研究生数控4.ppt

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1、上午3时21分,现代数控技术,1,第四章 进给伺服系统,内容提要本章将详细讨论进给伺服系统的软件硬件结构；进给伺服系统基本功能的原理及实现方法。,第四章 进给伺服系统,上午3时21分,现代数控技术,2,第四章 进给伺服系统,进给伺服系统是数控系统主要的子系统。如果说CNC装置是数控系统的“大脑”，是发布“命令”的“指挥所”，那么进给伺服系统则是数控系统的“四肢”，是一种“执行机构”。它忠实地执行由CNC装置发来的运动命令，精确控制执行部件的运动方向，进给速度与位移量。,第四章 进给伺服系统,上午3时21分,现代数控技术,3,第一节 概述,.进给伺服系统的定义及组成.定义：进给伺服系统(Feed

2、 Servo System)以移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统。,第四章 进给伺服系统,上午3时21分,现代数控技术,4,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；速度控制单元；驱动元件(电机)；检测与反馈单元；机械执行部件。,一、进给伺服系统的定义及组成,第一节 概 述,上午3时21分,现代数控技术,5,二、NC机床对数控进给伺服系统的要求,调速范围要宽且要有良好的稳定性(在调速范围内)调速范围：一般要求：稳定性：指输出速度的波动要少，尤其是在低速时的平稳性显得特别重要。,第一节 概 述,上午3时21分,现代数控技术,6,输出位置精度要高 静态：定位精度和重复定位精

3、度要高，即定位误差和重复定位误差要小。(尺寸精度)动态：跟随精度，这是动态性能指标，用跟随误差表示。(轮廓精度)灵敏度要高，有足够高的分辩率。,二、NC机床对数控进给伺服系统的要求,第一节 概 述,上午3时21分,现代数控技术,7,负载特性要硬 在系统负载范围内，当负载变化时，输出速度应基本不变。即F尽可能小；当负载突变时，要求速度的恢复时间短且无振荡。即t尽可能短；应有足够的过载能力。这是要求伺服系统有良好的静态与动态刚度。,第一节 概 述,二、NC机床对数控进给伺服系统的要求,上午3时21分,现代数控技术,8,响应速度快且无超调 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

4、运动速度的建立时间 tp 应尽可能短。通常要求从 0Fmax（Fmax0），其时间应小于200ms，且不能有超调，否则对机械部件不利，有害于加工质量。,第一节 概 述,二、NC机床对数控进给伺服系统的要求,上午3时21分,现代数控技术,9,能可逆运行和频繁灵活启停。系统的可靠性高，维护使用方便，成本低。综上所述：对伺服系统的要求包括静态和动态特性两方面；对高精度的数控机床，对其动态性能的要求更严。,第一节 概 述,二、NC机床对数控进给伺服系统的要求,上午3时21分,现代数控技术,10,第二节 进给伺服系统的位置检测装置,、概 述 组成：位置测量装置是由检测元件（传感器）和信号处理装置组成的。

5、作用：实时测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形式，将运动部件现实位置反馈到位置控制单元，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分。闭环数控机床的加工精度在很大程度上是由位置检测装置的精度决定的，在设计数控机床进给伺服系统，尤其是高精度进给伺服系统时，必须精心选择位置检测装置。,第四章 进给伺服系统,上午3时21分,现代数控技术,11,一、概 述,进给伺服系统对位置测量装置的要求高可靠性和高抗干扰性：受温度、湿度的影响小，工作可靠，精度保持性好，抗干扰能力强；能满足精度和速度的要求：位置检测装置分辨率应高于数控机床的分辨率（一个数量级）；位置检测装置

