飼服-5位置控制系統(tǒng)

1數控技術遼陽職業(yè)技術學院第三講2第四章數控機床的伺服系統(tǒng)第一節(jié)概述第二節(jié)進給驅動第三節(jié)主軸驅動第四節(jié)檢測元件第五節(jié)位置控制系統(tǒng)3第六章第五節(jié)位置控制系統(tǒng)一、步進電動機開環(huán)控制二、相位控制三、幅值控制的組成和工作原理四、數字脈沖比較伺服系統(tǒng)五、數字伺服系統(tǒng)4一、步進電動機開環(huán)控制1、步進電動機的工作原理步進電動機的工作原理是按電磁吸引的原理工作的。如圖所示為反應式三相步進電動機的工作原理。控制步進電機轉動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(步數)則由指令脈沖數決定。5單三拍方式通電時，轉子每步轉過30°，由于每次只有一相繞組通電，在切換瞬間失去自鎖轉矩，容易失步；雙三拍工作方式下，轉子每步轉過30°，每次有二相繞組通電，而且切換時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過15°，步距角減小一半。只要改變指令脈沖頻率，就可以使步進電動機的旋轉速度在很寬的范圍內連續(xù)調節(jié)；改變繞組的通電順序，可以改變它的旋轉方向。步進電動機的缺點是效率低，帶慣量負載能力差，尤其是在高速時容易失步。62、步進電動機的主要特性（1）步距角和靜態(tài)步距誤差步距角反映步進電動機定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，轉子轉過的角度。取決于電動機的結構和控制方式。步距角計算公式：其中，m為定子相數。Z為轉子齒數。K為控制方式確定的拍數與相數的比例系數。例如三相三拍時，k＝1；三相六拍時，k＝2。實際的步距角與理論值有誤差，一轉內的最大誤差值定為步距誤差，通常在10′以內。7（2）靜態(tài)矩角特性當步進電動機不改變通電狀態(tài)時，轉子處在不動狀態(tài)。如果在電動機軸上外加一個負載轉矩，使轉子按一定方向轉過一個角度θ，此時轉子所受的電磁轉矩T稱為靜態(tài)轉矩，角度θ稱為失調角。描述靜態(tài)時T與θ的關系叫矩角特性。8（3）起動頻率空載時，步進電動機由靜止狀態(tài)突然起動，并進入不丟步的正常運行的最高頻率，稱為起動頻率或突跳頻率。加給步進電動機的指令脈沖頻率如大于起動頻率，就不能正常工作，隨著負載加大，起動頻率降低。（4）連續(xù)運行頻率步進電動機起動以后，其運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，稱為連續(xù)運行頻率。其值遠大于起動頻率。與電機所帶負載的性質和驅動電源都有關系。9（5）矩頻特性與動態(tài)轉矩矩頻特性T=F(f)是描述步進電動機連續(xù)穩(wěn)定運行時輸出轉矩與連續(xù)運行頻率之間的關系。該特性上每一個頻率對應的轉矩稱為動態(tài)轉矩，使用時一定要考慮動態(tài)轉矩隨連續(xù)運行頻率的上升而下降的特點。以上特性中，除第一項外，其余四項均與驅動電源有很大關系。103、步進電動機驅動電路驅動控制電路是由環(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插補器輸出的分配脈沖，輸出則是步進電動機相應繞組驅動器的輸入。通常還要加減速控制，使脈沖頻率平滑上升或下降，以適應步進電動機的驅動特點。11環(huán)形分配器是根據步進電動機的相數和控制方式設計的。如圖表示一個三相六拍環(huán)形分配器的原理線路圖。12（2）高低壓驅動電路驅動電路的作用主要是將計算機輸出的每次信號經過功率放大，得到步進電動機所需的脈沖電流。電流波形是影響步進電動機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，使電動機的矩頻特性變壞。（3）斬波驅動電路為了彌補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驅動電路。13（4）細分驅動環(huán)形分配器決定的驅動電路，控制電動機各相繞組的導通或截止，從而使電動機產生步進運動，步距角的大小只有兩種，即整步工作或半步工作。細分驅動是將一個步距角分成若干個步的驅動方式，其方法是在每次輸入脈沖切換時，不是將繞組電路全部通入或切換，而是只改變相應繞組中額定的一部分，則電動機轉子的每步運動也只有步距角的一部分。這里繞組電路不是一個方波，而是階梯波，額定電流是臺階式的投入或切除電流分成多少個臺階，則轉子就以同樣的個數轉過一個步距角。14細分驅動的特點：A、在不改動電動機結構參數的情況下，能使步距角減小，但細分后的步距角精度不高，且驅動電源的結構也相應復雜。B、能使步距電動機運行平穩(wěn)，提高均速性，并能減弱或消除振蕩。