（控制理论与控制工程专业论文）基于三菱nc+e60伺服控制系统的设计与实现.pdf

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形图。 现场调试表明，3 m k 暑3 1 5 b 数控磨床具备良好的调速性能，加工精度高，完全 能满足系统的性能指标，它的投产必将为生产厂家带来巨大的经济效益。 乾 关键词：锥面活塞环，c n c ，电磁吸盘，矢量控制，p d 重庆邮电大学硕士论文 摘要 a bs t r a c t 1 k sd i s s e r t a ：曲ni sb 鹊e d0 nd 钾e 1 0 p i n gh i 帅e r 向m 坷en cm a 出n et 0p f o c e s s t 印e r 。f 如ep i 鼬0 n 血g o na n a l y s i so f 也er e 掣l i r e m 饥to f p r o c e s s i n gt a p e 州囱c ep i s t o n 血g ， 1 l l ee l e c 仃i cc 0 曲问1 h e o 巧a n d 咖d 豁i 印s c h e m e0 f3 m k 8 31 5 ba r eg i v e n ，a n dt 1 1 e s e r v os y s t e m ，e l e c 蜘d 妇勰g n 缸c 曲u 江c n cc o n 船0 1s y s t 锄觚dp i cc o m r o ls y s t 锄a r e d c 印l l y 锄呲y z e d ，b o t l lo nt h es i d e s0 ft h e o 巧a n d 即季n e 宅r i n gd e s i 鄹a c a d 觑n i cs t u d y f o c u s e s 也e p m s ms m r 0s y s t e m i sc a r i i e d o u t i n 蛐 2 0 、，d i cp 勰s e s 也e 谢n d 吨0 fe l e c 缸衄删c 龇j 酗删s a f ep r o c 豁s c l u i p 哪t ：hw mb e 珈a 删c 丘c l 也瓶d 也ep i s t o nl i n gw i ub e 自蜘e da nh b r i d g e c i 佩l i t d 出饥b yp w mp l l l s e i s d e s i 印e d 幻p r o d u c e b a n i s hm 4 乒砸c 丘e l d1 1 1 e p c 耐0 r 黜eo fs e 0s y s t e mi s0 n eo f t h ek e y 盘c t o 娼d e ：t e 衄i 丑ew 耐陆ga c 砚哪觚d p r o d u 枷v ee 伍c i 融哆p m s mc 觚。呐) u t 五) 【e dt i 凹q a n dc 觚b ea 巧l l s t e di t sp o w e r 觚s 0 i t s1 ) l ，i d e l y 璐e di nn cm a d b i n e m 砌抽助删m d d e lo f p m s m1 m d e r 岫 c 0 0 r m 呦舱s y s t 锄i sb u i 也a n di t sv e c t o rc 0 删i sd e 西l c e d t 0s e t t i n g 也ec l 】删c i r c l e ， s p e e dc 妣l e 锄dp 0 幽血c l e0 f t h es e 0 咖c l a s s i cp d c 舡o u c fi s 协川蛐 f 0 确肋吐锄d 也ep 盯锄1 酏e 耐s e t t i n gi nt h ea p p l i c a ：t i o no ft h i sp 删e c ti sd i s c l l s s e dt h e r c s i l l _ t so fs 衄叭撕0 na n d 丘d dd e b l 唱百n gs h o wm a tm es 即，0s y s t e mi sc h 蹦蛾e r i s t i co f 王i a s tr c s p o 璐e ，h i g h - a c 伽r a 把p o s i t i 伽_ i i l ga n d9 0 0 ds t a ：b i l i 锣a f t e rb e i l l gs e tb ym e s ec o m r 0 1 s c h e m e s ，、j 1 7 1 i l i c hc a nm e e tt h eh i g h - p e r f o m 啪c eo fn c s e r v os y s t e m mm ef 1 0 r d l 锄d 