飼服-5位置控制系統(tǒng)

1數(shù)控技術(shù)遼陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院第三講2第四章數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)第一節(jié)概述第二節(jié)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)第三節(jié)主軸驅(qū)動(dòng)第四節(jié)檢測(cè)元件第五節(jié)位置控制系統(tǒng)3第六章第五節(jié)位置控制系統(tǒng)一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開(kāi)環(huán)控制二、相位控制三、幅值控制的組成和工作原理四、數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)五、數(shù)字伺服系統(tǒng)4一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開(kāi)環(huán)控制1、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理是按電磁吸引的原理工作的。如圖所示為反應(yīng)式三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理?？刂撇竭M(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)是由繞組的通電狀態(tài)變化決定的，而通電狀態(tài)變化次數(shù)(步數(shù))則由指令脈沖數(shù)決定。5單三拍方式通電時(shí)，轉(zhuǎn)子每步轉(zhuǎn)過(guò)30°，由于每次只有一相繞組通電，在切換瞬間失去自鎖轉(zhuǎn)矩，容易失步；雙三拍工作方式下，轉(zhuǎn)子每步轉(zhuǎn)過(guò)30°，每次有二相繞組通電，而且切換時(shí)總保持一相繞組通電，所以工作穩(wěn)定。三相六拍方式每步轉(zhuǎn)過(guò)15°，步距角減小一半。只要改變指令脈沖頻率，就可以使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度在很寬的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)；改變繞組的通電順序，可以改變它的旋轉(zhuǎn)方向。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)是效率低，帶慣量負(fù)載能力差，尤其是在高速時(shí)容易失步。62、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要特性（1）步距角和靜態(tài)步距誤差步距角反映步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度。取決于電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制方式。步距角計(jì)算公式：其中，m為定子相數(shù)。Z為轉(zhuǎn)子齒數(shù)。K為控制方式確定的拍數(shù)與相數(shù)的比例系數(shù)。例如三相三拍時(shí)，k＝1；三相六拍時(shí)，k＝2。實(shí)際的步距角與理論值有誤差，一轉(zhuǎn)內(nèi)的最大誤差值定為步距誤差，通常在10′以內(nèi)。7（2）靜態(tài)矩角特性當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不改變通電狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)子處在不動(dòng)狀態(tài)。如果在電動(dòng)機(jī)軸上外加一個(gè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子按一定方向轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度θ，此時(shí)轉(zhuǎn)子所受的電磁轉(zhuǎn)矩T稱(chēng)為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，角度θ稱(chēng)為失調(diào)角。描述靜態(tài)時(shí)T與θ的關(guān)系叫矩角特性。8（3）起動(dòng)頻率空載時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)突然起動(dòng)，并進(jìn)入不丟步的正常運(yùn)行的最高頻率，稱(chēng)為起動(dòng)頻率或突跳頻率。加給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的指令脈沖頻率如大于起動(dòng)頻率，就不能正常工作，隨著負(fù)載加大，起動(dòng)頻率降低。（4）連續(xù)運(yùn)行頻率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)以后，其運(yùn)行速度能跟蹤指令脈沖頻率連續(xù)上升而不丟步的最高工作頻率，稱(chēng)為連續(xù)運(yùn)行頻率。其值遠(yuǎn)大于起動(dòng)頻率。與電機(jī)所帶負(fù)載的性質(zhì)和驅(qū)動(dòng)電源都有關(guān)系。9（5）矩頻特性與動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩矩頻特性T=F(f)是描述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運(yùn)行頻率之間的關(guān)系。該特性上每一個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩稱(chēng)為動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩，使用時(shí)一定要考慮動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩隨連續(xù)運(yùn)行頻率的上升而下降的特點(diǎn)。