進給伺服系統(tǒng)介紹.ppt

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1、第四章 進給伺服系統(tǒng),內(nèi)容提要 本章將詳細討論進給伺服系統(tǒng)的軟件硬件結(jié)構(gòu)；進給伺服系統(tǒng)基本功能的原理及實現(xiàn)方法。,第一節(jié) 概述,. 進給伺服系統(tǒng)的定義及組成 . 定義： 進給伺服系統(tǒng)(Feed Servo System)以移動部件的位置和速度作為控制量的自動控制系統(tǒng)。,組成： 進給伺服系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成：位置控制單元；速度控制單元；驅(qū)動元件(電機)；檢測與反饋單元；機械執(zhí)行部件。,一、進給伺服系統(tǒng)的定義及組成,調(diào)速范圍要寬且要有良好的穩(wěn)定性(在調(diào)速范圍內(nèi)) 調(diào)速范圍： 一般要求： 穩(wěn)定性：指輸出速度的波動要少，尤其是在低速時的平穩(wěn)性顯得特別重要。,二、NC機床對數(shù)控進

2、給伺服系統(tǒng)的要求,輸出位置精度要高 靜態(tài)：定位精度和重復定位精度要高，即定位誤差和重復定位誤差要小。(尺寸精度) 動態(tài)：跟隨精度，這是動態(tài)性能指標，用跟隨誤差表示。 (輪廓精度) 靈敏度要高，有足夠高的分辯率。,負載特性要硬 在系統(tǒng)負載范圍內(nèi)， 當負載變化時，輸出速度應基本不變。即F盡可能?。?當負載突變時，要求速度的恢復時間短且無振蕩。即t盡可能短； 應有足夠的過載能力。 這是要求伺服系統(tǒng)有良好的靜態(tài)與動態(tài)剛度。,響應速度快且無超調(diào) 這是對伺服系統(tǒng)動態(tài)性能的要求，即在無超調(diào)的前提下，執(zhí)行部件的運動速度的建立時間 tp 應盡可能短。 通常要求從 0Fmax（Fmax0），其時間

3、應小于200ms，且不能有超調(diào)，否則對機械部件不利，有害于加工質(zhì)量。,能可逆運行和頻繁靈活啟停。 系統(tǒng)的可靠性高，維護使用方便，成本低。 綜上所述： 對伺服系統(tǒng)的要求包括靜態(tài)和動態(tài)特性兩方面； 對高精度的數(shù)控機床，對其動態(tài)性能的要求更嚴。,第二節(jié) 進給伺服系統(tǒng)的位置檢測裝置,一、概 述 組成：位置測量裝置是由檢測元件（傳感器）和信號處理裝置組成的。 作用：實時測量執(zhí)行部件的位移和速度信號，并變換成位置控制單元所要求的信號形式，將運動部件現(xiàn)實位置反饋到位置控制單元，以實施閉環(huán)控制。它是閉環(huán)、半閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)的重要組成部分。 閉環(huán)數(shù)控機床的加工精度在很大程度上是由位置檢測裝置的精度決定的，在

4、設(shè)計數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)，尤其是高精度進給伺服系統(tǒng)時，必須精心選擇位置檢測裝置。,1.進給伺服系統(tǒng)對位置測量裝置的要求 高可靠性和高抗干擾性： 受溫度、濕度的影響小，工作可靠，精度保持性好，抗干擾能力強； 能滿足精度和速度的要求： 位置檢測裝置分辨率應高于數(shù)控機床的分辨率（一個數(shù)量級）； 位置檢測裝置最高允許的檢測速度應數(shù)控機床的最高運行速度。 使用維護方便，適應機床工作環(huán)境； 成本低。,. 位置檢測裝置的分類,按輸出信號的形式分類：數(shù)字式和模擬式 按測量基點的類型分類：增量式和絕對式 按位置檢測元件的運動形式分類：回轉(zhuǎn)型和直線型,常用位置檢測裝置分類表,分類,. 感應同步器,感應同步器的結(jié)構(gòu)

5、及分類 結(jié)構(gòu),sin,cos,,,節(jié)距2（2mm）,,,,,節(jié)距（0.5mm）,定尺,滑尺,感應同步器的工作原理.,感應同步器是利用勵磁繞組與感應繞組間發(fā)生相對位移時，由于電磁耦合的變化，感應繞組中的感應電壓隨位移的變化而變化，借以進行位移量的檢測。感應同步器滑尺上的繞組是勵磁繞組，定尺上的繞組是感應繞組。,,U0,U0,1,,定尺,滑尺,1,感應同步器的信號處理原理,滑尺正旋繞組上加激磁電壓Us后，與之相耦合的定尺繞組上的感應電壓為： Uos=KUScos1 滑尺余旋繞組上加激磁電壓Uc后，與之相耦合的定尺繞組上的感應電壓為： Uoc=KUccos（1+/2） =K Ucs

6、in1,滑尺正、余旋繞組上同時加激磁電壓Us、 Uc時，感應同步器的磁路可是為線性的，根據(jù)疊加原理，則與之相耦合的定尺 繞組上的總感應電壓為： Uo =Uos+ Uos=KUScos1K Ucsin1 K 電磁感應系數(shù) 1 定尺繞組上的感應電壓的相位角,滑尺與定尺 相對位移量 x 的求?。? 2: 2= x : 1 x = 1 結(jié)論：相對位移量 x 與 相位角1 呈線性關(guān)系，只要能測出相位角1 ，就可求得位移量 x 。 根據(jù)滑尺正、余旋繞組上激磁電壓Us、 Uc供電方式的不同可構(gòu)成不同檢測系統(tǒng)-鑒相型系統(tǒng)和鑒幅型系統(tǒng)。,鑒相型系統(tǒng)的工作原理,在鑒相型系統(tǒng)中，激磁電壓是頻率、幅值

