对于参考脉冲系统，输入一个参考脉冲，输出轴前进一个脉冲当量，即一个基本长 度单位（123），类似于步进电动机的步进运动。当参考脉冲速率高时，由于机械惯性的 作用，输出轴的运动是平滑的，与模拟式伺服系统情况一样；但是，当参考脉冲频率低 时，参考脉冲系统作步进运动。参考脉冲系统比步进电动机运动控制系统的控制性能 更加优越，因为它是一种闭环控制系统，而步进电动机控制系统是开环工作的。
注意：在图 # 4 5 4 #) 和图 # 4 5 4 #6 中，所示的参考脉冲系统都只表示了位置环。
实际上，参考脉冲系统和模拟式伺服系统一样，根据需要，可以附加速度环和电流环，形 成两环或三环反馈系统。
三、采样 4 数据系统
采样 4 数据系统采用微处理机作为控制器。换句话说，微处理机直接参与了闭环 控制，因此，又称为计算机控制系统。它的一般原理结构如图 # 4 5 4 #7 所示。由于微 处理机处理数字形式的信号，而受控对象通常为一个具体的连续物理过程，所以，二者 之间必须通过 8 + 9 转换器和 9 + 8 转换器才能进行数据交换。受控对象包括伺服放大 器、伺服电动机、机械传动部件及受控机械。数字控制器是微处理机系统，它包括中央 处理单元（:;3）、存储器（<=>，<8>，?;<=> 等）、数字 @ + =、8 + 9、9 + 8、通信接口以 及显示器与键盘等。上位机来的参考输入指令通过通信接口送入微处理机，同时，微处 理机还通过 8 + 9 接口采集系统输出过程的反馈信号，经过控制律运算后，通过 9 + 8 接 口供给执行机构，驱动受控机器运动，从而组成闭环控制系统。
图 # 4 5 4 #7 计算机控制系统
A —
— 6
根据输出反馈传感器的类型和数量，采样 ! 数据伺服系统有以下几种不同的配置 方案。
（一）光电编码器反馈方案
在有些场合，为了简单，只采用光电编码器作为位置反馈传感器。速度反馈信号由 近似求导方法获取。速度的一阶近似表达式可定义为
!（ !）"##$%&’ !!
"
式中，" 表示采样周期。
因为采样周期是固定的，即 " 为常数。所以，角度增量!! 可定义为角速度的近
拟值!（ !）"##$%&。这样，由数字位置传感器（如光电编码器）导出近似角速度，在原理上
是可行的。
图 ( ! ) ! (* 为采用单个光电编码器的计算机伺服系统原理图。计算机以恒定的 周期采集数字位置反馈信号，并将其与数字参考信号相比较，经过控制律运算后，产生 控制信号并以均匀的采样速率输出。控制信号通过 + , - 转换和功率放大器，供给伺服 电动机，驱动受控机械紧密跟踪参考信号运动。
图 ( ! ) ! (* 单个光电编码器的计算机伺服系统
位置检测及 . , / 转换电路原理如图 ( ! ) ! (0 所示。由光电编码器输出的两路相 差 012的信号 # 和 $ 经过整形，得到两路脉冲 % 和 &。再经过 + 触发器 3456)，又获得 另外两路相位滞后一个时钟脉冲的 % 7和 &7。-，8，% 7及 &7四列方波脉冲送给只读存 储器集成电路 9861:5 的地址线 %1，%(，%5 及 %)，然后，由 98615: 的数据线 ’) 或
’5取得与光电信号同频的第一路计数脉冲 (- 或 (8。此脉冲送入可编程计数器
*5:)，可得一个采样周期的实际位置增量数。同时，由数据线 ’( 或 ’1取得与原脉冲 四倍频的第二路脉冲序列 ("或 (;。此脉冲经过整形、放大、低通滤波以及求和，变成 与光电信号频率成正比的直流电压 ).。它反映电动机的转速。正转时，经过 ("输出 正电压 ).；反转时，经过 (;输出负电压 ).。因此，).可用作速度反馈电压。
9861:5 是具有 < = 5:> 位的只读存储器。数据线为 < 位，地址线为 * 位。实际使 用时，地址线 %<，%:，%>及 %6 短接接地，只利用单元地址 11—1.?。正转和反转时，
0 —
— >
!"#$%& 输入 ! ，"，! ’及 "’（地址线 !$，!(，!&及 !)）和输出 #*，#"，#+及 #（数据,
线 $)，$&，$(及 $$）各路信号波形如图 ( - ) - &$ 所示。注意，时钟信号 %& 的频率应
为光电编码器信号频率的 . 倍以上（图中是按 . 倍画出的）。
图 ( - ) - (/ 位置检测及 0 1 2 转换电路原理
图 ( - ) - &$ 计数脉冲及四倍频波形图
（+）正转；（,）反转
可编程计数器以固定采样周期记录光电编码器的脉冲数。若计算机采集数据后，
计数器立即清零，则计算机采集的数是一个采样周期内的位置增量。它可以用来代表 平均角速度!（ ’）+33456（注意，在图 ( - ) - (/ 中，附加了 0 1 2 变换电路，直接获得了模拟 的平均速度电压）。同时，在计算机内累加所有的位置增量，可得输出轴的绝对位置。
这样，依靠单个光电编码器可同时获得数字的位置反馈信号和模拟的近似速度反馈信 号。因此，这样组成的伺服系统具有速度和位置双环路。
