数控技术第4章2.ppt

数控技术 湘潭大学机械工程学院 1 4 1概述4 2位置检测装置4 3进给电机及驱动4 4交流进给伺服系统的控制原理和方法4 5伺服系统性能分析 2 4 4 1步进伺服驱动系统的控制原理与方法 4 4交流进给伺服系统的控制原理和方法 步进电机的驱动控制由环形分配器和功率放大器组成 环形分配器的主要功能 将数控装置送来的一串指令脉冲 按步进电机所要求的通电顺序分配给步进电机驱动电源的各相输入端 以控制励磁绕组的通断 实现步进电机的运行及换向 功率放大器的主要作用 将环形分配器送来的弱电信号变为强电信号 以得到步进电机控制绕组所需要的脉冲电流及所需要的脉冲波形 3 1 硬件环形分配器可由D触发器或JK触发器构成 亦可用专用集成芯片或通用可编程逻辑器件 硬件环形分配驱动与数控装置的连接 4 CH250是国产三相反应式步进电机环形分配器专用集成电路芯片 通过控制端的不同接法可组成三相双三拍和三相六拍的工作方式 7 2步进电机及其驱动控制系统 三相六拍接线图 5 2 软件环形分配器由数控装置中的软件完成环形分配 直接驱动步进电机各绕组的通 断电 用软件环形分配器只需编制不同的环形分配程序 可使线路简化 成本下降 可灵活地改变步进电机的控制方案 7 2步进电机及其驱动控制系统 软件环形分配器的设计方法 查表法 比较法 移位寄存器法等 常用查表法 6 3 功率放大电路种类 按其采用的功率放大器件分 有中功率晶体管 大功率晶体管 大功率达林顿晶体管 可控硅 等 按其工作原理分 有单电压驱动 高低电压驱动 恒流斩波 调频调压 细分电路等 步进电机有几相 就需要几组功率放大电路 7 2步进电机及其驱动控制系统 7 高低电压切换驱动电路特点 高压充电 保证电流以较快的速度上升 低压供电 维持绕组中的电流为额定值 7 2步进电机及其驱动控制系统 8 恒流斩波电路 7 2步进电机及其驱动控制系统 9 7 2步进电机及其驱动控制系统 调频调压驱动电路 10 4 4进给伺服系统的控制原理和方法 4 4 2交流进给伺服驱动系统的控制原理与方法 交流进给伺服驱动系统的组成 控制器 功率驱动器 检测装置和伺服电机 系统根据数控装置的指令信号和检测装置检测的实际信号之差来调节控制量 11 1 交流伺服电机的矢量控制原理 为什么矢量控制 直流电机调速方法 直流电机组成 磁极 定子 电枢 转子 电刷与换向片 4 4进给伺服系统的控制原理和方法 12 直流调速度中 与电磁转矩Tm相关的励磁磁通 m和电枢电流Ia是两个互相独立的变量 励磁磁通 m仅正比于励磁电流If 而与Ia无关 分别控制励磁电流If和电枢电流Ia 即可方便地实现转矩Tm与转速n的线性控制 直流电机的两个重要参数 4 4进给伺服系统的控制原理和方法 13 交流电机交流电机电磁转矩公式 电磁转矩Tm与气隙磁通 m 转子电流Ia成正比 但 m与Ia不正交 不是独立的变量 不能单独控制 因此 不能分别调节 同时 交流电机定子产生的是随时间和空间都在变化的旋转磁场 气隙磁通 m是一个空间交变矢量 这样 在定子侧的各物理量 电压 电流 磁动势 也都在空间上同步旋转且交变 调节 控制和计算很不方便 4 4进给伺服系统的控制原理和方法 14 1 矢量控制的基本思想 将三相交流电机输入的电流等效变换为类似直流电机彼此独立的励磁电流和力矩电流 建立起与之等效的直流电机数学模型 通过对这两个电流量的反馈控制实现对电机电磁转矩和速度的控制 然后 再通过相反的变换 将被控制的等效直流电机电流还原为三相交流电机电流 那么就可以采用类似直流电机的调速方法对三相交流电机进行调速了 等效变换的准则 变换前后必须产生同样的旋转磁场 4 4进给伺服系统的控制原理和方法 15 1 三相 二相变换将三相静止绕组A