伺服电机控制

伺服电机控制 ?5—3 闭环伺服控制原理与系统 在数控机床上，尤其是在计算机数控机床上，闭环伺服驱动系统由于具有工作可靠、抗干扰性强以及精度高等优点，因而相对于开环伺服驱动系统更为常用。但由于闭环伺服驱动系统增加了位置检测、反馈、比较等环节，与步进式开环系统相比，它的结构比较复杂，调试也相对更困难一些。 一、 闭环伺服驱动系统的执行元件 随着数控技术的发展，对执行元件的要求愈来愈高，归纳起来主要有以下几点: (1) 尽可能减少电机的转动惯量，以提高系统的快速动态响应; (2) 尽可能提高电机的过载能力，以适应经常出现的冲击现象; (3) 尽可能提高电机低速运行的稳定性和均匀性，以保证低速时伺服系统的精度。 鉴于机械加工的特殊性，一般的电机不能满足数控机床对伺服控制的要求。目前，在数控 机床上广泛应用的有直流伺服电机和交流伺服电机。 1.直流伺服电机 直流伺服电机是机床伺服系统中使用较广的一种执行元件。在伺服系统中常用的直流伺服电机多为大功率直流伺服电机，如低惯量电机和宽调速电机等。这些伺服电机虽然结构不 同，各有特色，但其工作原理与直流电机类似。 (1) 低惯量直流伺服电机。主要有无槽电枢直流伺服电机及其他一些类型的电机。无槽电枢直流伺服电机的工作原理与一般直流电机相同，其结构的差别和特点是:电枢铁心是光滑无槽的圆体，电枢绕组用环氧树脂固化成型并粘结在电枢铁心面上，电枢的长度与外径之比在5倍以上，气隙尺寸比一般的直流电机大10倍以上。它的输出功率在几十瓦至10 kW以内。主要用于要求快速动作、功率较大的系统。 (2) 宽调速直流力矩电机。这种电机用提高转矩的方法来改善其动态性能。它的结构形式与一般直流电机相似，通常采用他激式。目前几乎都用永磁式电枢控制。它具有以下特点: (3) 直流伺服电机的脉宽调速原理。调整直流伺服电机转速的方法主要是调整电枢电压。目前使用最广泛的方法是晶体管脉宽调制器—直流电机调速(PWM—M)。它具有响应快，效率高，调速范围宽以及噪音污染小，简单可靠等优点。 脉宽调制器的基本工作原理是，利用大功率晶体管的开关作用，将直流电压转换成一定频率的方波电压，加到直流电机的电枢上。通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢的平均电压，从而调节电机的转速。图5--9是PWM— M系统的工作原理图。设将图5--9(a)中的开关K周期地闭合、断开，开和关的周期是T。在一个周期内，闭合的时间为τ，断开的时间为T-τ。若外加电源的电压U是常数，则电源加到电机电枢上的 电压波形将是一个方波列，其高度为U， U宽度为τ，如图5--9(b)所示。它的平均值为 a ,1,UudtUU,,,,a,T0 (5-2) TT 式中的δ=τ,T，称为导通率。当T不变时，只要连续 ,0T，，U地改变，就可使电枢电压的平均值(即直流分量)a 由0连续变化至U，从而连续地改变电机的转速。实际的PWM—M系统用大功率三极管代替开关K 。其开关频率是2000 T=12000=0.5msHz，即 图5—9 PWM 调速系统的电器原理 图5--9(a)中的二极管是续流二极管，当K断开时，由于 I电枢电感La的存在，电机的电枢电流可通过它形成回路而a 流通。 图5--9 (a)所示的电路只能实现电机单方向的速度调节。为使电机实现双向调速，必须采用桥式电路。图5--10所示的桥式电路为PWM —M系统的主回路电气原理图。 图5—10 PWM —M系统的主回路电气原理图 2.交流伺服电机 交流伺服电机驱动是最新发展起来的新型伺服系统，也是当前机床进给驱动系统方面的一个新动向。该系统克服了直流驱动系统中电机电刷和整流子要经常维修、电机尺寸较大和使用环境受限制等缺点。它能在较宽的调速范围内产生理想的转矩，结构简单，运行可靠，用于数控机床等进给驱动系统为精密位置控制。 交流伺服电机的工作原理与两相异步电机相似 。然而 ，由于它在数控机床中作为执行元件，将交流电信号转换为轴上的角位移或角速度 ，所以要求转子速度的快慢能够反映控制信号的相位，无控制信号时它不转动。特别是当它已在转动时，如果控制信号消失，它立即停止转动。而普通的感应电动机转动起来以后，若控制信号消失，它往往不能立即停止而要继续转动一会儿。 交流伺服电机也是由定子和转子构成。定子上有励磁绕组和控制绕组，这两个绕组在空间相差90?电角度。若在两相绕组上加以幅值相等、相位差90?电角度的对称电压，则在电机的气隙中产生圆形的旋转磁场。若两个电压的幅值不等或相位不为90?电角度，则产生的磁场将是一个椭圆形旋转磁场。加在控制绕组上的信号不同，产生的磁场椭圆度也不同。例如，负载转矩一定，改变控制信号，就可以改变磁场的椭圆度，从而控制伺服电机的转速。交流伺服电机的控制方式有三种:幅值控制、相位控制和幅值相位混合控制。图5--11所示为这三种控制方法的电气原理和矢量图。 图5—11交流伺服电机的控制方法 二、 鉴幅式伺服系统 1.鉴幅式伺服系统的工作原理 图5--25是鉴幅式伺服系统的方框图。该系统由测量元件及信号处理线路、数模转换器、比较器、驱动环节和执行元件五部分组成。它与鉴相式伺服系统的主要区别有两点:一是它的测量元件是以鉴幅式工作状态进行工作的，因此，可用于鉴幅式伺服系统的测量元件有旋转变压器和感应同步器;二是比较器所比较的是数字脉冲量，而与之对应的鉴相式伺服系统的鉴相器所比较的是相位信号，故在鉴幅式伺服系统中，不需要基准信号，两数字脉冲量可直接在比较器中进行脉冲数量的比较。 图5-25 鉴幅式伺服系统 鉴幅式系统的工作原理如下: 进入比较器的信号有两路:一路来自数控装置插补器或插补软件的进给脉冲，它代表了数控装置要求机床工作台移动的位移;另一路来自测量元件及信号处理线路，也是以数字脉冲形式出现，它代表了工作台实际移动的距离。鉴幅系统工作前，数控装置和测量元件的信号处理线路都没有脉冲输出，比较器的输出为零。这时，执行元件不能带动工作台移动。出现进给脉冲信号之后，比较器的输出不再为零，执行元件开始带动工作台移动，同时，以鉴幅式工作的测量元件又将工作台的位移检测出来，经信号处理线路转换成相应的数字脉冲信号，该数 字脉冲信号作为反馈信号进入比较器与进给脉冲进行比较。若两者相等，比较器的输出为零，说明工作台实际移动的距离等于指令信号要求工作台移动的距离，执行元件停止带动工作台移动;若两者不相等，说明工作台实际移动的距离还不等于指令信号要求工作台移动的距离，执行元件继续带动工作台移动，直到比较器输出为零时停止。 在鉴幅式伺服系统中，数模转换电路的作用是将比较器输出的数字量转化为直流电压信号，图5--26测量元件及信号处理线路该信号经驱动线路进行电压和功率放大，驱动执行元件带动工作台移动。测量元件及信号处理线路是将工作台的机械位移检测出来并转换为数字脉冲量。 测量元件解调线路电压频率转换 Sin/cos发生器 图5-26 测量元件及信号处理线路 测量元件及信号处理线路是如何将工作台的机械位移检测出来并转换为数字脉冲的呢?测量元件的工作原理在第四章中已经详细地介绍过，下面重点介绍信号处理线路的工作原理。 图5-26是测量元件及信号处理线路的框图，它主要由测量元件、解调电路、电压频率转换器和sin,cos发生器组成。由测量元件的工作原理可知，当工作台移动时，测量元件根据 ,工作的位移量，即丝杠转角输出电压信号 V,,Vtsinsin,,,，，Bm V,B是此时测量元件激磁信号的电气角。的幅值 Vsin,,,，，Vm代表着工作台的位移。经滤波、放大、检波、B 整流以后，变成方向与工作台移动方向相对应，幅值与工作台位移成正比的直流电压信号，这个过程称为解调。解调电路也称鉴幅器。解调后的信号经电压频率转换器变成计数脉冲，脉冲的个数与电压幅值成正比，并用符号触发器表示方向。