6、最高允许的检测速度应数控机床的最高运行速度。使用维护方便，适应机床工作环境；成本低。,第二节 位置检测装置,上午3时21分,现代数控技术,12,.位置检测装置的分类,按输出信号的形式分类：数字式和模拟式按测量基点的类型分类：增量式和绝对式按位置检测元件的运动形式分类：回转型和直线型,第二节 位置检测装置,一、概 述,上午3时21分,现代数控技术,13,常用位置检测装置分类表,第二节 位置检测装置,一、概 述,上午3时21分,现代数控技术,14,.感应同步器,感应同步器的结构及分类 结构,sin,cos,节距2（2mm）,节距（0.5mm）,定尺,滑尺,第二节 位置检测装置,上午3时21分,现代

7、数控技术,15,分类,第二节 位置检测装置,.感应同步器,上午3时21分,现代数控技术,16,感应同步器的工作原理.,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，借以进行位移量的检测。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。,第二节 位置检测装置,.感应同步器,上午3时21分,现代数控技术,17,感应同步器的工作原理,第二节 位置检测装置,U0,U0,1,定尺,滑尺,.感应同步器,上午3时21分,现代数控技术,18,感应同步器的信号处理原理,滑尺正旋绕组上加激磁电压Us后，与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为：

8、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=KUccos（1+/2）=K Ucsin1,第二节 位置检测装置,.感应同步器,上午3时21分,现代数控技术,19,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，则与之相耦合的定尺 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,第二节 位置检测装置,.感应同步器,上午3时21分,现代数控技术,20,滑尺与定尺 相对位移量 x 的求取：2:2=x:1 x=1 结论：相对位移量

9、 x 与 相位角1 呈线性关系，只要能测出相位角1，就可求得位移量 x。根据滑尺正、余旋绕组上激磁电压Us、Uc供电方式的不同可构成不同检测系统-鉴相型系统和鉴幅型系统。,第二节 位置检测装置,.感应同步器,上午3时21分,现代数控技术,21,鉴相型系统的工作原理,在鉴相型系统中，激磁电压是频率、幅值相同，相位差为/2的交变电压：US=Um sint UC=Um cost则：Uo=Uos+Uos=KUScos1K Ucsin1=K Um sint cos1K Um cost sin1=K Um sin（t 1）结论：只要能测出Uo与US相位差1，就可求得滑尺与定尺相对位移量 x。,第二节 位置

10、检测装置,.感应同步器,上午3时21分,现代数控技术,22,鉴幅型系统的工作原理,在鉴幅型系统中，激磁电压是频率、相位相同，幅值不同的交变电压：US=Um sin2sint UC=Um cos2sint 2=x 2（x 2是指令位移值）Uo=Uos+Uos=KUScos1K Ucsin1=K Um sin2 cos1sint K Um cos2sintsin1=K Um sin（21）sint 结论：只要能测出Uo与UC相位差1，就可求得滑尺与定尺 相 对位移量 x。,第二节 位置检测装置,.感应同步器,上午3时21分,现代数控技术,23,几点说明,感应同步器的测量周期为其绕组的节距2（2mm

11、）感应同步器的测量精度取决于测量电路对输出感应电压的细分精度。现在商品化的感应同步器的输出大多是脉冲量，使其能方便 地采用现代的数字处理技术,第二节 位置检测装置,.感应同步器,上午3时21分,现代数控技术,24,感应同步器的特点及使用注意事项,特点精度高：平均自补偿特性；对环境的适应能力强：抗湿、温度、热变形影响的能力强；维护简单、寿命长：非接触测量，无磨损，精度保持性好。,.感应同步器,第二节 位置检测装置,上午3时21分,现代数控技术,25,测量距离长：通过接长可满足大行程测量的要求。,串联方式 n 10,串并联方式 n 10,第二节 位置检测装置,.感应同步器,上午3时21分,现代数控