丘f i hc h a p t 盯，m ep r 0 鲜md e s i 印o u n m so ：fe z m o t i o n n ce 6 0a n di t se x c i v e l yp l c i sa m l y z e d a c c o r d i l 玛协t h e 州e c t ，p a m yc n cp f o 野髓锄dp l c1 妣c h 砒a r e 咖e n f i e l dd e b l l g 舀n gp 蕾o v e s 僦3 胀8 315 bn cg r i n 血gn x l ( 垃i i mt a k e so ng o o d 右m i n g p e r 细m 锄c ea n dh i g hp r o c e s s i n ga 0 咖y ，w h i c he 面r e l ym e e tm es ) 脚md e s i 萨 r e 惭蹦li t sp u t t i n gi n ：t 0p f o d u c t i o n 删l s tb 曲gh u g ee c i d n 砌cb 胁e 丘tt 0 廿1 e m m n i 匦：t 嘣o f 切p e f 缸ep i s t o nl i l 玛i nm e 如t l l r e k e yw o r d s ：t a p 昏饥ep i 8 t c m 血g ，c n c ，e 1 e c t r c 唧e t i c 龇v e 咖r 黜l ，p d h 摘要 目录 第章绪论 1 1 课题背景 1 2 数控机床技术j 1 2 1 数控机床的伺服控制系统 1 = ! 2c n c 控锖0 技术 1 2 3p l c 技术 1 2 2 。4 1 3 课题来源与本文研究内容5 第二章数控机床电气原理图设计6 2 1n c 电气控制原理 2 2 n c 系统的组成一：二7 2 2 1c n c 单元 2 2 2 伺服系统8 2 2 3p l c 模块一10 2 2 4 电磁吸盘。1 0 2 2 5 电源模块1 2 、2 33 m k 8 3 1 5 b 数控磨床的电气连接1 2 2 4 本章小结13 第三章伺服系统的数学建模及控制策略1 4 3 1 永磁同步电机的数学建模1 4 3 1 1 永磁同步电机的结构1 4 谬 3 1 2d 一日坐标系中的数学模型1 5 3 2 永磁同步电机的矢量控制1 7 3 2 1 永磁同步电机矢量控制的基本原理一1 7 3 2 2 永磁同步电机的矢量控制模型一1 8 3 3 伺服系统的控制策略2 0 ， 3 3 1 调节器的参数整定一2 0 3 3 2p d 控制器2 2 3 4 电流环整定2 3 重庆邮电大学硕士论文 目录 3 4 1 交流伺服系统电流环控制特性 3 4 2 电流环p i 调节器 2 3 3 4 3 工程应用中电流环的参数设定。2 6 3 5 囊长度环整定。 2 6 3 5 1 交流伺服系统速度环控制特性。2 6 3 5 2 速度环p i 调节器 2 7 3 5 3 工程应用中速度环参数的设置2 8 3 6 位置环整定3 0 3 6 1 位置环的整定特性o 3 0 3 6 2 位置环p 调节器。 3 6 3 工程应用中位置环参数的设置叩 3 7 机床的共振抑制一 3 7 1 陷波滤波器 3 7 2 电机抖动补偿 。：；4 3 5 3 7 3 自适应滤波器3 5 3 8 本章d 、结 第四章c n c 程序设计。 4 1 程序控制部分：一3 7 4 2 c n c 程序的构成 4 3 数控机床的重要的控制程序4 1 4 3 1 滑台重复定位精度程序一4 1 4 3 2 空运行程序4 2 4 3 3 加工程序4 3 4 4 本章小结4 5 第五章机床的p l c 控制系统设计4 6 5 1p l c 的工作原理4 6 5 2 三菱p 【c 的开发环境4 7 5 3p l c 控制程序开发4 9 5 3 1p l c 开发的系统配置4 9 5 3 2p l c 的i o 口分配5 0 5 3 3 部分梯形图控制程序5 1 5 4 本章d 、结5 5 结论5 6 致谢5 7 参考文献 攻读硕士学位期间发表论文与科研工作6 1 m 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 活塞环是一个形态非常简单、具有圆开口的环，但它在内燃发动机中却是不可 缺少的运动部件，起着极为重要的作用。按照活塞环作用的不同，分为气环和油环 两大类。气环装在活塞头部上端的环槽内，填补活塞与气缸壁的间隙，使气缸内的 气体不致漏入曲轴箱而降低发动机的功率；同时将活塞头部的热量传递到气缸壁， 疏散活塞的热量【l 】。气环、气缸壁和环槽三者在活塞运动中共同构成两个密封面， 其中第一密封面由气环和气缸壁构成，第二密封面由气环和环槽构成，气环的缺口 一般用各气环错位安装来形成气阻，防止端隙的窜气。