数控技术伺服课件

6、纪律是自由的第一条件。——黑格尔7、纪律是集体的面貌，集体的声音，集体的动作，集体的表情，集体的信念。——马卡连柯8、我们现在必须完全保持党的纪律，否则一切都会陷入污泥中。——马克思9、学校没有纪律便如磨坊没有水。——夸美纽斯10、一个人应该：活泼而守纪律，天真而不幼稚，勇敢而鲁莽，倔强而有原则，热情而不冲动，乐观而不盲目。——马克思数控技术伺服数控技术伺服6、纪律是自由的第一条件。——黑格尔7、纪律是集体的面貌，集体的声音，集体的动作，集体的表情，集体的信念。——马卡连柯8、我们现在必须完全保持党的纪律，否则一切都会陷入污泥中。——马克思9、学校没有纪律便如磨坊没有水。——夸美纽斯10、一个人应该：活泼而守纪律，天真而不幼稚，勇敢而鲁莽，倔强而有原则，热情而不冲动，乐观而不盲目。——马克思数控技术伺服6.6位置控制原理采用直流伺服电机的半闭环和闭环系统如下：

当指令位置到达终点时，△Di≠0，电机并未立即停止，直到△Di＝0，Voi＝0电机n＝0。实际上△Di是实际检测位置滞后指令位置的滞后量，电动机的转动就由△Di控制的。

ti时刻瞬时位置指令值Doi与瞬时值DAi，差值△Di即为位置偏差。

由于实际速度势逐渐上升到Fg值的，按同一脉冲当量换算或数字量的实际位置值按曲线I变化。实际位置总是滞后于指令位置。加速时fi<fs

，T时间内加速后倍率有关fI+1=fs，加速完毕加速：在限定时间T内速度增加到F值（减速是逆过程）加速度坐标的移动速度，根据程序指令速度F(mm/min)而定。F增大，每次插补运算得出坐标增量值△Doi增大，使△Di增大，从而

电机Voi增大n增大，反之亦然。在FANUC7M系统中，加减速时，有专门的加减速控制程序（控制插补

的速度因子）。加速时，每次插补运算时需要的速度因子fi。（t=

8ms

系统每次插补运算时间）加

程序中，指令速度为F(mm/min)，加减速后速度稳定时，每一插补时间内的速度因子fs(mm/8ms)硬件部分：由速度指令寄存器、计数器、模拟开关、滤波放大器等组成。即把数字量速度指令值Voi转换成直流电压速度控制单元控制电机转动。

6.6.2位置控制装置位置控制单元分为软件和硬件两部分。软件部分：完成位置偏移量△Di和速度指令值Voi的计算；由于位置控制电路和速度控制电路存在零点误差，当给定速度指令电压为0时，速度控制电路的输出电压不为0，电机n≠0，均在软件中加一个零

偏移

△S，

后使△Di＝0，n＝0。

在FANUC7M系统中，每隔8ms进行一次插补运算，故计算出8ms的坐标移动量△Doi，取其一半（4ms的坐标移动量），故算出:1.软件部分瞬时指令位置位置偏移量为为了提高系统灵敏度，乘KD即速度给定值（Voi—速度指令值；KD—增量）Voi变换

Vpi（速度指令

电）变换Voi控制电机旋转。电机转动使工作

获得一个运动速度Fi，则有7m系统采用测速发电机作为速度反馈元件，即联利上式得到速度环增

KL的值可在一定范围内变动，KL值取20，40···几种。若KL增大，速度增量增大，为了某一进给速度所产生的位置偏差△Di减小，单位偏差量控制的速度亦增大。已知，测速发电机测量电压E＝7V/1000r/min，伺服电机10mm／r，即L＝10mm（即参量