一方面，该计数脉冲及其符号送到比较器与进给脉冲比较;另一方面，经sin,cos发生器，产生驱动测量元件的两路信号sin和 ,cos，使角与此相对应发生改变。该驱动信号是方波信号， 它的脉宽随计数脉冲的多少而变。根据傅里叶展开式，当该方波信号作用于测量元件时，其基波信号分量为 VVt,,sinsin(55),,Sm1 ,,sincos(56)VVt,,1 Km ,1角的大小由方波的宽度决定。若测量元件的转子没有新 ,,1位移，因激磁信号电气角由变为，它所输出的幅值信号 也随之变化，而且逐步趋于零。若输出的新的幅值信号 VV,sin,,,,，，m1B V,不为零，将再一次经电压频率转换器、sin,cos信号B 发生器，产生下一个激磁信号，该激磁信号将使测量元件的输出进一步接近于零，这个过程的不断重复，直到测量元件的输出为零时止。在这个过程中，电压频率转换器送给比较器的脉 ,冲数量正好等于角所代表的工作台的位移量。通常，我们总 希望测量过渡过程尽可能短，如果这个过程很长，当有连续的进给脉冲时，由于来自测量元件的反馈脉冲不能及时到来，比较器输出的误差信号本身就带有很大的误差，因而必定要造成伺服系统的拖动误差，从而影响加工精度。 还有一点须要说明，测量元件的激磁信号sin,cos是方波信号，傅里叶展开后，可分解为基波信号和无穷个高次谐波信号，因此，测量元件的输出也必然含有这些高次谐波的影响，故在解调线路中，须首先进行滤波，将这些高次谐波的影响排除掉。 2.鉴幅式伺服系统的主要控制线路 1) 解调线路 图5--27是解调线路图，它由三部分组成，即低通滤波器、放大器和检波器。 如前所述，来自测量元件的信号除包含基波信号 VV,sin,,,，，mB 之外，还有高次谐波，需用低通滤波器将它滤掉。 图5--28是一种低通滤波线路图。它主要由可变电位计、滤波器和放大器组成。电位计W用来调节解调线路的灵敏度，1 通过调节W输出电压，改变低通滤波器的输出。放大器用来1 提高输出阻抗，使低通滤波器有良好的阻抗匹配。 低通滤波器输出信号的幅值和功率较小，故经过一级放大之后送到检波器。放大器的可根据低通滤波器的输出信号的幅值和检波器对它的要求选定，放大器是集成元件，可根据要求选择。 图5--29是一种检波器线路图，它是一个带放大器和反相 TVT112器的电子开关电路。输入信号经放大器、反相器和RC VD线路变成两列相位相反的交变电压信号，参考信号是与同 频率、同相位的方波信号。当参考信号D为高时，控制电子 KK12开关接通，而此时为低，控制电子开关断开;当D KK12参考信号D为低时，控制电子开关断开，而为高使接D 通。我们知道，测量元件输出的电压信号为 VV,sinsin,,,,t，，mB Vsin,,,，，Vm当工作台正向进给时，的幅值为正;当工B Vsin,,,，，msin,t作台反向进给时，为负。如果参考信号D在 V为正时为高，那么，工作台正向进给时，检波器的输出为E VV正;工作台反向进给时，检波器的输出为负。信号再经EE V过一次滤波去掉脉动成分，就得到平滑的直流电压，检波F V器的工作波形图如图5--30所示。 VDD?Ψt OO?Ψt DD OOEE?Ψt?ΨtVV OOFVF?ΨtV?Ψt O?ΨtO?Ψt 图5-30 检波器波形图 (a) 正向进给时 (b) 反向进给时 2) 电压频率转换器 电压频率转换器的作用是根据输入的电压值，产生出相应的脉冲。当输入电压为正时，输出正向脉冲;当输入电压为负时，输出反向脉冲，脉冲的方向用符号寄存器的输出表示;当输入为零时，不产生任何脉冲。随着输入电压信号幅值的增加，电压频率转换器的输出开始出现脉冲，图5--31是电压频率转换器线路图，其工作原理如下: OAOA11放大器是一个积分器，当输入信号的幅值大时，的 输出上升到+2.5 V所需的积分时间短，当输入信号的幅值小 OAOA23时，积分的时间长一些，如图5--32所示。放大器和是 OAOA11两个电压比较器，它们的作用是检测的信号。当输出的 OAOA21电压上升到+2.5 V时，的输出突然由1变为0;而的输 OAOA32出电压值下降到-2.5 V时，的输出突然由1变为0。和 OAOAOA323的输出又被送到同步器，每当和有由高电平到低电平 Q1的跳变时，同步器输出一个同步脉冲。该脉冲经三极管和场 OAOAOAOA1123效应管使积分器复位，的输出等于输入，同时或 OAOA23的输出又变为高电平。另外和输出的脉冲信号又控制符 Q,0Q,1号触发器置位或清零，指出方向。表示正向，表示 反向。图5--32是电压频率转换的波形图。 VF +2.5VtOAO 1输出O t5V OA2输出 tO 5V OA3输出 O 5Vt脉冲输出 O 方向符号5Vt O图5-32 电压频率转换器工作波形图 t电压频率转换器的输出一方面作为工作台的实际位移被 ,送到鉴幅系统的比较器，另一方面作为激磁信号的电气角被 送到sin,cos发生器(见图5--33)。 3) sin,cos发生器 sin,cos发生器的任务是根据电压频率转换器输出脉冲的 VVSK多少和方向，生成测量元件的激磁信号和，即 VVt,,sinsin(57),,Sm (58),,cossinVVt,, Km VV,SK式中的大小由脉冲的多少和方向决定;和的频率 和周期根据要求可用基准信号的频率和计数器的位数调整、控制 。通常 ，sin,cos发生器可分为两部分 ，即脉冲相位转换线路和sin,cos信号生成线路。图5--33是一具体的sin,cos信号发生器，其工作原理如下: 当电压频率转换器有正向计数脉冲输出时，该正向脉冲在方向符号的控制下，经门3、门5进入A计数器的加端，使A计数器多加这些正向计数脉冲，A计数器的输出便超前参考计 ,1;同时，它经门3直接进入B计数数器的输出一个相位角 器减端，使B计数器减掉这些正向计数脉冲，B计数器输出便 ,1滞后参考计数器的输出一个相应角;若电压频率转换器输 出的是反向计数脉冲，则该反向脉冲在方向符号的控制下，一方面经门2、门4使B计数器多加这些反向计数脉冲，B计数 ,2器的输出超前参考计数器的输出一个相位角;另一方面经 门2直接进入A计数器减端，使A计数器减掉这些反向计数 ,2脉冲，A计数器的输出滞后参考计数器的输出一个相位角; 若电压频率转换器没有计数脉冲输出，A和B两计数器的输出与参考计数器的输出同相位。实现以上这部分功能的线路称之为脉冲相位转换线路，它与鉴相式伺服系统中的脉冲调相器 A2基本相同。A计数器的输出A及其两分频后的信号，B计 B2数器的输出B及其两分频后的信号，以及参考计数器输出 的参考信号共同进入sin,cos信号生成线路。图5--34是sin,cos信号生成线路，它的输出就是所要求的测量元件的激磁 信号。 图5--34中sin和cos的逻辑表达式为 ,ABsin,,22,(59),,,,,,AB,cos,,,AB,,,,,22,,,,, 4) 比较器 鉴幅系统比较器的作用是对指令脉冲信号和反馈脉冲信号进行比较。一般来说，来自数控装置的指令脉冲信号可以是以下两种形式:第一种是用一条线路传递进给的方向，一条线路传送进给脉冲;第二种是用一条线路传送正向进给脉冲，一条线路传送反向进给脉冲。来自测量元件信号处理线路的反馈信号是采用第一种形式表示的。进入比较器的脉冲信号形式不同，比较器的构造也不相同。 图5--36是指令脉冲为第一种形式时的一种比较器结构。在该比较器中，反馈脉冲一定不能与指令脉冲同时出现。比较器的工作原理是，当有正向指令脉冲出现时，该脉冲在方向符号控制下经门2、门4，进入可逆计数器加端，使可逆计数器 作加法计数，可逆计数器的内容由零变为正数。其输出经数模转换、驱动环节，使执行元件带动工作台正向移动。