油环安装在气环的下方环槽 内，防止润滑油窜入燃烧室，同时将气缸壁上过量的润滑油刮回到油底壳。为了控 制机油上窜，一般都将活塞上第二道气环外圆制成锥面( 梯形截面，如图1 1 所示) 。 锥面环既能在活塞上行时的滑动面上布下油膜，又能在活塞环下行时有效地刮去缸 壁下端多余的机油。只要保证密封功能的要求，活塞环数目少比数目多好。活塞环 数目少，既保持了最小的摩擦面积，减少功率损耗，又缩短了活塞的高度，相应地 降低了发动机的高度，目前高速汽油发动机一般是两道气环和一道油环。 图1 1 活塞环及其梯形截面 活塞环是所有发动机零件中唯一作轴向运动、径向运动和圆周方向旋转运动的 零件，同时也是使用条件中最为苛刻的零件，其品质的好坏直接影响到内燃机的功 率、油耗、噪声和缸体的寿命【2 】。随着我国汽车工业的发展，轿车逐渐步入寻常百 姓家，对活塞环的需求量不断加大，20 0 7 年，国内最大的柴油机活塞环生产厂家 仪征双环活塞环有限公司的产销量近2 亿片，并保持着高速的增长；预计到20 1 0 年，国内最大的汽油机活塞环生产厂家安庆帝伯格茨活塞环有限公司年产销量将达 到2 亿片。优质的梯形活塞环价格是普通活塞环的十几倍。因此，梯形活塞环的加 工具有广阔的市场前景和巨大的经济效益。 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 2 数控机床技术 现代科学技术，特别是微电子、计算机、信息、系统等科学技术的迅速发展及 其在各行各业中的广泛应用，给机械制造业带来了深刻的变化【3 j ：方面，它们促 使形成国际上激烈的竞争市场，造成用户对产品质量、品种和价格的要求越来越严 格，其在机械制造业中表现为高精度、多品种、小批量、低成本和快周期的生产要 求；另一方面，它们与机械制造科学技术的结合，为机械制造产业适应这种发展趋 势提供了重要的系统理论和实现的技术基础。数控机床正是适应这种需求应运而生 的，是电子技术、信息技术和机床技术等相结合的产物，其本质是“数据驱动劈和 软件控制的自动化。计算机数控( c n c ) 机床作为制造形状复杂、高质量、高精度 产品所必备的基础设备，已成为当今先进制造技术的一个重要组成部分，是企业乃 至国家制造水平的重要体现，数控技术正向着精密化、高速度、高可靠性、高柔性 化和网络化的方向发展例。 数控机床包括c n c 系统，p l c 系统、伺服系统和机床本体。 1 2 1 数控机床的伺服控制系统 运动控制系统是以机械运动的驱动设备为控制对象，以控制器为核心，以电力 电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制 系统。这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动 机械的控制要求。其中，以角位移或直线位移为被控量的运动控制系统叫做位置随 动系统，也叫伺服系统【4 】。在数控机床中，伺服系统接收数控系统发出的位移、速 度指令，经变换、调整与放大后，由电动机和机械传动机构驱动机床工作台与刀架， 使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动，从而加工出用户所要求的形状复杂的工 件嘲。 伺服系统的结构 绝大多数对控制性能要求较高的伺服系统都采用闭环控制。闭环伺服系统主要 由四部分组成：控制器、功率驱动装置( 伺服放大器) 、伺服电机和反馈环节，如 图1 2 所示。控制器按照给定值和实际运行的反馈值之差，调节控制量；伺服放大 器作为系统的主回路，一方面按控制量的大小将指令脉冲转化为驱动电机所需的信 号，将电网中的电能作用到电动机之上，调节电机的转矩大小，另一方面按电机的 要求把恒压恒频的电网供电转换成电机所需的交流电或直流电；反馈环节将电机的 转矩、转速和机械位置等参数反馈至控制器；电机则按供电大小拖动生产机械运转 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 图1 2 伺服系统的基本结构 交流伺服系统的发展 直流电机由于调速范围广、静差小以及动态性能好等优点，在高精度、宽调速 范围的控制领域得到了广泛的应用，但是直流电机存在机械换向问题与难于制造大 容量、高转速及高电压直流电机等困难限制了直流电机的进一步发展。 虽然交流电机是非线性、强耦合、多变量的控制对象，调速控制系统复杂，但 随着电力电子技术、微机技术的发展与矢量控制、直接转矩控制、智能控制等先进 控制方法的发展与应用，使得交流调速系统已完全能实现和直流调速系统相媲美的 调速性能，加上交流电机本身结构的优越性，交流伺服驱动取替传统的液压、直流 和步进调速驱动已成为拖动系统的发展趋势。