《进给伺服系统介绍》ppt课件

1、第四章第四章 进给伺服系统进给伺服系统内容提要内容提要本章将详细讨论进给伺服系统的软件硬件本章将详细讨论进给伺服系统的软件硬件构造；进给伺服系统根本功能的原理及实构造；进给伺服系统根本功能的原理及实现方法。现方法。第一节第一节 概述概述. 进给伺服系统的定义及组成进给伺服系统的定义及组成. 定义：定义： 进给伺服系统进给伺服系统(Feed Servo System)以以挪动部件的位置和速度作为控制量的自动挪动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统。控制系统。 组成：组成： 进给伺服系统主要由以下几个部分组成：位置控制单元；速度进给伺服系统主要由以下几个部分组成：位置控制单元；速度控制单元；驱

2、动元件控制单元；驱动元件(电机电机)；检测与反响单元；机械执行部件。；检测与反响单元；机械执行部件。位置控制调理器速度控制调理与驱动检测与反响单元位置控制单元速度控制单元+-电机机械执行部件CNC插补指令实践位置反响实践速度反响一、进给伺服系统的定义及组成一、进给伺服系统的定义及组成调速范围要宽且要有良好的稳定性调速范围要宽且要有良好的稳定性(在调速范围内在调速范围内) 调速范围：调速范围： 普通要求：普通要求： 稳定性：指输出速度的动摇要少，尤其是在低速时的平稳定性：指输出速度的动摇要少，尤其是在低速时的平稳性显得特别重要。稳性显得特别重要。minmaxFFRNminmin.minmm1Fm

3、m1010000RN且二、二、NC机床对数控进给伺服系统的要求机床对数控进给伺服系统的要求 输出位置精度要高 静态：定位精度和反复定位精度要高，即定位误差和反复定位误差要小。(尺寸精度) 动态：跟随精度，这是动态性能目的，用跟随误差表示。 (轮廓精度) 灵敏度要高，有足够高的分辩率。 负载特性要硬 在系统负载范围内，当负载变化时，输出速度应根本不变。即F尽能够小；当负载突变时，要求速度的恢复时间短且无振荡。即t尽能够短；应有足够的过载才干。这是要求伺服系统有良好的静态与动态刚度。 t F t F 呼应速度快且无超调 这是对伺服系统动态性能的要求，即在无超调的前提下，执行部件的运动速度的建立时间

4、 tp 应尽能够短。 通常要求从 0FmaxFmax0，其时间应小于200ms，且不能有超调，否那么对机械部件不利，有害于加工质量。 t F tp 能可逆运转和频繁灵敏启停。能可逆运转和频繁灵敏启停。 系统的可靠性高，维护运用方便，本钱低。系统的可靠性高，维护运用方便，本钱低。 综上所述：综上所述：对伺服系统的要求包括静态和动态特性两方面；对伺服系统的要求包括静态和动态特性两方面；对高精度的数控机床，对其动态性能的要求更对高精度的数控机床，对其动态性能的要求更严。严。第二节第二节 进给伺服系统的位置检测安装进给伺服系统的位置检测安装一、概一、概 述述 组成：位置丈量安装是由检测元件传感器组成：

5、位置丈量安装是由检测元件传感器和信号处置安装组成的。和信号处置安装组成的。 作用：实时丈量执行部件的位移和速度信号，作用：实时丈量执行部件的位移和速度信号，并变换成位置控制单元所要求的信号方式，将运动并变换成位置控制单元所要求的信号方式，将运动部件现实位置反响到位置控制单元，以实施闭环控部件现实位置反响到位置控制单元，以实施闭环控制。它是闭环、半闭环进给伺服系统的重要组成部制。它是闭环、半闭环进给伺服系统的重要组成部分。分。 闭环数控机床的加工精度在很大程度上是闭环数控机床的加工精度在很大程度上是由位置检测安装的精度决议的，在设计数控机床进由位置检测安装的精度决议的，在设计数控机床进给伺服系统

6、，尤其是高精度进给伺服系统时，必需给伺服系统，尤其是高精度进给伺服系统时，必需精心选择位置检测安装。精心选择位置检测安装。1.进给伺服系统对位置丈量安装的要求进给伺服系统对位置丈量安装的要求高可靠性和高抗干扰性：高可靠性和高抗干扰性：受温度、湿度的影响小，任务可靠，精度坚持性好，受温度、湿度的影响小，任务可靠，精度坚持性好，抗干扰才干强；抗干扰才干强；能满足精度和速度的要求：能满足精度和速度的要求：位置检测安装分辨率应高于数控机床的分辨率一个位置检测安装分辨率应高于数控机床的分辨率一个数量级；数量级；位置检测安装最高允许的检测速度应数控机床的最高位置检测安装最高允许的检测速度应数控机床的最高运