7、相同，相位差為 /2的交變電壓： US = Um sint UC = Um cost 則： Uo =Uos+ Uos=KUScos1K Ucsin1 = K Um sint cos1K Um cost sin1 = K Um sin（t 1） 結(jié)論：只要能測出Uo與US相位差1 ，就可求得滑尺與定尺相對位移量 x 。,鑒幅型系統(tǒng)的工作原理,在鑒幅型系統(tǒng)中，激磁電壓是頻率、相位相同，幅值不同的交變電壓： US = Um sin2sint UC = Um cos2sint 2= x 2 （ x 2是指令位移值） Uo = Uos+ Uos=KUScos1K Uc

8、sin1 = K Um sin2 cos1sint K Um cos2sintsin1 = K Um sin（21）sint 結(jié)論：只要能測出Uo與UC相位差1 ，就可求得滑尺與定尺 相對位移量 x 。,. 脈沖編碼器,脈沖編碼器又稱碼盤，是一種回轉(zhuǎn)式數(shù)字測量元件，通常裝在被檢測軸上，隨被測軸一起轉(zhuǎn)動，可將被測軸的角位移轉(zhuǎn)換為增量脈沖形式或絕對式的代碼形式。根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測方式碼盤可分為接觸式、光電式和電磁式3種。其中，光電碼盤在數(shù)控機床上應用較多，而由霍爾效應構(gòu)成的電磁碼盤則可用作速度檢測元件。另外，它還可分為絕對式和增量式兩種。,. 增量脈沖編碼器,結(jié)構(gòu)及工作原理,光電碼盤隨被測

9、軸一起轉(zhuǎn)動，在光源的照射下，透過光電碼盤和光欄板形成忽明忽暗的光信號，光敏元件把此光信號轉(zhuǎn)換成電信號，通過信號處理裝置的整形、放大等處理后輸出。輸出的波形有六路： 其中， 是 的取反信號。,,A,B,,,,,90,輸出信號的作用及其處理,A、B兩相的作用 根據(jù)脈沖的數(shù)目可得出被測軸的角位移； 根據(jù)脈沖的頻率可得被測軸的轉(zhuǎn)速； 根據(jù)A、B兩相的相位超前滯后關(guān)系可判斷被測軸旋轉(zhuǎn)方向。 后續(xù)電路可利用A、B兩相的90相位差進行細分處理（四倍頻電路實現(xiàn)）。,Z相的作用 被測軸的周向定位基準信號； 被測軸的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)記數(shù)信號。 的作用 后續(xù)電路可利用A、 兩相實現(xiàn)差分輸入，以消除遠距離傳輸

10、的共模干擾。,增量式碼盤的規(guī)格及分辨率,規(guī)格 增量式碼盤的規(guī)格是指碼盤每轉(zhuǎn)一圈發(fā)出的脈沖數(shù)； 現(xiàn)在市場上提供的規(guī)格從 36線/ 轉(zhuǎn) 到 10萬線 /轉(zhuǎn) 都有； 選擇：伺服系統(tǒng)要求的分辨率； 考慮機械傳動系統(tǒng)的參數(shù)。 分辨率（分辨角） 設(shè)增量式碼盤的規(guī)格為 n 線/轉(zhuǎn)：,. 絕對式編碼器,結(jié)構(gòu)和工作原理 碼盤基片上有多圈碼道，且每碼道的刻線數(shù)相等； 對應每圈都有光電傳感器； 輸出信號的路數(shù)與碼盤圈數(shù)成正比； 檢測信號按某種規(guī)律編碼輸出，故可測得被測軸的周向絕對位置。,絕對編碼盤的編碼方式及特點 二進制編碼： 特點：編碼循序與位置循序相一致，但可能產(chǎn)生非單值性誤差。 誤差分析：,,,,,111

11、1,1000,格雷碼（循環(huán)碼、葛萊碼） 特點：任何兩個編碼之間只有一位是變化的，因而可把誤差控制在最小單位上。但編碼與位置循序無直接規(guī)律。,格雷碼的編碼方法 它是從二進制碼轉(zhuǎn)換而來的，轉(zhuǎn)換規(guī)則為： 將二進制碼與其本身右移一位后并舍去末位的數(shù)碼作不 進位加法，得出的結(jié)果即為格雷碼(循環(huán)碼)。 例題： 將二進制碼0101轉(zhuǎn)換成對應的格雷碼：,絕對式碼盤的規(guī)格及分辨率,規(guī)格 絕對式碼盤的規(guī)格與碼盤碼道數(shù) n 有關(guān)； 現(xiàn)在市場上提供從 4道 到 18道 都有； 選擇：伺服系統(tǒng)要求的分辨率； 考慮機械傳動系統(tǒng)的參數(shù)。 分辨率（分辨角） 設(shè)絕對式碼盤的規(guī)格 n 道：,. 光電編碼器的特點,非接觸測量，