（5）步進電動機的自動升降速原理當步進電動機工作在起動頻率以下時，不需要升降速；工作頻率高于起動頻率時，必須要進行自動升降速控制。15如圖a，用電動機所允許的最大加速度勻加速度進行升降速，時間最短。圖b，為指數曲線加減速，能避免沖擊并有助于準確定位。最大升降速控制可以用硬件實現(xiàn)，最常用的還是用軟件實現(xiàn)。16二、相位控制相位伺服系統(tǒng)是采用相位比較方法實現(xiàn)位置閉環(huán)（及半閉環(huán)）控制的伺服系統(tǒng)，是數控機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信號發(fā)生器、脈沖調相器、鑒相器、直流放大器、速度控制單元、檢測元件及信號處理線路等組成。172、相位伺服系統(tǒng)的工作原理（1）基準信號發(fā)生器基準信號發(fā)生器輸出一列具有一定頻率的脈沖信號，其作用是為伺服系統(tǒng)提供一個相位比較基準。（2）脈沖調相器它的作用是將來自數控裝置的進給脈沖信號轉換為相位變化的信號，該相位變化信號可用正弦波或方波信號表示。若數控裝置無進給脈沖輸出,脈沖調相器的輸出與基準信號發(fā)生器的基準信號同相位,兩者無相位差。反之,數控裝置每輸出一個正向或反向進給脈沖,脈沖調相器的輸出將超前或滯后基準信號一個相位角。18脈沖調相器的控制線路就是脈沖－相位變換器，也叫數字移相器。它是把脈沖數變換為相位移的一種數字－模擬變換器。原理如圖。19（3）測量元件及信號處理線路該線路和元件的作用是將工作臺的位移量檢測出來，并表達成與基準信號之間的相位差。（4）鑒相器鑒相器的輸入信號有兩路，一路是來自脈沖調相器的指令信號；另一路是來自測量元件及信號處理線路的反饋信號，它代表了工作臺的實際位移量。這兩路信號都是用它們與基準信號之間的相位差來表示，且同頻率、同周期。20（5）驅動和執(zhí)行元件鑒相器的輸出信號一般比較微弱，需要放大，再經過速度控制單元驅動電動機帶動工作臺運動。21三、幅值控制的組成和工作原理幅值系統(tǒng)以位置檢測信號的幅值大小來反映機械位移的數值，并以此作為位置反饋信號與指令信號進行比較構成的閉環(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)由檢測元件及信號處理電路、比較器、數模轉換器、位置調節(jié)器和速度控制單元等組成。23四、數字脈沖比較伺服系統(tǒng)這種系統(tǒng)主要優(yōu)點是機構比較簡單，采用光電編碼器作位置檢測裝置，以半閉環(huán)的控制結構形式構成脈沖比較伺服系統(tǒng)。1、數字脈沖比較系統(tǒng)的構成242、數字脈沖比較器的工作原理略。3、主要功能部件（1）數字脈沖－數碼轉換器1）數字脈沖轉換為數碼，如圖所示。252）數碼轉換為數字脈沖如圖所示。（2）比較器如圖所示。26五、數字伺服系統(tǒng)1、數字伺服系統(tǒng)的特點數字伺服系統(tǒng)是用計算機軟件來實現(xiàn)伺服控制的。數字伺服系統(tǒng)較多的采用專用硬件數字電路，20世紀90年代起采用DSP和CPU構成的微機作為控制器，甚至直接采用工業(yè)PC機作為控制器的軟件伺服系統(tǒng)得到充分發(fā)展。其特點包括：（1）采用現(xiàn)代控制理論，通過計算機軟件實現(xiàn)最佳最優(yōu)控制。27（2）數字伺服系統(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控制可由軟件實現(xiàn)。（3）數字伺服系統(tǒng)在檢測靈敏度、時間漂移小、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)和模擬數字混合伺服系統(tǒng)。（4）高速度、高性能的微處理器的運用，使運算速度大幅度提高，也使得數字伺服系統(tǒng)具有較高的動、靜態(tài)精度。（5）伺服控制技術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、數字伺服控制原理（1）數字伺服系統(tǒng)的組成數字伺服系統(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)增益的過大會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。數字式軟件伺服系統(tǒng)采用許多現(xiàn)代控制技術來改善伺服系統(tǒng)的性能。主要方法有：（1）前饋控制（FeedforwordControl）實際上構成了反饋和前饋復合的系統(tǒng)，如圖。31（2）預測控制（PredictiveControl）這是目前用來減小伺服誤差的一種方法。這種方法通過預測整個機床的伺服傳遞函數，再改變伺服系統(tǒng)的輸入量，以產生復合要求的輸出。32（3）學習控制（Learn