异步电机转子的转速随负载大小而改 变，转速为14 5 0 r 卫n i n 左右，主要集中在性能要求不高的大功率伺服领域；而同步 电机的转速在工作范围内与负载的大小无关，如果负载大于电机的最大运行转矩， 则电机立即堵转停止，且堵转不发热。同步电机突破了异步机磁动势控制的局限， 大大减少了控制的复杂性，提高了控制性能，而且突破了直流电机矩角只能是9 0 。的 局限，既可调速也可定位，功率因数还可以自由调整【7 1 ，因此，它常被用于需要恒 速运转的场合。目前，在高精度、高性能要求的机器人、数控机床等中小功率伺服 控制领域，永磁同步电机逐渐成为伺服系统执行电机的主流睁1 0 1 。 同步电机的调速技术 一 同步电机的转速严格与电源频率保持同步，转差为零，因此对同步机只能采用 调频调速。对同步电机的调速方法主要有： 1 ) 变频技术 在交流电机调速系统中，通过改变电机的供电频率来实现控制电机转速的目 的，但是变频的同时必须协调地改变电机的供电电压，即实现同时变压变频 ( 、v f ) ，否则，电机将出现磁饱和或欠励磁。启动时变频器频率逐步上升，转 速也逐渐升高，不需其他启动设备；变频调速中的转速和转矩闭环控制，可以随时 调节同步转速，避免了失步现象【4 】。目前普遍应用的是占空比按正弦规律变化的正 弦脉宽调制( s p w m ) 方式。 。 2 ) 矢量控制 永磁同步电机的矢量控制是按转子位置定向的，它的旋转坐标系的水平轴位于 电机转子轴线上，此时的静止和旋转坐标系的夹角为转子位置角，可直接从电机轴 3 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 上的位置传感器获得。这种方法将电机本身的一些特性用数学模型来模拟，最终用 矢量空间相位理论来处理这些数学模型，其基本思路是通过对电机定子各相电流瞬 时值的控制，来实现对电机转矩的有效控制。在矢量控制中，要进行从静止轴系 d q 到同步旋转轴系m t 的变换，坐标变换的最终目的，是要将定子电流矢量分 解成纯励磁分量和转矩分量。矢量控制的关键是静止坐标系和旋转坐标之间的坐标 变换，实现该变换的关键是找到两坐标系之间的夹角【4 】【1 1 1 3 1 。 3 ) 调节器 以经典控制理论为基础的p d 控制策略因其结构简单、易于实现等优点至今仍 被广泛应用，近年发展起来的模糊p d 控制器、专家控制器、神经网络、自适应控 制等在高性能伺服控制系统中也得到了应用。 随着电力电子、微机技术和现代控制理论的发展，伺服控制系统呈现出微型化、 智能化和网络化的发展趋势。 1 2 2c n c 控制技术 随着中小批量生产的趋势日益增强，以及数控系统在信息、汽车、冶金、纺织、 印刷、军工等行业应用的日益增多，必须根据不同的用户需求，迅速、高效、低成 本地构筑面向用户的控制系统。这就要求c n c 系统具有模块化和可重新配置的特 点。新一代数控系统一开放式c n c 系统的提出正是适应了数控技术发展的要求。 高性能数控系统技术的发展具有如下特点： 选用高速6 4 位处理器，采用高速高精度采样插补，大幅度提高采样频率， 根据被插补曲线曲率的变化，自适应地调节进给速度并自动进行加减速控制。 采用基于工业p c 机的开放式数控系统，人机对话及自动诊断功能，具有多 种监控、监测和补偿功能。系统软件及硬件均采用模块化开放式结构，不仅使系统 配置灵活，可适用于车床、铣床、钻床及磨床等各类设备，而且还使系统易于扩充 和升级。 实时映射加工控制以及位姿自适应控制，有很强的网络功能，系统化功能和 通信功能，实现标准化、通用化和模块化【1 4 1 。 1 2 3p l c 技术 可编程控制器，简称p l c ，是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境 下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序 控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出， 4 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 控制各种类型的机械或生产过程，是一种应用于工业控制的专用计算机。输入输出 信息变换与可靠物理实现是p l c 实现控制的两个基本要剧晗1 6 1 。 p l c 是数控系统中不可缺少的组成部分，c n c 和p l c 协调配合共同完成对数 控机床的控制。其中，c n c 是数控机床的核心部分，其性能的好坏直接影响产品在 市场上的竞争力，主要完成管理调度及轨迹控制等数字控制工作【1 4 j ；p l c 主要完成 与逻辑有关的动作，如刀具的更换、吹削、冷却液的启停、系统故障报警等【l 。 