5_数控机床的伺服驱动系统.ppt

1、新课第5章 数控机床的伺服驱动系统,5.1概述,数控机床伺服系统（Servo System）通常是指进给伺服系统，它是数控系统和机床机械传动部件间的联接环节，是数控机床的重要组成部分，包含机械传动、电气驱动、检测、自动控制方面的内容，涉及强电与弱电控制。,进给伺服系统是以机床移动部件位置为控制量的自动控制系统，它根据数控系统插补运算生成的位置指令，精确地变换为机床移动部件的位移，直接反映了机床坐标轴跟踪运动指令和实际定位的性能。,主轴驱动控制一般只要满足主轴调速及正、反转功能即可，但当要求机床有螺纹加工、准停和恒线速加工等功能时，就对主轴提出了相应的位置控制要求。此时，主轴驱动控制系统可称为主

2、轴的伺服系统。,5.1.1伺服系统的组成,伺服系统完成机床移动部件（如工作台；主轴或刀具进给等）的位置和速度控制。它接收计算机的插补命令，将插补脉冲转换为机械位移。,伺服系统通常可分为开环系统和闭环系统。开环系统通常使用步进电动机，而闭环系统通常使用直流伺服电动机或交流伺服电动机。,5.1.2数控机床对伺服系统的要求,随着数控机床的发展，进给伺服系统是计算机数控装置控制命令的执行装置，其性能直接反应了机床运动的坐标轴跟踪指令和实现定位的性能。,数控机床对伺服系统有很高的要求：,1.高精度 数控机床的动作是由伺服电动机直接驱动的，为了保证移动部件的定位精度，对进给伺服系统要求定位准确。一般要求定

3、位精度达到0.010.001mm；高档设备的定位精度要求达到0.1m以上。,从能量角度看，应该实现能量的可逆转换，即在加工运行时，电动机从电网吸收能量变为机械能；在制动时应把电动机的机械惯性能量变为电能回馈给电网，以实现快速制动。,3.响应快速为了提高生产率，保证加工精度要求伺服系统有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快。两方面的要求：,4.调速范围宽目前数控机床一般要求进给伺服系统的调速范围是030m/min，有的已达到240m/min。,2.可逆运行,5.低速大转矩机床在低速切削时，切深和进给都较大，要求主轴电动机输出转矩较大。,6.较强的过载能力由于电动机加减速时要求有很快的

4、响应速度，而使电动机可能在过载的条件下工作，这就要求电动机有较强的抗过载能力。,7.惯性匹配移动部件加速和降速时都有较大的惯量，由于要求系统的快速响应性能好，因而电动机的惯量要与移动部件的惯量匹配。,位置控制是进给伺服系统的重要组成部分，是保证进给位置精度的重要环节。位置控制按其结构可分为开环和闭环控制。,对闭环或半闭环伺服系统，位置控制回路由位置控制、速度控制和位置检测三部分组成，如图5-1所示。,5.2位置控制,5.2.1位置比较实现的方式,位置控制的作用是将CNC装置插补出的瞬时位置指令值PC和检测出的位置Pf在位置比较器中进行比较，产生位置偏差P，在把P转为瞬时速度指令电压UP。,1.

5、脉冲比较伺服系统,脉冲比较伺服系统是将位置指令脉冲与检测元件反馈脉冲在比较器进行比较，得到位置偏差脉冲信号。伺服系统根据这一偏差信号去驱动电动机,1.1脉冲比较伺服系统组成）,（1）由计算机数控制装置提供指令的脉冲。 （2）反映机床工作台实际位置的位置检测器。 （3）完成指令信号与反馈信号相比较的比较器。 （4）将比较器输出数字信号转变成伺服电动机模拟控制信号的数/模转换器。 （5）执行元件（伺服电动机）。,1.2.脉冲比较伺服系统的工作原理,以增量式光电编码器为例，当光电编码器与伺服电动机及滚珠丝杠直联时，随着伺服电动机的转动，产生序列脉冲输出，脉冲的频率将随着转速的快慢而升降。,当采用绝对