12、無接觸磨損，碼盤壽命長，精度保證性好； 允許測量轉(zhuǎn)速高，精度較高；。 光電轉(zhuǎn)換，抗干擾能力強； 體積小，便于安裝，適合于機床運行環(huán)境； 結(jié)構(gòu)復雜，價格高，光源壽命短； 碼盤基片為玻璃，抗沖擊和抗震動能力差。,第三節(jié) 進給伺服驅(qū)動系統(tǒng),一、概述 進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)：由進給伺服系統(tǒng)中的 電機及其控制和驅(qū)動裝置 組成。 電機：進給系統(tǒng)的動力部件，它提供執(zhí)行部件運動所需的動力，在數(shù)控機床上目前常用的電機有： 步進電機 直流伺服電機 交流伺服電機 直線電機。,速度單元：電機的控制和驅(qū)動裝置，通常驅(qū)動電機與速度控制單元是相互配套供應的，其性能參數(shù)都是進行了相互匹配，這樣才能獲得高性能的系統(tǒng)指標。 速度控制

13、單元主要作用：接受來自位置控制單元的速度指令信號，對其進行適當?shù)恼{(diào)節(jié)運算(目的是穩(wěn)速)，將其變換成電機轉(zhuǎn)速的控制量(頻率，電壓等)，再經(jīng)功率放大部件將其變換成電機的驅(qū)動電量，使驅(qū)動電機按要求運行。簡言之：調(diào)節(jié)、變換、功放。,進給驅(qū)動系統(tǒng)的特點（與主運動（主軸）系統(tǒng)比較）： 功率相對較??； 控制精度要求高； 控制性能要求高，尤其是動態(tài)性能。,、步進電機及其驅(qū)動裝置,步進電機流行于70年代，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、控制容易、維修方面，且控制為全數(shù)字化。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，除功率驅(qū)動電路之外，其它部分均可由軟件實現(xiàn)，從而進一步簡化結(jié)構(gòu)。因此，這類系統(tǒng)目前仍有相當?shù)氖袌?。目前步進電機僅用于小容量、低速、精度

14、要不高的場合，如經(jīng)濟型數(shù)控；打印機、繪圖機等計算機的外部設(shè)備。,、直流伺服電機及驅(qū)動,直流電機的工作原理是建立在電磁力定律基礎(chǔ)上的，電磁力的大小正比于電機中的氣隙磁場，直流電機的勵磁繞組所建立的磁場是電機的主磁場，按對勵磁繞組的勵磁方式不同，直流電機可分為： 他激式、 并激式、 串激式、 復激式、 永磁式。 20世紀8090年代中期，永磁式直流伺服電機在NC機床中廣泛采用。,直流伺服電機的特點,過載倍數(shù)大，時間長； 具有大的轉(zhuǎn)矩/慣量比，電機的加速大，響應快。 低速轉(zhuǎn)矩大，慣量大，可與絲桿直接相聯(lián)。 調(diào)速范圍大：12000。 帶有高精度的速度和角位置檢測元件； 電機允許溫度達150以上，由

15、于溫升高，影響機床精度 因轉(zhuǎn)子慣性大，電源容量以及機械傳動件的剛度都需相應增大。 電刷、維護不便,、交流伺服電機及驅(qū)動,由于直流伺服電機具有優(yōu)良的調(diào)速性能， 80年代初至90年代中，在要求調(diào)速性能較高的場合，直流伺服電機調(diào)速系統(tǒng)的應用一直占據(jù)主導地位。但其卻存在一些固有的缺點，即： 電刷和換向器易磨損，維護麻煩 結(jié)構(gòu)復雜，制造困難，成本高 而交流伺服電機則沒有上述缺點。特別是在同樣體積下，交流伺服電機的輸出功率比直流電機提高10%70%，且可達到的轉(zhuǎn)速比直流電機高。因此，人們一直在尋求交流電機調(diào)速方案來取代直流電機調(diào)速的方案。,,,,,編碼器,轉(zhuǎn)子（永磁體）,定子,繞組線圈,,接線盒,,電機

16、軸,. 分類,. 交流伺服電機的速度控制單元,交流伺服電機轉(zhuǎn)速 n 調(diào)速的理論基礎(chǔ) 結(jié)論：交流伺服電機變頻調(diào)速的關(guān)鍵是要獲得可調(diào)頻調(diào) 壓的交流電源,調(diào)頻調(diào)壓電源的分類,電壓型變頻器方案示意圖,電壓型變頻器工作原理 結(jié)論：變頻器實現(xiàn)變頻調(diào)壓的關(guān)鍵 是逆變器控制端獲得要求的 控制波形（如SPWM波）。,控制波形的實現(xiàn)方式（電機調(diào)速的控制方式）： 相位控制； 矢量變換控制； PWM控制； 磁場控制；,第四節(jié) 典型進給伺服系統(tǒng)(位置控制),. 開環(huán)進給伺服系統(tǒng)(Open-Loop System) 不帶位置測量反饋裝置的系統(tǒng)； 驅(qū)動電機只能用步進電機； 主要用于經(jīng)濟型數(shù)控或普通機

