1.4.3 按控制方式分类

1.开环控制系统（Opened Loop Control System）

开环控制系统是指没有位置检测反馈装置的控制系统。这类数控机床、数控装置发出的指令信号流程是单向的，其精度主要取决于驱动元器件和电动机（步进电动机）的性能。由功率型步进电动机作为驱动元件的控制系统是典型的开环控制系统。数控装置根据所要求的运动速度和位移量，向环形分配器和功率放大电路输出一定频率和数量的脉冲，不断改变步进电动机各相绕组的供电状态，使相应坐标轴的步进电动机转过相应的角位移，再经过机械传动链，实现运动部件的直线移动或转动。运动部件的速度与位移量由输入脉冲的频率和脉冲数所决定。开环控制系统具有结构简单和价格低廉等优点。但通常输出转矩值的大小受到了限制，而且当输入较高的脉冲频率时，容易产生失步，难以实现运动部件的快速控制。目前，开环控制系统已不能充分满足数控机床日益提高的对控制功率、运动速度和加工精度的要求。但近年来由于发展了步进电动机的细分技术，出现了专用的细分功率驱动模块，步进电动机在低转矩、高精度、速度中等的小型设备的驱动控制中得到了广泛应用，特别是在微电子生产设备中充分发挥了它的独特优势。图1-6所示为开环控制系统示意图。

图1-6 开环控制系统示意图

2.半闭环控制系统（Semiclosed Loop Control System）

半闭环控制系统是在电动机轴或丝杠的端部装有角位移、角速度检测装置，通过检测伺服电动机的转角、转速间接地检测出运动部件的实际位移（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。随着脉冲编码器的迅速发展和性能的不断完善，作为角位移、角速度的检测装置能方便地直接与直流或交流伺服电动机同轴安装。而高分辨率的脉冲编码器的诞生，为半闭环控制系统提供了一种高性价比的配置方案。由于惯性较大的机床运动部件不包括在闭环之内，控制系统的调试十分方便，并具有良好的系统稳定性，甚至可以将脉冲编码器与伺服电动机设计成一个整体，使系统变得更加紧凑。虽然运动部件的机械传动链不包括在闭环之内，机械传动链的误差无法得到校正或消除，但是目前广泛采用的滚珠丝杠螺母机构具有很好的精度和精度保持性，而且采取了可靠的消除反向运动间隙的结构，完全可以满足绝大多数数控机床用户的需要。因此，半闭环控制正在成为首选的控制方式，得到了广泛的应用。图1-7所示为半闭环控制系统示意图。

图1-7 半闭环控制系统示意图

3.闭环控制系统（Closed Loop Control System）

闭环控制系统是在机床最终的运动部件的相应位置直接安装直线或回转式检测装置，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，并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。闭环控制的主要优点是将机械传动链的全部环节都包括在闭环之内，因而从理论上说，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，其控制精度超过半闭环控制系统，为高精度数控机床提供了技术保障。但闭环控制系统除了价格较昂贵之外，对机床结构及传动链也提出了严格的要求，因为传动链的刚度、间隙，导轨的低速运动特性以及机床结构的抗振性等因素都会增加系统调试的难度，甚至使伺服系统产生振荡，降低数控系统的稳定性。图1-8所示为闭环控制系统示意图。

图1-8 闭环控制系统示意图