6、式编码器时，通常情况下，先将位置检测的代码反馈信号经数码数字转换，变成数字脉冲信号，再进行脉冲比较。,1.3脉冲比较器,脉冲比较器概述脉冲比较伺服系统是将PC的脉冲符号与Pf的脉冲符号相比较，得到脉冲偏差信号Pe。比较器为由加减可逆计数器组成的数字脉冲比较器，其组成框图如图5-3所示。,脉冲比较器工作原理,其工作原理是、4、5、8、9为或非门；2、3、6、7为触发器；12为8位移位寄存器；10、11为单稳态触发器；13为可逆计数器。当PC与Pf不同时输出时，在和5中同一时刻只有一路有脉冲输出，9输出始终是低电平。如此时工作台要做正向进给，正向指令脉冲Pc+出现，该脉冲经、2、3、4输出，使可逆

7、计数器13做加法计数。可逆计数器的内容由0变为正数，其输出经/转换和放大后，使伺服电动机带动工作台正向移动。工作台移动后，位置检测元件测得代表工作台位置的正向反脉冲Pf+，该脉冲经5、6、7、8输出，使可逆计数器13做减法计数。此时，可逆计数器的内容就是Pc+和Pf+的偏差值Pe。当可逆计数器的内容变为0时，说明偏差值Pe=0，即工作台的实际位置等于指令要求的位移，进给过程结束。,反向进给时，反向指令脉冲PC-使可逆计数器做减法计数，反向反馈脉冲Pf-使可逆计数器做加法计数，其他过程和正向进给相同。,2.相位比较伺服系统,相位比较伺服系统组成,相位比较伺服系统的检测元件可以是旋转变压器、感应同

8、步器或磁栅等。其特点是将位置指令脉冲和反馈脉冲都变成某个载波脉冲的相位，在鉴相器中进行相位比较，得到实际相位与给定位置相位的相位差。原理框图如图5-5所示。,它主要由以下部分组成。,（1）能输出一系列具有一定频率的脉冲信号，为伺服系统提供一个相位比较基准的基准信号发生器。 （2）将来自计算机数控装置的进给脉冲转变为相位变化信号的脉冲调相器。 （3）检测工作台位移的位置检测元件（感应同步器）。,（4）将控制信号与反馈信号进行比较，输出与相位差成正比电压信号的鉴相器。 （5）将鉴相器输出的电压信号进行功率和电压放大的伺服放大器。 （6）实现电信号到机械位移转换的执行元件。,根据感应同步器工作在相位

9、工作方式时有：,其中， 。相位比较的实质不是脉冲数量上的比较，而是脉冲相位之间的比较，如超前或滞后多少。实现相位比较的比较器为鉴相器。,相位比较伺服系统的工作原理,脉冲相位变换器又称脉冲调相器，作用有两个：一是通过对基准脉冲进行分频，产生基准相位脉冲，由该脉冲形成的正、余弦励磁绕组的励磁电压频率与频率相同，感应电压ud的相位随着工作台的移动，相对于基准相位有超前或滞后；二是通过对指令脉冲Pc+、PC-的加、减，再通过分频产生相位超前或滞后于的指令相位脉冲。,鉴相器的输出信号通常为脉宽调制波，需经低通滤波器去高次谐波，变换为平滑的电压信号，作为速度控制信号，同时，鉴相器还必须对超前和滞后做出判别