7、转速度。运转速度。运用维护方便，顺应机床任务环境；运用维护方便，顺应机床任务环境；本钱低。本钱低。2. 位置检测安装的分类位置检测安装的分类按输出信号的方式分类：数字式和模拟式按丈量基点的类型分类：增量式和绝对式按位置检测元件的运动方式分类：回转型和直线型常用位置检测安装分类表数数字字式式 模模拟拟式式 增增量量式式 绝绝对对式式 增增量量式式 绝绝对对式式 回回转转式式 脉脉冲冲编编码码盘盘 圆光栅 绝对式脉冲编码盘 旋旋转转变变压压器器 圆感应同步器 圆磁尺 三速圆感应同步器 直直线线式式 直直线线光光栅栅 激光干涉仪 多通道透射光栅 直直线线感感应应同同步步器器 磁尺 三速感应同步器 绝

8、对磁尺 分类分类增量式绝对式圆感应同步器带型窄长型标准型增量式绝对式直线感应同步器二. 感应同步器感应同步器 感应同步器的构造及分类感应同步器的构造及分类 构造构造 sin cos 节距22mm 节距0.5mm41 绝缘粘胶 铜箔 铝箔 耐切削液涂层 基板(钢、铜)定尺定尺滑尺滑尺 感应同步器的任务原理感应同步器的任务原理. . 感应同步器是利用励磁绕组与感应绕组间发生相对位移时，由于电磁耦合的变化，感应绕组中的感应电压随位移的变化而变化，借以进展位移量的检测。感应同步器滑尺上的绕组是励磁绕组，定尺上的绕组是感应绕组。USU0U01USUSUSUS定尺滑尺1q 感应同步器的信号处置原理滑尺正旋

9、绕组上加激磁电压Us后，与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为： Uos=KUScos1滑尺余旋绕组上加激磁电压Uc后，与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为： Uoc=KUccos1+/2 =K Ucsin1滑尺正、余旋绕组上同时加激磁电压Us、 Uc时，感应同步器的磁路可是为线性的，根据叠加原理，那么与之相耦合的定尺 绕组上的总感应电压为： Uo =Uos+ Uos=KUScos1K Ucsin1 K 电磁感应系数 1 定尺绕组上的感应电压的相位角 滑尺与定尺滑尺与定尺 相对位移量相对位移量 x 的求取：的求取： 2: 2= x : 1 x = 1 结论：相对位移量结论：相对位移量 x 与与 相位

10、角相位角1 呈线性关系，只需能测出呈线性关系，只需能测出相位角相位角1 ，就可求得位移量，就可求得位移量 x 。根据滑尺正、余旋绕组上激磁电压根据滑尺正、余旋绕组上激磁电压Us、 Uc供电方式的不同供电方式的不同可构成不同检测系统可构成不同检测系统-鉴相型系统和鉴幅型系统。鉴相型系统和鉴幅型系统。 鉴相型系统的任务原理 在鉴相型系统中，激磁电压是频率、幅值一样，在鉴相型系统中，激磁电压是频率、幅值一样，相位差为相位差为 /2 /2的交变电压：的交变电压： US = Um sint UC = Um US = Um sint UC = Um costcost那么：那么： Uo =Uos+ Uos=

11、KUScos1 Uo =Uos+ Uos=KUScos1K Ucsin1K Ucsin1 = K Um sint cos1 = K Um sint cos1K Um K Um cost sin1cost sin1 = K Um sin = K Um sint t 11结论：只需能测出结论：只需能测出UoUo与与USUS相位差相位差1 1 ，就可求得，就可求得滑尺与定尺相对位移量滑尺与定尺相对位移量 x x 。鉴幅型系统的任务原理鉴幅型系统的任务原理 在鉴幅型系统中，激磁电压是频率、相位一样，幅在鉴幅型系统中，激磁电压是频率、相位一样，幅值不同的交变电压：值不同的交变电压： US = Um si

12、n2sint UC = Um US = Um sin2sint UC = Um cos2sintcos2sint 2= x 2 2= x 2 x 2 x 2是指是指令位移值令位移值 Uo = Uos+ Uos=KUScos1 Uo = Uos+ Uos=KUScos1K Ucsin1K Ucsin1 = K Um sin2 cos1sint = K Um sin2 cos1sint K Um K Um cos2sintsin1cos2sintsin1 = K Um sin = K Um sin2211sint sint 结论：只需能测出结论：只需能测出UoUo与与UCUC相位差相位差1 1 ，

13、就可求得滑尺，就可求得滑尺与定尺与定尺 相对位移量相对位移量 x x 。三. 脉冲编码器 脉冲编码器又称码盘，是一种回转式数字丈量元件，通常装在被检测轴上，随被测轴一同转动，可将被测轴的角位移转换为增量脉冲方式或绝对式的代码方式。根据内部构造和检测方式码盘可分为接触式、光电式和电磁式3种。其中，光电码盘在数控机床上运用较多，而由霍尔效应构成的电磁码盘那么可用作速度检测元件。另外，它还可分为绝对式和增量式两种。1. 增量脉冲编码器增量脉冲编码器 构造及任务原理构造及任务原理 abz码盘基片码盘基片透镜透镜光源光源光敏元件光敏元件透光狭缝透光狭缝光欄板光欄板节距节距AABBZZm+/4abz节距节

