第8章 进给伺服系统50351

进给伺服系统 第8章 内容提要 第一节进给伺服系统概述第二节进给伺服系统分析第三节脉冲比较的进给伺服系统第四节相位比较的进给伺服系统第五节幅值比较的进给伺服系统第六节数据采样式进给伺服系统第七节交 直流伺服电动机的微机位置闭环控制 引言 数控机床通常有多个运动坐标轴 包括直线轴和回转轴 如车床有x和z坐标轴 复杂车床还有平行于x的u轴和平行于z的w轴 铣床一般有x y和z坐标轴 加工中心则有更多的坐标轴 这些轴 有的带动装有工件的工作台 有的带动装有切削刀具的刀架 通过坐标轴的综合联动 使刀具相对于加工工件产生复杂的曲线轨迹 加工出所要求的复杂形状的工件 驱动各加工坐标轴运动的传动装置称为进给伺服系统 数控机床的进给伺服系统是一种精密的位置跟踪与定位系统 是以位置为控制对象的自动控制系统 数控机床进给伺服系统有多种分类方式 按照有无位置检测和反馈环节以及位置检测元件的安装位置来分类 可以将进给伺服系统分为开环 半闭环和闭环三种类型 按进给伺服系统的进给轨迹来分类 可以将其分成点位控制系统和轮廓控制系统两类 若按照运动控制指令的形式来分 又可将轮廓控制的进给伺服系统分为数据采样式和基准脉冲式两类 第1节进给伺服系统概述 1 数控机床中最简单的位置伺服系统如图8 1所示 步进电动机直接将进给脉冲变换为机械运动 通过齿轮和丝杆带动工作台移动 对应于每个进给脉冲 工作台移动一个脉冲当量的距离 这种只含有信号的放大和变换 不带有检测反馈的伺服系统称为开环伺服系统 或简称开环系统 一 开环 闭环和半闭环 2 闭环伺服系统原理框图如图8 2所示 闭环系统的定位误差取决于检测单元的误差 而与放大和传动部分没有直接关系 3 图8 3为半闭环系统原理框图 这种系统只能补偿环路内部传动链的误差 因此 其精度要比闭环系统稍差 但由于这种系统结构简单 调整方便 所以广泛应用于各种数控机床 连续切削控制的伺服系统与点位控制的伺服控制系统有很大的不同 在点位控制系统中 重要的是定位精度和定位时间 影响到效率 对于如何趋近定位点及趋近过程中的精度则无关紧要 因此 可能采用分级降速 单方向趋近等提高定位精度的办法 一般属于闭环断续控制方式 二 点位和连续控制的伺服系统 对于连续切削控制系统 由于一边进给 一边要加工零件的轮廓 所以除了定位精度要求准确之外 在整个进给过程中 为使工件精度高而且表面粗糙度低 要求伺服系统速度稳定 跟随误差小 或者说要求伺服系统在很宽的速度范围内有良好的稳态和动态品质 第3节脉冲比较的进给位置伺服系统 进给伺服系统有多种反馈比较原理与方法 根据检测装置实现信息反馈的原理不同 伺服系统反馈比较的方法也不同 常用的有 脉冲比较 相位比较 幅值比较三种 脉冲比较 如果选择磁尺 光栅 光电编码器等元件作为机床移动部件移动量的检测装置 检出的位置反馈信号是数字脉冲 即给定量与反馈量的比较就是直接的脉冲比较 由此构成的伺服系统称为脉冲比较伺服系统 图8 19为用于工件轮廓加工的一个坐标进给伺服系统 它包含速度控制单元和位置控制外环 由于它的位置环是按给定输入脉冲和反馈脉冲数进行比较而构成闭环控制 所以属脉冲比较位置伺服系统 一 脉冲比较式进给位置伺服系统 位置检测器 光电脉冲编码器 输出的脉冲经过逻辑电路处理后成为反馈计数脉冲ff 当电动机实际转向为正时 ff从正向反馈通道输入 反之则从反向反馈通道输入 可逆计数器UDC是用来计算位置跟随误差的 这一误差记为Nc 位置跟随误差实际上就是位置指令脉冲个数与位置反馈脉冲个数之差 为了计算这一误差 应当将指令脉冲fp和反馈脉冲ff分别送入可逆计数器UDC的不同的计数输入端 脉冲比较控制系统 