工作台移动之后，测量元件将移动的距离检测出来，并经信号处理线路以正向反馈信号送入比较器。该正向反馈信号经门6 、门8进入可逆计数器减端，使可逆计数器作减法计数，可逆计数器的内容就是指令信号和反馈信号之差。若指令脉冲为反向脉冲，则经门3、门8进入计数器减端，使可逆计数器作减法计数，可逆计数器的内容为负。这时，反馈信号也一定是反向脉冲，反向脉冲经门7、门4进入可逆计数器加端，使可逆计数器作加法计数。当指令信号由一个方向向另一个方向转换时，一定要在工作台停止后再进行，即可逆计数器的内容变为零时再进行，否则要造成加工误差。 图5--37是指令脉冲用第二种形式表示时的一种比较器的结构，其工作原理与第一种比较器的原理基本相同，这里不再分析。 5) 数模转换器 数模转换器也称脉宽调制器，它的任务是把比较器的数字量转变为电压信号。目前，已有许多不同精度、不同形式的数模(D,A)转换器，只要能满足伺服系统对它的输入输出要求，可直接选来应用。 四、 数字比较式伺服系统 1.数字比较系统的构成 一个数字比较系统最多可由6个主要环节组成(见图5-38): (1) 由数控装置提供的指令信号。它可以是数码信号，也可以是脉冲数字信号。 (2) 由测量元件提供的机床工作台位置信号 。它可以是 数码信号 ，也可以是数字脉冲信号。 (3) 完成指令信号与测量反馈信号比较的比较器。 (4) 数字脉冲信号与数码的相互转换部件。它依据比较器的功能以及指令信号和反馈信号的性质而决定取舍。 (5) 驱动执行元件。它根据比较器的输出带动机床工作台移动。 在数字比较系统中，常用的位置测量反馈元件有光栅和编码盘。前者提供的是数字脉冲序列，后者是数码信号。虽然在此类系统中也可以采用能产生模拟反馈信号的测量元件，如旋转变压器、感应同步器等，但要通过模数(A,D)转换，将模拟量变为数字量以后才能提供给系统，这样会增加系统的复杂程度，故在典型的数字比较系统中很少采用。 图5-38 数字比较系统的组成 常用的数字比较器大致有三类:数码比较器、数字脉冲比较器、数码与数字脉冲比较器。 由于指令和反馈信号不一定能适合比较的需要，因此，在指令和比较器之间以及反馈和比较器之间有时须增加“数字脉冲—数码转换”的线路。 比较器的输出反映了指令信号和反馈信号的差值，以及差值的方向。将这一输出信号放大后，控制执行元件。执行元件 可以是伺服电机、液压伺服马达等。 一个具体的数字比较系统，根据指令信号和测量反馈信号的形式，以及选择的比较器的形式，可以是一个包括上述6个部分的系统，也可以仅由其中的某几部分组成。 2(数字比较系统的主要功能部件 1) 数字脉冲—数码转换器 (1) 数字脉冲转换为数码。对于数字脉冲转化为数码，其简单的实现就是一个可逆计数器，它将输入的脉冲进行计数，以数码值输出。根据对数码形式的要求不同，可逆计数器可以是二进制的、二—十进制的或其他类型的计数器，图5--39是由两个二—十进制计数器组成的数字脉冲—数码转换器。 图5-39 数字脉冲转化为数码的线路 (2) 数码转换为数字脉冲。对于数码转化为数字脉冲，常用的有两种方法。第一种方法是采用减法计数器组成的线路，如图5--40所示，先将要转换的数码置入减法计数器，当时钟脉冲CP到来之后，一方面使减法计数器作减法计数，另一方面进入与门。若减法计数器的内容不为“0”，该CP脉冲通过与门输出，若减法计数器的内容变为“0”，则与门被关闭，CP脉冲不能通过。计数器从开始计数到减为“0”。刚好与置入计数器中数码等值的数字脉冲从与门输出，从而实现了数码—数字脉冲的转换。第二种方法是用一个脉冲乘法器，在讨论 插补原理时曾介绍过，数字脉冲乘法器实质上就是将输入的二进制数码转化为等值的脉冲个数输出。其示意图如图5--41所示。 图5-40 数码转化为数字脉冲的线路之一 图5-41 数码转化为数字脉冲线路之二 2) 比较器 在数字比较系统中，使用的比较器有多种结构，根据其功能可分为两类:一是数码比较器;二是数字脉冲比较器。在数码比较器中，比较的是两个数码信号，而输出可以是定性的，即只指出参加比较的数谁大谁小，也可以是定量的，指出参加比较的数谁大,大多少。在数字脉冲比较器中，常用的方法是带有可逆回路的可逆计数器。 五、 闭环伺服系统的性能 下面以鉴相式伺服系统为例来讨论闭环伺服系统的性能。 1(系统工作稳定性 由于鉴相系统是一个自动调节系统，故在设计时必须进行稳定性计算，校核系统的工作稳定情况，以保证系统是在稳定区内工作。稳定性的校核是根据传递函数进行的，鉴相系统的传递函数可表示为 Kv,,(510)W,1mm，，，，aSaSaSK,11mvm ( 5—3) Kaaa,,,式中为系统速度放大系统;为系数。 vmm,11 根据罗斯--侯维智稳定判据，可计算出保证系统稳定工作 KK的最大速度放大系数，如果超过该，系统工作就vmaxvmax 不稳定了。 n2(无负载机床丝杠最大转速 max n机床丝杠的最大无负载转速应按下式计算: max 60nKr,,,,min(511)，，maxmaxmaxv2, 60(512),,,，，,,,maxmax(5—4) nKr,,,,min(511)，，maxmaxmaxv2, (512),,,，，,,,maxmax (5—5) ,max式中是鉴相器允许两相信号的最大相位差。二极管 ,,,2,,,,,,2,4,max型鉴相的门电路型鉴相器的由此max 可见，门电路型鉴相器较二极管型鉴相器可得到高几倍的最大转速，即可使机床工作台得到更高的进给速度。λ是鉴相器非均匀输出系数。二极管型鉴相器的λ=0.64;门电路型鉴相器 n是在直流放大器和电液伺服阀均未达到饱的λ=1。此外，max 和工作条件下导出的。 由于负载惯性的存在，一般，系统启动频率都低于系统最 nmax大工作频率(对应的工作频率)，即系统不能从静止状态突 nmax然加速到使机床丝杠在无负载最大转速下工作，必须设 置使系统在启动时逐步加速的加速回路。有时还须要设置停止时逐步减速的减速回路，如步进式伺服系统中的加减速回路。 ,3(系统静不灵敏区 min 系统从停止状态使执行元件以最慢速度开始正向或反向 ,,,,,，，minmin转动所需的鉴相器的最小相位差称为系统静 不灵敏区。它直接影响到机床的调整与加工精度，因此，希望它愈小愈好。系统静不灵敏区主要由执行元件(如电液伺服阀 ,K和液压马达)造成，与成反比。 minv 4(稳态误差ε ,当数控机床工作台作等速运动时，系统的输入转角与 ,机床丝杠的实际转角之差称为稳态误差，设机床丝杠以 nrads，，W,的转速旋转，则系统稳态误差为 ,,nK(513), Wv (5—6) 5(动态特性 ,,,时，机床丝杠，即旋当在鉴相器的输入端加一阶跃输入0 转变压器转子将按图5--20所示的过程随动，该过渡过程应满足如下品质指标: 图 5-20 系统过渡过程 ,(1) 尽可能减小稳态误差。 ,%(2) 超调量要小。它影响机床加工精度的提高和粗糙 度的降低。 ,,,,，，max%100%(514),，,, ,，，, (5—7) T(3) 调节时间要短。 P (4) 过渡过程的振荡次数要少。 n由以上各性能可见，提高机床丝杠无负载最高转速、max ,,减小静不灵敏区、减小稳态误差以及提高系统刚性等，min K。但这会导致系统稳定性的降均须增大系统速度放大系数v 低，因此，在保证系统稳定工作的前提下应尽可能增大系统的速度放大系数。 图 5-43 测速反馈原理图 6(提高系统稳定性能的措施 (1) 降低系统的速度放大系数。 (2) 采用积分--微分串联校正装置。 (3) 采用速度、加速度负反馈并联校正装置。图5--43为该装置的原理图。 ?5—4 CNC伺服系统 CNC伺服系统是指用于CNC机床上的伺服系统，它与前面介绍的伺服系统相比较，具有精度高、稳定性好等优点。