14、距AABBZZm+/4AAa 光电码盘随被测轴一同转动，在光源的照射下，透过光电码盘和光欄板构成忽明忽暗的光信号，光敏元件把此光信号转换成电信号，经过信号处置安装的整形、放大等处置后输出。输出的波形有六路： 其中， 是 的取反信号。AB90Z码盘转一圈AA 、ZZBB、ZBA、ZBA、输出信号的作用及其处置 A、B两相的作用根据脉冲的数目可得出被测轴的角位移；根据脉冲的频率可得被测轴的转速；根据A、B两相的相位超前滞后关系可判别被测轴旋转方向。后续电路可利用A、B两相的90相位差进展细分处置四倍频电路实现。ABCP90O Z相的作用 被测轴的周向定位基准信号；被测轴的旋转圈数记数信号。 的作用

15、后续电路可利用A、 两相实现差分输入，以消除远间隔传输的共模干扰。Z码盘转一圈ZBA、A增量式码盘的规格及分辨率增量式码盘的规格及分辨率 规格增量式码盘的规格是指码盘每转一圈发出的脉冲数；如今市场上提供的规格从 36线/ 转 到 10万线 /转 都有；选择：伺服系统要求的分辨率； 思索机械传动系统的参数。 分辨率分辨角设增量式码盘的规格为 n 线/转：n3602. 绝对式编码器绝对式编码器 构造和任务原理 码盘基片上有多圈码道，且每码道的刻线数相等；对应每圈都有光电传感器；输出信号的路数与码盘圈数成正比；检测信号按某种规律编码输出，故可测得被测轴的周向绝对位置。23222120 绝对编码盘的编

16、码方式及特点 二进制编码：特点：编码循序与位置循序相一致，但能够产生非单值性误差。 误差分析： 1111100023222120 格雷码循环码、葛莱码特点：任何两个编码之间只需一位是变化的，因此可把误差控制在最小单位上。但编码与位置循序无直接规律。23222120格雷码的编码方法它是从二进制码转换而来的，转换规那么为：将二进制码与其本身右移一位后并舍去末位的数码作不进位加法，得出的结果即为格雷码(循环码)。例题： 将二进制码0101转换成对应的格雷码： （雷格码）（右移一位并舍去末位（二进制码）01110100101绝对式码盘的规格及分辨率绝对式码盘的规格及分辨率规格绝对式码盘的规格与码盘码道

17、数 n 有关；如今市场上提供从 4道 到 18道 都有；选择：伺服系统要求的分辨率； 思索机械传动系统的参数。 分辨率分辨角设绝对式码盘的规格 n 道： n23603. 光电编码器的特点光电编码器的特点非接触丈量，无接触磨损，码盘寿命长，精度保证性好；允许丈量转速高，精度较高；。光电转换，抗干扰才干强；体积小，便于安装，适宜于机床运转环境；构造复杂，价钱高，光源寿命短；码盘基片为玻璃，抗冲击和抗震动才干差。第三节第三节 进给伺服驱动系统进给伺服驱动系统一、概述一、概述 进给伺服驱动系统：由进给伺服系统中的进给伺服驱动系统：由进给伺服系统中的 电机及其控电机及其控制和驱动安装制和驱动安装 组成。

18、组成。 电机：进给系统的动力部件，它提供执行部件运动所需电机：进给系统的动力部件，它提供执行部件运动所需的动力，在数控机床上目前常用的电机有：的动力，在数控机床上目前常用的电机有： 步进电机步进电机 直流伺服电机直流伺服电机交流伺服电机交流伺服电机直线电机。直线电机。 速度单元：电机的控制和驱动安装，通常驱动电机与速度控制单速度单元：电机的控制和驱动安装，通常驱动电机与速度控制单元是相互配套供应的，其性能参数都是进展了相互匹配，这元是相互配套供应的，其性能参数都是进展了相互匹配，这样才干获得高性能的系统目的。样才干获得高性能的系统目的。速度控制单元主要作用：接受来自位置控制单元的速度指令信号，

19、速度控制单元主要作用：接受来自位置控制单元的速度指令信号，对其进展适当的调理运算对其进展适当的调理运算(目的是稳速目的是稳速)，将其变换成电机转，将其变换成电机转速的控制量速的控制量(频率，电压等频率，电压等)，再经功率放大部件将其变换成，再经功率放大部件将其变换成电机的驱动电量，使驱动电机按要求运转。简言之：调理、电机的驱动电量，使驱动电机按要求运转。简言之：调理、变换、功放。变换、功放。进给驱动系统的特点与主运动主轴系统比较：进给驱动系统的特点与主运动主轴系统比较：功率相对较小；功率相对较小；控制精度要求高；控制精度要求高；控制性能要求高，尤其是动态性能。控制性能要求高，尤其是动态性能。二