12、技术,26,使用注意事项 在安装方面：保证安装精度（安装面的精度、定尺与滑尺的相对位置精度、接缝的调整精度）加装防护装置（避免切屑、油污、灰尘的影响）在电气方面：要保证激磁电压波形的对称性和保真性。对鉴相系统：激磁电压的幅值、频率相等；相位差900对鉴幅系统：对Um sin2、Um cos2调制的精确性当失真度大于2%时，将严重影响测量精度。,第二节 位置检测装置,.感应同步器,上午3时21分,现代数控技术,27,.脉冲编码器,脉冲编码器又称码盘，是一种回转式数字测量元件，通常装在被检测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴的角位移转换为增量脉冲形式或绝对式的代码形式。根据内部结构和检测方式码盘可

13、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应用较多，而由霍尔效应构成的电磁码盘则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。,第二节 位置检测装置,上午3时21分,现代数控技术,28,.增量脉冲编码器,结构及工作原理,第二节 位置检测装置,.脉冲编码器,上午3时21分,现代数控技术,29,光电码盘随被测轴一起转动，在光源的照射下，透过光电码盘和光欄板形成忽明忽暗的光信号，光敏元件把此光信号转换成电信号，通过信号处理装置的整形、放大等处理后输出。输出的波形有六路：其中，是 的取反信号。,第二节 位置检测装置,.脉冲编码器,上午3时21分,现代数控技术,30,输出信号的

14、作用及其处理,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断被测轴旋转方向。后续电路可利用A、B两相的90相位差进行细分处理（四倍频电路实现）。,第二节 位置检测装置,.脉冲编码器,上午3时21分,现代数控技术,31,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。的作用后续电路可利用A、两相实现差分输入，以消除远距离传输的共模干扰。,.脉冲编码器,第二节 位置检测装置,上午3时21分,现代数控技术,32,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；现在市场上提供的规格从

15、 36线/转 到 10万线/转 都有；选择：伺服系统要求的分辨率；考虑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：,第二节 位置检测装置,.脉冲编码器,上午3时21分,现代数控技术,33,.绝对式编码器,结构和工作原理 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。,.脉冲编码器,第二节 位置检测装置,上午3时21分,现代数控技术,34,绝对编码盘的编码方式及特点 二进制编码：特点：编码循序与位置循序相一致，但可能产生非单值性误差。误差分析：,1111,10

16、00,第二节 位置检测装置,.脉冲编码器,上午3时21分,现代数控技术,35,格雷码（循环码、葛莱码）特点：任何两个编码之间只有一位是变化的，因而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。,第二节 位置检测装置,.脉冲编码器,上午3时21分,现代数控技术,36,格雷码的编码方法它是从二进制码转换而来的，转换规则为：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：,第二节 位置检测装置,.脉冲编码器,上午3时21分,现代数控技术,37,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数 n

17、有关；现在市场上提供从 4道 到 18道 都有；选择：伺服系统要求的分辨率；考虑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：,.脉冲编码器,第二节 位置检测装置,上午3时21分,现代数控技术,38,.光电编码器的特点,非接触测量，无接触磨损，码盘寿命长，精度保证性好；允许测量转速高，精度较高；。光电转换，抗干扰能力强；体积小，便于安装，适合于机床运行环境；结构复杂，价格高，光源寿命短；码盘基片为玻璃，抗冲击和抗震动能力差。,第二节 位置检测装置,.脉冲编码器,上午3时21分,现代数控技术,39,第三节 进给伺服驱动系统,、概述 进给伺服驱动系统由进给伺服系统中的 驱动电机及

18、其控制和驱动装置。驱动电机是进给系统的动力部件，它提供执行部分运动所需的动力，在数控机床上常用的电机有：步进电机 直流伺服电机交流伺服电机直线电机。,第四章 进给伺服系统,上午3时21分,现代数控技术,40,速度单元是上述驱动电机及其控制和驱动装置，通常驱动电机与速度控制单元是相互配套供应的，其性能参数都是进行了相互匹配，这样才能获得高性能的系统指标。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，对其进行适当的调节运算(目的是稳速)，将其变换成电机转速的控制量(频率，电压等)，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行。简言之：调节、变换、功放。,第三节 进给伺