17、床的數(shù)控化改造,. 步進電機開環(huán)系統(tǒng)設(shè)計,步進電機開環(huán)系統(tǒng)設(shè)計要解決的主要問題： 動力計算 、傳動計算、 驅(qū)動電路設(shè)計或選擇 目的：傳動計算選擇合適的參數(shù)以滿足脈沖當量和進 給速度F的要求。 圖中：f 脈沖頻率（HZ ） 步距角 （度） Z1、Z2 傳動齒輪齒數(shù) t 螺距(mm) 脈沖當量（mm）,傳動比選擇： 為了湊脈沖當量mm，也為了增大傳遞的扭矩，在步進電機與絲桿之間，要增加一對齒輪傳動副，那么，傳動比i=Z1/Z2與、 、t之間有如下關(guān)系： 例： = 0.01 t = 6 mm = 0.75,,進給速度F： 一般步進電機： 若：=0.01 mm 則：

18、若 =0.001mm 則： 因此，當 一定時， 與成正比，故我們在談到步進電機開環(huán)系統(tǒng)的最高速度時，都應指明是在多大的脈沖當量下的 否則是沒有意義的。,. 提高步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng)傳動精度的措施,概述 影響步進電機開環(huán)系統(tǒng)傳動精度的因素： 步進電機的步距角精度； 機械傳動部件的精度； 絲桿等機械傳動部件、支承的傳動間隙； 傳動件和支承件的變形。 提高步進電機開環(huán)系統(tǒng)傳動精度的措施 適當提高系統(tǒng)組成環(huán)節(jié)的精度； 采取各種精度補償措施。,傳動間隙補償 在整個行程范圍內(nèi)測量傳動機構(gòu)傳動間隙，取其平均值存放在數(shù)控系統(tǒng)中的間隙補償單元，當進給系統(tǒng)反向運動時，數(shù)控系統(tǒng)自動將補償值加到進給指令中

19、，從而達到補償目的。 螺矩誤差補償 滾珠絲桿在數(shù)控機床應用廣泛，雖然滾珠絲桿精度較高，但是總不可做的絕對精確，總是將其精度控制在一定的范圍內(nèi)的，也就是它的螺距總是存在著一定的誤差的，利用計算機的運算處理能力，可以補償滾珠絲杠的螺矩累積誤差，以提高進給位移精度。 方法：首先測量出進給絲框螺距誤差曲線(規(guī)律)，然后可采用下列兩種方法實現(xiàn)誤差補償：硬件補償、軟件補償。,. 閉環(huán)、半閉環(huán)進給伺服系統(tǒng),閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)的實現(xiàn)方案分類和特征 按系統(tǒng)的控制信號類型分： 模擬型系統(tǒng)、數(shù)字型系統(tǒng) 模擬型系統(tǒng)： 特征：這類系統(tǒng)全部采用模擬元件構(gòu)成；其輸入（控制） 信號、輸出的位置、速度信號也是模擬量；速度

20、和 位置檢測元也是模擬式的。,特點： 抗干擾能力強，一般不會因峰值誤差導致致命的誤動作。 可用常規(guī)儀器儀表（示波器，萬用表等）直接讀取信息， 易于隨時把握系統(tǒng)工作的基本情況。 對弱信號信噪分離困難，控制精度的提高受到限制。 在零點附近容易受到溫度漂移的影響，使位置控制產(chǎn)生漂移誤差。 位置、速度調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)調(diào)整困難，適應負載變化的能力較差。 模擬系統(tǒng)這種本質(zhì)缺陷，使它很難滿足高精度位置伺服控制的要求，目前已逐漸被數(shù)字伺服系統(tǒng)所取代。,數(shù)字型系統(tǒng)： 特征：這類系統(tǒng)是指至少其位置環(huán)控制與調(diào)節(jié)采用數(shù)字控制技術(shù)，即位置指令和反饋信號都不再是模擬信號 改用數(shù)字信號（邏輯電平脈沖信號）的系

21、統(tǒng)。,特點： 可以通過增加數(shù)字信息的字長，來滿足要求的控制精度。 對邏輯電以下的漂移、噪聲不予晌應，零點定位精度可以得到充分保證。 容易對其結(jié)構(gòu)和參數(shù)進行修改（根據(jù)控制要求），且易于與計算機進行數(shù)據(jù)交換。 噪聲峰值大于邏輯電平時，對數(shù)據(jù)的最高位和最低位的干擾出錯程序是相同的，這種錯誤可能導致系統(tǒng)致命的危害。 傳送數(shù)據(jù)的數(shù)字電路要求具有很寬的頻帶。以保證脈沖上、下降沿有足夠的陡峭度。 抑制干擾、防止數(shù)據(jù)出錯，是數(shù)字伺服系統(tǒng)設(shè)計成功的關(guān)鍵。,. 數(shù)字伺服系統(tǒng)的類型,全硬件伺服系統(tǒng) 全硬件伺服系統(tǒng)又稱脈沖比較伺系統(tǒng)，其典型的組成方式如圖所示：,構(gòu)成：該系統(tǒng)中，位置閉環(huán)的控制與調(diào)節(jié)運算主要由偏差計數(shù)器

22、（一般為可逆計數(shù)器）和D/A完成。 柔性差：系統(tǒng)全由硬件構(gòu)成，使得它的各調(diào)節(jié)器參數(shù)在機電聯(lián)調(diào)整定后就固定下來了，不易改變，這對負載慣量變化不大的位置伺服系統(tǒng)（如車床刀架進給控制），可獲得滿意的控制性能指。而對某些負載慣量較大的系統(tǒng)，則很難在整個范圍內(nèi)（負載慣量變化）都獲得滿意的控制效果。 零漂將影響精度：這類系統(tǒng)依靠D/A，將位置調(diào)節(jié)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)化成模擬電壓作速度指令信號。提供給速度伺服單元，因此，其零點漂移將影響定位精度。,半軟件型伺服系統(tǒng) 這種系統(tǒng)的位置控制采用軟硬件組成，速度控制仍采用模擬方式，系統(tǒng)組成如圖所示：,位置控制的軟件現(xiàn)可以由NC裝置的CPU實現(xiàn)，也可以由位置控制板上自帶的