20、、步进电机及其驱动安装、步进电机及其驱动安装 步进电机流行于70年代，该系统构造简单、控制容易、维修方面，且控制为全数字化。随着计算机技术的开展，除功率驱动电路之外，其它部分均可由软件实现，从而进一步简化构造。因此，这类系统目前仍有相当的市场。目前步进电机仅用于小容量、低速、精度要不高的场所，如经济型数控；打印机、绘图机等计算机的外部设备。三、直流伺服电机及驱动、直流伺服电机及驱动 直流电机的任务原理是建立在电磁力定律根底上的，电磁力的大小正比于电机中的气隙磁场，直流电机的励磁绕组所建立的磁场是电机的主磁场，按对励磁绕组的励磁方式不同，直流电机可分为：他激式、 并激式、 串激式、 复激式、 永

21、磁式。 20世纪8090年代中期，永磁式直流伺服电机在NC机床中广泛采用。直流伺服电机的特点过载倍数大，时间长； 具有大的转矩/惯量比，电机的加速大，呼应快。低速转矩大，惯量大，可与丝杆直接相联。调速范围大：1 2000。带有高精度的速度和角位置检测元件；电机允许温度达150以上，由于温升高，影响机床精度因转子惯性大，电源容量以及机械传动件的刚度都需相应增大。电刷、维护不便四、交流伺服电机及驱动、交流伺服电机及驱动 由于直流伺服电机具有优良的调速性能， 80年代初至90年代中，在要求调速性能较高的场所，直流伺服电机调速系统的运用不断占据主导位置。但其却存在一些固有的缺陷，即：电刷和换向器易磨损

22、，维护费事构造复杂，制造困难，本钱高 而交流伺服电机那么没有上述缺陷。特别是在同样体积下，交流伺服电机的输出功率比直流电机提高10%70%，且可到达的转速比直流电机高。因此，人们不断在寻求交流电机调速方案来取代直流电机调速的方案。 编码器编码器转子永磁体转子永磁体定子定子绕组线圈绕组线圈接线盒接线盒电机轴电机轴 1. 分类分类电磁式反应式磁滞式非电磁式交流同步伺服电机交流感应伺服电机交流伺服电机永永磁磁式式2. 交流伺服电机的速度控制单元交流伺服电机的速度控制单元 交流伺服电机转速 n 调速的实际根底结论：交流伺服电机变频调速的关键是要获得可调频调 压的交流电源电机的极对数转速的滑差率电源频率

23、:)(psfs1pf60ncos.2mICMkf444EUkf444E 调频调压电源的分类可控硅整流器逆变器整流器逆变器交变频器（直接式）交电流型交变频器（间接式）直交变频器电电压压型型电压型变频器方案表示图 电压型变频器任务原理 结论：变频器实现变频调压的关键 是逆变器控制端获得要求的 控制波形如SPWM波。LdUdT3T4T5T3T1T2CdUVWABCIPMPMSM三相220VPG+驱动维护电路开关电源单相220V编码器输入接口FPGA显示、按键光耦26LS3226LS31光耦光耦光耦263DSP(ADSP401)EEPROM串行通讯编码器输出信号输出输入脉冲接口RS232串型接口模拟接

24、口6AT89C52 控制波形的实现方式电机调速的控制方式：相位控制；矢量变换控制；PWM控制；磁场控制；第四节第四节 典型进给伺服系统典型进给伺服系统(位置控制位置控制). 开环进给伺服系统(Open-Loop System)不带位置丈量反响安装的系统；驱动电机只能用步进电机；主要用于经济型数控或普通机床的数控化改造A相、B相C相、A相、B相C相、f、nCNC插补指令脉冲频率f脉冲个数n换算脉冲环形分配变换功率放大步进电机1. 步进电机开环系统设计步进电机开环系统设计 步进电机开环系统设计要处理的主要问题：动力计算 、传动计算、 驱动电路设计或选择目的：传动计算选择适宜的参数以满足脉冲当量和进

25、 给速度F的要求。图中：f 脉冲频率HZ 步距角 度 Z1、Z2 传动齿轮齿数 t 螺距(mm) 脉冲当量mm步进电机Z1Z2tf， 传动比选择： 为了凑脉冲当量mm，也为了增大传送的扭矩，在步进电机与丝杆之间，要添加一对齿轮传动副，那么，传动比i=Z1/Z2与、 、t之间有如下关系： 例： = 0.01 t = 6 mm = 0.75t360ZZi21ti360 :25Z20Z2520800106750360t360ZZi2121. 进给速度F：普通步进电机：假设：=0.01 mm 那么：假设 =0.001mm 那么： 因此，当 一定时， 与成正比，故我们在谈到步进电机开环系统的最高速度时，

26、都应指明是在多大的脉冲当量下的 否那么是没有意义的。minmmf60FZH160008000fmaxminmaxmm96004800Fminmaxmm960480FmaxfmaxF2. 提高步进电机开环伺服系统传动精度的措施提高步进电机开环伺服系统传动精度的措施 概述概述 影响步进电机开环系统传动精度的要素：影响步进电机开环系统传动精度的要素：步进电机的步距角精度；步进电机的步距角精度；机械传动部件的精度；机械传动部件的精度；丝杆等机械传动部件、支承的传动间隙；丝杆等机械传动部件、支承的传动间隙；传动件和支承件的变形。传动件和支承件的变形。 提高步进电机开环系统传动精度的措施提高步进电机开环系