19、服驱动系统,一、概述,上午3时21分,现代数控技术,41,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；控制精度要求高；控制性能要求高，尤其是动态性能。,一、概述,第三节 进给伺服驱动系统,上午3时21分,现代数控技术,42,、步进电机及其驱动装置,步进电机流行于70年代，该系统结构简单、控制容易、维修方面，且控制为全数字化。随着计算机技术的发展，除功率驱动电路之外，其它部分均可由软件实现，从而进一步简化结构。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、精度要不高的场合，如经济型数控；打印机、绘图机等计算机的外部设备。,第三节 进给伺服驱动系统,上午3时2

20、1分,现代数控技术,43,、直流伺服电机及驱动,直流电机的工作原理是建立在电磁力定律基础上的，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。,第三节 进给伺服驱动系统,上午3时21分,现代数控技术,44,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，响应快。低速转矩大，惯量大，可与丝杆直接相联，省去了齿轮等传动机构。可提高了机床的加工精度。调速范围大，与高性能的速度控制单元组成速度

21、控制系统时，调速范围超过12000。带有高精度的检测元件(包括速度和转子位置检测元件)；电机允许温度可达150180，由于转子温度高，它可通过轴传到机械上去，这会影响机床的精度由于转子惯性较大，因此电源装置的容量以及机械传动件等的刚度都需相应增加。电刷、维护不便,第三节 进给伺服驱动系统,、直流伺服电机及驱动,上午3时21分,现代数控技术,45,、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合，直流伺服电机调速系统的应用一直占据主导地位。但其却存在一些固有的缺点，即：电刷和换向器易磨损，维护麻烦结构复杂，制造困难，成本高 而交流伺服电机

22、则没有上述缺点。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%，且可达到的转速比直流电机高。因此，人们一直在寻求交流电机调速方案来取代直流电机调速的方案。,第三节 进给伺服驱动系统,上午3时21分,现代数控技术,46,、交流伺服电机及驱动,第三节 进给伺服驱动系统,编码器,转子（永磁体）,定子,绕组线圈,接线合,电机轴,上午3时21分,现代数控技术,47,.分类,第三节 进给伺服驱动系统,、交流伺服电机及驱动,上午3时21分,现代数控技术,48,.交流伺服电机的速度控制单元,交流伺服电机转速 n 调速的理论基础结论：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

23、,第三节 进给伺服驱动系统,、交流伺服电机及驱动,上午3时21分,现代数控技术,49,调频调压电源的分类,电压型变频器方案示意图,第三节 进给伺服驱动系统,、交流伺服电机及驱动,上午3时21分,现代数控技术,50,电压型变频器工作原理结论：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）。,第三节 进给伺服驱动系统,、交流伺服电机及驱动,上午3时21分,现代数控技术,51,、交流伺服电机及驱动,第三节 进给伺服驱动系统,上午3时21分,现代数控技术,52,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；,第三节 进给伺服驱动系

24、统,、交流伺服电机及驱动,上午3时21分,现代数控技术,53,第四节 典型进给伺服系统(位置控制),.开环进给伺服系统(Open-Loop System)不带位置测量反馈装置的系统；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,第四章 进给伺服系统,上午3时21分,现代数控技术,54,.步进电机开环系统设计,步进电机开环系统设计要解决的主要问题：动力计算、传动计算、驱动电路设计或选择目的：传动计算选择合适的参数以满足脉冲当量和进 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）,第四节 典型进给伺服系统,一.开