B C的交流变换为两相静止绕组 的交流 从而实现三相交流电机变换为等效的二相交流电机以及与其相反的变换 2 矢量变换的实现 4 4进给伺服系统的控制原理和方法 16 方法 根据三相交流 iA iB iC 所产生的旋转磁动势Fm与两相交流 i i 所产生的旋转磁动势Fm等效 建立三相交流 iA iB iC 转换为两相交流 i i 的电流变换矩阵 4 4进给伺服系统的控制原理和方法 17 建立两相交流 i i 转换为三相交流 iA iB iC 的电流变换矩阵 4 4进给伺服系统的控制原理和方法 18 2 矢量旋转变换将静止坐标系 上的两相交流 i i 变换为旋转坐标系d q上的两相直流 id iq 方法 将绕组d q中分别通入直流 id iq 并且使得包含这两个绕组在内的整个铁心 以与旋转磁动势Fm同步的转速 1旋转 在该铁心上和绕组一起旋转观察时 d和q便成了两个通入直流而相互垂直的静止绕组 4 4进给伺服系统的控制原理和方法 19 4 4进给伺服系统的控制原理和方法 当选择旋转坐标系的d轴与旋转磁动势Fm的方向重合时 旋转坐标系d轴上的直流分量id相当于直流电机的励磁电流if q轴上的直流电流iq相当于直流电机的力矩电流ia 20 建立静止坐标系 上两相交流 i i 转换为旋转坐标系d q上两相直流 id iq 的电流变换矩阵 建立旋转坐标系d q上两相直流 id iq 与静止坐标系 上两相交流 i i 的电流变换矩阵 4 4进给伺服系统的控制原理和方法 21 2交流伺服电机的矢量控制系统 在矢量控制中 当以获得最大转矩为控制目标时 变换旋转坐标系d q中励磁电流分量id通常控制为零 交流电机在矢量转换中输出电磁转矩Mm的关系式为 可知 电磁转矩Mm仅与转矩电流分量iq成线性关系状态变量id iq可以独立调节 从而实现转矩线性化控制 4 4进给伺服系统的控制原理和方法 22 采用Id 0控制策略的三相永磁同步伺服控制系统 4 4进给伺服系统的控制原理和方法 23 1 位置控制环 位置控制环使实际位置保持和给定令位置一致 它由位置调节器 位置反馈和位置前馈控制器构成 2 速度控制环 速度控制环使电机实际速度保持和给定速度一致 它由速度调节器 速度反馈构成 3 电流控制环 电流控制是提高伺服系统控制精度和响应速度 改善控制性能的关键 电流控制环由电流调节器 矢量控制算法以及电流反馈三个部分构成 4 4进给伺服系统的控制原理和方法 24 3 进给伺服系统的全数字控制系统 数字式控制系统 进给伺服控制系统的分类 模拟控制系统 系统中的给定指令信号和反馈信号都是模拟量 特点 是动态性能好 成本低 模拟伺服系统的电路复杂 一致性较差 有零点漂移等不足 数字模拟混合控制系统 位置环给定信号和反馈信号都是数字量 速度环和电流环的信号仍为模拟量 全数字式控制系 控制信号全部采用数字量来处理 利用计算机软件实现三环控制功能 4 4进给伺服系统的控制原理和方法 25 1 全数字式伺服系统的构成与特点 构成 4 4进给伺服系统的控制原理和方法 26 特点 1 无温漂 无参数变化 稳定性好 2 系统参数调整方便 线性度及可重复性高 3 软件模块化设计 以满足不同的用途 可以方便的增加 更改 删减 灵活性强 4 伺服系统与上位机的信息传递灵活 方便 5 许多控制思想和手段得以实现 如鲁棒控制 自适应控制 变参数控制等 6 增加监控 诊断 调整以及分级控制等功能 系统趋于多功能化 智能化 4 4进给伺服系统的控制原理和方法 27 2 全数字交流伺服驱动器实例 HSV 162 160 16系列全数字伺服控制器 4 4进给伺服系统的控制原理和方法 28 1 HSV 160全数字式交流伺服驱动器硬件控制平台 4 4进给伺服系统的控制原理和方法 