CNC伺服系统的最突出的特点是利用计算机的计算功能，将来自测量元件的反馈信号在计算机中与由插补软件产生的指 令信号进行比较，其差值经位置控制输出组件去驱动执行元件带动工作台移动。 CNC伺服系统分为软件和硬件两个部分。软件部分主要完成跟随误差的计算，即指令信号和反馈信号的比较计算。硬件部分由位置检测组件和位置控制输出组件组成。其结构框图如图5-44所示。在CNC伺服系统中，由于计算机的引入，用软件代替了大量的硬件，因而使得硬件线路较其他伺服系统要简单些。在CNC伺服系统中还可用计算机对伺服系统进行最优控制、前瞻控制等，从而将整个系统的性能提高到一个新阶段。 图5-44 CNC伺服系统结构框图 图5-45和图5-46是分别以光栅和旋转变压器为测量元件的CNC伺服系统框图。从图中可以看出，除了以计算机代替了比较器之外，其他部分与数字比较式伺服系统和鉴幅式伺服系统基本相同，工作原理也基本相同。因此，可以说CNC伺服系统是鉴幅式伺服系统和数字比较式伺服系统的灵活应用。 下面以这两个具体的CNC伺服系统为例，说明CNC伺服系统的工作原理及基本组成。 图5-45 采用直流电动机驱动和光电脉冲发生器检测的系统 图5-46 采用液压马达驱动和旋转变压器检测的系统 一、 以光栅为测量元件的7360CNC伺服系统 1.软件部分 7360伺服系统是采用软件中断来实现的，在每一中断周 期结束之前，插补软件算出下一周期坐标轴的位置增量，当每一中断周期开始时 ，位置控制程序对坐标轴的实际位置进行采样 ，将采样值与插补软件产生的增量命令进行比较，算出跟随误差，该跟随误差经计算机接口送到位置控制输出组件，由位置控制输出组件拖动工作台移动，从而实现伺服控制。7360系统的中断周期(或称采样周期)T=10.24ms，在整个10.24ms中断周期中，计算机输出的指令信号维持不变。 7360伺服控制软件的工作主要包括跟随误差的计算、进给速度指令的计算和进给速度的监控。 1) 跟随误差的计算 从理论上讲，跟随误差为指令信号要求工作台移动的位置(简称指令位置)和工作台实际移动位置之差，即跟随误差=(指令位置值)-(实际位置值) 但实际上为了计算和控制方便，按采样周期的增量方式进行计算，为 EEDD,,，,(515) iiFiCi,1 (5—8) E式中 ——上一次10.24 ms迭代中所计算的跟随误i,1 差; E——本次迭代中所计算的跟随误差; i D——本次迭代中所读取的在上一次10.24 ms中运动Fi 的实际位置增量; D——上一次迭代末为本次10.24 ms周期算得的坐标Ci 轴位置增量。 t在图5-47中这种关系是很清楚的。设在时刻开始进行i i第周期的迭代计算，这时的已知条件是: R(t)=vC(t)位移t B命令位置 i ci??D命令位置 i - 1B"AEi-1 实际位置 iA" B'E??DFii-1实际位置 i - 1 A' tOti-1ti 图5-47 跟随误差的计算图5-47 跟随误差的计算 ,EAA,ti,1第周期中算出的跟随误差(是时刻命i,1Ai,1 i,1,令位置，是实际位置)，第周期中插补程序所插补出下A i一步命令位置为点。所以为第周期提供的位置命令增量是B ,,,,DBBt,,。从时刻到t时刻，工作台由点运动到点，CiABi,1 ,DAA,"t采样可得的实际运动增量为。周期开始时工作Fi1 ,台的跟随正是命令点和实际点之差，即 BB ,,,EBBBBBBAAAA,，,，,"""(") i,,,EBBBBBBAAAA,，,，,"""(")i ,,，,AABBAA"",,，,AABBAA"",,,，,,EDD(516)iFiCi,1,,,，,,EDD(516)iFiCi,1 (5—9) EE,，工作台以恒定速度进给。 在稳定状态下，ii,1 K2) 位置环增益的控制 v 位置环增益，也就是在鉴相系统中提到的系统进给速度放大系数，是机床伺服系统的基本指标之一，它不仅影响着系统的稳定性、系统刚度、静不灵敏区，还影响着机床工作台的进给速度和稳态误差。在CNC伺服系统中，利用软件可以对位 K置增益进行调节控制，以实现伺服系统时刻处于最佳增益V 工作状态。 根据自动控制理论，计算机数字采样控制系统与相应的连续系统有着完全相同的阶跃响应和斜坡响应，当系统以匀速斜 Rtv(),坡输入时，系统的稳态误差为一常量，且有 Et EvK,,/(517) v (5—10) 而 KKKKK,vDMCA K式中 ——计算机的控制增益; C K——驱动速度回路增益; M K——测量组件增益; A K——数模转换增益，其式为 D KKK,DN DA K其中 ——为了实现数模转换器的整个数值范围而引N K=0.46; 入的比例系数，在7360系统中取N K——实现数模转换器的增益，7360系统使用13位的DA D,A转换器，相应于其饱和数字量8191的模拟电压输出为9 KV,,981910.001V，数字单位。 DA Rtv,，，t式(5-10)说明，当向某坐标轴输入位置命令，要 求某坐标以恒定的进给速度v进给时，该坐标轴实际的速度与指令进给速度v一致。但二者的瞬时位置有一定的偏差，这就是斜坡响应的稳态误差E，即系统的跟随误差。图5-48是输 Rt，，0入系统的斜坡和响应系统C(t)之间的关系图。 R i=v/KvE R(t)=Vt C(t) tOti图5-48 反馈系统稳态误差图5-48 反馈系统稳定误差 vKE,K由关系式可知，系统的越大，较小的跟随误vv EvK,差就足以引起较大的速度。另一方面，由关系式可知，v K当输入的速度命令为一定时，位置增益愈大，坐标轴在跟v 随命令过程中形成的跟随误差愈小。在轮廓加工中，跟随误差 在轮廓上产生一个实际的误差。因此，希望提高增益保证较高的轮廓精度。但是，当坐标轴快速移动时，希望有较高的速度以提高机床的利用率。为了取得较高的速度，又要保证速度变化的平稳性，要求适当降低系统的增益，以增大跟随误差。用计算机可以容易地进行变增益的控制，使系统在两种不同的工作条件下都具有最佳的增益。7360系统通过用软件程序改变 KK值实现了两种工作条件的增益变化的控制。 Cv 3) 进给速度指令(数字量)的计算 如上所述，进给速度v的表达式如下: vKEKKKKEKKKKKE,,,,518，，vDMNMCACDAA (5— 10) KKK系数DN，M和部分由硬件设计确定，而软件须A KK要完成对跟随误差乘以的处理，我们把软件计算结果CN V称为进给速度的数字量，它由计算机发送到位置输出组件DA 的D,A缓冲器，其值为 VKKE,,519，，NDAC (5—11) V的计算分两步进行: DA V首先根据当前跟随误差所在的工作区域，计算值: D 轮廓区: VKE,,520，，DC (5—12) 快进区: VKEKEE,，,,,521，，，，DBPBPCC (5—13) E式中 ——增益转折点的跟随误差; BP K,,——控制增益减小率，常取1，而C 1214值常取为，。 VKV,接着，计算出，便可以向位置输出组件发送DNND 进给速度指令(数字量)了。发送到位置控制输出组件的数字量 09V经过数模转换后，变为的速度指令模拟电压。 4) 进给速度的监控 在CNC闭环系统中，如果发生位置反馈回路断开故障时，系统实际上成为开环状态，没有位置反馈增量从命令中减去，跟随误差会累积得越来越大，直到溢出，以致引起过量的进给速度而造成事故。当驱动装置失速时，也会发生累积误差引起的速度冲击振荡。为了避免这些现象发生，软件设置了两级速度保护。图5-49是跟随误差与进给速度的关系图，图中折线上的S点称为进给速度抑制点，M点称为过量速度控制点。 