倍率增大211×103）设速度增

K＝20S－1，则系数常数若速度指令值Voi＝8000，则位置偏移量设计系统时，Kp为常量，直流伺服电机选定后，K’p值亦固定了。存放速度指令值Voi，D0～D13，14个数据位，D13为符号位可寄存的指令最大值；每1/2插补周期(4ms)软件部分计算一次位置偏移量△Di和速度指令值Voi，即每4ms速度指令寄存器得到一个新值。2.硬件部分由速度指令寄存器，4位粗计数器、9位精计数器。模拟开关和电压放大部分组成，构成D/A转换装置。1）速度指令寄存器速度指令存放器：D0~D8精计数器，f1＝4mHZ，最大计数值512，每减一个数的时间为512数的计数时间D9~D12粗计数器，f2＝125KHZ，最大数为16，每减一个数8μm最大数为16，计数时间

故粗精计数器的计数周期为128μs，即每隔128μs，速度指令寄存器

流向两个计数器同时逆一次数。4ms内逆约33次（34次）三个标准电压＋5V，＋2.5V，0V接三个传输器的A、B、C的输入端；三个的控制信号来自于计数器符号位SN及计数器三个输出接于一起。2）模拟开关分析：符号位SN调宽脉冲mp门1门2控制端输出VNpABC1101＋－－＋5V1100－－＋0V0或1011－＋－＋2.5V调宽脉冲MP的正、负与计数器的计数值大小有关。粗精计数器均为减法计数器显然计数器越大值越大高电平越宽，即每一个置数周期125μs内）输出一个方波。开始置数计数器减为0TT即当精计数器值为511时负半周为0，T＝128μs精计数器为15时负半周为0，T＝128μs模拟开关输出电压Np，与计数器输出方波对应，即正半波时Mp＝1，Mp输出的直流平均电压VNp为当SN＝0当SN＝1调宽脉冲Np经滤波放大后，得到一幅值的直流电压，即速度指令电压Vpi。3）滤波放大电路即两个运放T1、T2及电阻电容组成滤波放大电路的输出为速度指令电压Vpi当VNPC（粗计数器输出）＝VNPF（精计数器输出）＝2.5V，Vpi＝0代入有关值得到：即a.当VNP＝0V，VNPC＝VNPF＝0V时，Vpi＝10.625V，这相当于正向速度指令值Voi＝＋8191的指令电压，伺服电机获得最高正转速；b.当Mp＝0，VNPC＝VNPF＝2.5V，Vpi＝0V；

c.当VNP＝0V，VNPC＝VNPF＝5V，Vpi＝－10.625V，相当于Voi＝－8191伺服电机获得最高负向转速。6.7数控进给伺服系统的建模及伺服性能分析数控进给伺服系统，接受数控系统发出的位置与速度指令，驱动执行部件在一定的切割参数下进行加工。从控制角度：输入——位置指令干扰输出——与切削有关的负载输出——机构的角位移或线位移位置进给系统的特性：静态特性及负载作用的动态特性，设计系统时，主要分析主的动态特性。结构框图如下：6.7.1进给伺服系统建模建模时忽略一些次要因素，（集中参数代替分布参数，线性系统代替非线性系统，单自由度系统代替多自由度系统等）。以直流伺服闭环伺服进给系统为例速度调节器传递函数G2(S)＝K2。组成环节的的传递函数1）比较环节速度环为：C2＝Cf－B2；位置环为：C1＝R－B1；2）调节器进给系统中，一般采用P或PI调节器；为分析方便，采用P调节位置调节器传递函数G1(S)＝K1；3）功效功效是一个延迟环节，即TS很小，故认为是P环节，速度调节器和功效，放大环节。GS(S)＝Kn位置反馈的传递函数：HP(S)＝KP4）反馈环节该环节可认为P环节，比例系数即转换系数速度反馈的传递函数：HV(S)＝KV5）直流电动机电枢控制式直流伺服电机，其工作原理如下：即动态电压平衡方程为(6－28)(6－29)式中：KE—电动机反电动式常数(VS/rad)若忽略电机轴上的负载转矩，转矩平衡方程为：(6－30)式中：Jm—电机轴上转动惯量(S2Nm)fm—电机

阻

系数(SNm/rad)MA(t)—电磁转矩MA(t)＝KmiA(t)(6－31)式(6－31)代入式(6－30)，且求则(6－32)联立上式，消去中向变量则

(6－33)电动机的传递函数为GA(S)(6－34)式中：设电动机转速为ω(t)，即直流伺服电机空载状态传递函数方块图6）机械传动装置输入：θ(t)电机的转角输出：θs(t)丝杠的输出转角，将机械传动的刚度、惯量、