10、，使得速度控制信号Up在正向指令为正，在反向指令为负。,脉冲调相器是将脉冲数量转换成相应相位的装置。图5-7为脉冲调相器的工作原理框图，该系统分为基准分频通道和调相分频通道两部分。,(3)脉冲调相器,由基准脉冲信号发生器产生的基准脉冲信号f0分成两路。一路输入基准分频通道，通过分频、分相和滤波电路得到两相励磁信号和，并经功放后加于感应同步器滑尺的sin绕组和cos绕组作为励磁，它们与基准信号有确定的相位关系。,另一路输入调相分频通道，和指令脉冲一起作用，产生指令相位信号。,脉冲调相器的工作原理如下：回路中有标准计数器和X计数器，两计数器的分频数相同。在基准脉冲信号触发标准计数器和X计数器之前，

11、先向X计数器输入一定数量的指令脉冲PC+。当基准脉冲信号触发两计数器后，两计数器输出的信号频率相同，但相位却不同。由于标准计数器是N分频，所以N个基准脉冲会使标准计数器的输出变化一个周期，即360。,(4)鉴相器,为了将指令信号与反馈信号进行相位比较，需要应用鉴相器。图5-11为半加器鉴相线路及波形图，指令信号和位置信号分别经触发器进入半加器。,3.幅值比较伺服系统,幅值比较伺服系统是以位置检测信号的幅值变化来反映机械位移的大小，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。,该系统的特点之一是所有的位置检测元件都工作在幅值工作方式。,幅值比较伺服系统常用感应同步器和旋转变压器

12、作为位置检测元件。,(1)幅值比较伺服系统的组成和工作原理,幅值比较伺服系统的组成,图5-12是采用感应同步器作为位置检测元件的幅值比较控制系统,完成指令脉冲与反馈脉冲比较的比较器。 将比较器输出数字信号转变成伺服电动机模拟控制信号的数/模转换器。 将模拟控制信号进行功率和电压放大的伺服放大器。 检测工作台位移的位置检测元件。 为感应同步器正、余弦绕组提供信号的励磁电路。 将定尺的输出信号转变为幅值信号的鉴幅器。 将鉴幅器的直流电压转变成反馈脉冲的电压频率变换器。 实现电信号到机械位移转换的执行元件。,(2)鉴幅器,图5-13为鉴幅器原理图。输入端的e0是感应同步器定尺绕组的感应电动势，由式e

13、0=E0msint可知，e0是交变电动势。该信号首先通过低通滤波器，滤去交变信号中的高次谐波和干扰信号，获得较为理想的正弦波形。通过运算放大器将A1信号放大。然后，由互为反向的开关信号SL和SL实现通道的通断控制，其开关频率与输入信号相同。,(3)电压频率变换器,电压频率变换器的作用是将鉴幅器输出的电压UF变换成相应的脉冲序列，并且脉冲序列的频率与UF电压的高低成正比。,(4)脉冲调宽式励磁信号,感应同步器滑尺绕组的励磁可采用模拟量励磁式和脉冲调宽式。由于模拟量励磁方式易受外界干扰而影响精度，所以比较多地采用脉冲调宽式励磁方式。脉冲宽度调制实际上是用控制矩形波脉宽的方法来等效地实现正弦波励磁,

14、图5-15是脉冲调宽矩形脉冲发生器原理图，其中脉冲加减器和两个分频系数相同的分频器用于实现数字移相，计数触发脉冲和的频率是在时钟脉冲的基础上，按位置反馈脉冲Pf和电压频率变换器输出信号US的状态进行加减的。每个分频器有两路相差90的电角度的溢出脉冲输出，通过组合逻辑进行调宽脉冲的波形合成。,当无实际值脉冲时，时钟脉冲直接加于分频器，分频结果输出为参考信号。此时产生的励磁信号为sin0和cos0。当工作台移动时，滑尺和定尺有位置偏差，产生反馈脉冲Pf。根据运动方向信号Ux，使两分频器中一个做加，一个做减，于是产生向前移相信号A和向后移相信号B。经过组合逻辑门，产生信号sin1和sin2、cos1