23、CPU實現(xiàn)。 位置控制的調(diào)節(jié)運算部分由軟件實現(xiàn)，增加了靈活性： 調(diào)節(jié)器的參數(shù)可以通過進行修改、設(shè)定 調(diào)節(jié)算法可以采用較復雜的算法，以提高控制性能（變結(jié)構(gòu)、變增益） 可增加許多輔助功能（故障診斷、脈沖當量變換等） 零點漂移可通過軟件進行補償,由于這種系統(tǒng)的速度單元仍是模擬型的，全硬件型系統(tǒng)中存在的問題并未明顯解決，如它的內(nèi)環(huán)參數(shù)（速度、電流）和位置環(huán)中D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)依然是固定的。因此難以兼顧負載慣量大的變化。不過，由于利用軟件采用一些補償措施，這就使得半軟件位置伺服系統(tǒng)的位置控制精度和控制性能要高于全硬件型的位置伺服系統(tǒng)。,全軟件位置伺服系統(tǒng) 這種系統(tǒng)是指除電流環(huán)仍為模擬結(jié)構(gòu)外，位置、速度控

24、制均由微機通過控制軟件來實現(xiàn)，系統(tǒng)組成如圖所示：,NC系統(tǒng),,,微機 位置、速度 控制 (D/A輸出),,模擬電流 控制與功放,整形.信頻.辨向,A、B,Z,,,工作臺,PG,電壓,,,,,,,,,圖中的微機位置、速度控制既可以是單微機，又可以是雙微機（一個是位置控制，另一個是速度控制）。不過系統(tǒng)中的微機常由單片機來構(gòu)成。 由于微機的應用，使系統(tǒng)的控制更加靈活，其特點是： 位置、速度調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)可以按工作環(huán)境自動進行切換，使之適應負載變化的能力顯著增強，應用優(yōu)化理論還可使調(diào)節(jié)器的參數(shù)自動化，使系統(tǒng)可驅(qū)動不同的執(zhí)行機械，通用化程度大大提高。 其余同半軟件型系統(tǒng)。,這種系統(tǒng)的輸出通過D/A轉(zhuǎn)

25、換成模擬電壓作為電流指令送往模擬電流環(huán)，這樣，模擬量的零點漂移只會使電流指令產(chǎn)生微小的變化，一般這種變化不足以產(chǎn)生驅(qū)動伺服電機運動的力矩，也不會對位置控制精度產(chǎn)生不良影響。 由于電流環(huán)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)還是固定的，所以還不能通過微機改變控制策略，以獲得較理想的控制效果。 由于該系統(tǒng)工作可靠，結(jié)構(gòu)緊湊，控制性能也優(yōu)于前述兩種系統(tǒng)，使得它在80年代中期以來的交、直流位置伺服系統(tǒng)的產(chǎn)品中逐漸占據(jù)了主導地位，成為位置伺服系統(tǒng)的首選方案。,全數(shù)字位置伺服系統(tǒng) 自以軟件位置伺服系統(tǒng)誕生以來，人們就一直致力于用軟件盡可能多地去取代硬件的工作，以降低成本，提高性能。隨著可直接用邏輯電平控制通斷的電子半導體器件功率

26、晶體管，功率場率應管的商品化，以及高性能單片機的出現(xiàn)，使得全數(shù)字位置伺服系統(tǒng)的實現(xiàn)成為現(xiàn)實。,一種全數(shù)字、采用脈寬調(diào)制（PWMpulse width modulation）控制的位置伺服系統(tǒng)如下圖所示。,系統(tǒng)的所有控制調(diào)節(jié)全部由軟件完成，最后直接輸出邏輯電平的脈寬調(diào)制控制信號驅(qū)動功率晶體管放大器，對伺服電機進行控制，完成位置控制任務(wù)。 調(diào)節(jié)器的全部軟件化使控制理論中的許多控制思想和手段，包括經(jīng)典的、現(xiàn)代的、智能的等新型的控制方法都可以衩方便地引進來，例如：魯棒控制、自適應控制、變參數(shù)控制、變結(jié)構(gòu)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制、專家系統(tǒng)控制等等。還可以完成參數(shù)的自動優(yōu)化和故障的自動診斷等，使系統(tǒng)控

27、制性能能進一步得到提高。,. 典型閉環(huán)伺服系統(tǒng)示例,以半軟件型位置伺服系統(tǒng)為例,這里僅介紹位置控制單元，速度控制前面已介紹了 位置控制軟件部分的任務(wù)： 指令位置計算（含反向間隙、螺距誤差補償、限位處理） 實際位置計算（反饋累積） 跟隨誤差計算 調(diào)節(jié)運算 零點漂移補償,指令位置計算（反向間隙、螺距誤差補償、限位處理）：,實際位置計算（反饋累積） 跟隨誤差計算 調(diào)節(jié)運算 零點漂移補償,,,,,,,硬件部分的任務(wù),第五節(jié) 伺服系統(tǒng)性能分析,前面各節(jié)我們重點討論了進給伺服系統(tǒng)的組成原理與實現(xiàn)方法，然而該系統(tǒng)要能真正實現(xiàn)預期的快速、準確及平穩(wěn)驅(qū)動的要求，一個重要的問題是如何根據(jù)要求，進行閉環(huán)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)