以上特性中，除第一項(xiàng)外，其余四項(xiàng)均與驅(qū)動(dòng)電源有很大關(guān)系。103、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)控制電路是由環(huán)形分配器和功率放大器組成。在許多CNC系統(tǒng)中，環(huán)形分配器功能由軟件產(chǎn)生。（1）環(huán)形分配器加到環(huán)形分配器輸入端的指令脈沖是CNC插補(bǔ)器輸出的分配脈沖，輸出則是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相應(yīng)繞組驅(qū)動(dòng)器的輸入。通常還要加減速控制，使脈沖頻率平滑上升或下降，以適應(yīng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)。11環(huán)形分配器是根據(jù)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相數(shù)和控制方式設(shè)計(jì)的。如圖表示一個(gè)三相六拍環(huán)形分配器的原理線路圖。12（2）高低壓驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路的作用主要是將計(jì)算機(jī)輸出的每次信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大，得到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所需的脈沖電流。電流波形是影響步進(jìn)電動(dòng)機(jī)矩頻特性的主要因素。越是在高頻工作狀態(tài)下，這種電路的損失率越高，使電動(dòng)機(jī)的矩頻特性變壞。（3）斬波驅(qū)動(dòng)電路為了彌補(bǔ)高低壓電路波形連接處的凹形，改善輸出扭矩下降，現(xiàn)在較多的采用斬波型步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電路。13（4）細(xì)分驅(qū)動(dòng)環(huán)形分配器決定的驅(qū)動(dòng)電路，控制電動(dòng)機(jī)各相繞組的導(dǎo)通或截止，從而使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，步距角的大小只有兩種，即整步工作或半步工作。細(xì)分驅(qū)動(dòng)是將一個(gè)步距角分成若干個(gè)步的驅(qū)動(dòng)方式，其方法是在每次輸入脈沖切換時(shí)，不是將繞組電路全部通入或切換，而是只改變相應(yīng)繞組中額定的一部分，則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的每步運(yùn)動(dòng)也只有步距角的一部分。這里繞組電路不是一個(gè)方波，而是階梯波，額定電流是臺(tái)階式的投入或切除電流分成多少個(gè)臺(tái)階，則轉(zhuǎn)子就以同樣的個(gè)數(shù)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。14細(xì)分驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)：A、在不改動(dòng)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，能使步距角減小，但細(xì)分后的步距角精度不高，且驅(qū)動(dòng)電源的結(jié)構(gòu)也相應(yīng)復(fù)雜。B、能使步距電動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，提高均速性，并能減弱或消除振蕩。（5）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的自動(dòng)升降速原理當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作在起動(dòng)頻率以下時(shí)，不需要升降速；工作頻率高于起動(dòng)頻率時(shí)，必須要進(jìn)行自動(dòng)升降速控制。15如圖a，用電動(dòng)機(jī)所允許的最大加速度勻加速度進(jìn)行升降速，時(shí)間最短。圖b，為指數(shù)曲線加減速，能避免沖擊并有助于準(zhǔn)確定位。最大升降速控制可以用硬件實(shí)現(xiàn)，最常用的還是用軟件實(shí)現(xiàn)。16二、相位控制相位伺服系統(tǒng)是采用相位比較方法實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)（及半閉環(huán)）控制的伺服系統(tǒng)，是數(shù)控機(jī)床常用的一種位置控制系統(tǒng)。1、相位伺服系統(tǒng)的組成框圖它由基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器、脈沖調(diào)相器、鑒相器、直流放大器、速度控制單元、檢測(cè)元件及信號(hào)處理線路等組成。172、相位伺服系統(tǒng)的工作原理（1）基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器輸出一列具有一定頻率的脈沖信號(hào)，其作用是為伺服系統(tǒng)提供一個(gè)相位比較基準(zhǔn)。（2）脈沖調(diào)相器它的作用是將來(lái)自數(shù)控裝置的進(jìn)給脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為相位變化的信號(hào)，該相位變化信號(hào)可用正弦波或方波信號(hào)表示。若數(shù)控裝置無(wú)進(jìn)給脈沖輸出,脈沖調(diào)相器的輸出與基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器的基準(zhǔn)信號(hào)同相位,兩者無(wú)相位差。