【正文】 分辨率（分辨角） α 設(shè)絕對式碼盤的規(guī)格 n 道： n2360 ???3. 光電編碼器的特點 非接觸測量 ， 無接觸磨損 ， 碼盤壽命長 ， 精度保證性好； 允許測量轉(zhuǎn)速高 ， 精度較高； 。 第三節(jié) 進給伺服驅(qū)動系統(tǒng) 一、概述 進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)： 由進給伺服系統(tǒng)中的 電機及其控制和驅(qū)動裝置 組成。 速度單元：電機的控制和驅(qū)動裝置 ，通常驅(qū)動電機與速度控制單元是相互配套供應的，其性能參數(shù)都是進行了相互匹配，這樣才能獲得高性能的系統(tǒng)指標。簡言之： 調(diào)節(jié)、變換、功放 。 二 、步進電機及其驅(qū)動裝置 步進電機流行于 70年代，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、控制容易、維修方面，且控制為全數(shù)字化。因此，這類系統(tǒng)目前仍有相當?shù)氖袌觥? 三 、直流伺服電機及驅(qū)動 直流電機的工作原理是建立在電磁力定律基礎(chǔ)上的，電磁力的大小正比于電機中的氣隙磁場，直流電機的勵磁繞組所建立的磁場是電機的主磁場，按對勵磁繞組的勵磁方式不同，直流電機可分為： 他激式、 并激式、 串激式、 復激式、 永磁式。 直流伺服電機的特點 過載倍數(shù)大，時間長； 具有大的轉(zhuǎn)矩 /慣量比，電機的加速大，響應快。 調(diào)速范圍大： 1∶ 2022。以上，由于溫升高，影響機床精度 因轉(zhuǎn)子慣性大，電源容量以及機械傳動件的剛度都需相應增大。但其卻存在一些固有的缺點，即： 電刷和換向器易磨損，維護麻煩 結(jié)構(gòu)復雜，制造困難，成本高 而交流伺服電機則沒有上述缺點。因此，人們一直在尋求交流電機調(diào)速方案來取代直流電機調(diào)速的方案。 Ld Ud T3 T4 T5 T3 T1 T2 Cd U V W A B C IPM PMSM 三相 220V PG + 驅(qū)動 保護電路 開關(guān)電源 單相 220V 編碼器 輸入接口 FPGA 顯示、按鍵 光耦 26LS32 26LS31 光耦 光耦 光耦 2 6 3 DSP (ADSP401) EEPROM 串行通訊 編碼器 輸出信號 輸出 輸入 脈沖接口 RS232 串型接口 模擬接口 6 AT89C52 控制波形的實現(xiàn)方式（電機調(diào)速的控制方式）： 相位控制； 矢量變換控制； PWM控制； 磁場控制； 第四節(jié) 典型進給伺服系統(tǒng) (位置控制 ) . 開環(huán)進給伺服系統(tǒng) (OpenLoop System) 不帶位置測量反饋裝置的系統(tǒng)； 驅(qū)動電機只能用步進電機； 主要用于經(jīng)濟型數(shù)控或普通機床的數(shù)控化改造 A’相、 B’相 C’相 、 … A相、 B相 C相 、 … f、 n CNC 插補指令 脈沖頻率 f 脈沖個數(shù) n 換算 脈沖環(huán)形分配變換 功率放大 步進電機 1. 步進電機開環(huán)系統(tǒng)設(shè)計 步進電機開環(huán)系統(tǒng)設(shè)計要解決的主要問題： ①動力計算 、② 傳動計算、 ③驅(qū)動電路設(shè)計或選擇 目的： 傳動計算選擇合適的參數(shù)以滿足脈沖當量 ?和進 給速度 F的要求。 ???? t36 0ZZi21ti3 6 0 :: ???25Z20Z2520800106750360t360ZZi2121 ????????????? ... 進給速度 F： 一般步進電機： 若： δ= mm 則： 若 δ= 則： 因此，當 一定時， 與 δ成正比，故我們在談到步進電機開環(huán)系統(tǒng)的最高速度時，都應指明是在多大的脈沖當量 δ下的 否則是沒有意義的。 提高步進電機開環(huán)系統(tǒng)傳動精度的措施 適當提高系統(tǒng)組成環(huán)節(jié)的精度； 采取各種精度補償措施。 螺矩誤差補償 滾珠絲桿在數(shù)控機床應用廣泛，雖然滾珠絲桿精度較高，但是總不可做的絕對精確，總是將其精度控制在一定的范圍內(nèi)的，也就是它的螺距總是存在著一定的誤差的，利用計算機的運算處理能力，可以補償滾珠絲杠的螺矩累積誤差，以提高進給位移精度。 二 . 