29 控制简单 灵活 状态显示齐全 宽调速比 最高转速可达3000转 分 最低转速可低至0 5转 分 调速比为1 6000 结构紧凑 体积小巧 易于安装和拆卸 支持上位机DC5V与DC24V两种电平的脉冲指令与反馈接口 2 HSV 160全数字交流伺服驱动器特点 4 4进给伺服系统的控制原理和方法 30 位置控制方式 脉冲量接口 接收三种形式的脉冲指令 正交脉冲 脉冲 方向 正 负脉冲 速度控制方式 模拟量接口 接收幅值不超过10V的模拟量 转矩控制方式 模拟量接口 接收幅值不超过10V的模拟量 JOG控制方式 通过按键 无须外部指令 操作使驱动单元驱动电机运动 内部速度控制方式 在内部速度控制的方式下 可根据伺服驱动单元内部设定的速度运行 3 HSV 160全数字伺服驱动器的控制方式 4 4进给伺服系统的控制原理和方法 31 课后思考 1 矢量控制的原理与特性 2 交流伺服电机矢量控制系统的组成及各单元的功能 3 全数字式伺服系统的特点 32 第4章进给伺服驱动系统 4 1概述4 2位置检测装置4 3进给电机及驱动4 4交流进给伺服系统的控制原理和方法4 5伺服系统性能分析 33 4 5伺服系统性能分析 前面各节我们重点讨论了进给伺服系统的组成原理与实现方法 然而该系统要能真正实现预期的快速 准确及平稳驱动的要求 一个重要的问题是如何根据要求 进行闭环系统的参数设计和调试 例如 开环增益 阻尼系数等参数对伺服系统的稳态精度与动态性能影响很大 这将是本节讨论的重点 34 4 5 1控制系统的一般结构及传递函数 4 5伺服系统性能分析 35 开环传递函数 反馈与偏差之比闭环传递函数 输入与输出之比干扰的闭环传递函数 输出与噪声之比系统误差的函数 偏差与输入之比 4 5伺服系统性能分析 36 4 5 2进给伺服系统的数字模型及传递函数 闭环进给伺服系统的一般结构 4 5伺服系统性能分析 37 1 位置控制单元的数学模型 位置控制单元是以XC为输入以UP为输出的一个控制环节 位置调节器一般采用比例调节 放大系数为KN 则有 取拉氏变换得 结构框图 4 5伺服系统性能分析 38 4 5伺服系统性能分析 39 2 速度控制单元的数学模型 速度控制单元是以指令电压UP为输入 电机的驱动电压U为输出的控制环节 速度调节器通常采用PI调节 驱动放大是比例环节 若忽略非线性和滞后特性的影响 可视它们为比例环节 则传递函数为KA 速度反馈环节的传递函数为KV 则有 取拉氏变换得 结构框图 4 5伺服系统性能分析 40 3 直流伺服电机的数学模型 交流电机模型类似 直流伺服电机是以驱动电压U为输入 电机的角位移 m为输出的变换环节 其数字模型是根据电机电枢电势平和电机转矩衡方程导出的 式中 Tm RaJa KeKT电机的机械时间常数Km 1 Ke电机的增益系数KR Ra KT 4 5伺服系统性能分析 41 拉氏变换得 结构框图 而且经适当的简化后 直流伺服电机可视为一个惯性环节和一个积分环节串联而成 4 5伺服系统性能分析 42 4 机械传动与执行单元的数学模型 机械传动与执行单元的输入为电机的角位移 m 输出为工作台的线位移X0 其机械系统力平衡方程为 拉氏变换 4 5伺服系统性能分析 43 结构框图 由此可知 机械系统可视为一个二阶振动环节 4 5伺服系统性能分析 44 5 整个进给伺服系统的数学模型 由图可知 X0是对XC和FD两个激励的响应 根据叠加原理 可先分别求出每个激励单独作用的响应 然后进行叠加 4 5伺服系统性能分析 45 当FD 0时 仅有XC激励的传递系数 4 5伺服系统性能分析 46 当XC FD同时激励时系统的响应 4 5伺服系统性能分析 47 4 5 3进给伺服系统的性能分析 1 系统增益KS 开环增益 