VD 17400vexc8020M16700vSUP7682vmax -- 最大编程进给速度S7360vmaxP16000vsup -- 进给抑制点的速度 vexc -- 过量进给速度 12 4000vBP18401EmaxEexcEsupEBP 0EO30800280004000 29400 (单位为伺服分辨率) 图5-49 跟随误差和进给速度的关系图5-49 跟随误差与进给速度的关系 S (1) 进给速度抑制点。对应于这一点的进给速度为最 大编程进给速度 (快进速度) 的1.05倍。当伺服软件检测到计 vv算出来的进给速度指令大于此对应的时，自动将进给速DD 度调整设定值减小一半，从而使插补程序中步长值下降一半，限制了进给速度，并同时显示报警信息，操作者处理。 (2) 过量进给速度控制点M。对应于这一点的进给速度值 v为最大编程速度的1.1倍，由此点的计算出来的进给速度D v指令数字量等于或接近数模转换器的最大容量。当伺服软DA vv件检测到计算出来的进给速度指令大于或等于此点的DD 时，自动使系统进入紧停状态，即停止各坐标轴的进给运动，停止零件程序的运行，并显示出错信息。 2.硬件部分 1) 位置控制输出组件 位置控制输出组件将工业处理机输出的以数字形式表示的跟随误差(一般为二进制数)转换为驱动执行元件需要的电压信号。它包括数字模拟转换和驱动放大环节两部分。 (1) 数字模拟转换。7360系统使用的是一专用的数模转换器，由于目前已有许多功能完备的数模转换器供实际应用选择，对于7360系统的专用数模转换电路在此不再进一步介绍和分析。 (2) 驱动放大环节。不同的执行元件，须要配备不同的驱动放大环节。7360系统配备有供液压伺服阀使用的伺服放大器和供直流电机使用的电压驱动放大器。图5-50为执行元件是液压伺服阀时的伺服阀放大线路图。它由五部分组成，即指令信号的电压放大器、脉冲信号发生器、伺服阀控制放大器、伺服阀饱和检测器以及测速反馈校正回路。其中测速反馈校正回路是为了提高系统的稳定性而设置的速度、加速度并联校正装置，伺服阀饱和检测器是为了对伺服 阀以及整个伺服系统安全保护而设置的。 图5-50 伺服阀放大线路图 2) 位置检测组件 位置检测组件由三部分组成:光电耦合器、鉴向倍频线路及计数器。图5--51是位置检测组件原理框图。 为了提高系统工作的可靠性，在光栅读数头和鉴向倍频线路之间，用光电耦合器隔离滤波，即图5-51中的“A通道”和“B通道”。信号由机床向数控装置长距离传送过程中，可能产生干扰脉冲，通过该线路后，可把它们基本滤掉。由于接线不可靠或其他原因丢失脉冲时，该线路也可以识别出来，并 CHA FALLCHB FALL且产生或的报警信号。图5-52是该线 路的原理图。 位置检测组件的另一个重要组成部分是鉴向倍频线路，关于鉴向倍频线路，已在第四章作过介绍，这里给出另一个鉴向倍频线路及其工作波形图，其工作原理与鉴向倍频线路类似，读者可自己分析。 图5-53是该鉴向倍频线路图。图中元件69是一个四位的并行移位寄存器(SN7495N)，其内部是4个触发器。4个触发 AD是4个触器的触发端连在一起，即元件69的SL端，11 AD发器的输入端是输出端。93和77号元件是两块将BCD00 码(二—十进制码)译为单十进制码的译码器。1和2的状态决 XX1021,,，定着UP和DN的输出脉冲频率，当时。从UP 或DN送出的脉冲的频率为输入信号CHA或CHB的两倍; XX1121,,，当时，从UP或DN得到的是四倍频的脉冲。图 5-54是鉴向倍频线路的工作波形图。 图5-51 位置检测组件原理框图 图5-52 光电耦合器和识别线路 图5-53 鉴向倍频线路 (a) (b) (a)CHA超前CHB时 (b) CHA滞后CHB时 图5-54 鉴向倍频线路工作波形图 除上述线路外，位置检测组件上还有一个保护电路。它接收来自测速电机速度信号和鉴向倍频线路输出的脉冲频率信号，并在D,A比较器中进行比较。如果两者所表示的机床丝杠旋转速度相同，说明检测元件和测速电机工作正常，伺服系统继续工作。若两者不相同，说明检测元件及其信号处理线路或测速电机及其信号处理线路出现故障，将造成伺服系统位置环或速度、加速度并联校正装置开路，引起伺服系统控制失误。这时，保护电路一方面产生报警信号，使指示灯亮，另一方面通过控制机床继电器线路，使工作台紧停。 ?5—4 CNC伺服系统 CNC伺服系统是指用于CNC机床上的伺服系统，它与前面介绍的伺服系统相比较，具有精度高、稳定性好等优点。CNC伺服系统的最突出的特点是利用计算机的计算功能，将来自测量元件的反馈信号在计算机中与由插补软件产生的指令信号进行比较，其差值经位置控制输出组件去驱动执行元件带动工作台移动。 CNC伺服系统分为软件和硬件两个部分。软件部分主要完成跟随误差的计算，即指令信号和反馈信号的比较计算。硬件部分由位置检测组件和位置控制输出组件组成。其结构框图如图5-44所示。在CNC伺服系统中，由于计算机的引入，用软件代替了大量的硬件，因而使得硬件线路较其他伺服系统要简单些。在CNC伺服系统中还可用计算机对伺服系统进行最优控制、前瞻控制等，从而将整个系统的性能提高到一个新阶段。 图5-44 CNC伺服系统结构框图 图5-45和图5-46是分别以光栅和旋转变压器为测量元件的CNC伺服系统框图。从图中可以看出，除了以计算机代替了比较器之外，其他部分与数字比较式伺服系统和鉴幅式伺服系统基本相同，工作原理也基本相同。因此，可以说CNC伺服系统是鉴幅式伺服系统和数字比较式伺服系统的灵活应用。下面以这两个具体的CNC伺服系统为例，说明CNC伺服系统的工作原理及基本组成。 图5-45 采用直流电动机驱动和光电脉冲发生器检测的系统 图5-46 采用液压马达驱动和旋转变压器检测的系统 一、 以光栅为测量元件的7360CNC伺服系统 1.软件部分 7360伺服系统是采用软件中断来实现的，在每一中断周期结束之前，插补软件算出下一周期坐标轴的位置增量，当每一中断周期开始时 ，位置控制程序对坐标轴的实际位置进行 采样 ，将采样值与插补软件产生的增量命令进行比较，算出跟随误差，该跟随误差经计算机接口送到位置控制输出组件，由位置控制输出组件拖动工作台移动，从而实现伺服控制。7360系统的中断周期(或称采样周期)T=10.24ms，在整个10.24ms中断周期中，计算机输出的指令信号维持不变。 7360伺服控制软件的工作主要包括跟随误差的计算、进给速度指令的计算和进给速度的监控。 1) 跟随误差的计算 从理论上讲，跟随误差为指令信号要求工作台移动的位置(简称指令位置)和工作台实际移动位置之差，即跟随误差=(指令位置值)-(实际位置值) 但实际上为了计算和控制方便，按采样周期的增量方式进行计算，计算公式为 EEDD,,，,(515) iiFiCi,1 (5—8) E式中 ——上一次10.24 ms迭代中所计算的跟随误i,1 差; E——本次迭代中所计算的跟随误差; i D——本次迭代中所读取的在上一次10.24 ms中运动Fi 的实际位置增量; D——上一次迭代末为本次10.24 ms周期算得的坐标Ci 轴位置增量。 t时刻开始进行在图5-47中这种关系是很清楚的。设在i i第周期的迭代计算，这时的已知条件是: R(t)=vC(t)位移t B命令位置 i ci??D命令位置 i - 1B"AEi-1 实际位置 iA" B'E??DFii-1实际位置 i - 1 A' tOti-1ti 图5-47 跟随误差的计算图5-47 跟随误差的计算 ,EAA,ti,1第周期中算出的跟随误差(是时刻命i,1Ai,1 i,1,令位置，是实际位置)，第周期中插补程序所插补出下A i一步命令位置为点。所以为第周期提供的位置命令增量是B ,,DBB,,t,,。从时刻到t时刻，工作台由点运动到点，CiABi,1 ,DAA,"t采样可得的实际运动增量为。