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定位控制的必要性目前，随着技术的进步，工业产品的加工和组装等变得越来越精密、高效。为此，就必须将对象物快速、高效地移动至目标位置，并精确、精准地停止。实现这一目标的控制就叫做“定位控制”。如果能正确地移动机床主轴头，就能实现精密的加工，如果能正确地移动产品零部件，就能实现精密的组装。所谓定位控制，就是将某一物体从开始位置移动至目标位置，并使其准确停止的控制。移动物体时，要想提高移动效率，就必须尽可能地加快移动的速度。然而，驱动装置(电机等)和物体具有惯性，还会受到摩擦等的影响，如果进行急剧的加减速，则物体可能受到冲击，或者不能在目标位置准确停止而产生过冲。因此，移动物体时应该进行平稳的加减速。下图中，物体分“加速”“匀速”“减速”3个阶段，从开始位置移动至目标位置。坐标系中所示为物体理想的速度变化和实际速度变化。只有如此，才能使物体迅速、准确地移动。为了使物体正确地从起始位置到达目标位置，需要在物体移动的同时，不断将其当前位置与指令值进行比较，调节其速度，并对当前位置进行补偿，以使物体的动作尽可能与指令的要求一致。这种为避免物体停止时出现位置误差，将运行情况反馈给控制器，并对它不断监控和补偿的控制叫做“反馈控制”。定位控制中的基本动作是从开始位置至目标位置的直线运动。直线运动的驱动装置一般多采用易于控制且效率较高的电机。但电机的动作是回转运动，因此需要使用下图中的传送带等，将其变换成直线运动。使用电机进行控制时，其典型的控制系统有伺服系统和变频系统2种。伺服系统和变频系统一般会使用在哪些地方呢？如下图中的具体用例所示，变频系统一般用于速度控制，而伺服系统适合用于定位控制。定位控制装置由“指令部”、“控制部”、“驱动检测部”3个部分组成。下图所示的装置，其指令部为控制器(定位单元)，控制部为伺服放大器，驱动检测部为伺服电机。定位单元所起的作用是，发出使物体移动至目标位置所需的指令信号、并将其送至伺服放大器。定位控制中使用的指令信号为脉冲信号，叫做“指令脉冲”。伺服电机就是按照定位单元向伺服放大器发送的指令脉冲的个数转动的。此外，单位时间内的指令脉冲数叫做“指令脉冲频率”，用于控制伺服电机的转速。下图所示为指令脉冲数和指令脉冲频率的示意图。2.2.2 指令脉冲数和指令脉冲频率的作用此处学习指令脉冲数和指令脉冲频率的作用，请体会2者与物体(工件)之间的关系。 下图所示为传送带，其伺服电机每30个脉冲转动1圈。每按定位单元中的按钮1次，就发生1个脉冲。每产生1个脉冲，伺服电机转动12度，传送带上的工件就会向着目标位置移动。按按钮的次数(计数值)即为指令脉冲数，按按钮时的间隔即为指令脉冲频率。 定位控制中，需要定位的对象物叫做“工件”。2.3.1伺服电机的作用伺服电机的作用是，按照伺服放大器供应的电力精确地转动，以使工件移动。伺服电机内部带有检测器(编码器)，可以对电机转动的圈数或度数进行精确的计测。实际进行定位时，由于机械的特性和外部干扰，有时工件的动作与指令的要求并不一致，因此需要使用编码器进行反馈。伺服电机能够最有效地运转时的转速叫做“额定转速”。因此，将伺服电机以额定转速(转/分)进行匀速运转时，可以实现最有效的定位运转。用光线照射分布在回转圆盘上的缝隙，当圆盘转动时，通过检测透过缝隙的光线，即可得知缝隙的状态，从而测量出圆盘的转动量。将此值反馈至伺服放大器，可以获得精确的定位控制。伺服电机编码器的分辨率(脉冲/圈)越高，定位的精度也就越高。2.4伺服放大器的作用伺服放大器的作用是，按照来自定位单元的指令信号，对伺服电机进行控制。同时，根据编码器发回的反馈信号，不断对误差进行监控补偿，确保按照指令进行动作。这里，我们将伺服放大器分为“电子齿轮”、“偏差计数器”、“速度放大器”进行学习。 2.4.1电子齿轮的作用伺服电机以额定转速工作时，其工作效率最高，但是定位单元能够输出的最大指令脉冲频率是固定的，该值较低时，定位单元就无法输出使伺服电机达到额定转速的指令。电子齿轮可以解决这一问题，它可以将指令脉冲频率加工放大。设定电子齿轮比2.4.2偏差计数器的作用偏差计数器在对来自于定位单元的指令脉冲进行累加的同时，再减去来自于编码器的反馈脉冲。此时，停留在偏差计数器里的脉冲叫做“滞留脉冲”。偏差计数器向速度放大器输出速度指令，速度指令与滞留脉冲值成正比。因此，当滞留脉冲值较大时，伺服电机的转速加快，滞留脉冲值变小时，伺服电机减速，滞留脉冲为零时，伺服电机停止。以下为偏差计数器作用的说明图。指令脉冲和反馈脉冲的差值亦即滞留脉冲值.向速度放大器输出与该值成正比的速度指令,从而对伺服电机进行控制.为实现精确、流畅、高速的定位，伺服系统设有反馈机构。有了反馈机构，就必然会产生指令脉冲和反馈脉冲的差(迟滞)，亦即滞留脉冲。滞留脉冲具有除掉指令脉冲和反馈脉冲的干扰的过滤作用。调整这一量的值叫做“位置环增益”，位置环增益最佳时，反馈较好，定位的精度、速度都会提高。