1 3 课题来源与本文研究内容 本课题来源是为某公司设计、制造的梯形截面活塞环数控磨床系统 ( 3 m k 8 3 1 5 b ) ，要求活塞环的梯形截面倾斜角度为1 5 。，加工精度小于5 m 。 本文主要完成以下几个方面的工作： 分析控制系统的性能，完成控制系统的电气设计。 完成活塞环电磁吸盘的控制电路设计。 建立伺服系统的数学模型，研究交流伺服系统的控制策略。 在黼n - n ce 6 0 数控系统环境下，完成c n c 系统程序的编写。 完成e z m 嘶o n - n ce 6 0 内置的专用p l c 梯形图的编写。 最终控制数控机床x 轴、z 轴的快速联动、高精度定位，实现对梯形活塞环的 高精度加工。 重庆邮电大学硕士论文第二章数控机床电气原理图设计 第二章数控机床电气原理图设计 车床轴的名称和方向定义如图2 1 所示，与主轴平行的轴叫z 轴，刀具台远离 主轴台的方向为z 轴正方向，与z 轴成直角之轴叫做x 轴，远离z 轴为x 轴正方 向。车床使用右手系坐标，y 轴垂直于x z 平面，其正方向为图的向下方向。从y 轴正方向看，x z 平面上的圆弧为顺时针方向或逆时针方向1 8 1 。 尾座台 图2 l 车床坐标轴和极性示意图 由于3 m k 8 3 1 5 b 数控磨床的工件只是在水平面上运动，与y 轴的方位无关，因 此，通过控制机床的x 轴、z 轴伺服系统，就可以实现对活塞环锥面的高精度加工。 2 1n c 电气控制原理 3 m k 8 3 1 5 b 数控磨床的运动控制，本质上就是控制机床轴的运动，采用先进实 用的控制策略控制伺服电机驱动机床的x 轴( 滑台、夹具) 、z 轴( 工作台、砂轮 电机轴) ，达到磨床轴的高速、高精度定位，并最终实现活塞环梯形截面的高精度 机械加工。n c 系统控制如图2 2 所示。 滑台及工作台上的接近开关输入 a c 3 8 0 v 疆丽n c 系统 霹融邕 伺服变压器 x 轴伺服 电机 z 轴伺服 驱动系统 - r 一 主 z 轴伺服 电机 脉冲编码 脉冲编码 图2 2 n c 系统控制示意图 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章数控机床电气原理图设计 2 2n c 系统的组成 3 m k 8 3 1 5 b 数控磨床是采用三菱最新技术生产的e z m 嘶0 n - n ce 6 0 设计的全数 字化半自动数控系统，具有高度的模块化及规范化结构。它将c n c 和驱动控制集成 在一块板子上，将闭环控制的全部硬件和软件集成，便于操作、编程和监控。 3 迓31 5 b 数控磨床的主要功能和应用有以下几个方面： 1 、采用6 4 位微处理器实现c n c 控制，可完成c n c 连续轨迹控制。 2 、操作方式主要有a 1 丌o ，j o g ，m d a ，手轮模式等。 3 、强大的补偿功能。根据用户程序进行活塞环的粗磨、精磨，设定补偿值， 使机床精度更高。 4 、安全保护功能。可通过软极限开关的设置，进行工作区域的限制，当超程 时可以自动停止，还可以对主轴的运行进行监控。 5 、系统具备用于零件程序、刀具偏置、补偿存储的内存，通过卡匣式硬件可 快速存储所有资料，简化维修程序。 6 、e 2 = m 嘶0 n - n ce 6 0 提供有标准的p c 软件，用户可在w 平台下开发自定 义的起始画面。r s _ 2 3 2 c 接口可使主机与外设进行通信，通过磁盘驱动器接口和打 印机并行接口完成程序存储、读入及打印工作。 2 2 1c n c 单元 ， c n c 单元包括：o p ( o p e f a 缸0 np 觚e 1 ) 单元、e 乃肋由n 烈ce 6 0 单元，m c p ( m a c h i l l ec 0 n _ 仃o lp a n e l ) 三部分。c n c 系统采用三菱e z m 嘶0 n n ce 6 0 ，该c n c 内藏 6 4 位高性能c p u ，操作简单：伺服自动调谐设定，便于机床获得最佳加工特性； 选用m e l s e cp l c 开发p l c 程序；利用参数选定，就能进行车床和铣床用途的 转换；可选用具有转位功能辅助轴m r j 2 c t 安装旋转刀架，刀库上，改善刀具 转位时间，提高加工效率；可通过卡匣硬件快速存储所有资料，简化维修程序。 这些功能提高了系统的可操作性和可监视性【l 鄹。 e z m 砸0 n - n ce 6 0 实际上就是一台计算机，有自己独立的c p u 和存储器，控制 软件就在这台计算机中，而o p 单元正是这台计算机的显示器和键盘，如图2 3 所示。 m c p 是专门为数控机床而配置的，主要完成机床的启动、停止、紧急停止、操作模 式、机床轴的运动等操作，如图2 4 所示。 