閉環(huán)、半閉環(huán)進給伺服系統(tǒng) 閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)的實現(xiàn)方案分類和特征 按系統(tǒng)的控制信號類型分： 模擬型系統(tǒng) 、 數(shù)字型系統(tǒng) 模擬型系統(tǒng)： 特征： 這類系統(tǒng)全部采用模擬元件構(gòu)成；其輸入 （ 控制 ） 信號 、 輸出的位置 、 速度信號也是模擬量；速度和 位置檢測元也是模擬式的 。 可用常規(guī)儀器儀表 （ 示波器 ， 萬用表等 ） 直接讀取信息 ， 易于隨時把握系統(tǒng)工作的基本情況 。 在零點附近容易受到溫度漂移的影響 ， 使位置控制產(chǎn)生漂移誤差 。 模擬系統(tǒng)這種本質(zhì)缺陷 ， 使它很難滿足高精度位置伺服控制的要求 ， 目前已逐漸被數(shù)字伺服系統(tǒng)所取代 。 特點： 可以通過增加數(shù)字信息的字長 ， 來滿足要求的控制精度 。 容易對其結(jié)構(gòu)和參數(shù)進行修改 （ 根據(jù)控制要求 ） ， 且易于與計算機進行數(shù)據(jù)交換 。 傳送數(shù)據(jù)的數(shù)字電路要求具有很寬的頻帶 。 抑制干擾 、 防止數(shù)據(jù)出錯 ， 是數(shù)字伺服系統(tǒng)設(shè)計成功的關(guān)鍵 。 柔性差： 系統(tǒng)全由硬件構(gòu)成 ， 使得它的各調(diào)節(jié)器參數(shù)在機電聯(lián)調(diào)整定后就固定下來了 ， 不易改變 ， 這對負載慣量變化不大的位置伺服系統(tǒng) （ 如車床刀架進給控制 ） ， 可獲得滿意的控制性能指 。 零漂將影響精度： 這類系統(tǒng)依靠 D/A， 將位置調(diào)節(jié)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)化成模擬電壓作速度指令信號。 半軟件型伺服系統(tǒng) 這種系統(tǒng)的位置控制采用軟硬件組成 ， 速度控制仍采用模擬方式 ， 系統(tǒng)組成如圖所示： + 調(diào)節(jié)運算 零漂補償 硬件 速度控 制與驅(qū) 動單元 D/A 軟件 位置控制 Z A、 B D0 + + F/V 倍頻 計數(shù)器 工作臺 PG 電機 + DA V1 △ S V0 U0 UA △ D △ U 實際位置計算 △ DA 指令位置計算 △ D0 / n Z 位置控制的軟件現(xiàn)可以由 NC裝置的 CPU實現(xiàn) ， 也可以由位置控制板上自帶的 CPU實現(xiàn) 。因此難以兼顧負載慣量大的變化。 全軟件位置伺服系統(tǒng) 這種系統(tǒng)是指除電流環(huán)仍為模擬結(jié)構(gòu)外 ， 位置 、 速度控制均由微機通過控制軟件來實現(xiàn) ， 系統(tǒng)組成如圖所示： NC系統(tǒng) 微機 位置、速度 控制 (D/A輸出 ) 模擬電流 控制與功放 整形 .信頻 .辨向 A、 B Z 工作臺 PG 電壓 圖中的微機位置 、 速度控制既可以是單微機 ， 又可以是雙微機 （ 一個是位置控制 ， 另一個是速度控制 ） 。 由于微機的應用 ， 使系統(tǒng)的控制更加靈活 ， 其特點是： 位置 、 速度調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)可以按工作環(huán)境自動進行切換 ， 使之適應負載變化的能力顯著增強 ， 應用優(yōu)化理論還可使調(diào)節(jié)器的參數(shù)自動化 ， 使系統(tǒng)可驅(qū)動不同的執(zhí)行機械 ， 通用化程度大大提高 。 這種系統(tǒng)的輸出通過 D/A轉(zhuǎn)換成模擬電壓作為電流指令送往模擬電流環(huán) ， 這樣 ， 模擬量的零點漂移只會使電流指令產(chǎn)生微小的變化 ， 一般這種變化不足以產(chǎn)生驅(qū)動伺服電機運動的力矩 ， 也不會對位置控制精度產(chǎn)生不良影響 。 由于該系統(tǒng)工作可靠 ， 結(jié)構(gòu)緊湊 ， 控制性能也優(yōu)于前述兩種系統(tǒng) ，使得它在 80年代中期以來的交 、 直流位置伺服系統(tǒng)的產(chǎn)品中逐漸占據(jù)了主導地位 ， 成為位置伺服系統(tǒng)的首選方案 。 隨著可直接用邏輯電平控制通斷的電子半導體器件 —— 功率晶體管 ， 功率場率應管的商品化 ，以及高性能單片機的出現(xiàn) ， 使得全數(shù)字位置伺服系統(tǒng)的實現(xiàn)成為現(xiàn)實 。 