第十章數(shù)控機床的閉環(huán)控制系統(tǒng)

第十章數(shù)控機床的閉環(huán)驅(qū)動系統(tǒng)前面所述的開環(huán)系統(tǒng)，三大缺點：

1。精度不夠高

步進電機步距有限，無法無限細，步距小，速度慢，另外對機床傳動機構(gòu)精度要也高。

2。功率小

3。無法知道有無失步

目前，一般要求較高的數(shù)控機床大多采用交、直流伺服電機驅(qū)動的閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)

一。全閉環(huán)伺服系統(tǒng)

位置檢測安裝在工作臺上

工作原理：閉環(huán)系統(tǒng)的定位誤差只取于位置檢測單元的誤差，與機床傳動部分沒有關(guān)系。

二。半閉環(huán)控制系統(tǒng)

位置檢測直接接在伺服電機轉(zhuǎn)軸上，另外還有速度檢測器工作原理：

一般速度用測速發(fā)電機檢測，位置用軸角編碼盤檢測。

半閉環(huán)的特點：由于機床的傳動部分放在半閉環(huán)系統(tǒng)以外，因而這部分傳動誤差無法克服，但比起開環(huán)，精度仍要高許多。另外，比全閉環(huán)穩(wěn)定（全閉環(huán)易振蕩）三。描述全閉環(huán)、半閉環(huán)的性能指標

1。分辨率：

開環(huán)：步進電機的步進當量位移閉環(huán)：檢測系統(tǒng)的最小檢測量

2。精度：也即系統(tǒng)的誤差，精度一般不高于檢測系統(tǒng)的精度

3。跟隨誤差

開環(huán)不存在，閉環(huán)是指命令值與反饋值之差

4。運行速度

開環(huán)、半閉環(huán)、全閉環(huán)控制系統(tǒng)的差異是：A.輸出驅(qū)動電路是否包含反饋回路，及反饋回路的形式不同。B.是指機床工作臺是否包含位置檢測裝置及檢測裝置的形式是否相同。C.控制系統(tǒng)機箱是敞開式還是封閉式以及是否需要屏蔽等的差異。四。閉環(huán)系統(tǒng)的控制特點

位置檢測采用定時采樣，所以控制輸出也采用定時控制，在每個采樣周期，計算機比較指令值與反饋值偏差，然后控制伺服電機運轉(zhuǎn)，所以通常用時間分割法插補運算實現(xiàn)多坐標聯(lián)動。五.數(shù)控閉環(huán)系統(tǒng)的偏差

指令增量值，反饋增量值之差為偏差De=Dr-Df

若把前一時刻遺留的偏差Dei-1計算在內(nèi)

Dei=Dri—Dfi+Dei-1

閉環(huán)系統(tǒng)即將此偏差值經(jīng)過放大（增益系數(shù)KD）變成伺服電機的轉(zhuǎn)速的數(shù)字指令VD，再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后得到模擬電壓VP此VP驅(qū)動伺服電機轉(zhuǎn)動.要使系統(tǒng)達到一穩(wěn)定的運轉(zhuǎn)狀態(tài)，偏差De也將維持一穩(wěn)定值，叫跟隨偏差

§10—2閉環(huán)系統(tǒng)的位置檢測

一。要求：

精度：1μ以下（可達0.5u）速度：10m/min~20m/min二。分類三。絕對型光電編碼器

絕對式編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式檢測裝置，可直接把被測轉(zhuǎn)角用數(shù)字代碼表示出來，且每一個角度位置均有其對應(yīng)的測量代碼，它能表示絕對位置，沒有累積誤差，電源切除后，位置信息不丟失，仍能讀出轉(zhuǎn)動角度。0101111001100111100010011010101111001101111100000001001000110100

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(yīng)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。四位二進制編碼盤四。增量型光電編碼器

信號處理裝置abz光電盤透鏡光源光電元件圓盤透光狹縫光欄板節(jié)距τm+τ/4節(jié)距PAB90°

90°

實際的光電編碼盤光電型位置傳感器還有光柵尺尺子移動方向

莫爾條紋

條紋移動方向

根據(jù)定尺、動尺上的條紋間距，以及測出莫爾條紋的移動條數(shù)即可算出光柵尺位移。

有反光型（玻璃、鋁做成）有透光型如做成盤狀，則可測出旋轉(zhuǎn)角度，即圓光柵

干涉條紋的特點

當d=0.01mm，(l00線/毫米)θ=0.01弧度，紋距W=1mm，即利用擋光效應(yīng)，可把光柵線距轉(zhuǎn)換成放大100倍的摩爾條紋的寬度。表明莫爾條紋的節(jié)距是柵距的1／θ倍。(1)干涉條紋方向與標尺光柵的刻線幾乎垂直。(2)放大作用:用W（mm）表示莫爾條紋的寬度，d(mm)表示柵距，θ(rad)為光柵線紋之間的夾角。d光柵節(jié)距摩爾條紋節(jié)距θW光柵傾角光柵尺的基本工作原理基于莫爾條紋，莫爾條紋可以：A.增強通過光柵的光線強度B.提高光柵刻度的分辨率C.僅作為放大光柵條紋D.放大光柵條紋，且起到平均光柵條紋間距作用三。旋轉(zhuǎn)變壓器