7 重庆邮电大学硕士论文 第二章数控机床电气原理图设计 2 2 2 伺服系统 图2 3e z m 0 6 伽n ce 6 0 显示与操作界面 图2 4m c p 布局图 伺服系统是运动控制的执行部分，为了满足梯形活塞环的高性能加工，系统采 用闭环控制，由伺服驱动器m d s - b s v 坨2 0 ，伺服电机i h c l 0 2 ，绝对式光电编码器 a 4 7 组成。 1 ) 伺服放大器 伺服驱动器选择三菱电机的高增益伺服m d s - b s 2 系列，通过在驱动器内设 定交流调速系统的电流环、速度环和位置环的增益、超前补偿等参数，结合 e z m 嘶- n ce 6 0 ，能实现出色的速度控制和精度控制，此外，它还具备强大的机 床振动抑制功能。 。 2 ) 执行电机 z 轴伺服电机选用三菱电机公司生产的同步电机h c l 0 2 系列，该电机的额定转 速为20 0 0 转m i n 、额定功率1k _ w ；x 轴伺服电机选择h c l 5 2 系列，额定转速为20 0 0 转n 血、额定功率1 5 k 、。它们具有效率高、体积小、运行稳定、启动性能好等优 异性能。 3 ) 反馈环节 ， 。 光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或 数字量的传感器，是目前应用最多的传感器旧。光电编码器是由光栅盘和光电检测 装置组成，光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔，由于光电码 盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子 元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图2 5 所示，通过计算 8 重庆邮电大学硕士论文 第二章数控机床电气原理图设计 每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断电机的 旋转方向，码盘还提供相位相差9 0 0 的两路脉冲信号。根据编码器信号输出形式， 可分为增量式和绝对式编码器。 图2 5 光电编码器原理不慈图 增量式编码器 增量式编码器直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲a 、b 和z 相，a 、b 两组脉冲相位差9 0 。，通过计算其中的一组脉冲数可以得出电机在该转的旋转量， 根据a 、b 相脉冲的相位先后顺序可方便地判断出电机的旋转方向；而z 相为每转 一个脉冲，用于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小 时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是会发生误差积累 现象，此外，增量式编码器获得的所有计数都是相对某一任意指定的基数而言的， 一旦停电或误操作，把基数丢失，就难以寻找回来。 绝对式编码器 针对相对式编码器的缺点，人们开发了绝对式光电编码器。绝对式光电编码器 的零点固定，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条码道上由透光和不透 光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的 二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当 码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二 进制数。这种编码器的特点是：1 ) 不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个 固定的与位置相对应的数字码；2 ) 误差只与码盘的刻制精度有关，误差不会因为 多次计数而积累；3 ) 电源切除后位置信息也不会丢失【6 j 。 光电编码器的分辨率以编码器轮转动一周所产生的输出信号基本周期数，用 脉冲转 ( p p r ) 来表示。对绝对式编码器来说，要提高编码器的精度，关键在 于提高码盘的划分精细度和准确度，分辨率则直接取决于码道的数目。 3 m k 8 3 1 5 b 数控磨床的伺服电机采用绝对式光电编码器a 4 7 ( 编码器型号为 o s a l 7 ) ，其分辨率达到了1 0 00 0 0 p p r 【1 9 1 ，完全能满足数控磨床系统的控制精度要 求。 9 重庆邮电大学硕士论文第二章数控机床电气原理图设计 2 2 3p l c 模块 3 m 鼬3 1 5 b 数控磨床的p l c 采用e z m 砸0 n - n ce 6 0 内置的专用p l c ，在基于 w i n d o w s 平台的开发软件g xd c v e l o p c r 开发p l c 梯形图后下载至p l c 。