15、和cos2。再经输出门将这些信号合成，产生调制波U1和U2。加于滑尺的相应绕组上。,5.2.2速度控制信号的实现的方式,经位置控制的脉冲比较、相位比较或幅值比较获得的位置偏差均以脉冲的形式存在，该位置偏差经一定的转换后，形成速度控制信号，数控系统一般输出的速度控制信号为模拟电压10+10V，作为伺服驱动装置的控制信号。该信号通过伺服驱动装置驱动伺服电动机。速度控制信号的大小与伺服电动机的转速成正比；速度控制信号的正、负决定了伺服电动机的正、反转。,从位置偏差到速度控制信号的形成如图5-16所示。,速度指令VC=位置偏差Pe位置增益KV。 位置增益KV决定了速度对位置偏差的响应程度，它反映了伺服

16、系统的灵敏度。,将速度指令VC转换为速度控制电压UP的转换电路常采用的脉宽调制器(PWM)的方法。,1、速度指令寄存器和粗、精减法计数器,图5-17是位置控制的硬件部分。它由速度指令寄存器，4位粗计数器、9位精计数器，模拟开关和电压放大部分组成，它是一个模数转换装置。,最高位用作符号位，08位送往精计数器，912位送往粗计数器。精计数器的计数时钟频率是4MHZ最大计数值是512，每计一个数的时间是0.25s，512的计数时间是128s。粗计数器时钟频率是125MHZ，每减一个数的频率是8s，最大计数值是16，共用128s。因此可知粗、精计数器的计数周期都是128s。为能连续计数，每隔128s，

17、速度指令寄存器必须向两个计数器同时送数一次。在4ms时间内共送数34次。这样，脉宽调制器就可将速度指令寄存器中的速度指令值VC变换成周期等于置数周期T（128us），而宽度与VC值成正比的调宽脉冲（包括MPC和MPF）。,2、模拟开关,图5-18是模拟开关电路图。三个标准电压5V、2.5 V、0 V分别接到传输门、的输入端，三个门的输出端连到一起，作为电压输出端，三个门开关的控制信号来自计数器和符号位。,MP何时为正何时为负，与计数器的计数值大小有关。粗精计数器都是减法计数器，从两个计数器置入数开始计算，当把置入的数减到零时计数结束。在置数周期128s期间内，计数值减到0以前计数器输出高电平，

18、以后输出低电平。因而每一个置数周期输出一个方波。计数值越大，计数的时间越长，方波的正半周越宽。,模拟开关的输出电压NP与计数器的输出方波相对应：在正半周时，MP为高电平，根据符号位不同，或门打开，NP为5 V或0V；负半周时，门打开，NP为2.5V。因此NP是一个半波宽随计数值而变化的脉冲。脉冲周期T等于计数器的置数周期。,3、数模转换时数字量与模拟电压的对应关系,由于粗计数器是对14位的速度指令寄存器中的912位计数，因此它每减一个数相当于精计数器减512次计数。也就是说计数器的每次减1，计数器使速度指令电压UP的变化比精计数器大512倍。为此在硬件部分采用了两个措施。措施1是降低粗计数器的

19、计数频率。由前述可知：精粗计数器的计数频率之比是。措施2是增大放大倍数，由上面可知的放大倍数是4，而的放大倍数是0.25，两者之比为16。其结果为3216=512，正好与速度指令寄存器第九位的权值相同。,进给坐标轴的位置控制一般采用大规模专用集成电路位置控制芯片，也可采用通用芯片构成位置控制模板。,5.2.3位置控制实例,1.位置控制芯片 （1）MB8739,MB8739是FANUC公司设计的专用位置控制芯片，其结构如图5-20所示。该芯片适用的位置检测装置为增量式的光栅或光电编码器。在图中，与伺服电动机同轴联接的光电编码器产生一系列脉冲，该脉冲经接收器反馈到MB8739，其中，PA、PB为相

