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、 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