【文章內(nèi)容簡介】 移動軸有很多的動態(tài)配合，才能保證加工效率、加工精度和表面粗糙度 12 圖 21 伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 伺服系統(tǒng)的分類 伺服系統(tǒng) 按調(diào)節(jié) 理論分類可分為開環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)、半閉環(huán)伺服系統(tǒng)；按使用的驅(qū)動元件分類可分為步進伺服系統(tǒng)、直流伺服系 統(tǒng)、交流伺服系統(tǒng)。在這里我們重點介紹開環(huán)伺服系統(tǒng)和步進伺服系統(tǒng)。 開環(huán)伺服系統(tǒng) 這是一種比較原始的伺服系統(tǒng)。這類數(shù)控系統(tǒng)將零件的程序處理后，輸出數(shù)據(jù)指令給伺服系統(tǒng)，驅(qū)動機床運動，沒有來自位置傳感器的反饋信號。最典型的系統(tǒng)就是采用步進電機的伺服系統(tǒng)，如圖 22 所示。 速 度控制單元 位置控制模塊 伺服電動機 工作臺 位置檢測 測量與反饋 速度檢測 速度環(huán) 速度反饋 位置環(huán) 位置反饋 CNC 速度控制單元 機床 指令 13 圖 22 開環(huán)伺服系統(tǒng) 它一般由環(huán)形分配 器、步進電機功率放大器、步進電動機、配速齒輪和絲杠螺母傳動副等組成。數(shù)控系統(tǒng)每發(fā)出一個指令脈沖，經(jīng)驅(qū)動電路功率 放大后，驅(qū)動步進電動機旋轉(zhuǎn)一個固定角度（即步距腳）， 再經(jīng)傳動機構(gòu)帶動工作臺移動。這類系統(tǒng)信息流是是單向的，即進給脈沖發(fā)出去后，實際移動值不再反饋回來，所以稱為開環(huán)控制。 步進伺服系統(tǒng) 如上圖 21 所示，步進式伺服系統(tǒng)亦稱為開環(huán)位置伺服系統(tǒng)，其驅(qū)動元件為步進電動機。功率步進電動機盛行于 20 世紀(jì) 70 年代，且控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)最簡單，控制最容易 ，維修最方便，控制為全數(shù)字化（即數(shù)字化的輸入指令脈沖對應(yīng)著數(shù)字化的位置輸出），這完全符合數(shù)字化控制技術(shù)的要求，數(shù)控系統(tǒng)與步進電動機的驅(qū)動控制電路結(jié)為一體。 隨著計算 機技術(shù)的發(fā)展，除功率驅(qū)動電路之外，其他硬件電路均可由軟件實現(xiàn)，從而簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了成本，提高了系統(tǒng)的可靠性。但步進電動機的耗能太大，速度也不高，當(dāng)其在脈沖當(dāng)量δ為 1μ m 時，最高移動速度僅有 2mm/min，且功驅(qū)動電路 工作臺 步進電動機 指令脈沖 14 率越大 移動速度越低，所以主要用于速度與精度要求不高的經(jīng)濟型數(shù)控機床及舊設(shè)備改造中 步進電機工作原理 步進電機是一種將電子數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械運動的電磁增量運動器件。典型的電機繞組固定在定子上，而轉(zhuǎn)子則由硬磁或軟磁材料組成。當(dāng)控制系統(tǒng)將一個電脈沖信號經(jīng) 功率裝置加到定子繞組中，電機便會沿一定 的方向旋轉(zhuǎn)一步。脈沖的頻率決定電機的轉(zhuǎn)速。電機轉(zhuǎn)動的角度與所輸入的電脈沖個數(shù)成正比；因此，只要簡單地改變輸入脈沖的數(shù)目，就能控制步進電機的轉(zhuǎn)子運行角度，從而達到位置控制的目的。 