25、环进给伺服系统,上午3时21分,现代数控技术,55,传动比选择：为了凑脉冲当量mm，也为了增大传递的扭矩，在步进电机与丝杆之间，要增加一对齿轮传动副，那么，传动比i=Z1/Z2与、t之间有如下关系：例：=0.01 t=6 mm=0.75,一.开环进给伺服系统,第四节 典型进给伺服系统,上午3时21分,现代数控技术,56,进给速度F：一般步进电机：若：=0.01 mm 则：若=0.001mm 则：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，都应指明是在多大的脉冲当量下的 否则是没有意义的。,一.开环进给伺服系统,第四节 典型进给伺服系统,上午3时21分,现代数控技术,5

26、7,.提高步进电机开环伺服系统传动精度的措施,概述 影响步进电机开环系统传动精度的因素：步进电机的步距角精度；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；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适当提高系统组成环节的精度；采取各种精度补偿措施。,第四节 典型进给伺服系统,一.开环进给伺服系统,上午3时21分,现代数控技术,58,传动间隙补偿 在整个行程范围内测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，从而达到补偿目的。螺矩误差补偿 滚珠丝杆在数控机床应用广泛，虽然滚珠丝杆精度较高，但是总不

27、可做的绝对精确，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理能力，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：首先测量出进给丝框螺距误差曲线(规律)，然后可采用下列两种方法实现误差补偿：硬件补偿、软件补偿。,一.开环进给伺服系统,第四节 典型进给伺服系统,上午3时21分,现代数控技术,59,.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。,

28、第四节 典型进给伺服系统,上午3时21分,现代数控技术,60,特点：抗干扰能力强，一般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，易于随时把握系统工作的基本情况。对弱信号信噪分离困难，控制精度的提高受到限制。在零点附近容易受到温度漂移的影响，使位置控制产生漂移误差。位置、速度调节器的结构和参数调整困难，适应负载变化的能力较差。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。,第四节 典型进给伺服系统,.闭环、半闭环进给伺服系统,上午3时21分,现代数控技术,61,数字型系统：特征：这类系统是指至少其位置环控制与调

29、节采用数字控制技术，即位置指令和反馈信号都不再是模拟信号 改用数字信号（逻辑电平脉冲信号）的系统。,第四节 典型进给伺服系统,.闭环、半闭环进给伺服系统,上午3时21分,现代数控技术,62,特点：可以通过增加数字信息的安长，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到充分保证。容易对其结构和参数进行修改（根据控制要求），且易于与计算机进行数据交换。噪声峰值大于逻辑电平时，对数据的最高位和最低位的干扰出错程序是相同的，这种错误可能导致系统致命的危害。传送数据的数字电路要求具有很宽的频带。以保证脉冲上、下降沿有足够的陡峭度。抑制干扰、防止数据出错，是数字伺服系统设计

30、成功的关键。,第四节 典型进给伺服系统,.闭环、半闭环进给伺服系统,上午3时21分,现代数控技术,63,.数字伺服系统的类型,第四节 典型进给伺服系统,.闭环、半闭环进给伺服系统,上午3时21分,现代数控技术,64,全硬件伺服系统全硬件伺服系统又称脉冲比较伺系统，其典型的组成方式如图所示：,第四节 典型进给伺服系统,.闭环、半闭环进给伺服系统,上午3时21分,现代数控技术,65,构成：该系统中，位置闭环的控制与调节运算主要由偏差计数器（一般为可逆计数器）和D/A完成。柔性差：系统全由硬件构成，使得它的各调节器参数在机电联调整定后就固定下来了，不易改变，这对负载惯量变化不大的位置伺服系统（如车床

31、刀架进给控制），可获得满意的控制性能指。而对某些负载惯量较大的系统，则很难在整个范围内（负载惯量变化）都获得满意的控制效果。零漂将影响精度：这类系统依靠D/A，将位置调节输出的数字量转化成模拟电压作速度指令信号。提供给速度伺服单元，因此，其零点漂移将影响定位精度。,第四节 典型进给伺服系统,.闭环、半闭环进给伺服系统,上午3时21分,现代数控技术,66,半软件型伺服系统 这种系统的位置控制采用软硬件组成，速度控制仍采用模拟方式，系统组成如图所示：,第四节 典型进给伺服系统,.闭环、半闭环进给伺服系统,上午3时21分,现代数控技术,67,位置控制的软件现可以由NC装置的CPU实现，也可以由位置控