结构简单 易于实现数字化的闭环位置控制 在数控机床的位置控制中被广泛应用 图8 19为脉冲比较伺服系统的结构框图 整个系统按功能是 采用光电编码器产生位置反馈脉冲ff 实现指令脉冲fp和反馈脉冲ff的脉冲比较 以取得位置偏差信号e 以位置偏差e作为速度给定的伺服电机速度调节系统 二 脉冲比较进给系统组成原理 偏差补偿寄存器 可逆计数器 位置控制器 指令脉冲 在脉冲比较伺服系统中 实现指令脉冲fp与反馈脉冲ff的比较后 才能检出位置的偏差 脉冲比较电路的基本组成有两个部分 一是脉冲分离 二是可逆计数器 三 脉冲比较电路 可逆计数器的基本功能是 当输入指令脉冲为fp 或反馈脉冲为ff 时 可逆计数器作加法计数 当输入指令脉冲为fp 或反馈脉冲为ff 时 可逆计数器作减法计数 在使用可逆计数器进行脉冲比较时应注意的是fp和ff到来的时刻可能错开或重叠 1 当两路计数脉冲先后到来并有一定时间间隔时 计数器无论先加后减或先减后加都能可靠地工作 2 如果二者同时进入可逆计数器 则会出现信号的竞争而产生误操作 因此必须在二者进入可逆计数器之前先进行脉冲分离处理 如图8 21所示 1 脉冲分离 电路的工作原理分析如下 脉冲错开时 74121 1 2 脉冲同时到来时 2 可逆计数 可逆计数器的位数与允许的位置偏差e的大小相关 考虑到机械系统的惯性 在制动时或高速进给时 系统可能会出现较大的偏差 因此 计数器位数不能过少 多位计数器可由四位二进制可逆计数器级联而成 如下图所示 第4节相位比较的进给伺服系统 在进给位置伺服系统中 如果位置检测元件采用相位工作方式时 控制系统中要把指令信号和反馈信号都变成某个载波的相位 然后通过两者相位的比较 得到实际位置与指令位置的偏差 相位比较伺服系统常用的检测元件是旋转变压器和感应同步器 相位伺服系统的核心问题是 如何把位置检测转换为相应的相位检测 并通过相位比较实现对驱动执行元件的速度控制 图8 23是一个采用感应同步器作为位置检测元件的相位伺服系统原理框图 系统的主要组成部分有 基准信号发生器 脉冲调相器 检测元件 鉴相器 伺服放大器 伺服电机等 一 相位伺服进给系统组成原理 fp 数控装置送来的进给指令脉冲首先经脉冲调相器变换成相位信号 即变换为重复频率为f0的相位信号PA 感应同步器采用相位工作方式 以定尺的相位检测信号经整形放大后得到的PB 作为位置反馈信号 PB 代表了机床移动部件的实际位置 这两个信号在鉴相器中进行比较 它们的相位差 反映了实际位置和指令位置的偏差 此偏差信号放大后驱动机床要移动部件朝指令位置进给 实现精确的位置控制 二 脉冲调相器 脉冲调相器又称数字调相器 是一种把脉冲数变换成相位位移的变换器 它由一个脉冲加减器和两个分频器组成 脉冲调相器的组成原理框图如图8 24所示 由基准信号发生器所产生的时钟脉冲频率fo分成两路 一路经分频器I作M分频后 产生基准相位的参考信号 另一路先到脉冲加减器 接受指令脉冲的调制 当一个正向指令脉冲输入时 便向fo脉冲列中插入一个fo脉冲 而当一个负向指令脉冲输入时 便从fo脉冲列中扣除一个fo脉冲 然后再经分频器 作M分频后产生指令脉冲方波 它相对于基准信号有相位超前或滞后的变化 其相位差大小和极性与指令脉冲有关 当没有指令脉冲时 即指令脉冲为0时 分频器I和分频器 完全同频同相工作 在接到M个脉冲后 同时输出一个方波 因此 PA 和反馈信号PB 必然同频同相 感应同步器中滑尺正 余弦绕组的励磁是由脉冲调相器中分频器I的输出提供 正 余弦绕组需要的是两路频率和幅值相同但相位相差90 的两个正弦信号 为了满足这一要求 将分频器I的最末一级计数触发器分成两个 如图所示 