20、位差90的序列脉冲，PC为零标志脉冲。,MB8739包括位置测量与反馈全部线路，集成度非常高，其结构主要包括以下几个部分：,（1）DDA插补器 该插补器作为粗、精二级插补结构的第二级精插补，即细插补，它的输入是上一级软件插补及一个插补周期的进给信息，即粗插补数据。,（2）误差寄存器 实现指令位置与实际位置的比较，并寄存比较后的误差Pe，实际上是采用可逆计数器的脉冲比较。,（3）位置增益 将位置偏差乘以位置增益KV，获得速度指令值VC。位置增益KV决定了速度对位置偏差的响应程度，它反映了伺服系统的灵敏度和稳定性，是位置控制的很重要的一个伺服参数，可根据实际系统要求来设定。,（4）漂移补偿 伺服系

21、统经常受到漂移的干扰，即在无速度输出时，坐标轴可能发生移动，从而影响机床的精度。漂移补偿的作用就是当漂移达到一定程度时，自动予以补偿。,（5）速度指令脉宽调制PWM 其作用就是将速度指令调制成某一固定频率，宽度与位置偏差成正比的矩形波脉冲，输出粗误差指令CCMD和精误差指令FCMD。,（6）鉴相器 其作用就是处理光电编码器的反馈信号，通过辨向和倍频获得表示运动方向的一系列脉冲。一方面作为位置反馈脉冲，另一方面经频率电压变换,（7）参考计数器 机床各坐标轴回参考点时，通过参考计数器对零标志脉冲PC进行计数，产生参考点信号REF，又称栅格信号。,（8）地址译码器 控制芯片内部各数据和寄存器的地址选

22、择。,（9）CMR和DMR CMR是指令脉冲倍率，DMR为检测脉冲倍率，它们的数值由软件设定。设置的目的是为了在比较器中进行比较的指令脉冲和反馈脉冲的当量相符。,（2）MB8720,MB8720也是FANUC公司专用位置控制芯片。该芯片适配的位置检测装置为工作在幅值方式下的旋转变压器或感应同步器,（1）位置控制的软件处理,（2）位置控制的硬件处理 在MB8720中，数字量的速度指令值经PWM调制输出再经D/A转换得到速度控制电压VCMD。,2.位置控制模板,数控系统采用位置控制模板的方案很普遍，图5-22为采用位置控制模板的CNC系统结构框图。,5.3主轴定向控制,5.3.1主轴定向控制的作用

23、,主轴定向控制又称主轴准停控制，对M06和M19指令有效。作用有： 1.刀具交换当主轴停转进行刀具交换时，主轴需停在一个固定不便的位置上，从而保证主轴端面上的键也在一个固定的位置，这样，换刀机械手在交换刀具时，能保证刀柄上的键槽对正主轴端面上的定位键，如图5-24a所示。,2.镗孔退刀在精镗孔退刀时，为了避免刀尖划伤已加工表面，采用主轴准停控制，使刀尖停在一个固定位置（X轴或Y轴上），以便主轴偏移一定尺寸后，使刀尖离开工件表面进行退刀，如图5-24b所示。,主轴定向控制有机械和电气两种方式。,5.3.2主轴定向控制的实现方式,1、V形槽定位盘准停装置,V形槽定位盘准停装置是机械定向控制方式。在

24、主轴上固定一个V形槽定位盘，使V形槽与主轴上的端面键保持一定的相对位置，如图5-25所示。,图5-25 V形槽定位盘准停装置 1-定位液压缸 2-滚轮 3-无触点开关 4-感应块 5-V形槽定位盘 6-主轴 7-定位行程开关,磁性传感器和编码器准停是主轴电气定向控制方式，现代数控机床大都采用此控制方式。电气方式的主轴定向控制，就是采用装在主轴上的磁性传感器或编码器作为检测元件，通过他们输出的信号，使主轴正确地停在规定的位置上。,（a）组成（b）安装 图5-26 磁性传感器及安装示意图,1-发磁体2-主轴3-判别基准孔4-基准槽 5-磁性传感器6-主轴箱,2、磁性传感器和编码器准停装置,主轴上安