32、制板上自带的CPU实现。位置控制的调节运算部分由软件实现，增加了灵活性：调节器的参数可以通过进行修改、设定调节算法可以采用较复杂的算法，以提高控制性能（变结构、变增益）可增加许多辅助功能（故障诊断、脉冲当量变换等）零点漂移可通过软件进行补偿,第四节 典型进给伺服系统,.闭环、半闭环进给伺服系统,上午3时21分,现代数控技术,68,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解决，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，这就使得半软件位置伺服系统的位置控制精度和控制性能要高于全

33、硬件型的位置伺服系统。,第四节 典型进给伺服系统,.闭环、半闭环进给伺服系统,上午3时21分,现代数控技术,69,全软件位置伺服系统 这种系统是指除电流环仍为模拟结构外，位置、速度控制均由微机通过控制软件来实现，系统组成如图所示：,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、B,Z,工作台,PG,电压,第四节 典型进给伺服系统,.闭环、半闭环进给伺服系统,上午3时21分,现代数控技术,70,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。由于微机的应用，使系统的控制更加灵活，

34、其特点是：位置、速度调节器的结构和参数可以按工作环境自动进行切换，使之适应负载变化的能力显著增强，应用优化理论还可使调节器的参数自动化，使系统可驱动不同的执行机械，通用化程度大大提高。其余同半软件型系统。,第四节 典型进给伺服系统,.闭环、半闭环进给伺服系统,上午3时21分,现代数控技术,71,这种系统的输出通过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，一般这种变化不足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。由于电流环的结构和参数还是固定的，所以还不能通过微机改变控制策略，以获得较理想的控制效果。由于该系统工作可

35、靠，结构紧凑，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地位，成为位置伺服系统的首选方案。,第四节 典型进给伺服系统,.闭环、半闭环进给伺服系统,上午3时21分,现代数控技术,72,全数字位置伺服系统 自以软件位置伺服系统诞生以来，人们就一直致力于用软件尽可能多地去取代硬件的工作，以降低成本，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，使得全数字位置伺服系统的实现成为现实。,第四节 典型进给伺服系统,.闭环、半闭环进给伺服系统,上午3时21分,现代数控技术,73,一种全数字

36、、采用脉宽调制（PWMpulse width modulation）控制的位置伺服系统如下图所示。,第四节 典型进给伺服系统,.闭环、半闭环进给伺服系统,上午3时21分,现代数控技术,74,系统的所有控制调节全部由软件完成，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，对伺服电机进行控制，完成位置控制任务。调节器的全部软件化使控制理论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、自适应控制、变参数控制、变结构控制、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故障的自动诊断等，使系统控制性能能进一步得

37、到提高。,第四节 典型进给伺服系统,.闭环、半闭环进给伺服系统,上午3时21分,现代数控技术,75,.典型闭环伺服系统示例,以半软件型位置伺服系统为例,第四节 典型进给伺服系统,.闭环、半闭环进给伺服系统,上午3时21分,现代数控技术,76,这里仅介绍位置控制单元，速度控制前面已介绍了 位置控制软件部分的任务：指令位置计算（含反向间隙、螺距误差补偿、限位处理）实际位置计算（反馈累积）跟随误差计算调节运算零点漂移补偿,第四节 典型进给伺服系统,.闭环、半闭环进给伺服系统,上午3时21分,现代数控技术,77,指令位置计算（反向间隙、螺距误差补偿、限位处理）：,第四节 典型进给伺服系统,.闭环、半闭