周期开始时工作Fi1 ,台的跟随正是命令点和实际点之差，即 BB ,,,EBBBBBBAAAA,，,，,"""(") i,,,EBBBBBBAAAA,，,，,"""(")i ,,，,AABBAA"",,，,AABBAA"",,,，,,EDD(516)iFiCi,1,,,，,,EDD(516)iFiCi,1 (5—9) EE,在稳定状态下，，工作台以恒定速度进给。 ii,1 K的控制 2) 位置环增益v 位置环增益，也就是在鉴相系统中提到的系统进给速度放大系数，是机床伺服系统的基本指标之一，它不仅影响着系统的稳定性、系统刚度、静不灵敏区，还影响着机床工作台的进给速度和稳态误差。在CNC伺服系统中，利用软件可以对位 K置增益进行调节控制，以实现伺服系统时刻处于最佳增益V 工作状态。 根据自动控制理论，计算机数字采样控制系统与相应的连续系统有着完全相同的阶跃响应和斜坡响应，当系统以匀速斜 Rtv(),坡输入时，系统的稳态误差为一常量，且有 Et EvK,,/(517) v (5—10) 而 KKKKK,vDMCA K式中 ——计算机的控制增益; C K——驱动速度回路增益; M K——测量组件增益; A K——数模转换增益，其式为 D KKK,DN DA K其中 N——为了实现数模转换器的整个数值范围而引 K入的比例系数，在7360系统中取=0.46; N K——实现数模转换器的增益，7360系统使用13位的DA D,A转换器，相应于其饱和数字量8191的模拟电压输出为9 KV,,981910.001V，数字单位。 DA Rtv,，，t式(5-10)说明，当向某坐标轴输入位置命令，要 求某坐标以恒定的进给速度v进给时，该坐标轴实际的速度与指令进给速度v一致。但二者的瞬时位置有一定的偏差，这就是斜坡响应的稳态误差E，即系统的跟随误差。图5-48是输 Rt，，0入系统的斜坡和响应系统C(t)之间的关系图。 R i=v/KvE R(t)=Vt C(t) tOti图5-48 反馈系统稳态误差图5-48 反馈系统稳定误差 vKE,K由关系式可知，系统的越大，较小的跟随误vv EvK,差就足以引起较大的速度。另一方面，由关系式可知，v K当输入的速度命令为一定时，位置增益愈大，坐标轴在跟v 随命令过程中形成的跟随误差愈小。在轮廓加工中，跟随误差在轮廓上产生一个实际的误差。因此，希望提高增益保证较高 的轮廓精度。但是，当坐标轴快速移动时，希望有较高的速度以提高机床的利用率。为了取得较高的速度，又要保证速度变化的平稳性，要求适当降低系统的增益，以增大跟随误差。用计算机可以容易地进行变增益的控制，使系统在两种不同的工作条件下都具有最佳的增益。7360系统通过用软件程序改变 KK值实现了两种工作条件的增益变化的控制。 Cv 3) 进给速度指令(数字量)的计算 如上所述，进给速度v的表达式如下: vKEKKKKEKKKKKE,,,,518，，vDMNMCACDAA (5—10) KKK系数DN，M和部分由硬件设计确定，而软件须A KK要完成对跟随误差乘以的处理，我们把软件计算结果CN V称为进给速度的数字量，它由计算机发送到位置输出组件DA 的D,A缓冲器，其值为 VKKE,,519，，NDAC (5—11) V的计算分两步进行: DA V首先根据当前跟随误差所在的工作区域，计算值: D 轮廓区: VKE,,520，，DC (5—12) 快进区: VKEKEE,，,,,521，，，，DBPBPCC (5—13) E式中 ——增益转折点的跟随误差; BP K,,——控制增益减小率，常取1，而C 1214值常取为，。 VKV,接着，计算出，便可以向位置输出组件发送DNND 进给速度指令(数字量)了。发送到位置控制输出组件的数字量 09V经过数模转换后，变为的速度指令模拟电压。 4) 进给速度的监控 在CNC闭环系统中，如果发生位置反馈回路断开故障时，系统实际上成为开环状态，没有位置反馈增量从命令中减去，跟随误差会累积得越来越大，直到溢出，以致引起过量的进给速度而造成事故。当驱动装置失速时，也会发生累积误差引起的速度冲击振荡。为了避免这些现象发生，软件设置了两级速度保护。图5-49是跟随误差与进给速度的关系图，图中折线上的S点称为进给速度抑制点，M点称为过量速度控制点。 VD 17400vexc8020M16700vSUP7682vmax -- 最大编程进给速度S7360vmaxP16000vsup -- 进给抑制点的速度 vexc -- 过量进给速度 12 4000vBP18401EmaxEexcEsupEBP 0EO30800280004000 29400 (单位为伺服分辨率) 图5-49 跟随误差和进给速度的关系图5-49 跟随误差与进给速度的关系 S (1) 进给速度抑制点。对应于这一点的进给速度为最 大编程进给速度 (快进速度) 的1.05倍。当伺服软件检测到计 vv算出来的进给速度指令大于此对应的时，自动将进给速DD 度调整设定值减小一半，从而使插补程序中步长值下降一半，限制了进给速度，并同时显示报警信息，通知操作者处理。 (2) 过量进给速度控制点M。对应于这一点的进给速度值 v为最大编程速度的1.1倍，由此点的计算出来的进给速度D v指令数字量等于或接近数模转换器的最大容量。当伺服软DA vv件检测到计算出来的进给速度指令大于或等于此点的DD 时，自动使系统进入紧停状态，即停止各坐标轴的进给运动，停止零件程序的运行，并显示出错信息。 2.硬件部分 1) 位置控制输出组件 位置控制输出组件将工业处理机输出的以数字形式表示的跟随误差(一般为二进制数)转换为驱动执行元件需要的电压信号。它包括数字模拟转换和驱动放大环节两部分。 (1) 数字模拟转换。7360系统使用的是一专用的数模转换器，由于目前已有许多功能完备的数模转换器供实际应用选择，对于7360系统的专用数模转换电路在此不再进一步介绍和分析。 (2) 驱动放大环节。不同的执行元件，须要配备不同的驱动放大环节。7360系统配备有供液压伺服阀使用的伺服放大器和供直流电机使用的电压驱动放大器。图5-50为执行元件是液压伺服阀时的伺服阀放大线路图。它由五部分组成，即指令信号的电压放大器、脉冲信号发生器、伺服阀控制放大器、伺服阀饱和检测器以及测速反馈校正回路。其中测速反馈校正回路是为了提高系统的稳定性而设置的速度、加速度并联校正装置，伺服阀饱和检测器是为了对伺服 阀以及整个伺服系统安全保护而设置的。 图5-50 伺服阀放大线路图 2) 位置检测组件 位置检测组件由三部分组成:光电耦合器、鉴向倍频线路及计数器。图5--51是位置检测组件原理框图。 为了提高系统工作的可靠性，在光栅读数头和鉴向倍频线路之间，用光电耦合器隔离滤波，即图5-51中的“A通道”和“B通道”。信号由机床向数控装置长距离传送过程中，可能产生干扰脉冲，通过该线路后，可把它们基本滤掉。由于接线不可靠或其他原因丢失脉冲时，该线路也可以识别出来，并 CHA FALLCHB FALL且产生或的报警信号。图5-52是该线 路的原理图。 位置检测组件的另一个重要组成部分是鉴向倍频线路，关于鉴向倍频线路，已在第四章作过介绍，这里给出另一个鉴向倍频线路及其工作波形图，其工作原理与鉴向倍频线路类似，读者可自己分析。 图5-53是该鉴向倍频线路图。图中元件69是一个四位的并行移位寄存器(SN7495N)，其内部是4个触发器。4个触发 AD器的触发端连在一起，即元件69的SL端，是4个触11 AD发器的输入端是输出端。93和77号元件是两块将BCD00 码(二—十进制码)译为单十进制码的译码器。1和2的状态决 XX1021,,，定着UP和DN的输出脉冲频率，当时。