折算到丝杠上。(6－35)式中：JS—折算到丝杠上的等效转动惯量(S2·Nm)fS—折算丝杠上的

系数(S·N·m/rad)MS(t)—丝杠上的驱动转矩(N·m)(6－36)式(6－36)代入式(6－35)得到(6－37)工作位移(6－38)对上两式取L变换，整理后得到(6－39)式中：进给伺服系统为一个五阶系统2.进给伺服系统的传递函数方块图如下：简化后系统的传递函数为：对于线型系统在

域内的稳定判据是采用代数稳定性判据是采用代数稳定性判据（劳斯－霍维茨稳定性判据）。进给伺服系统的性能优劣从几方面衡量：稳定性、瞬态响应指标（快速性）及稳态精度（伺服精度）。6.7.2进给伺服系统性能分析1.系统的稳定性稳定性：即系统在

的偏离稳定状态的扰动作用中止之后，返回原来稳态的性质。稳定性是数控机床工作的重要条件，若系统不稳定，系统根本无法正常工作，讨论其主指标毫无意义。由于电感量很小（LA）忽略，则系统可简化为一个四阶系统，对于一个特正方程式为四阶的系统稳定的条件是特正方程式的系数、···均>0，且满足

(6－40)

将对应系数值代入上式，可以看出稳定的变化趋势，这里影响稳定因素有九个：①位置调节器增

：K1；②速度反馈系数：KV；③位置反馈系数：Kp；④机械

刚度：KS；按(6－40)判断，提出影响度，从设计上修正。⑤转动惯量：JS；⑥阻

系数：fS；⑦电机力矩系数：Km；⑧速度放大增：Kn；⑨电枢电阻：RA。K＝12～20dB在设计进给伺服系统时，除了要求系统是稳定的，还必须具备相对稳定性，及稳定程度。稳定性

量有相位

量及增益

量。数控机床：点位控制系统

相位

量r＝50°增

量Kg＝5～10dB连续控制系统r＝50～60°GK2(S)GK0(S)可以采用

内的瞬态响应指标，也可以采用

域内分析——频率特性法。对于高阶系统，当调整时间，ωC增大，可提高系统的快速性。2.系统的瞬态响应指标方框图简化后得到：图中：则开环系统的频率特性为：式中：故开环系统由：一个放大环节KK，一个积分环节(jω)－1，两个振荡环节组成。对数幅

特性为：

从下图看出当开环增

KK增大，交点频率ω，交点频率ω增大C增大，提高了系统的快速响应性（，ωC增大，TS减小），但从相频特性来看ωC增大，相位量λ减小，使系统的稳定性变坏；所以系统稳定性和快速性是一对矛盾，要合理调整。影响因素：位置测量误差及系统误差（与输入信号的形式和大小，系统的结构和参数有关）。3.系统伺服精度伺服精度：系统在稳态时，指令位置与实际位置的偏差程度。控制系统的稳态误差：设系统的开环传递函数:式中：V—整数（V＝0，1，2，···）；KV—开环系统的放大倍数。

Qm(S)、Pn(S)是m次、n次多项式，且n>m，S零次项系数＝1，由G(S)求得的误差传递函数忽略次要后，代入上式进行分析，为了消除扰动输出引起的误差，可以采用前馈控制法。从理论上讲，可根据系统的要求与系统的数学模型，确定系统的有关参数。但进行伺服系统的结构形成和工作条件

多变，尤其是机械系统的阻

、刚度、惯量等参数，尚无完善的

与可靠的数据根据，故除理论计算外，还辅以实验分析。4.进给伺服系统参数正配1）阻进给系统的阻

：伺服系统中电感、电阻；电动机的机械部件，机械传动的摩擦阻，求阻

。

阻

在系统中的作用：采用可调阻

的阻

器，以控制阻

的大小。a.阻

大定位精度低，定位的离散度大；b.阻

大系统的动态

度小，伺服刚度高