38、环进给伺服系统,上午3时21分,现代数控技术,78,实际位置计算（反馈累积）跟随误差计算调节运算零点漂移补偿,第四节 典型进给伺服系统,.闭环、半闭环进给伺服系统,上午3时21分,现代数控技术,79,硬件部分的任务,第四节 典型进给伺服系统,.闭环、半闭环进给伺服系统,上午3时21分,现代数控技术,80,第四节 典型进给伺服系统,上午3时21分,现代数控技术,81,第五节 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，进行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

39、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点,第四章 进给伺服系统,上午3时21分,现代数控技术,82,.控制系统的一般结构及传递函数,第五节 伺服系统性能分析,第四章 进给伺服系统,上午3时21分,现代数控技术,83,开环传递函数：反馈与偏差之比 闭环传递函数：输入与输出之比 干扰的闭环传递函数：输出与噪声之比 系统误差的函数：偏差与输入之比,.控制系统的一般结构及传递函数,第五节 伺服系统性能分析,上午3时21分,现代数控技术,84,二、进给伺服系统的数字模型及传递函数,闭环进给伺服系统的一般结构：,第五节 伺服系统性能分析,上午3时21分,现代数控技术,85,1.位置控制单元

40、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，位置调节器一般采用比例调节，放大系数为KN，则有：取拉氏变换得：结构框图：,第五节 伺服系统性能分析,二、进给伺服系统的数字模型及传递函数,上午3时21分,现代数控技术,86,2.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，速度调节器通常采用PI调节，驱动放大是比例环节，若忽略非线性和滞后特性的影响，可视它们为比例环节，则传递函数为KA，速度反馈环节的传递函数为KV，则有：取拉氏变换得：结构框图：,二、进给伺服系统的数字模型及传递函数,第五节 伺服系统性能分析,上午3时21分

41、,现代数控技术,87,3.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（参见参考书P127 P128）：,式中：Tm=RaJ a/KeKT 电机的机械时间常数 Km=1/Ke 电机的增益系数 KR=Ra/KT,二、进给伺服系统的数字模型及传递函数,第五节 伺服系统性能分析,上午3时21分,现代数控技术,88,拉氏变换得：,结构框图：,二、进给伺服系统的数字模型及传递函数,第五节 伺服系统性能分析,上午3时21分,现代数控技术,89,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)

42、的激励而产生的输出，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。,二、进给伺服系统的数字模型及传递函数,第五节 伺服系统性能分析,上午3时21分,现代数控技术,90,4.机械传动与执行单元的数学模型,机械传动与执行单元的输入为电机的角位移m，输出为工作台的线位移X0，其机械系统力平衡方程为：,拉氏变换：,二、进给伺服系统的数字模型及传递函数,第五节 伺服系统性能分析,上午3时21分,现代数控技术,91,结构框图：,由此可知，机械系统可视为一个二阶振动环节。,二、进给伺服系统的数字模型及传递函数,第五节 伺服系统性能分析,上午3时2

43、1分,现代数控技术,92,5.整个进给伺服系统的数学模型,由图可知：X0 是对XC 和FD 两个激励的响应，根据叠加原理，可先分别求出每个激励单独作用的响应，然后进行叠加。,二、进给伺服系统的数字模型及传递函数,第五节 伺服系统性能分析,上午3时21分,现代数控技术,93,当FD=0时，仅有XC 激励的传递系数,二、进给伺服系统的数字模型及传递函数,第五节 伺服系统性能分析,上午3时21分,现代数控技术,94,当XC,FD同时激励时系统的响应,二、进给伺服系统的数字模型及传递函数,第五节 伺服系统性能分析,上午3时21分,现代数控技术,95,三、进给伺服系统的性能分析,系统增益 KS(开环增益