感应同步器的励磁信号获取 脉冲加减器的一种线路结构 脉冲加减器是脉冲 相位变换器的关键部分 功能是 向基准脉冲中加入脉冲 或从中扣减脉冲 如图 A和 A为基准脉冲发生器发出的在相位上错开180 的两个同频时钟脉冲 A为主脉冲 A为加减脉冲同步信号 没有指令脉冲时 x 0 门1开 A脉冲通过 当有 x时 Q1变为1 Q2在 A上升沿变为1 Q2封锁门1 扣除一个A序列脉冲 当有 x时 Q3在 A上升沿变为1 Q4变为1 打开门2 A序列脉冲中加入一个 A脉冲 74111 在一个相位系统中 指令信号的相位与实际位置检测所得的相位之间存在相位差 鉴相器的任务就是把它用适当的方式表示出来 下图是一种鉴相器逻辑原理图 完成脉冲相位到电压信号的转换 三 鉴相器 鉴相器另一种方式 鉴相器又称为相位比较器 它的作用是鉴别指令信号与反馈信号的相位 判别两者之间相位差的大小 以及相位的超前与滞后变化 把相位差变成一个带极性的误差电压信号 如图所示 用指令信号PA 与反馈信号PB 后沿分别控制触发器的两个触发端 当两者正好相差180 时 从电平转变器输出对称方波 且正负幅值相对零电位对称 经低通滤波器输出的直流平均电压为0 若反馈信号PB 超前于指令信号PA 则输出方波为上窄下宽 其直流平均值为一个负电压 u 当PB 滞后于PA 时 输出一个正电压 u 即 相位差 与误差电压 u呈线性关系 该鉴相器的最大鉴相范围为 180 超过这一范围 就要产生失步 伺服系统就不能正确工作 实际系统的跟踪误差 u往往会超过 180 为此 需要扩大鉴相范围 扩大方波鉴相范围的方法是 先对两个方波信号分别进行N倍分频 使其相位差也减小N倍 然后再进行鉴相 这样可使鉴相范围扩大N倍 第5节幅值比较的进给伺服系统 幅值比较伺服系统是以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值 并以此作为位置反馈信号与指令信号进行比较构成的闭环控制系统 以下简称幅值伺服系统 特点是 1 所用的位置检测元件应工作在幅值工作方式 2 给定信号与反馈信号以幅值方式进行比较 感应同步器和旋转变压器都可以用于幅值伺服系统 本节采用旋转变压器作为讨论的示例 在此着重讨论幅值工作方式的位置检测信息如何取得 即怎样构成鉴幅器 以及如何把所取得幅值信号变换成可以与指令脉冲相比较的数字信号 从而获得位置偏差信号构成闭环控制系统 图8 27所示的幅值伺服系统框图中 旋转变压器取幅值工作方式反馈位置信息 如图8 28形式 当采用幅值工作方式时 其定子上两个相互垂直的绕组应分别输入频率相同 相位相同 幅值成正交关系的正余弦信号 一 幅值伺服系统组成原理 可采用可逆计数器进行比较 在图8 28所示的旋转变压器示意图中 设转子绕组轴线与垂直方向的夹角为 并以此作为转子相对于定子的位移角 按照电磁感应原理 在定子激磁信号加入后 转子绕组生的感应电势为 需要指出的是 由于转子的转动使 角发生了变化 若角不跟随发生变化 虽然工作台在向指令位置靠近 即偏差越来越小 但 的差值反而进一步扩大了 这不符合系统设计的要求 为此 应把反馈脉冲同时也输入到定子励磁电路中 以修改电气角的设定输入 使角跟随 变化 在幅值系统中 若要获得激磁信号的值与转子位移角的对应关系 则只需检测转子电势的幅值 鉴幅器 为了完成闭环控制 该电势幅值经电压 频率变换电路才能变成相应的数字脉冲 一方面与指令脉冲作比较以获得位置偏差信号 另一方面修改励磁信号中值的设定输入 图8 29是一个实用数控伺服系统中实现鉴幅功能的原理框图 二 鉴幅器 鉴幅器的作用是把正弦交变信号转换成相应的直流信号 U0 电压 