反之,數(shù)控裝置每輸出一個(gè)正向或反向進(jìn)給脈沖,脈沖調(diào)相器的輸出將超前或滯后基準(zhǔn)信號(hào)一個(gè)相位角。18脈沖調(diào)相器的控制線路就是脈沖－相位變換器，也叫數(shù)字移相器。它是把脈沖數(shù)變換為相位移的一種數(shù)字－模擬變換器。原理如圖。19（3）測(cè)量元件及信號(hào)處理線路該線路和元件的作用是將工作臺(tái)的位移量檢測(cè)出來(lái)，并表達(dá)成與基準(zhǔn)信號(hào)之間的相位差。（4）鑒相器鑒相器的輸入信號(hào)有兩路，一路是來(lái)自脈沖調(diào)相器的指令信號(hào)；另一路是來(lái)自測(cè)量元件及信號(hào)處理線路的反饋信號(hào)，它代表了工作臺(tái)的實(shí)際位移量。這兩路信號(hào)都是用它們與基準(zhǔn)信號(hào)之間的相位差來(lái)表示，且同頻率、同周期。20（5）驅(qū)動(dòng)和執(zhí)行元件鑒相器的輸出信號(hào)一般比較微弱，需要放大，再經(jīng)過(guò)速度控制單元驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)。21三、幅值控制的組成和工作原理幅值系統(tǒng)以位置檢測(cè)信號(hào)的幅值大小來(lái)反映機(jī)械位移的數(shù)值，并以此作為位置反饋信號(hào)與指令信號(hào)進(jìn)行比較構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。22幅值伺服系統(tǒng)的組成如圖所示，該系統(tǒng)由檢測(cè)元件及信號(hào)處理電路、比較器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、位置調(diào)節(jié)器和速度控制單元等組成。23四、數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)這種系統(tǒng)主要優(yōu)點(diǎn)是機(jī)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，采用光電編碼器作位置檢測(cè)裝置，以半閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)形式構(gòu)成脈沖比較伺服系統(tǒng)。1、數(shù)字脈沖比較系統(tǒng)的構(gòu)成242、數(shù)字脈沖比較器的工作原理略。3、主要功能部件（1）數(shù)字脈沖－數(shù)碼轉(zhuǎn)換器1）數(shù)字脈沖轉(zhuǎn)換為數(shù)碼，如圖所示。252）數(shù)碼轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖如圖所示。（2）比較器如圖所示。26五、數(shù)字伺服系統(tǒng)1、數(shù)字伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)數(shù)字伺服系統(tǒng)是用計(jì)算機(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)伺服控制的。數(shù)字伺服系統(tǒng)較多的采用專(zhuān)用硬件數(shù)字電路，20世紀(jì)90年代起采用DSP和CPU構(gòu)成的微機(jī)作為控制器，甚至直接采用工業(yè)PC機(jī)作為控制器的軟件伺服系統(tǒng)得到充分發(fā)展。其特點(diǎn)包括：（1）采用現(xiàn)代控制理論，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)最佳最優(yōu)控制。27（2）數(shù)字伺服系統(tǒng)是一種離散系統(tǒng)，其校正環(huán)節(jié)的比例(P)、積分(I)、微分(D)控制，即PID控制可由軟件實(shí)現(xiàn)。（3）數(shù)字伺服系統(tǒng)在檢測(cè)靈敏度、時(shí)間漂移小、降噪、溫度漂移小及抗外部干擾等方面都優(yōu)于模擬伺服系統(tǒng)和模擬數(shù)字混合伺服系統(tǒng)。（4）高速度、高性能的微處理器的運(yùn)用，使運(yùn)算速度大幅度提高，也使得數(shù)字伺服系統(tǒng)具有較高的動(dòng)、靜態(tài)精度。（5）伺服控制技術(shù)的軟件化和硬件的通用化使伺服控制裝置的成本大大降低，互換性提高。282、數(shù)字伺服控制原理（1）數(shù)字伺服系統(tǒng)的組成數(shù)字伺服系統(tǒng)是一種離散系統(tǒng)，如圖所示，由采樣器和保持器兩個(gè)基本環(huán)節(jié)組成。29（2）離散系統(tǒng)中的PID控制為改善伺服系統(tǒng)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)特性，最基本的方法是加入校正環(huán)節(jié)，以校正系統(tǒng)的傳遞特性（或頻率特性）。校正環(huán)節(jié)的常用形式是比例(P)、積分(I)、微分(D)調(diào)節(jié)器。如圖。303、軟件伺服控制的發(fā)展傳統(tǒng)的模擬式伺服系統(tǒng)在高速切削中減小誤差的方法主要是增大位置環(huán)增益，位置環(huán)增益的過(guò)大會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。數(shù)字式軟件伺服系統(tǒng)采用許多現(xiàn)代控制技術(shù)來(lái)改善伺服系統(tǒng)的性能。主要方法有：（1）前饋控制（FeedforwordControl）實(shí)際上構(gòu)成了反饋和前饋復(fù)合的系統(tǒng)，如圖。31（2）預(yù)測(cè)控制（PredictiveControl）這是目前用來(lái)減小伺服誤差的一種方法。這種方法通過(guò)預(yù)測(cè)整個(gè)機(jī)床的伺服傳遞函數(shù)，再改變伺服系統(tǒng)的輸入量，以產(chǎn)生復(fù)合要求的輸出。32（3）學(xué)習(xí)控制（Learn