全數(shù)字進(jìn)給伺服系統(tǒng)

全數(shù)字進(jìn)給伺服系統(tǒng)1.概述

在進(jìn)給伺服系統(tǒng)的討論開(kāi)發(fā)中，人們始終致力于用軟件掌握盡可能多地取代硬件電路，以降低系統(tǒng)的成本和提高系統(tǒng)的性能。隨著高速數(shù)字信號(hào)處理器、單片微型計(jì)算機(jī)、大規(guī)模集成電路的消失，以及可用規(guī)律電平掌握其通斷的電力半導(dǎo)體器件——功率晶體管、功率場(chǎng)效應(yīng)管的商品化，使得高精度、多功能的全數(shù)字進(jìn)給伺服系統(tǒng)很快從設(shè)想變成了現(xiàn)實(shí)，并將漸漸成為進(jìn)給伺服系統(tǒng)的主流。圖1所示是一種全數(shù)字進(jìn)給伺服系統(tǒng)，由脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速的直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)同樣有位置掌握，速度掌握和電流掌握等掌握調(diào)整環(huán)節(jié)。電流掌握器向PWM功率放大器輸送規(guī)律電平型脈沖調(diào)寬掌握信號(hào)，脈沖編碼器PG供應(yīng)位置與速度反饋信號(hào)，電流檢測(cè)器發(fā)送電流反饋信號(hào)、PWM功率放大器輸出可調(diào)直流電壓驅(qū)動(dòng)直流伺服電機(jī)完成位置伺服掌握任務(wù)。

位置掌握、速度掌握和電流掌握環(huán)節(jié)的數(shù)字（軟件）掌握運(yùn)算均由單片微機(jī)的CPU來(lái)完成，與CNC系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)有雙向通訊聯(lián)系。在系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)環(huán)節(jié)之間使用同一RAM實(shí)行高速通訊處理。各環(huán)節(jié)可以采納不同的掌握調(diào)整策略，通過(guò)軟件可以設(shè)定、轉(zhuǎn)變其結(jié)構(gòu)和參數(shù)。系統(tǒng)最終輸出規(guī)律電平型的脈寬調(diào)制信號(hào)，直接送至PWM功率放大器模塊，該功率模塊上也可以有電機(jī)的電流檢測(cè)和脈沖編碼器的中繼傳送等電路。

圖1全數(shù)字進(jìn)給伺服系統(tǒng)

2.全數(shù)字伺服系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

與全硬件和混合型系統(tǒng)相比，全數(shù)字進(jìn)給伺服系統(tǒng)有很多明顯的優(yōu)點(diǎn)：

在全硬件和混合型系統(tǒng)中模擬信號(hào)因溫度、電路器件老化等緣由引起零點(diǎn)偏離和漂移，在全數(shù)字系中，對(duì)規(guī)律電平以下的信號(hào)漂移、噪聲干擾將不予響應(yīng)，而且還可用軟件進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，因而提高了速度、位置掌握的精度和穩(wěn)定性。

在全硬件的模擬掌握系統(tǒng)中，微弱信號(hào)的信、噪分別很困難，很難將掌握精度提高到毫微級(jí)別以上，而在全數(shù)字伺服系統(tǒng)中，可以通過(guò)增加數(shù)字信號(hào)的位長(zhǎng)，達(dá)到所要求的掌握精度。

由于是軟件掌握，在全數(shù)字伺服系統(tǒng)中，可以預(yù)先設(shè)定數(shù)值進(jìn)行反向間隙補(bǔ)償；可以進(jìn)行定位精度的軟件補(bǔ)償；甚至因熱變形或機(jī)構(gòu)受力變形所引起的定位誤差，也可以在實(shí)測(cè)出數(shù)據(jù)后通過(guò)軟件進(jìn)行補(bǔ)償；因機(jī)械傳動(dòng)件的參數(shù)（如絲杠節(jié)距）或因使用要求的變化而要求轉(zhuǎn)變脈沖當(dāng)量（即最小設(shè)定單位）時(shí)，可通過(guò)設(shè)定不同的指令脈沖倍率（CMR）或檢測(cè)脈沖倍率（DMR）的方法來(lái)解決。