27、统传动精度的措施适当提高系统组成环节的精度；适当提高系统组成环节的精度；采取各种精度补偿措施。采取各种精度补偿措施。 传动间隙补偿 在整个行程范围内丈量传动机构传动间隙，取其平均值存放在数控系统中的间隙补偿单元，当进给系统反向运动时，数控系统自动将补偿值加到进给指令中，从而到达补偿目的。 螺矩误差补偿 滚珠丝杆在数控机床运用广泛，虽然滚珠丝杆精度较高，但是总不可做的绝对准确，总是将其精度控制在一定的范围内的，也就是它的螺距总是存在着一定的误差的，利用计算机的运算处置才干，可以补偿滚珠丝杠的螺矩累积误差，以提高进给位移精度。 方法：首先丈量出进给丝框螺距误差曲线(规律)，然后可采用以下两种方法实

28、现误差补偿：硬件补偿、软件补偿。二. 闭环、半闭环进给伺服系统 闭环进给伺服系统的实现方案分类和特征按系统的控制信号类型分： 模拟型系统、数字型系统 模拟型系统：特征：这类系统全部采用模拟元件构成；其输入控制 信号、输出的位置、速度信号也是模拟量；速度和 位置检测元也是模拟式的。特点：特点：抗干扰才干强，普通不会因峰值误差导致致命的误动作。抗干扰才干强，普通不会因峰值误差导致致命的误动作。可用常规仪器仪表示波器，万用表等直接读取信息，可用常规仪器仪表示波器，万用表等直接读取信息， 易于随时把握系统任务的根本情况。易于随时把握系统任务的根本情况。对弱信号信噪分别困难，控制精度的提高遭到限制。对弱

29、信号信噪分别困难，控制精度的提高遭到限制。在零点附近容易遭到温度漂移的影响，使位置控制产生在零点附近容易遭到温度漂移的影响，使位置控制产生漂移误差。漂移误差。位置、速度调理器的构造和参数调整困难，顺应负载变位置、速度调理器的构造和参数调整困难，顺应负载变化的才干较差。化的才干较差。 模拟系统这种本质缺陷，使它很难满足高精度位置伺模拟系统这种本质缺陷，使它很难满足高精度位置伺服控制的要求，目前已逐渐被数字伺服系统所取代。服控制的要求，目前已逐渐被数字伺服系统所取代。 数字型系统： 特征：这类系统是指至少其位置环控制与调理采用数字控制技术，即位置指令和反响信号都不再是模拟信号 改用数字信号逻辑电平

30、脉冲信号的系统。特点：特点：可以经过添加数字信息的字长，来满足要求的控制精度。可以经过添加数字信息的字长，来满足要求的控制精度。对逻辑电以下的漂移、噪声不予晌应，零点定位精度可以得对逻辑电以下的漂移、噪声不予晌应，零点定位精度可以得到充分保证。到充分保证。容易对其构造和参数进展修正根据控制要求，且易于与容易对其构造和参数进展修正根据控制要求，且易于与计算机进展数据交换。计算机进展数据交换。噪声峰值大于逻辑电平常，对数据的最高位和最低位的干扰噪声峰值大于逻辑电平常，对数据的最高位和最低位的干扰出错程序是一样的，这种错误能够导致系统致命的危害。出错程序是一样的，这种错误能够导致系统致命的危害。传送

31、数据的数字电路要求具有很宽的频带。以保证脉冲上、传送数据的数字电路要求具有很宽的频带。以保证脉冲上、下降沿有足够的峻峭度。下降沿有足够的峻峭度。抑制干扰、防止数据出错，是数字伺服系统设计胜利的关键。抑制干扰、防止数据出错，是数字伺服系统设计胜利的关键。2. 数字伺服系统的类型全数字型系统数字模拟混合型数字型系统全软件型系统半软件型系统全硬件型系统 全硬件伺服系统全硬件伺服系统全硬件伺服系统又称脉冲比较伺系统，其典型的组成全硬件伺服系统又称脉冲比较伺系统，其典型的组成方式如下图：方式如下图：_ NC装 置F/V偏向计数器D/A速度控制与驱动单元A、B、Z+_+整形.倍频.辨向任务台PG电机Z构成

32、：该系统中，位置闭环的控制与调理运算主要由偏向计数器构成：该系统中，位置闭环的控制与调理运算主要由偏向计数器普通为可逆计数器和普通为可逆计数器和D/A完成。完成。柔性差：系统全由硬件构成，使得它的各调理器参数在机电联调柔性差：系统全由硬件构成，使得它的各调理器参数在机电联调整定后就固定下来了，不易改动，这对负载惯量变化不大的位整定后就固定下来了，不易改动，这对负载惯量变化不大的位置伺服系统如车床刀架进给控制，可获得称心的控制性能置伺服系统如车床刀架进给控制，可获得称心的控制性能指。而对某些负载惯量较大的系统，那么很难在整个范围内指。而对某些负载惯量较大的系统，那么很难在整个范围内负载惯量变化都