应注意，由光电编码器获得近似速度信息的方案，是要牺牲一定的控制性能的。由 于导出速度信号的分辨率一般比较低，经过数字量化，往往呈现较明显的分段常值或阶 梯形的函数特性。例如，若采用 %$$ 线的光电编码器，轴的最大转速为 7$$4 1 89:，则光 电编码器输出脉冲速率为 %$$$ 脉冲 1 ;。假如采样周期为 )8;，那么，在一个采样周期 内，位置计数的最大变化量为 %$$$ < ) < ($- )= (% 个脉冲。这表明最大速度只需要二
$ —
— #
进制 ! 位数表示，其速度分辨率仅为 "## $ %& ’ !#（( $ )*+）$脉冲。
一般来说，以低分辨率的导出速度信号作来速度负反馈，不会达到理想的闭环系统 阻尼效果，甚至会出现数字量化引起的非线性振荡。为了避免出现这种潜在的非线性 振荡的危险性，需要选用高分辨率的光电编码器，并且附加细分电路，以提高导出速度 信号的分辨率；同时，缩小速度负反馈增益 !,的最大值。例如，在加速和减速阶段采 用较小的 !,，在常速度阶段采用较大的 !,。
（二）旋转变压器反馈方案
在位置精度要求较高的场合，常常选用多极旋转变压器或感应同步器作为位置反 馈测量元件。这时，通过跟踪型旋变 $ 数字（- $ .）转换电路，可以将轴角转换为数字位 置反馈信号和近似的模拟速度信号。/-.0%12# $ 22 是一种 - $ . 转换集成电路，它的工 作原理如图 % 3 2 3 4% 所示。输入为旋转变压器的正、余弦信号，输出为旋转变压器转 角的 %! 位二进制数字量和模拟速度电压。
图 % 3 2 3 4% /-.0%12# $ 22 工作原理
旋转变压器单相激磁，输出绕组的正、余弦信号分别接至 /-.0%12# $ 22 集成电路 的 5/6，075 输入端，经过芯片内的信号变压器，产生输出电压 "%，"4。即
"%’ !##8*+!$8*+"
"4’ !##8*+!$9:8"
式中："———旋转变压器的转角；
##———旋转变压器交流输入电压辐值；
! ———变压器变化。
设可逆计数器的计数值为#，"%，"4经正、余弦乘法器后，得
"%9:8# ’ !##8*+!$8*+"9:8#
"48*+# ’ !##8*+!$9:8"8*+#
两信号经差动式误差放大器后，可得
% —
— 1
!"!"#$!#（"#$"%&"# ’ %&"""#$#）( !"!"#$（"’#）"#$!#
相敏检波后的直流电压正比于 "#$（"’#），积分后再去控制压控振荡器。压控振 荡器有两个输出信号：一个是反映旋转变压器转子转动方向的信号 )*+，接到片内可逆 计数器有加 , 减控制端，由转子转动方向决定计数器的加 , 减；另一个是振荡脉冲信号，
它经过与门后接至计数输入端，作为可逆计数器的计数脉冲。
计数脉冲的累计数# 反映转角"，计数脉冲频率反映角速率"。后者与压控振荡器 输入电压 -./ 成立比。事实上，芯片内的电路构成了闭环回路（* 型系统），稳态时# (
"，即输出的数字量# 正好是旋转变压器的转角"。当旋转变压器转子有一定转速时，
输出数字值#（0）与实际转角"（0）有一个动态误差。当转子速度为 1!2 , " 时，动态误差 为 ! 3 40。旋转变压器转子的最高容许转速为 562 , "。
图 4 ’ 7 ’ 11 是采用这种配置的计算机伺服系统原理图。显然，这是一个双环路的 系统。速度环是模拟的，模拟速度反馈信号 -./ 由 + , ) 转换器提供。位置环是数字 的，+ , ) 转换器将旋转变压器转角的交流模拟信号转换为 48 位二进制数字信号，由微 处理机采用后，作为数字位置反馈信号。
图 4 ’ 7 ’ 11 单旋转变压器的计算机伺服系统
微处理机接收上位机来的指令信号和采集数字的位置反馈信号，经过控制律运算 后，产生数字形式的控制信号，再经过 ) , 9 转换和伺服放大后，以足够的功率供给伺服 电动机，驱动负载和旋转变压器转子旋转，从而形成闭环的伺服系统。
（三）双反馈传感器方案
在机械设备增量运动控制装置中，最经常采用的是双反馈传感器配置方案，即位置 反馈采用数字传感器，速度反馈采用模拟传感器。位置传感器有光栅、光电编码器以及 旋转变压器或感应同步器附加旋变 , 数字（+ , )）变换电路等。速度传感器通常采用永 磁直流测速发电机。这种配置多用了一只测速机，但是，可以使速度环的性能得到很大 提高。所以，在要求系统性能较高的场合多采用这种方案。
因为直流测速发电机提供模拟量信号，它必然经过 9 , ) 转换后，才能被微处理机 1 —
— :
接收。图 ! " # " $#（%）是位置信号和速度信号同时反馈到微处理机的方案。比较简单 的方法是模拟测速信号不进入微处理机，而在微处理机外部形成模拟速度反馈回路，如 图 ! " # " $#（&）所示。这两种方案都是具有速度环和位置环的双环路系统，与后者相 比，前者可利用计算机实现更加复杂的控制规律。一般情况下都采用图 ! " # " $#（&）
所示的方案。
图 ! " # " $# 双反馈传感器的计算机伺服系统
（%）位置和速度皆为数字回路；（&）模拟速度和数字位置回路