【正文】 緒 論 ? 運(yùn)動(dòng)控制概念 ? 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程特點(diǎn) ? 伺服控制技術(shù)的發(fā)展 ? 伺服系統(tǒng)的組成 ? 伺服系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo) ? 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容與步驟 運(yùn)動(dòng)控制概念 ? 運(yùn)動(dòng)控制起源于早期的伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù) ,隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展 ,原有的電氣傳動(dòng)控制的概念已經(jīng)不能充分反映現(xiàn)代自動(dòng)化系統(tǒng)的控制體系。 ? 因此 1988 年前后 ,國(guó)際上開(kāi)始出現(xiàn)“運(yùn)動(dòng)控制” (MOTION CONTROL)這一名稱(chēng)。 ? 運(yùn)動(dòng)控制是指在復(fù)雜條件下 ,將預(yù)定的控制方案、規(guī)劃指令轉(zhuǎn)變成期望的機(jī)械運(yùn)動(dòng) ,實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)精確的位置控制、速度控制、加速度控制、轉(zhuǎn)矩或力的控制 ,它是控制電機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等多學(xué)科的交叉應(yīng)用技術(shù)。 運(yùn)動(dòng)控制概念 ? 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可分為強(qiáng)電 (功率變換 )和弱電(信號(hào)處理與控制 )兩部分 ,前者依賴(lài)于電力電子器件 ,后者決定于控制器件。 ? 運(yùn)動(dòng)控制的控制器件經(jīng)歷分立電子元件、集成電路等發(fā)展階段 ,直至微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn) ,使控制器件發(fā)生了飛躍 —— 由硬件電路發(fā)展到軟件控制 ,運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)也隨之進(jìn)入微機(jī)控制全數(shù)字的新階段。 運(yùn)動(dòng)控制概念 ? 一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要的性能指標(biāo)一般為 :動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性、穩(wěn)態(tài)跟蹤的高精度以及行為的魯棒性。 ? 這些指標(biāo)是一個(gè)統(tǒng)一的整體 ,是實(shí)現(xiàn)一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)所在。 ? 目前高性能的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)在數(shù)控加工等應(yīng)用領(lǐng)域上所面臨的主要問(wèn)題 : ? 一是在存在擾動(dòng)、非線性、模型和參數(shù)不確定性的情況下如何設(shè)計(jì)高性能的控制器 。 ? 二是如何實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性和狀態(tài)監(jiān)控。其運(yùn)動(dòng)控制性能的獲得和問(wèn)題的解決不僅意味著執(zhí)行機(jī)構(gòu)和儀器等方面的先進(jìn)技術(shù) ,更重要的是新型控制策略的應(yīng)用。 數(shù)控系統(tǒng)及其伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù) ? 機(jī)床領(lǐng)域的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)稱(chēng)為數(shù)控 —— 即數(shù)字控制 ,指數(shù)字信號(hào)對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)及其加工過(guò)程進(jìn)行控制的一種方法 ,如果采用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)部分或全部數(shù)控功能 ,則稱(chēng)為計(jì)算機(jī)數(shù)控。 ? 數(shù)控系統(tǒng)一般由計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置 (CNC 裝置 )、伺服驅(qū)動(dòng)裝置、位置檢測(cè)裝置、可編程控制器 (PLC)、輔助控制裝置及輸入 /輸出與通信接口等部分構(gòu)成。 數(shù)控系統(tǒng)及其伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù) ? 數(shù)控裝置 (CNC):是數(shù)控系統(tǒng)的核心 ,它的主要功能是將輸入的數(shù)控加工程序 經(jīng)過(guò)輸入、緩存、譯碼、寄存、運(yùn)算、存儲(chǔ)等轉(zhuǎn)變成控制指令實(shí)現(xiàn)直接或通過(guò)可編 程邏輯控制器 (PLC)對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制。 ? 輸入 /輸出裝置 :是數(shù)控系統(tǒng)和操作人員進(jìn)行信息交流所必須具備的交互設(shè)備 , 最基本的輸入 /輸出裝置是鍵盤(pán)、顯示器等 ,系統(tǒng)可通過(guò)鍵盤(pán)輸入程序、編輯修改 程序和發(fā)送操作命令 。顯示器為操作人員提供必要的信息 ,根據(jù)系統(tǒng)所處的狀態(tài)和操作命令的不同 ,顯示的信息可以是在編輯的程序 ,或是機(jī)床的加工信息。 數(shù)控系統(tǒng)及其伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù) ? 檢測(cè)裝置 :即反饋元件 ,是半閉、閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)有的反饋裝置。由測(cè)量元件和顯示環(huán)節(jié)組成 ,顯示位移量的標(biāo)值。檢測(cè)精度和穩(wěn)定性對(duì)于系統(tǒng)的控制精度有著決定的影響。 ? 可編程控制器 (PLC):用來(lái)進(jìn)行邏輯運(yùn)算、順序控制、算術(shù)運(yùn)算等 ,并將操作指令輸出 ,順序控制的受控對(duì)象隨設(shè)備的類(lèi)型、結(jié)構(gòu)、輔助裝置的不同而有很大差別 ,CNC 和 PLC 配合協(xié)調(diào)完成對(duì)設(shè)備的控制。 數(shù)控系統(tǒng)及其伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù) ? 伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床非常重要的一部分 ,是與設(shè)備本體聯(lián)系的關(guān)鍵環(huán)節(jié) ,它接收 CNC 發(fā)來(lái)的速度和位移信號(hào) ,控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度、方向 ,使設(shè)備加工定位和運(yùn)動(dòng)軌跡精確無(wú)誤。 ? 伺服系統(tǒng)一般由位置控制、速度控制組成 ,通常將位置控制部分與數(shù)控裝置做在一起。伺服驅(qū)動(dòng)裝置按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有開(kāi)環(huán)、半閉環(huán)、閉環(huán)之分。