33、获得称心的控制效果。负载惯量变化都获得称心的控制效果。零漂将影响精度：这类系统依托零漂将影响精度：这类系统依托D/A，将位置调理输出的数字量转，将位置调理输出的数字量转化成模拟电压作速度指令信号。提供应速度伺服单元，因此，化成模拟电压作速度指令信号。提供应速度伺服单元，因此，其零点漂移将影响定位精度。其零点漂移将影响定位精度。 半软件型伺服系统半软件型伺服系统 这种系统的位置控制采用软硬件组成，速度控这种系统的位置控制采用软硬件组成，速度控制仍采用模拟方式，系统组成如下图：制仍采用模拟方式，系统组成如下图：+调理运算零漂补偿硬件速度控制与驱动单元D/A软件位置控制ZA、BD0-+-F/V倍频计

34、数器任务台PG电机+DAV1SV0U0UADU实践位置计算DA指令位置计算D0 / nZ位置控制的软件现可以由NC安装的CPU实现，也可以由位置控制板上自带的CPU实现。位置控制的调理运算部分由软件实现，添加了灵敏性：调理器的参数可以经过进展修正、设定调理算法可以采用较复杂的算法，以提高控制性能变构造、变增益可添加许多辅助功能缺点诊断、脉冲当量变换等零点漂移可经过软件进展补偿由于这种系统的速度单元仍是模拟型的，全硬件型系统中存在的问题并未明显处理，如它的内环参数速度、电流和位置环中D/A转换器的位数依然是固定的。因此难以兼顾负载惯量大的变化。不过，由于利用软件采用一些补偿措施，这就使得半软件位

35、置伺服系统的位置控制精度和控制性能要高于全硬件型的位置伺服系统。 全软件位置伺服系统全软件位置伺服系统 这种系统是指除电流环仍为模拟构造外，位置、这种系统是指除电流环仍为模拟构造外，位置、速度控制均由微机经过控制软件来实现，系统组速度控制均由微机经过控制软件来实现，系统组成如下图：成如下图： NC系统微机位置、速度控制(D/A输出)模拟电流控制与功放整形.信频.辨向A、BZ任务台PG电压图中的微机位置、速度控制既可以是单微机，又可以是双微机一个是位置控制，另一个是速度控制。不过系统中的微机常由单片机来构成。由于微机的运用，使系统的控制更加灵敏，其特点是：位置、速度调理器的构造和参数可以按任务环

36、境自动进展切换，使之顺应负载变化的才干显著加强，运用优化实际还可使调理器的参数自动化，使系统可驱动不同的执行机械，通用化程度大大提高。其他同半软件型系统。这种系统的输出经过D/A转换成模拟电压作为电流指令送往模拟电流环，这样，模拟量的零点漂移只会使电流指令产生微小的变化，普通这种变化缺乏以产生驱动伺服电机运动的力矩，也不会对位置控制精度产生不良影响。由于电流环的构造和参数还是固定的，所以还不能经过微机改动控制战略，以获得较理想的控制效果。由于该系统任务可靠，构造紧凑，控制性能也优于前述两种系统，使得它在80年代中期以来的交、直流位置伺服系统的产品中逐渐占据了主导位置，成为位置伺服系统的首选方案

37、。 全数字位置伺服系统全数字位置伺服系统 自以软件位置伺服系统诞生以来，人们就不断自以软件位置伺服系统诞生以来，人们就不断努力于用软件尽能够多地去取代硬件的任务，以努力于用软件尽能够多地去取代硬件的任务，以降低本钱，提高性能。随着可直接用逻辑电平控降低本钱，提高性能。随着可直接用逻辑电平控制通断的电子半导体器件制通断的电子半导体器件功率晶体管，功率功率晶体管，功率场率应管的商品化，以及高性能单片机的出现，场率应管的商品化，以及高性能单片机的出现，使得全数字位置伺服系统的实现成为现实。使得全数字位置伺服系统的实现成为现实。 NC安装单片微机位置速度电流控制(PWM输出)晶体管放大器电流检测整形.

38、信频.辨向A.B任务台PG电压一种全数字、采用脉宽调制PWMpulse width modulation控制的位置伺服系统如以下图所示。系统的一切控制调理全部由软件完成，最后直接输出逻辑电平的脉宽调制控制信号驱动功率晶体管放大器，对伺服电机进展控制，完成位置控制义务。调理器的全部软件化使控制实际中的许多控制思想和手段，包括经典的、现代的、智能的等新型的控制方法都可以衩方便地引进来，例如：鲁棒控制、自顺应控制、变参数控制、变构造控制、神经网络控制、模糊控制、专家系统控制等等。还可以完成参数的自动优化和缺点的自动诊断等，使系统控制性能能进一步得到提高。3. 典型闭环伺服系统例如典型闭环伺服系统例如

39、以半软件型位置伺服系统为例+调理运算零漂补偿硬件速度控制与驱动单元D/A软件位置控制ZA、BD0-+-F/V倍频计数器任务台PG电机+DAV1SV0U0UADU实践位置计算DA指令位置计算D0 / nZ这里仅引见位置控制单元，速度控制前面已引见了 位置控制软件部分的义务：指令位置计算含反向间隙、螺距误差补偿、限位处置实践位置计算反响累积跟随误差计算调理运算零点漂移补偿指令位置计算反向间隙、螺距误差补偿、限位处置：开场)(eB000nDDD?maxminDDD0超程报警处置执行下一个义务NY实践位置计算反响累积跟随误差计算调理运算零点漂移补偿AAADDDA0DDDDfV1SVV10硬件部分的义务