25、装一个发磁体与主轴一起旋转，在距离发磁体旋转轨迹外12处固定一个磁性传感器，磁性传感器与主轴控制单元连接。当主轴需要定向时，发出主轴定向指令，主轴立即处于定向状态，当发磁体的判别基准孔转到对准磁性传感器上的基准槽时，主轴便停在规定的位置上。,采用编码器主轴定向控制，实际上是在主轴转速控制的基础上增加一个位置控制环。编码器主轴定向控制可在0360间任意定向，例如，执行M19、S180指令，主轴就停在180的位置上。,图5-27所示为磁性传感器主轴定向控制连接图。,电气方式主轴定向控制具有以下特点：,（1）不需要机械部件，只需要简单地连接编码器或磁性传感器，即可实现主轴定向控制。,（2）主轴在高速

26、时直接定向，不必采用齿轮减速，定向时间大为缩短。,（3）由于定向控制采用电子部件，没有机械易损件，不受外部冲击的影响，因此，主轴定向控制的可靠性高。,（4）定向控制的精度和刚性高，完全能满足自动换刀的要求。,5.4伺服系统性能及参数,伺服系统的性能包括稳态性能和动态性能。,5.4.1稳态性能,数控机床位置伺服系统的稳态性能就是指在到达新的稳态后，实际状态与期望状态之间的偏差程度，也称为定位精度，一般数控机床的定位精度不低于0.01mm，高性能的定位精度可达到0.001 mm。影响稳定精度的因素，一是位置测量的误差，它由测量装置和测量误差造成；二是系统误差，误差与系统输入的性质和形式有关，也与系

27、统本身的结构和参数有关。,1、典型输入信号,（1）位置阶跃输入 点位控制伺服系统以位置阶跃的信号形式进行给定输入，如图5-29所示，当阶跃的幅值=1时，称为单位阶跃信号。,（2）位置斜坡输入 这种位置输入随时间作线性变化，所以也称为速度输入，如图5-29所示。在轮廓切削加工中常以位置斜坡输入进行分析。,（3）扰动输入 除了给定的输入信号外，在伺服系统控制中还存在着扰动输入。,2、稳态误差,图中，R(t)为斜坡输入，C(t)为跟踪响应输出。在图5-26中，当恒速输入时，稳态情况下系统的运动速度与速度指令值相同，但两者的瞬时位置有一恒定的滞后。设曲线1为某一坐标轴的位置命令输入曲线R(t)，曲线2

28、为实际运动的位置曲线C(t)。在t=ta时刻以后，系统进入稳态，实际位置总是滞后于命令位置一个Ei值，Ei称为跟随误差。,KV越大，则跟随误差E越小，但KV过大时，稳定性变差；在KV一定时，运动速度越大，则跟随误差E越大。数控机床的高速进给运动提高了加工效率，但为了同时保证加工精度，就对伺服系统提出了更高的要求。,5.4.2动态性能,动态就是控制系统从一个稳态向新的稳态转变的过度过程。伺服系统在控制过程中，几乎始终处于动态过度过程中。,1、对给定输入的跟随性能指标,对一个闭环控制系统，通常用输入单位阶跃信号，然后观察它的输出响应过程，从而来评价其动态性能的好坏。图5-31所示为输入R(t)和输

29、出C(t)的过程曲线,常用的性能指标有：,（1）上升时间tr 上升时间tr是输出响应曲线第一次上升到稳态值C()所需要的时间。,（2）调节时间ts 输出响应C(t)与稳定值C()的差值小于等于稳态值的（25），其不再超出所需要的时间。,（3）调节量MP 系统输出响应tP时刻到达最大值其超出稳态值的部分与稳态值的比值称为超调量，通常取百分数形式 MP= ,（4）振荡次数N N为响应曲线在ts时刻之前发生振荡的次数。,2、对扰动输入的抗干扰性能指标,抗干扰性能是指：当系统的给定输入不变时，在受到阶跃扰动后，克服扰动的影响而自行恢复的能力。常用最大动态降落和恢复时间指标来衡量系统的抗干扰能力。,（1