旋轉(zhuǎn)變壓器是一種交流感應(yīng)電機，外形小巧，結(jié)構(gòu)簡單牢固，輸出信號強，抗干擾能力強。其工作原理與變壓器類似，但次級線圈及鐵心可旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理：兩線圈的互感：線圈D加入交流電：線圈α感應(yīng)電動勢：K為變壓器常數(shù)，即θ=0時的變比在次級上再加一線圈β：實際的旋轉(zhuǎn)變壓器：D、G線圈在α、β線圈上感應(yīng)電壓：

D對α、βG對α、β若在D、G兩線圈加入：同理：旋轉(zhuǎn)變壓器工作時：A.轉(zhuǎn)子上加正弦交流電，定子信號反映轉(zhuǎn)角狀態(tài)。B.定子上加正弦交流電，轉(zhuǎn)子信號反映轉(zhuǎn)角狀態(tài)。四。感應(yīng)同步器直線型----測直線旋轉(zhuǎn)型----測轉(zhuǎn)角相當于展開的多級旋轉(zhuǎn)變壓器感應(yīng)同步器有兩種工作方式：1。感應(yīng)同步器在相位工作方式當A繞組與定尺間相對量為θ時B繞組與定尺間相對量為θ-90

2。感應(yīng)同步其工作在幅值工作方式Vo的相位不變，但其幅度變化：只要測出幅度變化，即可測出θ及位移x

控制電機

從工作原理上看，控制電機和普通電機沒有本質(zhì)上的差異，但普通電機功率大，側(cè)重于電機的啟動、運行和制動等方面的性能指標，而控制電機輸出功率較小，側(cè)重于電機控制精度和響應(yīng)速度。

第三節(jié)交直流伺服電機及其驅(qū)動系統(tǒng)控制電機按其功能和用途可分為信號檢測和傳遞類控制電機及動作執(zhí)行類控制電機兩大類。執(zhí)行電機包括伺服電機、步進電機和直線電機；信號檢測和傳遞電機包括測速發(fā)電機、旋轉(zhuǎn)變壓器和自整角機等。在自動控制系統(tǒng)中，伺服電動機是一個執(zhí)行元件，它的作用是把信號（控制電壓或相位）變換成機械位移，也就是把接收到的電信號變?yōu)殡姍C的一定轉(zhuǎn)速或角位移。伺服電動機有直流和交流之分。伺服電動機

伺服電動機的作用是將輸入的電壓信號（即控制電壓）轉(zhuǎn)換成軸上的角位移或角速度輸出。

在自動控制系統(tǒng)中常作為執(zhí)行元件，所以伺服電動機又稱為執(zhí)行電動機。

伺服電動機最大特點：

有控制電壓時轉(zhuǎn)子立即旋轉(zhuǎn)，無控制電壓時轉(zhuǎn)子立即停轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速是由控制電壓的方向和大小決定的。

基本結(jié)構(gòu)交流伺服電動機主要由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，如圖所示。定子鐵心通常用硅鋼片疊壓而成。定子鐵心表面的槽內(nèi)嵌有兩相繞組，其中一相繞組是勵磁繞組，另一相繞組是控制繞組。

1—外定子鐵心；2—杯形轉(zhuǎn)子；3—內(nèi)定子鐵心；4—轉(zhuǎn)軸；5—軸承；6—定子繞組

杯形轉(zhuǎn)子伺服電動機結(jié)構(gòu)圖特點：轉(zhuǎn)子電阻大轉(zhuǎn)動慣量小空心杯交流伺服電機勵磁繞組和控制繞組：

兩相繞組在空間位置上互差90°電角度。工作時勵磁繞組與交流勵磁電源相連，控制繞組加控制信號電壓

交流伺服電動機原理圖一、交流伺服電動機

轉(zhuǎn)子的形式有兩種:籠式轉(zhuǎn)子空心杯轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子:

工作原理

交流伺服電動機的工作原理和電容分相式單相異步電動機相似。在沒有控制電壓時，氣隙中只有勵磁繞組產(chǎn)生的脈動磁場，轉(zhuǎn)子上沒有啟動轉(zhuǎn)矩而靜止不動。當有控制電壓且控制繞組電流和勵磁繞組電流不同相時，則在氣隙中產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場并產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場的方向旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)矩特性曲線

臨界轉(zhuǎn)差率S0＞1，這樣不僅使轉(zhuǎn)矩特性（機械特性）更接近于線性，而且具有較大的起動轉(zhuǎn)矩。因此，當定子一有控制電壓，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動，即具有起動快、靈敏度高的特點

直流伺服電動機

1．基本結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的直流伺服電動機動實質(zhì)是容量較小的普通直流電動機。有他勵式和永磁式兩種，其結(jié)構(gòu)與普通直流電動機的結(jié)構(gòu)基本相同。

2．基本工作原理

傳統(tǒng)直流伺服電動機的基本工作原理與普通直流電動機完全相同。依靠電樞電流與氣隙磁通的作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使伺服電動機轉(zhuǎn)動。通常采用電樞控制方式，即在保持勵磁電壓不變的條件下，通過改變電樞電壓來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。電樞電壓越小，則轉(zhuǎn)速越低；電樞電壓為零時，電動機停轉(zhuǎn)。由于電樞電壓為零時電樞電流也為零，電動機不產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，不會出現(xiàn)“自轉(zhuǎn)”。轉(zhuǎn)矩特性直流伺服電機的驅(qū)動電路PWM原理示意圖第4節(jié)脈沖-相位調(diào)制式伺服系統(tǒng)若在D、G兩線圈加入：一。旋轉(zhuǎn)變壓器相位工作方式：相