频率变换器的任务是把鉴幅器输出的模拟电压UF变换成相应的脉冲序列 该脉冲序列的重复频率与直流电压的高低成正比 对于单极性的直流电压 可以通过压控振荡器变换成相应的频率脉冲 而双极性的UF应先经过极性处理 然后再作相应的变换 电压 频率变换器框图如图8 31所示 三 电压 频率变换器 极性判别电路由A3组成 当UF为正极性时 为低电平 当UF为负极性时 由稳压管Dw钳位使 为高电平 由此可见 US信号是与TTL逻辑电平相匹配的开关信号 电压 频率变换器是把鉴幅器输出的模拟电压Un变换成相应的脉冲序列 采用鉴幅工作方式的旋转变压器的两绕组的励磁信号是一组同频同相而幅值分别随某一可知变量 作正 余弦函数变化的正弦信号 为了得到幅值按正 余弦规律变化的正弦信号 在工程上有两种方案 一种是采用多抽头的函数变压器的办法 函数变压器是由三只二次侧各具有十个抽头的变压器组成 制造精度要求很高 体积也大 另一种是利用脉宽调制原理设计的脉宽调制式正 余弦信号发生器的办法 1 脉宽调制原理 式中 正弦波励磁中影响正弦波幅值的电气角 在此表现为影响方波宽度的参数 四 脉冲调宽式正余弦信号发生器 即当把三倍频以上的谐波分量设法消除以后 用脉冲宽度调制的矩形波励磁与正弦波励磁在幅值工作方式下的功能完全相当 因此 可将正 余弦励磁信号幅值的电气角 控制转变为对方波宽度的控制 展开成傅里叶级数 2 脉宽调制方波发生器 在鉴幅系统中 正 余弦的励磁就是采用脉宽调制方波发生器 在电压 频率变换器送来的脉冲ff作用下进行双向调宽 为感应同步器的正 余弦绕组提供脉宽调制的方波 脉冲加减器和二个分频系数相同的分频器用于实现数字移相 计数触发脉冲CP 和CP 的频率是在时钟脉冲CP的基础上 按位置反馈信号ff的状态进行加减 每个分频器有两路相差90 电角度的溢出脉冲输出 通过组合逻辑进行调宽脉冲的波形合成 最后 经功率驱动电路加在两组绕组上 调宽脉冲产生的基本原理如下 按照数字移相的原理 当输入的计数脉冲增加时 溢出脉冲的相位将提前 相反 计数脉冲减少时 则溢出脉冲相位延后 脉冲加减电路应按照最后合成的波形要求 控制两个分频器计数脉冲CP 和CP 的加减 图7 24所示为从分频器输出到波形合成的各处工作波形图 A0为令 0时分频器1端输出的波形 在此作为比较的基准波 此四路脉冲信号分成两组经过功率驱动后 分别加到感应同步器的正 余弦绕组两端 正弦绕组两端的电压为U1 其波形由 F E 的差值决定 余弦绕组两端的电压为U2 其波形由 H G 的差值决定 第6节数据采样式进给伺服系统 一 数据采样式进给位置伺服系统图8 37是数据采样式进给位置伺服系统的控制结构框图 前三节数据比较的方式主要由硬件实现 而数据采样式进给伺服系统的位置控制功能是由软件和硬件两部分共同实现的 软件负责计算跟随误差及进给速度 硬件接受进给指令数据 进行D A转换 为速度控制单元提供命令电压 以驱动坐标轴运动 光电脉冲编码器等位置检测元件将坐标轴的运动转化成电脉冲 电脉冲在位置检测组件中进行计数 被微处理器定时读取并清零 计算机所读取的数字量是坐标轴在一个采样周期中的实际位移量 计算机 目前 对于采样周期的选择还无精确的公式可循 都是给出一般的指导思想和推荐数值 选择采样周期要考虑以下三方面的因素 一 系统的稳定性影响因素是 开环增益和采样周期 二 输入信号的频谱特性采样定理 采 2 max max为输入信号频谱的最高频率 即频带宽度 三 与速度控制单元的惯性匹配速度控制单元的动态特性可用一个惯性环节来描述 惯性时间常数为TV 实践经验指出 采样周期应小于TV 一般进给伺服系统的位置采样周期是4 20ms 他是通过微处理器的实时中断来实现的 