速度增益 KS是进给伺服系统的重要性能参数 为了说明其物理意义 可对上述系统进行一些简化 假设上述各环节均是理想的 即各环节均是无惯量 无阻尼 刚度为无穷大 且无速度环 则 4 5伺服系统性能分析 48 XC 4 5伺服系统性能分析 49 2 KS对系统动态性能的影响 进给伺服系统的输入通常是斜坡激励 4 5伺服系统性能分析 50 讨论KS与输出速度的关系当KS 时 到达F所需的时间越短 系统的响应加快 灵敏度增高 KS与系统的加速度的关系当KS 时 系统的加速度增大 尤其是在刚启动时 它使系统的响应加快 但对系统的冲击也大 尤其对惯性较大的系统 将产生很大的冲击力 另外 加速度太大也可能系统超调 引起系统失稳 4 5伺服系统性能分析 51 KS与跟随误差 D的关系 KS D 即 有利于提高系统的跟随精度 结论 KS的选择 要综合考虑 折衷选取 才能获得优良的综合性能 4 5伺服系统性能分析 52 KS的初选方法在工程调试中 KS可按下列方式初选 Mm ML 分别是电机的输出转矩和负载转矩 GDm2 GDL2 分别是电机转子和负载等效飞轮惯量 4 5伺服系统性能分析 53 数控系统中KS的设定方法由前面的推导可知 KN 位置环增益 KA 速度环增益Km 电机增益L 2 机械系统增益其中 KA Km L 2 在数控系统 伺服系统和机械系统选定后便确定了 而KN是作为可调参数 允许用户根据具体情况选定 以满足系统的稳定性和快速度性的要求 4 5伺服系统性能分析 54 3 定位精度 定位精度的检查通常是在空载的情况进行的 即无负载力 Fc 0 只有摩擦力 而且系统接受的是阶跃位置指令 即 闭环系统的定位误差为 4 5伺服系统性能分析 55 由终值定理得 4 5伺服系统性能分析 56 半闭环系统的定位误差 4 5伺服系统性能分析 57 讨论由可知 为减小定位误差可采用下列措施 减小传动间的摩擦力Fcr 如采用滚动传动取代滑动 增大KN KA 其实质增大KS 在系统稳定的范围内 减小KR Ra KT 即选择KT在的伺服电机 在半闭环系统中 要尽可能增大传动机构的刚度K 这是因为当K较小时 将产生较大的弹性变形 从而加大定位误差 4 5伺服系统性能分析 58 4 5 4进给伺服系统参数的匹配 进给伺服系统是由电气 机械等环节组成的一个整体 其组成环节的特性参数对整体系统的特性的影响 从理论上讲 可以根据要求与系统的数学模型确定其参数 但是由于进给伺服系统工作条件复杂多变 尤其是机械系统的阻尼 刚度 惯量等参数 尚无完善的计算方法 因此在进行设计和调试时 除必要的理论计算外 还必辅之以实验分析和类比法 利用已有的系统的参数和经验数据进行新的设计 这是目前常用的办法 4 5伺服系统性能分析 59 阻尼阻尼主要与伺服驱动装置的电感 电阻 电机机械部件 机械传动机构的摩擦阻尼和粘性阻尼有关 它对系统的影响是 阻尼大则系统的伺服刚度高 抗干扰能力强 稳定性高 系统的定位精度低 定位的离散程度大 由此可知 这两方面的矛盾的 应在精度与伺服刚度之间折衷考虑 例如 采用滚动 静压导轨就是减少机械系统的阻尼 它可有效提高定位精度 但系统的稳定性裕度将减小 因此 现在有些进给系统设置了可调阻尼器 或者采用软件的方法来改变系统的阻尼参数 4 5伺服系统性能分析 60 2 惯量执行部件的惯量越小越好 因为惯量越大 时间常数越大 系统的灵敏度变差 且固有频率降低 易发生共振 但由于刚度 强度等方面的原因 惯量的降低受到的限制 一般要求 交流伺服电机 式中 JL 传动部件折算到伺服电机输出轴上的惯量Jm 电机的惯量要满足这一要求有两个途径 尽可能使执行部件折算到电机轴上的惯量减小 尽可能使用本身惯量大的电机为驱动源 4 5伺服系统性能分析 61 