p l c 除了对机 床各坐标轴的位置进行连续控制外，还对主轴启动和停止、工作台托板交换、冷却 液启停和润滑系统等辅助动作进行顺序控制。顺序控制的信息主要是i o 控制，同 时还包括主轴驱动和进给伺服驱动的使能控制和机床报警处理等。 2 2 4 电磁吸盘 磨床的电磁吸盘用来吸牢活塞环，是安全加工的重要装置。电磁吸盘由盖板、 绝缘层、线圈、芯体、吸盘体等组成，如图2 6 所示，当线圈中通过直流电时，芯体 被磁化，磁力线经过盖板一工件一盖板一吸盘体而闭合，工件被吸牢。与机械夹具比 较，具有夹紧迅速，不损伤工件以及工件发热能自由伸缩等优点。 园 图2 6 活塞环电磁吸盘 1 ) 电磁吸盘的通磁去磁控制原理 3 m k 8 3 1 5 b 数控磨床的电磁夹具线圈控制电路设计为h 桥电路，如图2 7 所示。 线圈三 。=? 图2 7h 桥电路原理图 当使能信号( e n a b l e ) 为低电平时，三极管d 1 、d 2 、d 3 、d 1 4 均处于截止状 态，线圈两端电压为o ，线圈不导通。当使能信号为高电平，1 为高电平时，三极 管d 1 、d 4 导通，d 2 、d 3 截止，线圈正向通磁；玳1 为低电平时，三极管d 1 、d 4 截 l o 重庆邮电大学硕士论文 第二章数控机床电气原理图设计 止，d 2 、d 3 导通，线圈反向通磁。当使能信号有效，1 为高低电平不断更替的信 号时，d 1 、d 4 与d 2 、d 3 轮流导通，线圈处于交替的正、反向充磁状态，当n 1 的 高电平与低电平持续时间在一个周期内相等时，线圈的正向、反向通磁时间相等， 线圈去磁。可见，若n 1 为删脉冲时，通过调静w m 脉冲的占空比g 就能实现电 磁吸盘的通磁、去磁控制。 若使能信号为高电平，当霉= 1 时，d 1 、d 4 导通，d 2 、d 3 截止，线圈处于正向 充磁状态；随着g 逐渐减小，线圈两端的电压逐渐下降，电磁吸盘吸力减小，处于 消磁状态，当曰：o 5 时，在p w m 脉冲的一个周期内，d 1 、d 4 与d 2 、d 3 轮流导通且 导通时间相同，o u r l 、0 1 兀2 两端的电压差为0 ，线圈消磁结束，此时令使能端为 低电平，线圈去磁完成，p w m 占空比g 的变化如图2 8 所示。 问 s ) 图2 8 线圈通磁去磁时p w m 脉冲占空比的变化图 2 ) 单片机的p w m 控制 5 1 系列单片机无p w m 输出功能，但采用定时器配合软件的方法可以实现p w m 脉冲输出。单片机产生p w m 脉冲的原理如图2 9 所示。 图2 9 单片机产生p w m 电压原理图 8 9 c 5 1 具有两个1 6 位定时器t o 和t 1 ，通过控制定时器初值t o 和t 1 可以实现从单 片机的任意输出口输出不同占空比g 的p w m 脉冲。单片机产生p w m 脉冲的软件控 制程序基本思想是：在一个p w m 周期t 内，p 1 o 输出m 个单位t o 的高电平，个 单位t 0 的低电平，则删脉冲的占空比g = m ( m + ) ，通过改变m 、的数值 就可以实现占空比g 的任意调节。结合h 桥电路，就能达到很好的电磁夹具通磁去 磁控制效果。 重庆邮电大学硕士论文 第二章数控机床电气原理图设计 2 2 5 电源模块 j m k 5 j 1 ) 廿烈拄嚣不7 日u 乙) vl j 仝币u 雹必，l 儿一z 斗v 钞吧耳l 夕bk r l l 、乙州o 、f 巳 磁吸盘等) 、a c 2 2 0 v 供电单元( 砂轮架、冷却系统等) 、三相3 8 0 v 驱动设备( 伺 服电机) 等单元，电源模块负责向它们提供满足各自要求的控制和动力电源，产生 母线电压，同时监测电源和模块状态。 2 33 m k 8 3 1 5 b 数控磨床的电气连接 。睁 3 枷懿3 1 5 b 数控磨床的布局俯视图如图2 1 0 所示。 分离器及冷却) 0 轴伺服电机 系统 厂 u 强电接 线盒 电 匝 滑 - j 匝 甚 l 厶囡 柜 口 i 操作站 一作 i 砂轮电机i z 轴伺服电机 一i ih 。 t _ 图2 1 0 梯形环数控磨床布局俯视图 数控磨床系统的电气原理接线如图2 1 1 所示。 一， 1 2， 重庆邮电大学硕士论文 第二章数控机床电气原理图设计 2 4 本章小结 图2 1 l 电气原理接线图 本章从分析活塞环梯形截面加工的实际需求出发，设计了3 m k 8 3 1 5 b 数控磨床 的电气控制原理，分析讨论了数控机床的交流伺服系统、电磁夹具的通磁去磁控制 h 桥电路、c n c 、p l c 和电源模块等单元，最后给出了系统的布局与电气连接。 1 3 重庆邮电大学硕士论文第三章伺服系统的数学建模及控制策略 第三章伺服系统的数学建模及控制策略 作为数控机床的重要功能部件，伺服系统的特性一直是影响系统加工性能的重 要指标。