的区别
在检测元件上的不同点： 在半闭环控制中，多采用 光电编码器作为检测元件；在闭环控制中，多采用光栅 作为检测元件。
在安装位置上的不同点：半闭环的检测元件一般安 装在丝杠轴上，而闭环的检测元件则安装在工作台上。
3. 脉冲比较伺服系统的工作原理 (闭环)
在全数字进给伺服系统中，位置控制、速度控制和电流 控制环节的数字（软件）控制运算均由单片微机的CPU来 完成，与CNC系统的计算机有双向通讯联系。
在系统内部各个环节之间使用同一RAM实行高速通讯处 理。各环节可以采用不同的控制调节策略，通过软件可以 设定、改变其结构和参数。
图中所示是一种全数字进给伺服系统
引入前馈控制可以改善这一缺陷。实际上进给伺服系 统成了具有反馈与前馈控制的复合型系统。这种系统理 论上可以完全消除系统的静态位置误差，即实现了"无 差调节"。
② 自调整控制 系统的伺服控制性能和机械负载有紧密的联系，系统
具有自动调整功能，能根据机械负载特性的变化，自动完 成控制器结构和参数的整定，以获得最优的控制性能。
工作原理
由脉宽调制（PWM）调速的直流伺服电机驱动，系统 中的位置控制，速度控制和电流控制等控制调节环节由软 件（数字）控制，通过单片微机的CPU来完成。
电流控制器向PWM功率放大器输送逻辑电平型脉冲调宽 控制信号，脉冲编码器PG提供位置与速度反馈信号，电 流检测器发送电流反馈信号、PWM功率放大器输出可调 直流电压驱动直流伺服电机完成位置伺服控制任务。
伺服驱动系统
光栅尺
§ 5-7 位置控制
位置控制按伺服系统分为开环、闭环和半闭环控制。 本节介绍闭环和半闭环位置控制。
一、脉冲比较伺服系统
用脉冲比较的方法构成闭环和半闭环控制。
1. 系统组成：
采用光电编码器产生位置反馈脉冲信号； 实现指令脉冲与反馈脉冲的脉冲比较，以取得位置
偏差信号； 以位置偏差作为速度给定的伺服电机速度调节系统。
数控技术
第五章 伺服驱动系统
§ 5-1 概述 § 5-2 检测装置 § 5-3 步进电动机及其驱动系统 § 5-4 直流伺服电动机及其速度控制 § 5-5 交流伺服电动机及其速度控制 § 5-6 主轴驱动 § 5-7 位置控制
伺服系统（Servo System)
控制信号
CNC系统
驱动电机
反馈信号
检测装置
(2) 当指令脉冲 F＞0， △s＝F一Pf ＞0 ，经D/A变换后作 为伺(3)服当电指机令速脉度冲给F定＜值0，，其伺控服制驱过动程使与工正作向台指作令正脉向冲运的动控。制随着 P过f的程增相加类，似偏，差只△是s此逐时渐△减s小＝，F一直P至f F＜＝0P，f，工△作s台＝向0反，方达向到进新 的给平。衡直，至工△作s 台＝停0 。止正向运动。