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θ输出电压信号
α是此时测量元件激磁信号的电气角。VB的幅值代表着工作台的位移。VB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α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
（5-5）
（5-6）
α1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α变为α1，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，VB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θ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输出信号的幅值和检波器对它的要求选定，放大器是集成元件，可根据要求选择。
图5-29是一种检波器线路图，它是一个带放大器和反相器的电子开关电路。输入信号V1经放大器T1、反相器T2和RC线路变成两列相位相反的交变电压信号，参考信号是与VD同频率、同相位的方波信号。当参考信号D为高时，控制电子开关K1接通，而此时为低，控制电子开关K2断开；当参考信号D为低时，控制电子开关K1断开，而为高使K2接通。我们知道，测量元件输出的电压信号为
当工作台正向进给时，VB的幅值为正；当工作台反向进给时，为负。如果参考信号D在sinωt为正时为高，那么，工作台正向进给时，检波器的输出VE为正；工作台反向进给时，检波器的输出VE为负。VE信号再经过一次滤波去掉脉动成分，就得到平滑的直流电压VF，检波器的工作波形图如图5-30所示。
2) 电压频率转换器
电压频率转换器的作用是根据输入的电压值，产生出相应的脉冲。当输入电压为正时，输出正向脉冲；当输入电压为负时，输出反向脉冲，脉冲的方向用符号寄存器的输出表示；当输入为零时，不产生任何脉冲。随着输入电压信号幅值的增加，电压频率转换器的输出开始出现脉冲，图5-31是电压频率转换器线路图，其工作原理如下：
放大器OA1是一个积分器，当输入信号的幅值大时，OA1的输出上升到+2.5 V所需的积分时间短，当输入信号的幅值小时，积分的时间长一些，如图5--32所示。放大器OA2和OA3是两个电压比较器，它们的作用是检测OA1的信号。当OA1输出的电压上升到+2.5 V时，OA2的输出突然由1变为0；而OA1的输出电压值下降到-2.5 V时，OA3的输出突然由1变为0。OA2和OA3的输出又被送到同步器，每当OA2和OA3有由高电平到低电平的跳变时，同步器输出一个同步脉冲。该脉冲经三极管Q1和场效应管使积分器OA1复位，OA1的输出等于输入，同时OA2或 的输出又变为高电平。另外OA2和OA3输出的脉冲信号又控制符号触发器置位或清零，指出方向。表示正向，表示反向。图5-32是电压频率转换的波形图。
电压频率转换器的输出一方面作为工作台的实际位移被送到鉴幅系统的比较器，另一方面作为激磁信号的电气角α被送到sin／cos发生器(见图5-33)。
3) sin／cos发生器
sin／cos发生器的任务是根据电压频率转换器输出脉冲的多少和方向，生成测量元件的激磁信号VS和VK，即
式中α的大小由脉冲的多少和方向决定；VS和VK的频率和周期根据要求可用基准信号的频率和计数器的位数调整、控制。通常，sin／cos发生器可分为两部分，即脉冲相位转换线路和sin／cos信号生成线路。图5-33是一具体的sin／cos信号发生器，其工作原理如下：
当电压频率转换器有正向计数脉冲输出时，该正向脉冲在方向符号的控制下，经门3、门5进入A计数器的加端，使A计数器多加这些正向计数脉冲，A计数器的输出便超前参考计数器的输出一个相位角α1；同时，它经门3直接进入B计数器减端，使B计数器减掉这些正向计数脉冲，B计数器输出便滞后参考计数器的输出一个相应角α1；若电压频率转换器输出的是反向计数脉冲，则该反向脉冲在方向符号的控制下，一方面经门2、门4使B计数器多加这些反向计数脉冲，B计数器的输出超前参考计数器的输出一个相位角α2；另一方面经门2直接进入A计数器减端，使A计数器减掉这些反向计数脉冲，A计数器的输出滞后参考计数器的输出一个相位角α2；若电压频率转换器没有计数脉冲输出，A和B两计数器的输出与参考计数器的输出同相位。实现以上这部分功能的线路称之为脉冲相位转换线路，它与鉴相式伺服系统中的脉冲调相器基本相同。A计数器的输出A及其两分频后的信号A/2，B计数器的输出B及其两分频后的信号B/2，以及参考计数器输出的参考信号共同进入sin／cos信号生成线路。图5-34是sin／cos信号生成线路，它的输出就是所要求的测量元件的激磁信号。
图5-34中sin和cos的逻辑表达式为
4) 比较器
鉴幅系统比较器的作用是对指令脉冲信号和反馈脉冲信号进行比较。一般来说，来自数控装置的指令脉冲信号可以是以下两种形式：第一种是用一条线路传递进给的方向，一条线路传送进给脉冲；第二种是用一条线路传送正向进给脉冲，一条线路传送反向进给脉冲。来自测量元件信号处理线路的反馈信号是采用第一种形式表示的。进入比较器的脉冲信号形式不同，比较器的构造也不相同。
图5-36是指令脉冲为第一种形式时的一种比较器结构。在该比较器中，反馈脉冲一定不能与指令脉冲同时出现。比较器的工作原理是，当有正向指令脉冲出现时，该脉冲在方向符号控制下经门2、门4，进入可逆计数器加端，使可逆计数器作加法计数，可逆计数器的内容由零变为正数。其输出经数模转换、驱动环节，使执行元件带动工作台正向移动。工作台移动之后，测量元件将移动的距离检测出来，并经信号处理线路以正向反馈信号送入比较器。该正向反馈信号经门6 、门8进入可逆计数器减端，使可逆计数器作减法计数，可逆计数器的内容就是指令信号和反馈信号之差。若指令脉冲为反向脉冲，则经门3、门8进入计数器减端，使可逆计数器作减法计数，可逆计数器的内容为负。这时，反馈信号也一定是反向脉冲，反向脉冲经门7、门4进入可逆计数器加端，使可逆计数器作加法计数。当指令信号由一个方向向另一个方向转换时，一定要在工作台停止后再进行，即可逆计数器的内容变为零时再进行，否则要造成加工误差。
图5-37是指令脉冲用第二种形式表示时的一种比较器的结构，其工作原理与第一种比较器的原理基本相同，这里不再分析。
5) 数模转换器
数模转换器也称脉宽调制器，它的任务是把比较器的数字量转变为电压信号。目前，已有许多不同精度、不同形式的数模(D／A)转换器，只要能满足伺服系统对它的输入输出要求，可直接选来应用。