步進電機有以下特點： （ 1）運行角度正比于輸入脈沖，便于開環(huán)運行，花費少； （ 2）具有鎖定轉(zhuǎn)矩； （ 3）定位精度高，并且沒有累積誤差； （ 4）具有優(yōu)良的起動、停止、反轉(zhuǎn)響應(yīng)； （ 5）無電刷和可靠性高； （ 6）可低速運行，直接驅(qū)動負(fù)載； （ 7）不適宜的控制會引起振動； （ 8）不宜運行于高速狀態(tài)。 步進電機的控制 開 環(huán)控制 步進電機的最顯著的優(yōu)勢是不需要位置反饋信號就能夠進行精確的位置控制。這種開環(huán)控制形式省去了昂貴的位置傳感器件，只需對輸入指令脈沖信號計數(shù)，就能知道電機的位置。 圖 23 所示的是一個步進電機開環(huán)控制的基本組成， 它包括驅(qū)動電路、脈沖發(fā)生器和能使電機繞組按特定相序勵磁的脈沖分配器。 15 指令 指令 圖 23 步進電機的 開環(huán)控制原理圖 閉環(huán)控制 在開環(huán)控制系統(tǒng)中，電機響應(yīng)走步指令后的實際運行情況，控制系統(tǒng) 是無法預(yù)測和監(jiān)視的。在一些運行速度范 圍寬、負(fù)載大小變化頻繁的場合，步進電機容易失步，而使整個系統(tǒng)趨于失控。這時候，可以對步進電機進行位置閉環(huán)控制?？刂葡到y(tǒng)對電動機轉(zhuǎn)子位置進行檢測，并將信號反饋至控制單元，使得系統(tǒng)對步進電機發(fā)出的走步命令，只有得到相應(yīng)實際位置響應(yīng)后，方告完成。因此，閉環(huán)控制的最基本任務(wù)是防止步進電機失步。實際上是一種簡單的位置伺服系統(tǒng)。 圖 24 為閉環(huán)系統(tǒng)的原理圖，整個系統(tǒng)是在開環(huán)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了位置檢測、數(shù)據(jù)處理 的 閉環(huán)控制電路。 圖 24 步進電 機的閉環(huán)控制原理圖 脈沖 發(fā)生器 脈沖 分配器 驅(qū)動 電路 步進電 機 負(fù) 載 供電電源 閉環(huán) 控制器 閉環(huán) 控制器 脈沖 分配器 驅(qū)動電路 步進電機 負(fù) 載 供電電源 位置信號處理 16 小結(jié) 作為數(shù)控機床的重要功能部件，伺服系統(tǒng)的特性一直是影響系統(tǒng)加工性能的重要指標(biāo)。圍繞伺服系統(tǒng)動態(tài)特性與靜態(tài)特性的提高，近年來發(fā)展了多種伺服驅(qū)動技術(shù)。可以預(yù)見隨著超高速切削、超精密加工、網(wǎng)絡(luò)制造等先進制造技術(shù)的發(fā)展，具有網(wǎng)絡(luò)接口的全數(shù)字伺服系統(tǒng)、直線電動機及高速電主軸等將成為數(shù)控機床行業(yè)的關(guān)注的熱點，并成為伺服系統(tǒng)的發(fā)展方向。 17 3 PLC 控制步進電機方法的研究 隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，可編程序控制器有了突飛猛進的發(fā)展，其功能已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了邏輯控制、順序控制的范圍，它與計算機有效結(jié)合，可進行模擬量控制，具有遠(yuǎn)程通信功能等。有人將其稱為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱（即 PLC，機器人， CAD/CAM）之一。目前可編程序控制器（ Programmable Controller）簡稱PLC已廣泛應(yīng)用于冶金、礦業(yè)、機械、輕工等領(lǐng)域，為工業(yè)自動化提供了有力的工具。 