28、計和調(diào)試。例如，開環(huán)增益，阻尼系數(shù)等參數(shù)對伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度與動態(tài)性能影響很大，這將是本節(jié)討論的重點,. 控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)及傳遞函數(shù),開環(huán)傳遞函數(shù)：反饋與偏差之比 閉環(huán)傳遞函數(shù)：輸入與輸出之比 干擾的閉環(huán)傳遞函數(shù)：輸出與噪聲之比 系統(tǒng)誤差的函數(shù)：偏差與輸入之比,二、進給伺服系統(tǒng)的數(shù)字模型及傳遞函數(shù),閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)：,1. 位置控制單元的數(shù)學模型,位置控制單元是以XC為輸入以 UP為輸出的一個控制環(huán)節(jié)，位置調(diào)節(jié)器一般采用比例調(diào)節(jié)，放大系數(shù)為KN，則有： 取拉氏變換得： 結(jié)構(gòu)框圖：,2. 速度控制單元的數(shù)學模型,速度控制單元是以指令電壓UP 為輸入，電機的驅(qū)動電壓U為輸出的控制環(huán)節(jié)

29、，速度調(diào)節(jié)器通常采用PI調(diào)節(jié)，驅(qū)動放大是比例環(huán)節(jié)，若忽略非線性和滯后特性的影響，可視它們?yōu)楸壤h(huán)節(jié)，則傳遞函數(shù)為KA ，速度反饋環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為KV ，則有： 取拉氏變換得： 結(jié)構(gòu)框圖：,3. 直流伺服電機的數(shù)學模型,直流伺服電機是以驅(qū)動電壓U為輸入，電機的角位移m為輸出的變換環(huán)節(jié)，其數(shù)字模型是根據(jù)電機電樞電勢平和電機轉(zhuǎn)矩衡方程導出的,式中： Tm=RaJ a/ KeKT 電機的機械時間常數(shù) Km=1 / Ke 電機的增益系數(shù) KR=Ra / KT,拉氏變換得：,結(jié)構(gòu)框圖：,由此可知：電機輸出的角位移由兩部分組成，一是無負載時由控制U(S)的激勵而

30、產(chǎn)生的輸出，另一部分是由負載的擾動產(chǎn)生的輸出。而且經(jīng)適當?shù)暮喕?，直流伺服電機可視為一個慣性環(huán)節(jié)和一個積分環(huán)節(jié)串聯(lián)而成。,4. 機械傳動與執(zhí)行單元的數(shù)學模型,機械傳動與執(zhí)行單元的輸入為電機的角位移m，輸出為工作臺的線位移X0，其機械系統(tǒng)力平衡方程為：,拉氏變換：,結(jié)構(gòu)框圖：,由此可知，機械系統(tǒng)可視為一個二階振蕩環(huán)節(jié)。,5. 整個進給伺服系統(tǒng)的數(shù)學模型,由圖可知：X0 是對XC 和FD 兩個激勵的響應，根據(jù)疊加原理， 可先分別求出每個激勵單獨作用的響應，然后進行疊加。,當FD=0時，僅有XC 激勵的傳遞系數(shù),,當XC , FD同時激勵時系統(tǒng)的響應,三、進給伺服系統(tǒng)的性能分析,系統(tǒng)增益 KS (開

31、環(huán)增益，速度增益),KS 是進給伺服系統(tǒng)的重要性能參數(shù)，為了說明其物理意義，可對上述系統(tǒng)進行一些簡化： 假設(shè)上述各環(huán)節(jié)均是理想的，即各環(huán)節(jié)均是無慣量，無阻尼，剛度為無窮大，且無速度環(huán)，則：,XC,KS對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響,進給伺服系統(tǒng)的輸入通常是斜坡激勵：,討論 KS 與輸出速度 的關(guān)系 當KS 時， 到達 F 所需的時間越短，系統(tǒng)的響應加快，靈敏度增高。 KS 與系統(tǒng)的加速度 的關(guān)系 當KS 時，系統(tǒng)的加速度 增大，尤其是在剛啟動時，它使系統(tǒng)的響應加快，但對系統(tǒng)的沖擊也大，尤其對慣性較大的系統(tǒng)，將產(chǎn)生很大的沖擊力，另外，加速度太大也可能系統(tǒng)超調(diào)，引起系統(tǒng)失穩(wěn)。,KS 與跟

32、隨誤差D 的關(guān)系。,KS D 即：有利于提高系統(tǒng)的跟隨精度。 結(jié)論： KS的選擇，要綜合考慮，折衷選取，才能獲得優(yōu)良的綜合 性能。,KS的初選方法 在工程調(diào)試中，KS 可按下列方式初選： Mm、ML：分別是電機的輸出轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩； GDm2、GDL2：分別是電機轉(zhuǎn)子和負載等效飛輪慣量,數(shù)控系統(tǒng)中 KS的設(shè)定方法 由前面的推導可知： KN ：位置環(huán)增益； KA ：速度環(huán)增益 Km ：電機增益 L / 2：機械系統(tǒng)增益 其中： KA 、 Km 、 L / 2 在數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和機械系統(tǒng)選定后便確定了，而 KN 是作為可調(diào)參數(shù)，允許用戶根據(jù)具體情況選