刚度K与固有频率 n刚度是指系统抵抗变形的能力 即 K F e开环系统 K 失动量 系统的死区 闭环系统 K n 系统的稳定性 系统的固有频率 n是系统动刚度的重要参数 应注意 机械传动机构的 n 伺服驱动系统 n的2 3倍 各个环节的 n 应相互错开 以免发生振动耦合现象 各个环节的 n应避开系统的工作频率范围 以免在工作频率上发生共振 4 5伺服系统性能分析 62 4 5 5伺服系统的特性对加工精度的影响 对于轮廓加工系统 要求精确地 实时地同时控制多个坐标轴的位置与速度 但由于系统存在着跟随误差 D 将可能会影响多坐标轴运动合成轨迹的精确性 产生轮廓误差 4 5伺服系统性能分析 63 1 跟随误差 D的含义及特性 定义 指令位置D0i与实际位置Dai之差称为跟随误差 D 跟随误差 D是由进给伺服系统各环节信息传递延迟效应引起的 实际位置滞后指令位置 当执行部件进入匀速运动时 D为常数 当它减速并停止时 D逐渐减少到零 当位置环为P调节时 D与F KS的关系为 D F KS 4 5伺服系统性能分析 64 2 跟随误差 D对轮廓加工精度的影响 1 D对直线轮廓加工精度的影响加工直线时两轴的输入指令为 4 5伺服系统性能分析 65 由于存在跟随误差 DX DY在某时刻指令位置在A点 实际位置在A 点 则有 4 5伺服系统性能分析 66 轮廓误差 的几何求法 KS 平均系统增益 KS 两轴系统增益差 KS KS 系统增益失配量 4 5伺服系统性能分析 67 讨论当KSX KSY时 KS 0 0 这说明当两轴系统增益相等时 跟随误差 DX DY对轮廓精度无影响 X Y Dy Dx 0 A A 4 5伺服系统性能分析 68 当两轴增益不一致 但KSX KSY常数时 Ks Ks为常数 则 为常数 也就是说 直线的轮廓形状无误差 但位置偏离了原位置 4 5伺服系统性能分析 69 X Y DY DX A A 当两轴增益不一致 且KSX KSY不是常数时 则 不是常数 也就是说 将产生轮廓形状误差 即加工出的轮廓就不是直线了 4 5伺服系统性能分析 70 在同等情况下 轮廓误差 与 KS成正比 与KS的平方成反比 与进给速度成F正比 当加工45 直线时 轮廓误差 最大 当加工0 或90 直线时 轮廓误差 与增益无关 4 5伺服系统性能分析 71 例题在X Y平面上铣削工件的一个平面 该面与X轴成45 角 进给速度为 F 450mm min KS为15 2 1 s 计算最大轮廓误差 max 解 4 5伺服系统性能分析 72 2 D对园弧轮廓加工精度的影响 D对园弧轮廓加工精度的影响可用加工圆弧的半径变动量 R描述 通常 R的变化较为复杂 为此 可先讨论下面条件下的情况 KSX KSY KS然后再定性的讨论其它较为复杂的情况 4 5伺服系统性能分析 73 R的求取 4 5伺服系统性能分析 74 讨论当KSX KSY 且进给速度F为恒速时 R是常数 只产生尺寸误差 不产生形状误差 当从圆上某一点开始加工整圆时 则实际轨迹如下图所示 为什么 4 5伺服系统性能分析 75 当KSX KSY时 此时不仅产生尺寸误差 而且产生形状误差 可以证明 当KSX aKSY a为常数 时 圆弧插补所形成的形状为椭圆 长轴与X轴成45 夹角 当KSX与KSY无确定关系时 圆弧插补所形成的形状为无规则的形状 4 5伺服系统性能分析 76 在条件一定的情况下 轮廓误差 R与KS的平方成反比 轮廓误差 R与F的平方成正比 因此 KS 或F 可大大提高轮廓加工精度 轮廓误差 R与加工园弧的半径R成反比 在小圆弧加工时 要保证加工精度 进给速度F不能太高 4 5伺服系统性能分析 77 在数控系统中 各轴进给伺服系统的增益均稍有差别 在进行轮廓加工时会产生轮廓误差 因此