PLC的基本結(jié)構(gòu) PLC采用了典型的計算機結(jié)構(gòu)，主要包括 CPU、 RAM、 ROM和輸入 /輸出接口電路 等。如果把 PLC看作一個系統(tǒng)，該系統(tǒng)由輸入變量 PLC輸出變量組成，外部的各種開關(guān)信號、模擬信號、傳感器檢測的信號均作為 PLC的輸入變量，它們經(jīng) PLC外部端子輸入到內(nèi)部寄存器中，經(jīng) PLC內(nèi)部邏輯運算或其它各種運算、處理后送到輸出端子，它們是 PLC的輸出變量，由這些輸出變量對外圍設(shè)備進行各種控制。 控制方法及研究 FP1的特殊功能簡介 (1) 脈沖輸出 FP1的輸出端 Y7可輸出脈沖，脈沖頻率可通過軟件編程進行調(diào)節(jié)，其輸出頻率范圍為 360Hz～ 5kHz。 (2) 高 速計數(shù)器（ HSC） FP1內(nèi)部有高速計數(shù)器，可同時輸入兩路脈沖，最高計數(shù)頻率為 10kHz，計數(shù)范圍 8388608～ +8388607。 (3) 輸入延時濾波 FP1的輸入端采用輸入延時濾波，可防止因開關(guān)機械抖動帶來的不可靠性，其延時時間可根據(jù)需要進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為 1ms～ 128ms。 18 (4) 中斷功能 FP1的中斷有兩種類型，一種是外部硬中斷，一種是內(nèi)部定時中斷。 步進電機的速度控制 FP1有一條 SPD0指令，該指令配合 HSC和 Y7的脈沖輸出功能 可實現(xiàn)速度及位置控制。速度控制梯形圖見圖 31，控制方式參數(shù)見圖 32，脈沖輸出頻率設(shè)定曲線見圖33。 圖 31 速度控制梯形圖 圖 32 控制方式參數(shù) 19 圖 33 脈沖輸出頻率設(shè)定曲線 控制系統(tǒng)的程序運行 圖 34 控制系統(tǒng)原理圖 圖 34是控制系統(tǒng)的原理接線圖，圖 4中 Y7輸出的脈沖作為步進電機的時鐘脈沖，經(jīng)驅(qū)動器產(chǎn)生節(jié)拍脈沖，控制步進電機運轉(zhuǎn)。同時 Y7接至 PLC的輸入接點 X0，并經(jīng) X0送至 PLC內(nèi)部的 HSC。 HSC計數(shù) Y7的脈沖數(shù)，當(dāng)達到預(yù)定值時發(fā)生中斷，使 Y7的脈沖頻率切換至下一參數(shù)，從而實現(xiàn)較準(zhǔn)確的位置控制。實現(xiàn)這一控制的梯形圖見圖 35。 20 圖 35 控制梯形圖 控制系統(tǒng)的運行程序：第一句是將 DT9044和 DT9045清零，即為 HSC進行計數(shù)做準(zhǔn)備 。第二句～第五句是建立參數(shù)表，參數(shù)存放在以 DT20為首地址的數(shù)據(jù)寄存器區(qū) 。最后一句是啟動 SPD0指令，執(zhí)行到這句則從 DT20開始取出設(shè)定的參數(shù)并完成相應(yīng)的控制要求。 由第一句可知第一個參數(shù)是 K0，是 PULSE方式的特征值，由此規(guī)定了輸出方式。第二個參數(shù)是 K70，對應(yīng)脈沖頻率為 500Hz，于是 Y7發(fā)出頻率為 500Hz的脈沖。第三個參數(shù)是 K1000，即按此 頻率發(fā) 1000個脈沖后則切換到下一個頻率。而下一個頻率即最后一個參數(shù)是 K0，所以當(dāng)執(zhí)行到這一步時脈沖停止，于是電機停轉(zhuǎn)。故當(dāng)運行此程序時即可使步進電機按照規(guī)定的速度、預(yù)定的轉(zhuǎn)數(shù)驅(qū)動控制對象，使之達到預(yù)定位置后自動停止。 小結(jié) 利