40、硬件部分的义务系 统 总 线数 字 接 口计 数 器锁 存 器光 电 隔 离 器 件D/A转换器方向控制与 功率放大频率/电压F/V 转换电路方向控制与功率放大展宽选通电路反响脉冲倍频电路幅值比较电路位置反响脉冲速度反响电压速度指令电压CKABZQU0AA*BB*ZZ*UAZV0+-DA-+第五节第五节 伺服系统性能分析伺服系统性能分析 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，进展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

41、点一. 控制系统的普通构造及传送函数控制系统的普通构造及传送函数R(S)输入信号C(S)输出信号E(S)偏向信号M(S)控制量 B(S)反响信号N(S)噪声信号G1(S)控制系统传送函数G2(S)被控对象传送函数H(S)反响系统传送函数G1(S)G2(S)H(S)R(S)B(S)E(S)N(S)M(S)C(S)+-+ 开环传送函数：反响与偏向之比 闭环传送函数：输入与输出之比 干扰的闭环传送函数：输出与噪声之比 系统误差的函数：偏向与输入之比SHSGSGSESBSG21KSG1SGSGSHSGSG1SGSGSRSCSGK212121BSG1SGSHSGSG1SGSNSCSGK2212NSG11

42、SHSGSG11SRSESGK21N二、进给伺服系统的数字模型及传送函数二、进给伺服系统的数字模型及传送函数闭环进给伺服系统的普通构造：闭环进给伺服系统的普通构造：位置控制调理器速度控制调理与驱动位置检测单元位置控制单元速度控制单元+-电机机械执行部件CNC插补指令UgUpUmDXD速度检测安装mXAXCXDD1. 位置控制单元的数学模型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，位置调理器普通采用比例调理，放大系数为KN，那么有：取拉氏变换得： 构造框图：0fPCNACNNPXKXKXXKDKU SXKSXKSU0fPCNPKNKfP+X0XAXCUp2.

43、速度控制单元的数学模型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，速度调理器通常采用PI调理，驱动放大是比例环节，假设忽略非线性和滞后特性的影响，可视它们为比例环节，那么传送函数为KA ，速度反响环节的传送函数为KV ，那么有：取拉氏变换得：构造框图：mVPAGPAKUKUUKU sSKSUKUmVPAKASKV+UGUPUmU3. 直流伺服电机的数学模型直流伺服电机的数学模型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LRmmmmmMkk1kTU式中： Tm=RaJ a

44、/ KeKT 电机的机械时间常数 Km=1 / Ke 电机的增益系数 KR=Ra / KT 2FLJMmLL SF2LSSJSM2mLL拉氏变换得：SF2LSSJKSUS11STKMS11STKKSUS11STKSm2LRmmLmRmmmm构造框图：1STkmmS12LSJ2LRK SFm SUm+ SML 由此可知：电机输出的角位移由两部分组成，一是无负载时由控制U(S)的鼓励而产生的输出，另一部分是由负载的扰动产生的输出。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. 机械传动与执行单元的数学模型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

45、角位移m，输出为任务台的线位移X0，其机械系统力平衡方程为：0mD0r0X2LKFXCXmCrCDFFF SFKSCmS1SKSCmSK2LSXDr2mr20拉氏变换：构造框图：构造框图：2LK SX0m SXSCmS1r2 SFD+ SF由此可知，机械系统可视为一个二阶振荡环节。由此可知，机械系统可视为一个二阶振荡环节。5. 整个进给伺服系统的数学模型整个进给伺服系统的数学模型由图可知：X0 是对XC 和FD 两个鼓励的呼应，根据叠加原理，可先分别求出每个鼓励单独作用的呼应，然后进展叠加。KNKfP+XAXCKASKV+UGmU1STkmmS12LSJ2LRK SF SUm+ SML2LK

46、SX0m SXSCmS1r2 SFD+ SFUp2L)158,pheeddcba均与书上一样（式中：当FD=0时，仅有XC 鼓励的传送系数 heSdScSbSaShXXSGC23450闭环 hSeSdcSbSaShXXSGC23450半闭环 当XC , FD同时鼓励时系统的呼应 1120SGKKKKKKSCmSSFSXSGSXANRPrDC闭环 1120SGKKKKKKSCmSSFSXSGSXANRPrDC半闭环三、进给伺服系统的性能分析三、进给伺服系统的性能分析 系统增益 KS (开环增益，速度增益) SDFKS1定义： KS 是进给伺服系统的重要性能参数，为了阐明其物理意义，可对上述系统进

