图2-5：双级性PWM驱动电压波形和电枢电流波形
在0?t?t1时，Ub1?Ub4为正，Ub2?Ub3为负，使T1和T4饱和导通, T2和
T3截止，加在电枢端电压，A点为正，B点为负，即UAB??US（忽略T1和T4的
饱和压降），电枢电流
ia沿回路1流通。当
t1?t?T时，Ub1?Ub4为负，Ub2?Ub3为正，使T1和T4截止, 但T2和T3并不能立
即导通。这是因为在电枢电感的作用下，电枢电流ia经VD2和VD3续流，沿回路2流通，VD2和VD3的压降使T2和T3承受反压的缘故。T2和T3能否导通，取决于续流电流。当电枢电流ia较大时，在t1?T时间内，ia一直为正，如图b所示， 此时，T2和T3没等导通，下一个周期即到来，又使T1和T4导通，电流ia又开始上升，使电流维持在一个正值附近波。当电枢电流ia较小时，在t1?T时间内，续流电流可能降到零，于是T2和T3在电源电压和反电动势的共同作用下导通，ia沿回路3流通，方向反向，电动机处于反接制动状态，直到下一周期，T1和T4导通，
ia才开始回升，如图所示。电机的转向取决于电枢电流的平均值，即取决于电枢
端电压的平均值。若在一个周期内，加在T1和T4的正脉冲宽度（t1）和加在T2和
T3的正脉冲宽度（T?t1） 相等（即t1=T/2，T为周期），T1和T4的导通时间与
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使T1和T4饱和导通, T2和T3截的相等，电枢电压的正负半波面积相等，其平均电压为零，电动机静止不动。当t1?T?t1时，电枢平均电压大于零，电机正转，平均值越大，转速越高。当t1?T?t1时，电枢平均电压小于零，电机反转。
由上述过程可知，双极性PWM驱动系统中，电机的静止是动态静止，有利于消除正反转死区。在设计双极性PWM驱动系统时要注意解决以下的问题：
1）防止直通。由于功率晶体管为非理想开关器件，在两组晶体管交替开关过程中可能出现T1和T2 或T3和T4同时导通现象，即直通现象，造成电源短路。为防止直通现象，应在驱动电路上附加延时环节，使两组晶体管的开关脉冲错开一段时间。在CNC中采用硬件逻辑延时或软件延时。
2）开关脉冲频率的选择。晶体管开关脉冲频率的选择要从以下两方面综合考虑：
①频率响应。开关脉频率高，系统的动态响应好，频带宽。调整范围宽，另外，高的开关频率也会降低电机的损耗。但开关频率太高，会是晶体管的动态损耗太大，直通现象也难以防止，这限制了开关脉冲频率的提高。②防止谐振。开关脉冲频率的选择要避开系统各部分的谐振区，通常选择高于谐振频率。
在微机控制PWM驱动系统中，脉冲宽度控制信号可由计算机通过软件产生，所以硬件电路简单，控制灵活，微机PWM驱动系统的原理框图见图2-6。微机输出脉宽控制信号经驱动器放大，驱动PWM主电路的功率晶体管开
关。 图2-6微机PWM驱动系统的原理
开关频率及脉冲宽度都可采用软件来调节。计算机同时采样速度和位置反馈信号，并利用软件对速度和位置进行调节。
PWM的控制脉冲也可以由脉宽调制器产生，这时微机需要通过D/A转换器脉宽调制器输入脉宽控制信号。替安置信号可以是三角波或锯齿波。图2-7是三角波脉宽调制电路。N1为比例放大器，N2为积分放大器。N1和N2构成三角波发生器，输出三角波调制信号U1。调节电位器RP可改变三角波的频率。用三角波信号对给定信号Ui进行调制，在比较器CP的输出端便得到宽度和UI成正比，
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频率等于三角波频率的脉宽信号。UI可由微机经D/A转化器给定。
图2-7 三角波脉宽调制电路
2.3检测装置
2.3.1测速发电机
测速发电机（TG）有直流和交流两种，在此伺服系统中采用的是直流测速发电机。为了提高检测的灵敏度，将测速发电机直接连接在电机轴上。图2-8为直流测速发电机的工作原理。当位于磁场中的线圈旋转时，在线圈的两端将产生感应电动势E，根