30、）最大动态速度nm 表明系统在突加负载后及时作出反映的能力，常以稳态转速的百分比表明：,（2）恢复时间tP 由扰动作用瞬间至输出量恢复到允许范围内（一般取稳态值25）所经历的时间。,根据伺服系统对动态性能的要求，抗干扰性能应使各种扰动输入对系统跟踪精度的影响减小至最小。当扰动负载输入后，同时要做到动态降落与恢复时间两项指标最小有时存在矛盾，一方面，当系统时间常数愈大，则输出响应的最大动态降落愈小，而恢复时间越长，反之，时间常数愈小，动态降落越大，但恢复时间短；另一方面，伺服系统在给定输入作用下输出响应超调量越大，上升时间越短，则它的抗干扰性能就越好，而超调量较小、上升时间较长的系统，恢复时间就

31、长。这就是跟踪性能与抗干扰性能之间存在一定的制约和矛盾的地方，也是闭环控制系统固有的局限性。,5.4.3轮廓加工中的跟随精度,轮廓跟随精度与伺服系统的稳态、动态特性有关，其中增益、驱动时间常数等参数的影响尤为突出。,1、轮廓跟随精度检验,对轮廓控制的跟随精度尚未有统一的测量标准。轮廓跟随精度的测量比较困难，一般通过切削加工一定轮廓形状的工件，检验其加工误差来评价。,（1）用X、Y坐标的直线插补，对方形试件的四周进行精铣，背吃刀量约为0.1mm。安装试件时，使试件的一个加工面与坐标轴成30角,检验的项目有：四周的直线度，即A、B、C和D面的直线度。,相对面间的平行度，即A和C面的平行度，B和D面

32、的平行度。,相邻两面间的垂直度，即A和B、B和C、C和D及D和A间的垂直度。,（2）用X、Y坐标的圆弧插补，试件如图5-33所示，对圆周面进行精铣，把吃刀量约为0.1mm。检验的项目为圆周。,MB8739是FANUC公司设计的专用位置控制芯片，其结构如图5-20所示。该芯片适用的位置检测装置为增量式的光栅或光电编码器。在图中，与伺服电动机同轴联接的光电编码器产生一系列脉冲，该脉冲经接收器反馈到MB8739，其中，PA、PB为相位差90的序列脉冲，PC为零标志脉冲。,MB8739包括位置测量与反馈全部线路，集成度非常高，其结构主要包括以下几个部分：,（1）DDA插补器 该插补器作为粗、精二级插补

33、结构的第二级精插补，即细插补，它的输入是上一级软件插补及一个插补周期的进给信息，即粗插补数据。,（2）误差寄存器 实现指令位置与实际位置的比较，并寄存比较后的误差Pe，实际上是采用可逆计数器的脉冲比较。,（3）位置增益 将位置偏差乘以位置增益KV，获得速度指令值VC。位置增益KV决定了速度对位置偏差的响应程度，它反映了伺服系统的灵敏度和稳定性，是位置控制的很重要的一个伺服参数，可根据实际系统要求来设定。,（4）漂移补偿 伺服系统经常受到漂移的干扰，即在无速度输出时，坐标轴可能发生移动，从而影响机床的精度。漂移补偿的作用就是当漂移达到一定程度时，自动予以补偿。,（5）速度指令脉宽调制PWM 其作