47、展一些简化： 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，那么： 系统的时间常数则：时，当令:11112220SSSfPSMANfPMANMANCKTTSKSKSGKKLKKKKLKKKSLKKKSXSXSGXCKNKAKfPKMS12L+-DUPUmX0mKSKS对系统动态性能的影响对系统动态性能的影响 进给伺服系统的输入通常是斜坡鼓励： TtSTttKTtCCCFeKeTFSXFTSSXSeFeFSXSFTSSSXSFTSSXSGSXSFSXFttXS0020020211111111FT1/KSt0XKSFT1/KSt0X 讨论 KS 与输出速度 的关系

48、 当KS 时， 到达 F 所需的时间越短，系统的呼应加快，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，它使系统的呼应加快，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，加速度太大也能够系统超调，引起系统失稳。 tX0 tX0 tX0 tX0 KS 与跟随误差D 的关系。 SSStCCKFFTTSSFSFSLimSDSLimSDLimTSSFSFSXSXSDtXtXtD111122002200由终值定理得： KS D 即：有利于提高系统的跟随精度。结论： KS的选择，要综合思索，折衷选取，才干获得优良的综合 性能。 KS的初

49、选方法 在工程调试中，KS 可按以下方式初选： 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LmmLmmSMMnGDGDTTK3751,30min22 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，允许用户根据详细情况选定，以满足系统的稳定性和快速度性的要求。2LKKKKmANS2. 定位精度定位精度 定位精度的检查通常是在空载的情况进展的，即无

50、负载力Fc =0。只需摩擦力，而且系统接受的是阶跃位置指令，即： SASXSTLFSFSFCccrcrD2 1120SGKKLKKKScmSSFSXSGSXSXSXSEANRrDCCCq 闭环系统的定位误差为： 122211220200SGLimFKKLKTLFKKLKSGKKLKKKScmSSTLFSASGSASLimSSELimtELimScrANRccrANRANRrccrSSt由终值定理得： 半闭环系统的定位误差 1122121220200SGLimFKKKLKTLFKKKLKSGKKLKKKScmSSTLFSASGSASLimSESLimtELimScrANRccrANRANRrcc

51、rSSt 讨论 由 可知，为减小定位误差可采用以下措施：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 ，其本质增大KS (在系统稳定的范围内)。减小KR =Ra / KT，即选择 KT 大的伺服电机。在半闭环系统中，要尽能够增大传动机构的刚度K，这是由于当K较小时，将产生较大的弹性变形，从而加大定位误差。 tEtE和四、进给伺服系统参数的匹配四、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。从实际上讲，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任务条件复杂多变，尤其是机械系统的阻尼、刚度

52、、惯量等参数，尚无完善的计算方法。因此在进展设计和调试时，除必要的实际计算外，还必辅之以实验分析和类比法，利用已有的系统的参数和阅历数据进展新的设计，这是目前常用的方法。下面定性分析和引见几个重要参数对系统性能影响及其确定方法。1. 阻尼阻尼 阻尼主要与伺服驱动安装的电感、电阻、电机机械部件、机阻尼主要与伺服驱动安装的电感、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：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：阻尼大那么阻尼大那么系统的伺服刚度高，抗干扰才干强，稳定性高。系统的伺服刚度高，抗干扰才干强，稳定性高。系统的定位精度低，定位的离散程度大。系统

53、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思索。例如，采用滚动、静压导轨就是减少机械系统的阻衷思索。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，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，如今有些进给系统设置了可调阻尼器，或者采用软件因此，如今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动系统的阻尼参数。的方法来改动系统的阻尼参数。2. 惯量惯量执行部件的惯量越小越好，由于惯量越大，时间常数执行部件的惯量越小越好，由于惯量越

54、大，时间常数越大，系统的灵敏度变差，且固有频率降低越大，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，易发生共振。但由于刚度、强度等方面的缘由，惯量的降低遭到的限制。普通要求交流的缘由，惯量的降低遭到的限制。普通要求交流伺服电机：伺服电机： 式中：式中： JL ：传动部件折算到伺服电机输出轴：传动部件折算到伺服电机输出轴上的惯量上的惯量 Jm：电机的惯量：电机的惯量 要满足这一要求有两个途径：要满足这一要求有两个途径： 尽能够使执行部件折算到电机轴上的惯量减小。尽能够使执行部件折算到电机轴上的惯量减小。 尽能够运用本身惯量大的电机为驱动源。尽能够运用本身惯量大的电机为

55、驱动源。121mLJJJKn3. 刚度刚度 K 与固有频率与固有频率 n 刚度是指系统抵抗变形的才干，即：刚度是指系统抵抗变形的才干，即： K = F / e开环系统：开环系统：K 失动量失动量系统的死区系统的死区闭环系统：闭环系统：K n 系统的稳定性系统的稳定性 系统的固有频率系统的固有频率 n是系统动刚度的重要参数，应是系统动刚度的重要参数，应留意：留意：机械传动机构的机械传动机构的 n伺服驱动系统伺服驱动系统 n 的的2-3倍。倍。各个环节的各个环节的 n应相互错开，以免发生振动耦合景应相互错开，以免发生振动耦合景象。象。各个环节的各个环节的 n应避开系统的任务频率范围，以免在应避开系统的任务频率范围，以免在任务频率