33、定，以滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速度性的要求。,. 定位精度,定位精度的檢查通常是在空載的情況進行的，即無負載力（Fc =0）。只有摩擦力，而且系統(tǒng)接受的是階躍位置指令，即：,閉環(huán)系統(tǒng)的定位誤差為：,半閉環(huán)系統(tǒng)的定位誤差,討論 由 可知，為減小定位誤差可采用下列措施： 減小傳動間的摩擦力Fcr，如采用滾動傳動取代滑動。 增大KN、KA ，其實質(zhì)增大KS (在系統(tǒng)穩(wěn)定的范圍內(nèi))。 減小KR （=Ra / KT），即選擇 KT 大的伺服電機。 在半閉環(huán)系統(tǒng)中，要盡可能增大傳動機構(gòu)的剛度K，這是因為當K較小時，將產(chǎn)生較大的彈性變形，從而加大定位誤差。,四、進給伺服系統(tǒng)參數(shù)的匹配,進給伺服系統(tǒng)是由

34、電氣、機械等環(huán)節(jié)組成的一個整體，其組成環(huán)節(jié)的特性參數(shù)對整體系統(tǒng)的特性的影響。從理論上講，可以根據(jù)要求與系統(tǒng)的數(shù)學模型確定其參數(shù)，但是由于進給伺服系統(tǒng)工作條件復雜多變，尤其是機械系統(tǒng)的阻尼、剛度、慣量等參數(shù)，尚無完善的計算方法。因此在進行設(shè)計和調(diào)試時，除必要的理論計算外，還必輔之以實驗分析和類比法，利用已有的系統(tǒng)的參數(shù)和經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行新的設(shè)計，這是目前常用的辦法。下面定性分析和介紹幾個重要參數(shù)對系統(tǒng)性能影響及其確定方法。,1. 阻尼 阻尼主要與伺服驅(qū)動裝置的電感、電阻、電機機械部件、機械傳動機構(gòu)的摩擦阻尼和粘性阻尼有關(guān)，它對系統(tǒng)的影響是：阻尼大則 系統(tǒng)的伺服剛度高，抗干擾能力強，穩(wěn)定性高。 系統(tǒng)

35、的定位精度低，定位的離散程度大。 由此可知，這兩方面的矛盾的，應在精度與伺服剛度之間折衷考慮。例如，采用滾動、靜壓導軌就是減少機械系統(tǒng)的阻尼。它可有效提高定位精度，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性裕度將減小，因此，現(xiàn)在有些進給系統(tǒng)設(shè)置了可調(diào)阻尼器，或者采用軟件的方法來改變系統(tǒng)的阻尼參數(shù)。,2. 慣量 執(zhí)行部件的慣量越小越好，因為慣量越大，時間常數(shù)越大，系統(tǒng)的靈敏度變差，且固有頻率降低（ ），易發(fā)生共振。但由于剛度、強度等方面的原因，慣量的降低受到的限制。一般要求（交流伺服電機）： 式中： JL ：傳動部件折算到伺服電機輸出軸上的慣量 Jm：電機的慣量 要滿足這一要求有兩個途徑： 盡可能使

36、執(zhí)行部件折算到電機軸上的慣量減小。 盡可能使用本身慣量大的電機為驅(qū)動源。,3. 剛度 K 與固有頻率n 剛度是指系統(tǒng)抵抗變形的能力，即： K = F / e 開環(huán)系統(tǒng)：K 失動量系統(tǒng)的死區(qū) 閉環(huán)系統(tǒng)：K n 系統(tǒng)的穩(wěn)定性 系統(tǒng)的固有頻率n是系統(tǒng)動剛度的重要參數(shù)，應注意： 機械傳動機構(gòu)的n伺服驅(qū)動系統(tǒng)n 的2-3倍。 各個環(huán)節(jié)的n應相互錯開，以免發(fā)生振動耦合現(xiàn)象。 各個環(huán)節(jié)的n應避開系統(tǒng)的工作頻率范圍，以免在工作頻率上發(fā)生共振。,第六節(jié) 伺服系統(tǒng)的特性對加工精度的影響,對于輪廓加工系統(tǒng)，要求精確地、實時地同時控制多個坐標軸的位置與速度，但由于系統(tǒng)存在著跟隨誤差D ，將可能會影響多

37、坐標軸運動合成軌跡的精確性，產(chǎn)生輪廓誤差。,一. 跟隨誤差D 的含義及特性,定義：指令位置D0i 與實際位置 Dai 之差稱為跟隨誤差D。 跟隨誤差D 是由進給伺服系統(tǒng)各環(huán)節(jié)信息傳遞延遲效應引起的。 實際位置滯后指令位置。 當執(zhí)行部件進入勻速運動時D為常數(shù)。當它減速并停止時，D逐漸減少到零。 當位置環(huán)為P調(diào)節(jié)時，D與F、KS 的關(guān)系為： D = F / KS,二. 跟隨誤差D對輪廓加工精度的影響,1. D 對直線輪廓加工精度的影響 加工直線時兩軸的輸入指令為：,由于存在跟隨誤差DX 、 DY在某時刻指令位置在A點，實際位置在A點，則有：,輪廓誤差的幾何求法：,KS：平均系統(tǒng)增益； KS ：兩軸