步进电动机的主要优点之一是能在开环的方式下工作 由于这种运行方式的控制电路简单经济 不需要位置检测元件 是一种实用的进给伺服系统 只要静态和动态能满足要求 就应首先考虑采用这种系统 然而 由于开环控制没有位置反馈 无法知道步进电动机是否丢失脉冲 另外 电动机的响应速度将受负载大小的影响 所以步进电动机的开环控制性能受到了一些限制 二 反馈补偿式步进电动机进给伺服系统 由于上述原因 近几年出现了一种反馈补偿型的步进电动机伺服系统 这种系统基本上解决了步进电动机丢失脉冲的问题 但是这种系统从控制方式来看并不是真正意义上的闭环控制 尽管在这种系统中也装有位置检测元件 但这种系统与前面介绍过的几种进给伺服系统在控制方式上是有区别的 反馈处理电路的作用有两方面 1 由于脉冲编码器每转一周输出的脉冲个数与步进电机每转一周所走的步数不一定一样 需 反馈处理电路 进行适配 2 反馈处理电路 将脉冲编码器输出的脉冲变换成正 反转两路反馈计数脉冲 与给定指令脉冲相对应 补偿器的作用 p8 41 1 同步电路 进行指令脉冲与反馈脉冲的同步 如脉冲分离 2 可逆计数器 求取指令脉冲数与反馈脉冲数之差D 3 受控门 根据可逆计数器的输出值D 向后面环形分配器发出基准脉冲 驱动步进电机运转 第7节交 直流伺服电动机的微机位置闭环控制 控制电机一般是指用于自动控制 自动调节 远距离测量 随动系统以及计算装置中的微特电机 在自动控制系统中 把输出量跟随输入量的变化而变化的系统叫做随动系统 或伺服系统 伺服电动机又称为执行电动机 在自动控制系统中作为执行元件 其任务是将输入的电信号转换为轴上的转角或转速 以带动控制对象 按电流种类不同 伺服电动机可分为交流和直流两种 直流伺服电动机和交流伺服电动机被广泛用于位置伺服系统 直流电动机由于它具有良好的线性调速特性 简单的控制性能 高的效率 优异的动态特性 尽管近年来不断受到其它电动机 如交流变频电动机 步进电动机等 的挑战 但到目前为止 它仍然是大多数调速控制电动机的最优先选择 目前 采用全控型的开关功率元件进行PWM控制方式已成为绝对主流 一 直流伺服电动机的微机位置闭环控制 直流电动机转速n的表达式为 直流电动机的转速控制方法可分为两类 对励磁磁通进行控制的励磁控制法 对电枢电压进行控制的电枢控制法 一 直流电动机电枢的PWM调压调速原理 其中励磁控制法在低速时受磁极饱和的限制 在高速时受换向火花和换向器结构强度的限制 并且励磁线圈电感较大 动态响应较差 所以这种控制方法用得很少 现在大多数场合使用电枢控制法 即在励磁恒定不变的情况下 调节电枢电压来实现调速 直流电动机PWM控制系统有可逆和不可逆系统之分 可逆系统是指电动机可以正反两个方向旋转 不可逆系统是指电动机只能单向旋转 对于可逆系统 又可分为单极性驱动和双极性驱动 单极性驱动是指作用在电枢两端的脉冲电压是单一极性的 双极性驱动则是指作用在电枢两端的脉冲电压是正负交替的 二 直流电动机的微机位置闭环控制 图8 42是单片机控制的不可逆PWM系统 通过单片机的PWM口产生PWM信号 控制直流电动机的转速 直流电动机轴上 用直流测速发电机测量电动机转速 并将测速信号通过单片机内部的A D转换器进行A D转换 形成一个直流电动机的闭环调速系统 无制动的不可逆PWM系统 由于电流不能反向流动而不能产生制动作用 为了产生制动作用 必须增加一个开关管 为反向电流提供通路 只在制动时起作用 如图8 43所示 采用反向器7406实现对反向管的控制 系统能在两个象限上工作 LMD18200是专用直流电动机驱动芯片 LMD18200提供单极性驱动方式和双极性驱动方式 图8 44 LM629