近年来由于永磁材料的研究取得了重大进展，用永久磁钢代替直流励磁构 成的永磁同步电动机得到迅速发展。永磁同步电动机的结构形式很多，目前应用较 多的是正弦波永磁同步电动机p m s m 和方波永磁同步电动机( 即无刷直流电动机) 。 永磁同步电动机由于没有电刷和集电环，因此它在某些性能上优于其它感应伺服电 动机，并在高性能伺服系统中得到了广泛应用。本章以p m s m 伺服电机为主要研 究对象。 3 1 永磁同步电机的数学建模 3 1 1 永磁同步电机的结构 和普通同步电动机一样，永磁同步电动机也是由定子和转子组成。定子的结构 形式和异步电动机相同，都是由导磁的定子铁芯和导电的三相对称绕组以及固定铁 心用的机座和端盖等部分组成；转子用稀土永磁材料做磁钢。在磁路分布和绕组结 构上保证定子感应电动势具有正弦波形，外施的定子电压和电流也应为正弦波。永 磁同步电机的基本结构【6 】【2 睨刁如图3 1 所示。 图3 1 极对数为l 的永磁同步电机结构图 永磁同步电机的转子表面附装着由稀土材料做成的磁性条，忽略凸极和电枢反 应，认为气隙是均匀的，从本质上可以把它看成一台三相绕组式感应电机的转子， 旋转的永久磁铁产生恒幅的正弦磁势，可以用两个直流电流源供电的三相转子绕组 等效，并以转子的转速旋转，等效电路吲如图3 2 所示。 1 4 重庆邮电大学硕士论文 第三章伺服系统的数学建模及控制策略 图3 2 永磁同步电机转子的等效电路 在分析永磁同步电动机的数学模型时，参考坐标系可以选择三相定子坐标系 ( a b c ) 、两相定子坐标系( 口一，一般以a 相为口轴) ，转子磁场定向坐标系( d 一譬， 在此即转子坐标系) 和定子磁场定向坐标系( x y ) 来描述定子电流、电压和磁链， 定子磁链的方向为工轴的正向，转子磁链的方向则为d 轴的正方向。同步机各种参 考坐标系矢量图关系如图3 3 所示。 八 g i q | 9 d 三彳 图3 3 同步机各种参考坐标系矢量图 在d 一目坐标系中，对定子磁链在d g 上的分解实现了励磁电流和转矩电流的 解耦，且无论恒气隙励磁同步机还是凸极永磁同步机，易、厶都是恒定值，因此d g 坐标系中的同步机数学模则较为简捷。 3 1 2d 一口坐标系中的数学模型 三相交流电机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统【4 】【7 】【2 2 - 2 4 】。为了建立 交流电机的数学模型，做如下假设： 三相绕组对称，忽略空间谐波，磁势沿气隙圆周按正弦分布。 忽略磁饱和，各绕组的自感和互感都是线性的。 忽略铁损，不考虑频率和温度变化对绕组的影响。 将多相绕组等效为空间上互差9 0 。电角度的两相绕组，即直轴和交轴绕组。 对于同步电机转子的阻尼绕组，假设阻尼条和转子导磁体对转子直轴j 、交轴g 对 称。 1 5 重庆邮电大学硕士论文第三章伺服系统的数学建模及控制策略 将定子三相绕组上的电流、电压和定转子磁链分别投影在转子磁场定向的 彳一g 坐标系中，得到电压d 轴和g 轴上的电压平衡方程和转矩方程，可建立起d g 坐标系的永磁同步电动机数学模型。 i ，= i d + j i q 虮= 虼+ 舰 ( 3 1 ) 甜s = h d 斗j l l q 式3 1 中，t 定子电流矢量； 帜定子磁链矢量； 搿。定子电压矢量； 毛、分别为定子电流矢量d 、吁轴分量； 甄、虼分别为d 、g 轴上的定子磁链分量。 p m s m 的定子磁链方程为 = 厶+ 孵 = 厶 ( 3 2 ) vs = 丽。 式3 2 中，厶、厶分别为d 、g 轴上的电感； 虮定子磁链幅值； 虮转子磁链。 转子在d g 坐标系下的定子电压矢量方程为 虬= 足乞+ 鱼争+ 鳞虮 ( 3 3 ) 口l 式3 _ 3 中：现秸子角频率； 足定子电阻。 把式3 1 代入式3 3 ，整理后可得定子电压矢量的两个分量 把式3 2 代入式3 4 有 蚴= 忍毛+ 警一锋 = r + 誓+ q us = 丽 1 6 ( 3 4 ) 重庆邮电大学硕士论文第三章伺服系统的数学建模及控制策略 = r + 厶鲁一鳞 = 足+ 鲁+ 鳞厶。+ 鳞 电磁转矩方程为： 乙= 叩所珊( 虮) 。 = 哦蹦【( 易彳) ( 虼+ 力) 】 = 帆一) = i 虮0 孵1 8 i n 矽 式3 6 中：口为定转子磁链的夹角，即转矩角； 以磁极对数； t 定子电流矢量的共扼矢量； 撇取式子虚数的算子。 将式3 2 代入式3 6 可得 互= ( 一毛) = 办 孵+ q 名一厶) 岛】 ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) 在式3 7 中，第一项是定子电流与永磁体磁场之间相互作用产生的电磁转矩， 是