第3章习题解答
3.1 简述数控伺服系统的组成和作用。
数控伺服驱动系统按有无反馈检测元件分为开环和闭环（含半闭环）两种类型。开环伺服系统由驱动控制单元、执行元件和机床组成。驱动控制单元的作用是将进给指令转化为执行元件所需要的信号形式，执行元件则将该信号转化为相应的机械位移。闭环（半闭环）伺服系统由执行元件、驱动控制单元、机床，以及反馈检测元件、比较环节组成。位置反馈元件将工作台的实际位置检测后反馈给比较环节，比较环节将指令信号和反馈信号进行比较，以两者的差值作为伺服系统的跟随误差，经驱动控制单元驱动和控制执行元件带动工作台运动。
3.2 数控机床对伺服系统有哪些基本要求？
数控机床对伺服系统的基本要求：⒈精度高；⒉快速响应特性好；⒊调速围宽；⒋系统可靠性好。
3.3 数控伺服系统有哪几种类型？简述各自的特点。
数控伺服系统按有无检测装置分为开环伺服系统、半闭环伺服系统和闭环伺服系统。
开环伺服系统是指不带位置反馈装置的控制方式。开环控制具有结构简单和价格低廉等优点。
半闭环伺服系统是通过检测伺服电机的转角间接地检测出运动部件的位移（或角位移）反馈给数控装置的比较器，与输入指令进行比较，用差值控制运动部件。这种系统的调试十分方便，并具有良好的系统稳定性。
闭环伺服系统将直接测量到的位移或角位移反馈到数控装置的比较器中与输入指令位移量进行比较，用差值控制运动部件，使运动部件严格按实际需要的位移量运动。
闭环控制系统的运动精度主要取决于检测装置的精度，而与机械传动链的误差无关，其控制精度将超过半闭环系统。
3.4 简述步进电动机的分类及其一般工作原理。
从结构上看，步进电动机分为反应式与激磁式，激磁式又可分为供电激磁和永磁式两种。按定子数目可分为单段定子式与多段定子式。按相数可分为单相、两相、三相及多相，转子做成多极。
在输入电信号之前，转子静止不动；电信号到来之后，转子立即转动，且转向、转速随电信号的方向和大小而改变，同时带动一定的负载运动；电信号一旦消失，转子立即自行停转。
3.5 什么是步距角？步进电机的步距角大小取决于哪些因素？
步进电机的步距角α是反映步进电机绕组的通电状态每改变一次，转子转过的角度。步距角α一般由定子相数、转子齿数和通电方式决定。
3.6 试比较交流和直流伺服电动机的特点。
直流伺服电机具有优良的调速性能，启动、运行和制动灵活、方便，因而在对速度调节有较高要求的场合，直流伺服系统一直占据主导地位。但它存在固有的弱点，如电刷和换向器工作中易磨损，需经常维护，换向器形状非常复杂，换向时还会产生火花，这给制造和维护都带来很大的困难。
交流伺服电机采用了全封闭无刷构造，不需定期检查和维修。它的定子省去了铸件壳体，结构紧凑，外形小，重量轻。空心杯转子的转动惯量很小，反应迅速，而且运转平稳。
3.7 分析交流和直流伺服电动机的速度调节方式。
直流伺服电动机常用的调速方式有两种：
⑴晶闸管直流调速（SCR）
晶闸管直流调速是通过调节触发装置的控制电压大小（控制晶闸管的开放角）来移动触发脉冲的相位，从而改变了整流电压的大小，使直流电动机电枢电压变化而平滑调速。
⑵脉宽调制直流调速（PWM）
PWM调速是在大功率开关晶体管的基极上，加上脉宽可调的方波电压，控制开关管的导通率，达到调速的目的。
交流伺服电动机调速通常由调频调速的方法实现。实现调频调压有多种方法，通常都是采用交流—直流—交流的变换电路来实现，这种电路的主要组成部分是电流逆变器。
3.8 步进式伺服系统是如何对机床工作台的位移、速度和进给方向进行控制的？
⒈工作台位移量的控制
数控装置发出N个进给脉冲，使步进电动机定子绕组的通电状态变化N次，则步进电动机转过的角位移量φ=N·α（α为步距角）。该角位移经丝杠螺母副之后转化为工作台的位移量L，即进给脉冲数决定了工作台的直线位移量。
⒉工作台运动方向的控制
当数控装置发出的进给脉冲是正向时，经驱动控制线路之后，步进电动机的定子绕组按一定顺序依次通电、断电。当进给脉冲是反向时，定子各相绕组则按相反的顺序通电、断电。因此，改变进给脉冲的方向，可改变定子绕组的通电顺序，使步进电动机正转或反转，从而改变工作台的进给方向。
⒊工作台进给速度的控制
若数控装置发出的进给脉冲的频率为f，经驱动控制线路后，转换为控制步进电动机定子绕组的通电、断电的电平信号变化频率，由于转速ω=60fδ（δ为脉冲当量），所以定子绕组通电状态的变化频率决定步进电机转子的转速。该转速经过丝杠螺母副传递之后，转化为工作台的进给速度。
3.9 如何提高步进式伺服驱动系统的精度？
从控制方法上采取以下措施提高步进式伺服驱动系统的精度：⒈传动间隙补偿；⒉螺距误差补
偿；⒊细分线路。
3.10 简述鉴相式伺服系统的组成和工作原理。
鉴相式伺服系统由基准信号发生器、脉冲调相器、检测元件及信号处理线路、鉴相
器、驱动线路和执行元件等组成。
当数控机床的数控装置要求工作台沿一个方向进给时，插补器或插补软件便产生一
系列进给脉冲。进给脉冲首先送入伺服系统位置环的脉冲调相器。变为超前基准信号相位角φ，在工作台运动以前，因工作台没有位移，故检测元件及信号处理线路的的输出与基准信号同相位，即两者相位差θ=0。在鉴相器中，指令信号与反馈信号进行比较，使工作台正向进给。工作台正向进给后，检测元件马上检测出此进给位移，若θ≠φ1，说明工作台实际移动的距离不等于指令信号要求的移动距离，鉴相器将φ和θ的差值检测出来，送入速度控制单元，驱动电机转动带动工作台进给。若θ=φ，说明工作台移动距离等于指令信号要求的移动距离，此时，鉴相器的输出φ－θ=0，工作台停止进给。
3.11 简述鉴幅式伺服系统的组成和工作原理。
鉴幅式伺服系统由测量元件及信号处理线路、数模转换器、比较器、放大环节和执
行元件五部分组成。
鉴幅系统工作前，数控装置和测量元件及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为止。
3.12 鉴相式伺服系统中，基准信号发生器的作用是什么？
基准信号发生器输出的是一列具有一定频率的脉冲信号，其作用是为伺服系统提供
一个相位比较基准。
3.13 简述脉冲比较式伺服系统的组成和工作原理。
比较完整的脉冲比较式伺服系统可由指令信号、反馈测量信号、比较器、转换器、驱动执行元件组成。
若工作台处于静止状态，指令脉冲P c =0，这时反馈脉冲P f 亦为零，经比较器可得偏差
e=P c －P f =0，则伺服电机的速度给定为零，工作台继续保持静止不动。随着指令脉冲的输入，
P c ≠0，在工作台尚未移动之前，反馈脉冲P f 仍为零。经比较器比较，得偏差e=P c －P f ≠0，若指令脉冲为正向进给脉冲，