从UP 或DN送出的脉冲的频率为输入信号CHA或CHB的两倍; XX1121,,，当时，从UP或DN得到的是四倍频的脉冲。图 5-54是鉴向倍频线路的工作波形图。 图5-51 位置检测组件原理框图 图5-52 光电耦合器和识别线路 图5-53 鉴向倍频线路 (b) (b) (a)CHA超前CHB时 (b) CHA滞后CHB时 图5-54 鉴向倍频线路工作波形图 除上述线路外，位置检测组件上还有一个保护电路。它接收来自测速电机速度信号和鉴向倍频线路输出的脉冲频率信号，并在D,A比较器中进行比较。如果两者所表示的机床丝杠旋转速度相同，说明检测元件和测速电机工作正常，伺服系统继续工作。若两者不相同，说明检测元件及其信号处理线路或测速电机及其信号处理线路出现故障，将造成伺服系统位置环或速度、加速度并联校正装置开路，引起伺服系统控制失误。这时，保护电路一方面产生报警信号，使指示灯亮，另一方面通过控制机床继电器线路，使工作台紧停。 二、以旋转变压器为测量元件的7M CNC伺服系统 1(软件部分 与7360系统的伺服控制一样，7M系统也是采用实时中断实现伺服控制的。与7360系统 不同的是，7M系统的差补计算部分每8ms进行一次，计 ,D算出8ms内工作台的进给量，而位置控制部分则每4msci 计算一次，将计算结果作为一个4ms的进给指令，经过计算 机接口输出。位置控制部分的计算过程为: (1)跟随误差的计算。设上一个4ms开始时工作台的实 DFi,1，从位置检测组件获得的上一个4ms内工作台际位置为 ,D实际位置增量为，那么本次4ms周期开始时工作台的实Fi 际位置为 DDD,，,,(522)FiFiFi,1 (5—14) DCi,1设上一个4 ms结束时指令位置为，那么，本次4 ms的 指令位置为 DDD,，,,/2(523)ciCiCi,1 (5—15) 因此，本周期的伺服系统跟随误差，或称位置偏差为 EDD,,,(524)iFiCi (5—16) (2) 进给速度指令的计算。与7360系统相同，为了控制的需要，要将跟随误差转化为进给速度指令，即根据E值的大 v小，按下式求出进给速度指令值，即 DA vKKE,,(525)NDAC (5—17) 此外，由于位置控制系统特别是速度控制装置的零点有误差，在给定的速度指令电压为零时，速度控制装置的输出电压不为零，使直流伺服电机(执行元件)仍以慢速旋转。因此，需 在软件中补加一个零点偏移补偿量ΔS，使补偿后的直流伺服电机停止旋转。所以，实际的速度指令值的计算应为 vKKES,，,,(526)NDAC (5—18) 2.硬件部分 (1) 位置控制输出组件。位置控制输出组件线路如图5-55 v所示，速度指令寄存器寄存从工业处理机来的速度指令值,DA 012其二进制位存放速度值，第14位是符号位，最大指令 值为 +8191，最小指令值为 -8191。数模转换器由可预置数的减法计数器组成，定时向计数器置入速度指令值，然后以一定的速率减到零，可将数字量的速度指令值转换为调宽脉冲 MvP，脉冲周期等于置数周期，脉冲宽度τ与成正比。在DA 7M系统中，为了减少电路误差对精度的影响，将数模转换器 91208的减法计数器分成粗计数器(位)和精计数器(位)两 128,s部分。两个计数器的置数周期T均为，粗计数器的计数 时钟为125 kHz，最大计数值为15;精计数器的计数时钟为4 kHz，最大计数值为511。 M调宽脉冲是不带符号的，为此，需将P变换成可表示正 N负值的调宽脉冲P。此外，为了输出电平稳定精确，还需将 脉冲变换成幅值，完成这一功能的电 路是模拟开关。关于模拟开关电路参见鉴幅式伺服系统一节的检波器线路。 TT和等组成，如图5-55所示。滤波放大器由运算放大器12 NTTPC是放大倍数为1的高输入阻抗电路，将粗精调宽脉冲12 N和按16倍的比例混合，并且滤掉脉冲成分，将直流成分PF V放大到所需的电压。 P 图5-55 位置控制输出组件线路图 V按图5-55的滤波放大电路，可写出的计算公式: P RRRR5555,，，,,,(1)(527)VVVVPRDNPCNPCRRRR (56161 —19) VVvVNPC当和均为2.5 V(相当于=0)时，应为零，NPFPDA V将各电阻值代入上式，可求得标准电压为2.023 8 V。那么，RD V就可表示为 P VVVV,,,,10.62540.25()(528)PNPFNPC (5—20) V根据选用的执行元件不同，还要转换成驱动这些执行P V元件所需的形式，即还要经驱动放大环节，如伺服阀放大P 器、可控硅驱动线路等。 (2) 位置检测组件。位置检测组件由检波器、电压频率转换器和sin,cos发生器、实际位置计数器等电路组成，其方框图如图5-56所示。 图5-56 位置检测装置方框图 由sin,cos发生器产生的8 kHz的正弦余弦电压被送到旋转变压器的定子绕组(或感应同步器的滑尺)，在旋转变压器的 VV。作转子绕组(或感应同步器的定尺)上感应出电压信号CC 为输入信号送到检测装置，先经过10 kHz低通滤波器滤去信号的高次谐波成分和干扰信号。滤波器的输出被送到检波器， V把交流信号变换为直流信号。再经过6 kHz低通滤波器滤E VV去8 kHz的脉动成分，输出平滑的直流电压，送到电压FF VV频率转换电路，转换为频率与成正比的脉冲CVFC, 还FF V被送到符号检测电路，检出的符号SIGN。CVFC和SIGNF 经同步电路后，被送到sin,cos发生器和实际位置计数器，以 ,,控制旋转变压器激磁信号中电气角的变化，并根据角产 生脉宽调制的正弦余弦电压，同时，使计数器计数，计出的数 D字表示一段时间内坐标位置的移动量。 Fi 电压频率转换电路和低通滤波器、检波器线路参考鉴幅式伺服系统。 图5-57 脉宽调制式的sin,cos发生器的方框图 脉宽调制式的sin,cos发生器的方框图如图5-57所示。它由混合电路、两套分频比为1000的计数器和正弦余弦波形组合门电路以及驱动器等组成 。混合电路的作用是根据脉冲CVFC及其符号SIGN ，使计数器1多计脉冲CVFC所表示的数和使计数器2少计CVFC所表示的数;或使计数器1少计CVFC所表示的数和使计数器2多计CVFC所表示的数 。在混合电路中有一只J-K触发器作为计数器，所以sin,cos发生器总分频比为2000 。当计数器的计数脉冲是16 MHz时，计数器输出频率为8 KHz的方波，相当于2π rad的脉冲数为2 000，每个脉冲为π,1 000 rad。脉宽调制式的正弦余弦波形 ,可用波形合成的方法产生。如果计数器的输出波形A滞后 角，计数器1的另一端输出B比A滞后90?;计数器2的输 ,出C导前角，计数器2的另一个输出D比C滞后90?。再 把A，B，C，D四个波形加到组合门电路，合成E，F，G，H的工作波形，其逻辑关系为 EACFAC,,,, GBDHBD,,,, 此组合电压经驱动电路加到旋转变压器(或感应同步器)的激励绕组两端，激励绕组上实际承受的电压是两端电压的偏差值，即 VFEVHG,,,,; 12 VV此和就是所要求的余弦和正弦调宽脉冲的波形，各12 ,工作波形如图5—58所示。图中为脉冲宽度的相角，可在 0360范围内变化。用傅里叶级数分析，可得出sin和cos函数的基本成分为 cos:()cossin529VtVt,,,,，，1m (5—21) sin:()sinsin(530)VtVt,,,, 2m (5—22) ,,,2ff,式中为角频率，，此处，是正弦和余弦波 形的频率，本系统中采用8kHz。 图5-58 sin/cos 发生器工作波形 二、以旋转变压器为测量元件的7M CNC伺服系统 1(软件部分 与7360系统的伺服控制一样，7M系统也是采用实时中断实现伺服控制的。