典型进给伺服系统

4.5.2　典型进给伺服系统

按照有无位置检测和反馈环节以及位置检测元件的安装位置来分类，可以将伺服系统分为开环、半闭环和闭环三种类型。在半闭环和闭环系统中，随着科学技术的不断发展，在电路组成与控制方法上又展现出了多种不同的基本方案，如全硬件型系统、软件硬件混合型系统以及全数字（软件）型系统等。下面介绍几种典型的进给伺服系统。

1．开环进给伺服系统

使用电液脉冲马达或功率步进电机作为伺服驱动装置的开环进给系统，曾在硬线数控上得到广泛的应用。现在国内一些普通机床的数控化改造，仍使用功率步进的开环进给系统。

如图4-29（a）所示为直线进给系统，系统的当量脉冲δ（mm），取决于步进电机的步距角αº、齿轮传动比i和滚珠丝杠的导程t（mm），其关系为：

图4-29　步进开环系统的传动

如图4-29（b）所示为圆周进给系统，如数控转台；设脉冲当量为δ°，涡杆为ZK头，涡轮为ZW齿，则有

步进电机开环进给系统的脉冲当量一般取为0.01或 0.001º，脉冲当量小，进给位移的分辨率和精度就高，但是由于进给速度ν=60fδmm/min 或ω=60fδ/min，在同样的最高工作频率f时，δ越小，则最大进给速度之值也越小。

此外，开环进给系统中，步进电机的步距角精度，机械传动部件的精度，丝杠、支承的传动间隙及传动支承件的变形等，将直接影响进给精度，为提高系统的精度，应该适当提高系统组成环节的精度，此外，还可采取传动间隙补偿和螺距误差补偿等各种精度补偿措施。

2．脉冲比较进给伺服系统

脉冲比较伺服系统的结构如图4-30所示。整个系统按功能模块大致可分为三部分：采用光电脉冲编码器产生位置反馈脉冲P_ƒ；实现指令脉冲F与反馈脉冲P_ƒ的脉冲比较，以取得位置偏差信号e；以位置偏差e作为速度调节系统。

众所周知，光电编码器与伺服电极的转轴连接后，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。

图4-30　脉冲比较伺服系统的结构框图

现设指令脉冲F=0，且工作台原来处于静止状态。这时反馈脉冲P_t亦为0，经比较环节可知偏差e=F-P_t=0，则伺服电机的速度给定为零，工作台继续保持静止不动。

当有指令脉冲加入，F≠0，但在工作台尚没有移动之前反馈脉冲P_ƒ仍为零，经比较判别后可知偏差e≠0。若设F＆gt;0，则e=F-P_t=0，应由调速系统驱动工作台向正向进给。随着电机运转，光电编码器将输出的反馈脉冲P_ƒ进入比较环节。该脉冲比较环节可以看成是对两路脉冲序列的脉冲数进行比较。按负反馈原理，只有当指令脉冲F和反馈脉冲P_ƒ的脉冲个数相等时，偏差e=0，工作台才能稳定在指令所规定的位置上。其实，偏差e仍是数字量，若后续调速系统是一个模拟调节系统，则e要经数—模转换后才能成为模拟给定电压。将此偏差电压值加到速度控制单元的输入端，由速度控制单元向伺服电机输送电压信号，驱动伺服电机和执行部件向着消除位置误差的方向运转，以完成某一方向上的一定速度和位移量的运动。

3．全数字进给伺服系统

随着高速数字信号处理器、单片机、大规模集成电路的出现，以及可用逻辑电平控制其通断的电力半导体器件——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从设想变成现实，并将逐渐成为进给伺服系统的主流。

一种全数字进给伺服系统结构框图如图4-31所示，由脉宽调制（PWM）调速的直流伺服电机驱动，系统同样有位置控制，速度控制和电流控制等控制环节。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。

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、改变其结构与参数。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。

图4-31　全数字进给伺服系统