44、，速度增益),KS 是进给伺服系统的重要性能参数，为了说明其物理意义，可对上述系统进行一些简化：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，则：,第五节 伺服系统性能分析,上午3时21分,现代数控技术,96,XC,三、进给伺服系统的性能分析,第五节 伺服系统性能分析,上午3时21分,现代数控技术,97,KS对系统动态性能的影响,进给伺服系统的输入通常是斜坡激励：,三、进给伺服系统的性能分析,第五节 伺服系统性能分析,上午3时21分,现代数控技术,98,讨论 KS 与输出速度 的关系 当KS 时，到达 F 所需的时间越短，系统的响应加快，灵敏度增高。KS 与系

45、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，它使系统的响应加快，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，加速度太大也可能系统超调，引起系统失稳。,第五节 伺服系统性能分析,三、进给伺服系统的性能分析,上午3时21分,现代数控技术,99,KS 与跟随误差D 的关系。,KS D 即：有利于提高系统的跟随精度。结论：KS的选择，要综合考虑，折衷选取，才能获得优良的综合 性能。,第五节 伺服系统性能分析,三、进给伺服系统的性能分析,上午3时21分,现代数控技术,100,KS的初选方法 在工程调试中，KS 可按下列方式初选：Mm、ML：分别是电机的输

46、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,第五节 伺服系统性能分析,三、进给伺服系统的性能分析,上午3时21分,现代数控技术,101,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，允许用户根据具体情况选定，以满足系统的稳定性和快速度性的要求。,第五节 伺服系统性能分析,三、进给伺服系统的性能分析,上午3时21分,现代数控技术,102,.定位精度,定位精度的检查通常是在空载的情况进行的，即无负载力（

47、Fc=0）。只有摩擦力，而且系统接受的是阶跃位置指令，即：,闭环系统的定位误差为：,第五节 伺服系统性能分析,三、进给伺服系统的性能分析,上午3时21分,现代数控技术,103,第五节 伺服系统性能分析,三、进给伺服系统的性能分析,上午3时21分,现代数控技术,104,半闭环系统的定位误差,第五节 伺服系统性能分析,三、进给伺服系统的性能分析,上午3时21分,现代数控技术,105,讨论 由 可知，为减小定位误差可采用下列措施：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，其实质增大KS(在系统稳定的范围内)。减小KR（=Ra/KT），即选择 KT 在的伺服电机。在半闭环系统中

48、，要尽可能增大传动机构的刚度K，这是因为当K较小时，将产生较大的弹性变形，从而加大定位误差。,第五节 伺服系统性能分析,三、进给伺服系统的性能分析,上午3时21分,现代数控技术,106,四、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。从理论上讲，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工作条件复杂多变，尤其是机械系统的阻尼、刚度、惯量等参数，尚无完善的计算方法。因此在进行设计和调试时，除必要的理论计算外，还必辅之以实验分析和类比法，利用已有的系统的参数和经验数据进行新的设计，这是目前常用的办法。下面定性

49、分析和介绍几个重要参数对系统性能影响及其确定方法。,第五节 伺服系统性能分析,上午3时21分,现代数控技术,107,.阻尼 阻尼主要与伺服驱动装置的电感、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：阻尼大则系统的伺服刚度高，抗干扰能力强，稳定性高。系统的定位精度低，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衷考虑。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，因此，现在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变系统的阻尼参数。,四、进给伺服系统参数的匹配,第五节 伺服系统性

50、能分析,上午3时21分,现代数控技术,108,2.惯量执行部件的惯量越小越好，因为惯量越大，时间常数越大，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、强度等方面的原因，惯量的降低受到的限制。一般要求（交流伺服电机）：式中：JL：传动部件折算到伺服电机输出轴上的惯量 Jm：电机的惯量 要满足这一要求有两个途径：尽可能使执行部件折算到电机轴上的惯量减小。尽可能使用本身惯量大的电机为驱动源。,四、进给伺服系统参数的匹配,第五节 伺服系统性能分析,上午3时21分,现代数控技术,109,.刚度 K 与固有频率n 刚度是指系统抵抗变形的能力，即：K=F/e开环系统：K 失动量系统的死区闭