系統(tǒng)的所有控制調(diào)節(jié)全部由軟件完成 ， 最后直接輸出邏輯電平的脈寬調(diào)制控制信號驅(qū)動功率晶體管放大器 ， 對伺服電機進行控制 ，完成位置控制任務(wù) 。 還可以完成參數(shù)的自動優(yōu)化和故障的自動診斷等 ， 使系統(tǒng)控制性能能進一步得到提高 。例如，開環(huán)增益，阻尼系數(shù)等參數(shù)對伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度與動態(tài)性能影響很大，這將是本節(jié)討論的重點 一 . 控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)及傳遞函數(shù) R(S)— 輸入信號 C(S)— 輸出信號 E(S)— 偏差信號 M(S)— 控制量 B(S)— 反饋信號 N(S)— 噪聲信號 G1(S)— 控制系統(tǒng)傳遞函數(shù) G2(S)— 被控對象傳遞函數(shù) H(S)— 反饋系統(tǒng)傳遞函數(shù) G1(S) G2(S) H(S) R(S) B(S) E(S) N(S) M(S) C(S) + + + 開環(huán)傳遞函數(shù)：反饋與偏差之比 閉環(huán)傳遞函數(shù)：輸入與輸出之比 干擾的閉環(huán)傳遞函數(shù)：輸出與噪聲之比 系統(tǒng)誤差的函數(shù)：偏差與輸入之比 ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?SHSGSGSE SBSG 21K ??? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ?SG1 SGSGSHSGSG1 SGSGSR SCSGK212121B ?????? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ?SG1 SGSHSGSG1 SGSN SCSGK2212N ?????? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ?SG1 1SHSGSG1 1SR SESGK21N ?????二、進給伺服系統(tǒng)的數(shù)字模型及傳遞函數(shù) 閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)： 位置控制 調(diào)節(jié)器 速度控制 調(diào)節(jié)與驅(qū)動 位置檢測單元 位置控制單元 速度控制單元 + + － 電機 機械執(zhí)行部件 CNC插補 指令 Ug Up U θm θD XD 速度檢測裝置 m?XA XC XD △ D 1. 位置控制單元的數(shù)學模型 位置控制單元是以 XC為輸入以 UP為輸出的一個控制環(huán)節(jié)，位置調(diào)節(jié)器一般采用比例調(diào)節(jié)，放大系數(shù)為 KN， 則有： 取拉氏變換得： 結(jié)構(gòu)框圖： ? ? ? ?0fPCNACNNP XKXKXXKDKU ??????? ? ? ? ? ?? ?SXKSXKSU 0fPCNP ??KN KfP + － X0 XA XC Up 2. 速度控制單元的數(shù)學模型 速度控制單元是以指令電壓 UP 為輸入，電機的驅(qū)動電壓 U為輸出的控制環(huán)節(jié)，速度調(diào)節(jié)器通常采用 PI調(diào)節(jié)，驅(qū)動放大是比例環(huán)節(jié)，若忽略非線性和滯后特性的影響，可視它們?yōu)楸壤h(huán)節(jié)，則傳遞函數(shù)為 KA ， 速度反饋環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為 KV ， 則有： 取拉氏變換得： 結(jié)構(gòu)框圖： ? ? ?????? ???? ? ? mVPAGPA KUKUUKU? ? ? ?? ?sSKSUKU mVPA ???KA SKV + － UG UP U m?△ U 3. 直流伺服電機的數(shù)學模型 直流伺服電機是以驅(qū)動電壓 U為輸入，電機的角位移?m為輸出的變換環(huán)節(jié)，其數(shù)字模型是根據(jù)電機電樞電勢平和電機轉(zhuǎn)矩衡方程導出的