全數(shù)字伺服系統(tǒng)中掌握調(diào)整環(huán)節(jié)全部軟件化，很簡(jiǎn)單引進(jìn)經(jīng)典和現(xiàn)代掌握理論中的很多掌握策略，如比例（P），比例-積分（PI）和比例-積分-微分（PID）掌握等，而且這些掌握調(diào)整環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)可以依據(jù)負(fù)載慣量等條件的不同，通過(guò)軟件進(jìn)行設(shè)定和修改。這樣可以使系統(tǒng)的掌握性能達(dá)到最完善的程度，得到最佳的掌握效果。

系統(tǒng)能夠高速傳遞多種狀態(tài)參數(shù)信息，進(jìn)行系統(tǒng)故障的自診斷和報(bào)警。

3.全數(shù)字進(jìn)給伺服系統(tǒng)的進(jìn)展

為了適應(yīng)高速、高精度加工的需要，提高系統(tǒng)的性能，在全數(shù)字伺服系統(tǒng)中，目前有以下多種方法。

前饋掌握（feedforwardcontrol）

在數(shù)控機(jī)床高速加工時(shí)，傳統(tǒng)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的位置誤差（位置滯后）很大，反映到被加工零件上是其軌跡誤差很大，增大位置環(huán)的增益系數(shù)可以減小位置誤差，但是會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，或者會(huì)產(chǎn)生慣性沖擊。引入前饋掌握可以改善這一缺陷。實(shí)際上進(jìn)給伺服系統(tǒng)成了具有反饋與前饋掌握的復(fù)合型系統(tǒng)。這種系統(tǒng)理論上可以完全消退系統(tǒng)的靜態(tài)位置誤差，即實(shí)現(xiàn)了"無(wú)差調(diào)整"。

圖2某數(shù)控機(jī)床的加工試驗(yàn)結(jié)果

有無(wú)前饋補(bǔ)償，明顯地影響輪廓加工的精度，圖2是某數(shù)控機(jī)床的加工試驗(yàn)結(jié)果。曲線A是沒(méi)有前饋補(bǔ)償時(shí)，用4m/min進(jìn)給速度切削出的圓弧輪廓，曲線B是引入前饋補(bǔ)償后用同樣進(jìn)給速度加工的結(jié)果，曲線C是沒(méi)有前饋補(bǔ)償時(shí)，用0.5m/min進(jìn)給速度加工的結(jié)果，B、C兩者外形誤差基本相同?？梢?jiàn)采納前饋補(bǔ)償后，可以提高加工速度和顯著地降低輪廓誤差。

自調(diào)整掌握

在進(jìn)給伺服系統(tǒng)中，系統(tǒng)的伺服掌握性能和機(jī)械負(fù)載有緊密的聯(lián)系，使系統(tǒng)具有自動(dòng)調(diào)整功能，能依據(jù)機(jī)械負(fù)載特性的變化，自動(dòng)完成掌握器結(jié)構(gòu)和參數(shù)的整定，以獲得最優(yōu)的掌握性能。伺服系統(tǒng)的速度掌握采納PI掌握方式，并且系統(tǒng)中引入自校正機(jī)構(gòu)，使系統(tǒng)形成自適應(yīng)PI掌握方式。一方面系統(tǒng)可以自動(dòng)辨識(shí)被控機(jī)械對(duì)象的參數(shù)，主要是機(jī)械負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量GD2，自動(dòng)整定掌握器參數(shù)，以適應(yīng)被控對(duì)象參數(shù)的變化。另一方面系統(tǒng)具有常規(guī)PI調(diào)整器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、工作穩(wěn)定、魯棒性較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。這種方案由于計(jì)算繁瑣簡(jiǎn)單，難以實(shí)時(shí)在線進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，宜作為一種幫助功能，在非加工時(shí)間辨識(shí)系統(tǒng)機(jī)械部分的參數(shù)，然后自動(dòng)修正掌握器的結(jié)構(gòu)和增益。使伺服系統(tǒng)工作在經(jīng)辨識(shí)整定后的優(yōu)化狀態(tài)。當(dāng)機(jī)械負(fù)載特性發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)用信號(hào)提示，以便再一次調(diào)用自調(diào)整功能，在非加工時(shí)間對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行重新辨識(shí)和整定，使系統(tǒng)又在新整定的結(jié)構(gòu)和參數(shù)下工作。

其他方案

由于全數(shù)字伺服系統(tǒng)，以通用微型計(jì)算機(jī)的硬件為基礎(chǔ)