但位置环增益过大、或过小时，都会出现问题。这里学习位置环增益的计算方法2.4.3速度放大器的作用速度放大器的作用是，根据来自偏差计数器的速度指令，向伺服电机供应电力。速度指令与偏差计数器的滞留脉冲数成正比。速度放大器则按照输入的速度指令向伺服电机提供其转动所需的电力。滞留脉冲数：大速度指令：高速伺服电机的转速：高速滞留脉冲数：小速度指令：低速伺服电机的转速：低速滞留脉冲数：无速度指令：无 伺服电机的转速：停止原点在定位控制中，以工件的起始位置为基准位置。这个基准位置叫做“原点”。确定了原点之后，就可以明确目标位置所在。同时，定位单元的基准位置也被设定为工件的基准位置。定位控制的指令方式有2种，分别为绝对指令方式(绝对地址指令方式，ABS)和增量指令方式(相对地址指令方式，INC)。不同的指令方式下，目标位置的指定方式也有所不同。定位控制中，目标位置至原点的距离叫做“地址”(原点的地址为0)。绝对指令方式下，用“地址”来指定目标位置。使用这种指令方式时，目标位置的设定一目了然，适用于普通的机械控制增量指令方式下，需要指定的是当前位置至目标位置的“移动量”和“移动方向(+、-)”。这种指令方式适合于反复进行一定距离移动的“定量进给”，如喷墨打印机的进纸控制。计算工件的移动量时，绝对指令方式下移动量等于开始位置地址和目标位置地址之间的差值，而增量指令方式下，移动量已直接指定。3.3定为控制的设计步骤这里学习将工件从A点实际移动至B点时所必需的指令脉冲数和指令脉冲频率的计算方法。下图所示为指令脉冲数和指令脉冲频率的计算步骤。1确定工件的移动量(A-B点之间的距离)和移动速度(需要在几秒内到达B点)。 2根据伺服电机的分辨率，计算指令脉冲数和指令脉冲频率。3计算伺服电机的转动圈数和转速。3.3.1 确定工件的移动量和移动速度首先，需要确定定位对象亦即工件的移动量和移动速度。移动量：当前位置(A点)至目标位置(B点)之间的距离N(mm)。移动速度：在一定时间T(秒)内完成移动量N(mm)的速度。(时间T(秒)为加速时间(t1)、匀速时间(t2)、减速时间(t3)的总和)以下为移动量和移动速度的示意图。3.3.3 计算伺服电机的转动角度和转速要将伺服电机的回转运动变换为直线运动，需要使用下图所示的定位控制系统。亦即将滚珠丝杠连接在伺服电机上，通过滚珠丝杠的回转驱动可动工作台。只要知道滚珠丝杠(伺服电机)每转1圈时可动工作台的移动距离，就可以计算出要使工件从A点移动至B点，伺服电机需要转动多少圈。知道伺服电机的转动圈数和分辨率后，即可计算出指令脉冲数。指令脉冲数=转动圈数分辨率 根据移动时间和指令脉冲数，即可计算出指令脉冲频率。41多个控制间连续平稳的控制为连续、平稳地进行各种作业，伺服放大器会在定位完成的同时输出“定位完毕信号”。42定为完成后位置保持定位控制完成后，伺服电机在外力作用下即使仅转动了相当于1个脉冲的角度，也会有反馈脉冲输入至偏差计数器，进而产生滞留脉冲。此时，伺服放大器向伺服电机提供电力，伺服电机将产生与外力相抵的扭矩，保持工件始终处于定位完毕位置(停止位置)，这叫做“伺服锁紧”。43行程超限的防止用伺服系统定位时，因为反馈机构的作用，伺服系统必定会将工件定位在指令位置。但如果程序或操作者的命令中存在错误，则可能出现移动的行程超限，导致工件或系统损坏。为防止出现上述情况，需要在紧急时不依靠程序就能使伺服系统停止，因此要在行程的2端(通常在正转和反转2个方向上)装上硬件行程限位开关。44机械和定位单元的原点复位在组装或接通电源时，需要调整机械和定位单元的基准位置（原点）使其一致，这叫做“原点复位”。45手动模式下的位置微调整根据外部信号输入进行的任意定位叫做“手动运转”。手动运转主要用于定位系统的动作确认、原点和目标位置(地址)的设定、以及精密定位时的微调整等。手动运转的运转方法有以下3种。JOG运转、微动运转、手动脉冲运转JOG运转、微动运转是想要使工件移动任意量时的运转方法。主要用于定位系统的动作确认 定位地址的计算（教学） 停止位置的微调整等。在按下定位单元中的“JOG运转”按钮期间，工件将以一定速度连续移动。按下“微动运转”按钮期间， 工件将按照一定周期移动微小距离。手动脉冲运转,是根据手动脉冲发生器输出的脉冲数进行定位的运转方式。用于精密定位时的手动微调、以及定位地址(目标位置)的计算等。测试题1、 已知滚珠丝杠每转动1圈，安装工件的可动工作台移动20mm，且编码器的分辨率为8192脉冲/转。请计算工作台移动110mm时所需的指令脉冲数。2、 请计算伺服电机以额定转速转动时所需的指令脉冲频率编码器的分辨率：8192pulserev额定转速3000r/min.以这个指令脉冲控制时，编码器分辨率为16384脉冲/转的电机的转速为多少？3、 位置环增益值和位置环增益调整的方法的确定4、 指令脉冲频率为9500脉冲/秒、滞留脉冲数为4500脉冲时，位置环增益的值为？伺服电机的响应过快，“在停止位置不能停止”、出现“振动、噪音”时