据法拉第定律可以得出： 图2-8 测速发电机
E= Ki 3ω 式中 Ki ———测速发电机的增益，V2s ω ———电枢的角速度，rad/s。
当直流测速发电机有负载时，电枢的旋转线圈便会产生电流，破坏了输出电压与转速的线性度，使发电机的输出特性产生误差。因此，为保证直流测速发电机的测速精度，应尽可能使测速发电机在低负载下工作，即工作在转速变化范围小而负载电阻较大的场合。
测速发电机有线性好、灵敏度高和输出信号强等优点，故广泛用于工业自动检测和自动调节电机转速。检测范围20～400r/min，精度0.2％～0.5％。
将测速发电机的转子轴同直流伺服电机的转子轴连在一起，则测速发电机就成为伺服电动机的速度反馈传感器。
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2.3.2感应同步器
感应同步器是应用电磁感应原理来测量直线位移或角位移的传感器。其中，直线式用来测量直线位移，圆盘式用来测量角位移。本设计采用的是圆盘式，其结构相当于一个多级旋转变压器。它的结构原理如图2-9。它由定子和转子组成，转子上印刷有一个感应绕组，定子上印刷有正弦和余弦两个绕组且两个绕组错开四分之一个节距。感应同步器的绝对精度可达1”，重复精度可达0.1”。本改造方案中将其安装在丝杠上来测量角位移量。
图2-9 圆盘式感应同步器结构原理
圆盘感应同步器的工作原理与直线感应同步器工作原理类似，如图2-10。当定子六个绕组中任一绕组通以一定频率的交流电压时，就在感应器内产生一个磁场，该磁场以同步速度移动并切割定子上的绕组。由于电磁感应效应，在定子绕组上产生相同频率的感应电势，其大小取决于定子和转子的空间相位角。在a点，定、转子绕组对准（重合），感应电势最大。随着转子旋转，感应电势下降，当两者刚好错开四分之一节距时，到达b点，此时感应电势为0。转子继续旋转，移动到二分之一节距时的c位置，感应电势与a位置重合，极性相反。当到达四分之三节距的d点，又回到0。到达e点，刚好移动一个节距，情况与a相同。转子转动一个节距，感应同步器
变
化
一
周
。
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图2-10 圆盘感应同步器的工作原理
根据对转子绕组供电方式的不同以及对输出电压的检测方式不同，感应同步器分鉴相测量和鉴幅测量。其中鉴相测量只要测出定子上的感应电压，就可以得到空间相位角θ；鉴幅测量则要已知电气角α1,只要测出U0的幅值KUmsin（α1-α2）,便可间接地求出α2。
2.4实现机床自动进给的数控装置
机床的进给运动是机床工作中最为基本的运动, 它直接控制零件轮廓的形成。传统的机床进给是采用人工控制, 这样含有人为因素的控制既费人力又缺乏精确性。机床自动进给电路的设计能够以自动控制取代人工控制, 使机床的刀具及时接预先确定的进给量自动地工作, 而且进给量可以随时根据加工要求改变。
2.4.1自动进给数控装置框图
采用自动进给数控装置, 通过安装在机床适当位置上(导轨的两端) 的传感器发出的信号控制进给运动。当工作台运动到机床一端时, 安装在工作台运动轨迹两侧的传感器便发出一个电信号, 此信号通过“控制脉冲形成电路”产生高电平输出, 使“主控门”打开。这个信号源发出的脉冲信号可以通过主控门再经放大器放大后驱动执行机构(进给机械装置)。执行机构根据脉冲数目的多少决定进给量。脉冲信号同时还送到计数器进行计数。这个计数器是可预置数的“可变进制计数器”, 当计数脉冲数等于预置数对, 预置电路立即发出“停止信号”,并送到“控制脉冲形成电路”, 产生一个低电平输出信号封锁主控门。直到下一个信号脉冲到来之前，执行机构停止动作, 同时预置电路产生清零信号使计数器回到零状态, 待下一次进刀时再重新计数。自动进给数控装置
框图见图2-11。 图2-11 自动进给数控装置框图
2.4.2总电路图
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