數(shù)控機(jī)床的功能強(qiáng)弱取決于 NC 裝置 ,而其性能好壞、取決于伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。伴隨著數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展 ,數(shù)控系統(tǒng)的伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)也得到了相應(yīng)的發(fā)展 ,從電液脈沖馬達(dá)、功率步進(jìn)電機(jī)發(fā)展到高性能交、直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。特別是高性能交流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)代表了當(dāng)前伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展方向。 數(shù)控系統(tǒng)對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)控制裝置的要求 ? 作為數(shù)控機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)用的伺服系統(tǒng) ,要實(shí)現(xiàn)高速度、高精度、快速響應(yīng)、精確跟蹤、穩(wěn)定可靠、高效率高質(zhì)量加工 ,應(yīng)滿(mǎn)足以下要求： ? (1)應(yīng)具有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍 ,通常要求達(dá)到 1:10000 以上 ,才能滿(mǎn)足低速加工和高速返回的要求 ,即要能使機(jī)械運(yùn)動(dòng)跟蹤控制指令 ,能使機(jī)械快速移動(dòng)到所規(guī)定的距離 ,能在規(guī)定的位置上使機(jī)械保持停止?fàn)顟B(tài) ,能使機(jī)械的移動(dòng)方向自由地正反改變。 數(shù)控系統(tǒng)對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)控制裝置的要求 ? (2)應(yīng)具有足夠的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩 ,以滿(mǎn)足機(jī)床快速移動(dòng)和重切削的要求。 ? (3)應(yīng)具備快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性 ,以使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)跟隨性能 ,盡快消除負(fù)載擾動(dòng)對(duì)電動(dòng)機(jī)速度的影響。 ? (4)與 CNC 系統(tǒng)的接口應(yīng)當(dāng)簡(jiǎn)便。整個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)可以方便的接收來(lái)自上一級(jí)的指令 ,同時(shí)將自身運(yùn)行狀況傳送到上一級(jí)控制器。 數(shù)控系統(tǒng)對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)控制裝置的要求 ? (5)伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量要小 ,以提高系統(tǒng)的加減速特性。電動(dòng)機(jī)的尺寸和重量應(yīng)盡可能小 ,便于安裝。 ? (6) 在啟動(dòng)過(guò)程中應(yīng)該保持平滑運(yùn)行 ,電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)盡可能要小 ,以免運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)大的噪聲 ,在停止過(guò)程中不應(yīng)產(chǎn)生爬行現(xiàn)象和高頻振動(dòng)。 ? (7) 電機(jī)本身也應(yīng)安全可靠 ,在使用過(guò)程中便于維護(hù)。 數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向 ? 數(shù)控機(jī)床由伺服系統(tǒng)所支持 ,伺服系統(tǒng)的跟蹤性能通常用兩個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量 :跟蹤誤差和輪廓誤差。跟蹤誤差是指理想位置與實(shí)際位置之差 ,而輪廓誤差是指理想軌跡 與實(shí)際軌跡之差。在機(jī)械加工中 ,工件的尺寸精度是由輪廓誤差所決定的。因此 ,伺服控制器的性能和加工質(zhì)量、效率密切相關(guān)。從機(jī)床控制系統(tǒng)的角度看 ,機(jī)床控制是一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng) ,控制系統(tǒng)中不確定因素的產(chǎn)生主要是由于： 數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向 ? 1)系統(tǒng)的輸入包含有隨機(jī)擾動(dòng) ,如機(jī)床振動(dòng)、工件材料硬度不均等 。 ? 2) 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的參數(shù)甚至結(jié)構(gòu)具有不確定性。傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)對(duì)機(jī)床的控制主要采用經(jīng)典控制論方法 ,大部分是 PID控制 ,PID 控制器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ,使用方便和運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)控制中也經(jīng)常被采用。不過(guò)在解決系統(tǒng)中存在著非線性因素不易定量描述的控制問(wèn)題時(shí) ,PID 控制器顯得力不從心。由于 PID 控制器的結(jié)構(gòu)本身以及算法設(shè)計(jì)依賴(lài)對(duì)象的局限性 ,使得精度的改善導(dǎo)致動(dòng)態(tài)性能的減弱 ,而動(dòng)態(tài)性能的改善 ,又使執(zhí)行機(jī)構(gòu)龐大且能耗增加。 數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向 ? 再者 ,同一控制器不僅用來(lái)改善輸入輸出的動(dòng)態(tài)性能 ,而且還用來(lái)消除負(fù)載擾動(dòng) ,要想得到使系統(tǒng)具有滿(mǎn)意的動(dòng)靜態(tài)性能指標(biāo)的 PID 參數(shù)整定算法是相當(dāng)困難的。 ? 隨著電力電子技術(shù) ,微機(jī)及數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用 ,為伺服技術(shù)的發(fā)展提供了廣闊的前景。近年來(lái)智能控制的多種策略 ,均被引入伺服系統(tǒng)中。 數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向 ? 高性能智能化交流伺服系統(tǒng)的研究是智能數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的前沿。 ? 將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專(zhuān)家系統(tǒng)、模糊邏輯及遺傳算法等人工智能系統(tǒng)與現(xiàn)代交流伺服控制理論方法相結(jié)合 ,研究適合高性能智能化交流伺服系統(tǒng)的控制方法： ? 分層遞階智能控制、定性與定量控制的協(xié)調(diào)方法、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算