38、系統(tǒng)增益差； KS / KS ：系統(tǒng)增益失配量,討論 當 KSX = KSY 時， KS = 0，=0；這說明當兩軸系統(tǒng)增益相等時，跟隨誤差DX 、 DY對輪廓精度無影響。,,,,,X,Y,,,,Dy,Dx,=0,A,A,,,,,,,當兩軸增益不一致，但KSX 、KSY 常數(shù)時，Ks、Ks 為常數(shù)，則為常數(shù)，也就是說，直線的輪廓形狀無誤差，但位置偏離了原位置。,,,,X,Y,,,,,DY,DX,,A,A,,,,,,,,,當兩軸增益不一致，且KSX 、KSY 不是常數(shù)時，則不是常數(shù)，也就是說，將產(chǎn)生輪廓形狀誤差，即加工出的輪廓就不是直線了。,在同等情況下： 輪廓誤差與KS 成正比，與KS 的平方

39、成反比，與進給速度成 F 正比。 當加工45直線時，輪廓誤差最大。 當加工0或90直線時，輪廓誤差與增益無關(guān)。,例題 在 X-Y 平面上銑削工件的一個平面， 該面與 X 軸成45角，進給速度為：F = 450 mm / min ，KS 為 152% （1/s），計算最大輪廓誤差 max。 解：,2. D 對園弧輪廓加工精度的影響,D 對園弧輪廓加工精度的影響可用加工圓弧的半徑變動量R描述。 通常R 的變化較為復雜，為此，可先討論下面條件下的情況： KSX = KSY = KS 然后再定性的討論其它較為復雜的情況,R的求取,討論 當 KSX = KSY ，且進給速度 F 為恒速時，

40、 R 是常數(shù)。只產(chǎn)生尺寸誤差，不產(chǎn)生形狀誤差。當從圓上某一點開始加工整圓時，則實際軌跡如下圖所示，為什么？,,,當 KSX KSY 時， 此時不僅產(chǎn)生尺寸誤差，而且產(chǎn)生形狀誤差。可以證明： 當 KSX = a KSY（a為常數(shù)）時，圓弧插補所形成的形狀為橢圓（長軸與 X 軸成45夾角）。 當 KSX 與 KSY 無確定關(guān)系時，圓弧插補所形成的形狀為無規(guī)則的形狀。,在條件一定的情況下： 輪廓誤差R 與 KS 的平方成反比；輪廓誤差R與 F 的平方成正比。因此，KS 或 F 可大大提高輪廓加工精度。 輪廓誤差R與加工園弧的半徑 R成反比。在小圓弧加工時，要保證加工精度，進給速度F不能太高。,在數(shù)控

41、系統(tǒng)中，各軸進給伺服系統(tǒng)的增益均稍有差別，在進行輪廓加工時會產(chǎn)生輪廓誤差，因此，要求各軸的 KS 值盡量接近，尤其是在低增益系統(tǒng)。目前先進的CNC系統(tǒng)均帶有跟隨誤差D的監(jiān)視和 KS 值的顯示功能。,3. 跟隨誤差對拐角加工精度的影響,在輪廓加工過程中，常要求坐標軸瞬時啟停或改變速度，這時進給伺服系統(tǒng)的跟隨誤差就會影響輪廓精度。當在銑床上加工工件的內(nèi)、外拐角時，其影響尤其明顯。,解決上述問題的辦法是：在編程時使第一段先減速到零，然后再啟動第二軸，在數(shù)控系統(tǒng)中由實現(xiàn)這種功能的指令，如G09、G60 等，除此之外，合理選擇 KS 也是至關(guān)重要的。,1. 低速進給運動平穩(wěn)性的概念 進給系統(tǒng)在低速進給

42、時，在驅(qū)動速度是均勻的情況下，當系統(tǒng)的剛度不足、摩擦力偏大等系統(tǒng)參數(shù)不恰當時，就會出現(xiàn)執(zhí)行部件運動時快時慢、甚至停頓的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為爬行現(xiàn)象。它是低速運動不平穩(wěn)的體現(xiàn)。,三、系統(tǒng)參數(shù)對低速進給運動平穩(wěn)性的影響,2.爬行現(xiàn)象產(chǎn)生的原因,,D,K,,,,,,,,M,,,,,,,,,,,F（Fs ,Fd）,X0,,,X,D點均勻向右運動M不動（K小和Fs作用）彈簧（絲桿）被壓縮,,K(XX0) M加速 Fd FsM運動當K(XX0)F時儲存能量,,當K(XX0)=F時 M勻速慣性M繼續(xù)向右 K(XX0) M減速,,D點均勻向右運動M 停頓 XX0=0 若M慣性較大,爬行對加工精度的影響 爬行是在低速運動時產(chǎn)生的，因此，在低速加工過程中易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，其危害是影響進行運動平穩(wěn)性(即均勻性)，其結(jié)果是； 使被加工零件的加工精度和表 面光潔度變差； 機床的定位精度降低； 加劇導軌的磨損,,,Y,X,抑制爬行產(chǎn)生的措施 衡量進行運動平穩(wěn)性的指標 臨界爬行速度Vc。 爬行其本質(zhì)是自激振動，可以證明Vc與下列參數(shù)的關(guān)系為： 措施（減小Vc的辦法） 改善導軌面間和摩擦特性 滾動----靜壓----滑動 (塑料) 提高傳動剛度 減輕運動件的重量 增加系統(tǒng)的阻尼,