34、用就是将速度指令调制成某一固定频率，宽度与位置偏差成正比的矩形波脉冲，输出粗误差指令CCMD和精误差指令FCMD。,（6）鉴相器 其作用就是处理光电编码器的反馈信号，通过辨向和倍频获得表示运动方向的一系列脉冲。一方面作为位置反馈脉冲，另一方面经频率电压变换,（7）参考计数器 机床各坐标轴回参考点时，通过参考计数器对零标志脉冲PC进行计数，产生参考点信号REF，又称栅格信号。,（8）地址译码器 控制芯片内部各数据和寄存器的地址选择。,（9）CMR和DMR CMR是指令脉冲倍率，DMR为检测脉冲倍率，它们的数值由软件设定。设置的目的是为了在比较器中进行比较的指令脉冲和反馈脉冲的当量相符。,（2）M

35、B8720,MB8720也是FANUC公司专用位置控制芯片。该芯片适配的位置检测装置为工作在幅值方式下的旋转变压器或感应同步器,（1）位置控制的软件处理,（2）位置控制的硬件处理 在MB8720中，数字量的速度指令值经PWM调制输出再经D/A转换得到速度控制电压VCMD。,2.位置控制模板,数控系统采用位置控制模板的方案很普遍，图5-22为采用位置控制模板的CNC系统结构框图。,5.5全数字式伺服系统,5.5.1全数字式伺服系统的构成,数控机床进给伺服系统是位置随动系统，需要对位置和速度进行精确控制。通常需要处理位置环、速度环和电流环的控制信息，根据这些信息是用软件来处理还是用硬件处理，可以将

36、伺服系统分为全数字式和混合式。,在混合式伺服系统是位置环用软件控制，速度环和电流环用硬件控制。,在混合式伺服系统中，位置环控制在数控系统中进行，并由CNC插补得出位置指令值，并由位置采样输入实际值，用软件求出位置偏差，经软件位置调节后得到速度指令值，经D/A转换后作为速度控制单元（伺服驱动装置）的速度给定值，通常为模拟电压1010V在驱动装置中，经速度和电流调节后，经功率驱动控制伺服电动机转速及转向。,在全数字式伺服系统中，CNC系统直接将插补运算得到的位置指令以数字信号的形式传送给伺服驱动装置，伺服驱动装置本身具有位置反馈和位置控制功能，独立完成位置控制。,CNC与伺服驱动之间通过通信联系，

37、传递如下信息：,（1）位置指令和实际位置；（2）速度指令和实际速度；（3）扭矩指令和实际扭矩；（4）伺服系统及伺服电动机参数；（5）伺服状态和报警；（6）控制方式命令。,图5-38所示为三菱MELDAS 50数控系统和MRSVJ伺服驱动单元和伺服电动机组成全数字式伺服系统。,CNC与驱动单元通过总线进行通信。CNC将处理结果通过SEVRO端口输出位置控制指令至第1轴驱动单元的CN1端口，伺服电动机上的名次编码器将位置检测信号反馈至驱动单元的CN2端口，在驱动单元中完成位置控制。,5.5.2全数字式伺服系统的特点,由于总线通信，第2轴的位置控制信号由第1轴驱动单元上的CN1B端口输出至第2轴驱动

38、单元上的CN1A端口来完成。,全数字式伺服系统利用计算机的硬件和软件技术，采用新的控制方法改善系统的性能，可同时满足高速度和高精度的要求。,（1）系统的位置、速度和电流的校正环节PID控制由软件实现。,（2）具有较高的动、静态特性。在检验灵敏度、时间温度漂移、噪声及外部干扰等方面都优于混合式伺服系统。,（3）引入前馈控制，实际上构成了具有反馈和前馈的复合控制的系统结构。这种系统在理论上可以完全消除系统的静态位置误差、速度、加速度误差以及外界扰动引起的误差，即实现完全的“无误差调节”。,（4）由于全数字式伺服系统采用总线通信方式，可极大地减少联接电缆，便于机床安装和维护，提高了系统可靠性。同时便于通过实时监控伺服状态。,数字式交流伺服可作速度、力矩和位置控制，可接受模拟电压指令信号和