与7360系统 不同的是，7M系统的差补计算部分每8ms进行一次，计 ,D算出8ms内工作台的进给量，而位置控制部分则每4msci 计算一次，将计算结果作为一个4ms的进给指令，经过计算机接口输出。位置控制部分的计算过程为: (1)跟随误差的计算。设上一个4ms开始时工作台的实 DFi,1，从位置检测组件获得的上一个4ms内工作台际位置为 ,D实际位置增量为，那么本次4ms周期开始时工作台的实Fi 际位置为 DDD,，,,(522)FiFiFi,1 (5—14) DCi,1设上一个4 ms结束时指令位置为，那么，本次4 ms的 指令位置为 DDD,，,,/2(523)ciCiCi,1 (5—15) 因此，本周期的伺服系统跟随误差，或称位置偏差为 EDD,,,(524)iFiCi (5—16) (2) 进给速度指令的计算。与7360系统相同，为了控制的需要，要将跟随误差转化为进给速度指令，即根据E值的大 v小，按下式求出进给速度指令值，即 DA vKKE,,(525)NDAC (5—17) 此外，由于位置控制系统特别是速度控制装置的零点有误差，在给定的速度指令电压为零时，速度控制装置的输出电压 不为零，使直流伺服电机(执行元件)仍以慢速旋转。因此，需在软件中补加一个零点偏移补偿量ΔS，使补偿后的直流伺服电机停止旋转。所以，实际的速度指令值的计算应为 vKKES,，,,(526)NDAC (5—18) 2.硬件部分 (1) 位置控制输出组件。位置控制输出组件线路如图5-55 v所示，速度指令寄存器寄存从工业处理机来的速度指令值,DA 012其二进制位存放速度值，第14位是符号位，最大指令 值为 +8191，最小指令值为 -8191。数模转换器由可预置数的减法计数器组成，定时向计数器置入速度指令值，然后以一定的速率减到零，可将数字量的速度指令值转换为调宽脉冲 MvP，脉冲周期等于置数周期，脉冲宽度τ与成正比。在DA 7M系统中，为了减少电路误差对精度的影响，将数模转换器 91208的减法计数器分成粗计数器(位)和精计数器(位)两 128,s部分。两个计数器的置数周期T均为，粗计数器的计数 时钟为125 kHz，最大计数值为15;精计数器的计数时钟为4 kHz，最大计数值为511。 M调宽脉冲是不带符号的，为此，需将P变换成可表示正 N负值的调宽脉冲P。此外，为了输出电平稳定精确，还需将 脉冲变换成标准幅值，完成这一功能的电 路是模拟开关。关于模拟开关电路参见鉴幅式伺服系统一节的检波器线路。 TT和等组成，如图5-55所示。滤波放大器由运算放大器12 NTTPC是放大倍数为1的高输入阻抗电路，将粗精调宽脉冲12 N和按16倍的比例混合，并且滤掉脉冲成分，将直流成分PF V放大到所需的电压。 P 图5-55 位置控制输出组件线路图 V按图5-55的滤波放大电路，可写出的计算公式: P RRRR5555,，，,,,(1)(527)VVVVPRDNPCNPCRRRR (56161 —19) VVvVNPC当和均为2.5 V(相当于=0)时，应为零，NPFPDA V将各电阻值代入上式，可求得标准电压为2.023 8 V。那么，RD V就可表示为 P VVVV,,,,10.62540.25()(528)PNPFNPC (5—20) V根据选用的执行元件不同，还要转换成驱动这些执行P V元件所需的形式，即还要经驱动放大环节，如伺服阀放大P 器、可控硅驱动线路等。 (2) 位置检测组件。位置检测组件由检波器、电压频率转换器和sin,cos发生器、实际位置计数器等电路组成，其方框图如图5-56所示。 图5-56 位置检测装置方框图 由sin,cos发生器产生的8 kHz的正弦余弦电压被送到旋转变压器的定子绕组(或感应同步器的滑尺)，在旋转变压器的 VV。作转子绕组(或感应同步器的定尺)上感应出电压信号CC 为输入信号送到检测装置，先经过10 kHz低通滤波器滤去信号的高次谐波成分和干扰信号。滤波器的输出被送到检波器， V把交流信号变换为直流信号。再经过6 kHz低通滤波器滤E VV去8 kHz的脉动成分，输出平滑的直流电压，送到电压FF VV频率转换电路，转换为频率与成正比的脉冲CVFC, 还FF V被送到符号检测电路，检出的符号SIGN。CVFC和SIGNF 经同步电路后，被送到sin,cos发生器和实际位置计数器，以 ,,控制旋转变压器激磁信号中电气角的变化，并根据角产 生脉宽调制的正弦余弦电压，同时，使计数器计数，计出的数 D字表示一段时间内坐标位置的移动量。 Fi 电压频率转换电路和低通滤波器、检波器线路参考鉴幅式伺服系统。 图5-57 脉宽调制式的sin,cos发生器的方框图 脉宽调制式的sin,cos发生器的方框图如图5-57所示。它由混合电路、两套分频比为1000的计数器和正弦余弦波形组合门电路以及驱动器等组成 。混合电路的作用是根据脉冲CVFC及其符号SIGN ，使计数器1多计脉冲CVFC所表示的数和使计数器2少计CVFC所表示的数;或使计数器1少计CVFC所表示的数和使计数器2多计CVFC所表示的数 。在混合电路中有一只J-K触发器作为计数器，所以sin,cos发生器总分频比为2000 。当计数器的计数脉冲是16 MHz时，计数器输出频率为8 KHz的方波，相当于2π rad的脉冲数为2 000，每个脉冲为π,1 000 rad。脉宽调制式的正弦余弦波形 ,可用波形合成的方法产生。如果计数器的输出波形A滞后 角，计数器1的另一端输出B比A滞后90?;计数器2的输 ,出C导前角，计数器2的另一个输出D比C滞后90?。再 把A，B，C，D四个波形加到组合门电路，合成E，F，G，H的工作波形，其逻辑关系为 EACFAC,,,, GBDHBD,,,, 此组合电压经驱动电路加到旋转变压器(或感应同步器)的激励绕组两端，激励绕组上实际承受的电压是两端电压的偏差值，即 VFEVHG,,,,; 12 VV此和就是所要求的余弦和正弦调宽脉冲的波形，各12 ,工作波形如图5—58所示。图中为脉冲宽度的相角，可在 0360范围内变化。用傅里叶级数分析，可得出sin和cos函数的基本成分为 cos:()cossin529VtVt,,,,，，1m (5—21) sin:()sinsin(530)VtVt,,,, 2m (5—22) ,,,2ff,式中为角频率，，此处，是正弦和余弦波 形的频率，本系统中采用8kHz。 图5-58 sin/cos 发生器工作波形 二、以旋转变压器为测量元件的7M CNC伺服系统 1(软件部分 与7360系统的伺服控制一样，7M系统也是采用实时中断实现伺服控制的。与7360系统 不同的是，7M系统的差补计算部分每8ms进行一次，计 ,D算出8ms内工作台的进给量，而位置控制部分则每4msci 计算一次，将计算结果作为一个4ms的进给指令，经过计算机接口输出。位置控制部分的计算过程为: (1)跟随误差的计算。设上一个4ms开始时工作台的实 DFi,1，从位置检测组件获得的上一个4ms内工作台际位置为 ,D实际位置增量为，那么本次4ms周期开始时工作台的实Fi 际位置为 DDD,，,,(522)FiFiFi,1 (5—14) DCi,1设上一个4 ms结束时指令位置为，那么，本次4 ms的 指令位置为 DDD,，,,/2(523)ciCiCi,1 (5—15) 因此，本周期的伺服系统跟随误差，或称位置偏差为 EDD,,,(524)iFiCi (5—16) (2) 进给速度指令的计算。与7360系统相同，为了控制的需要，要将跟随误差转化为进给速度指令，即根据E值的大 v小，按下式求出进给速度指令值，即 DA vKKE,,(525)NDAC (5—17) 此外，由于位置控制系统特别是速度控制装置的零点有误差，在给定的速度指令电压为零时，速度控制装置的输出电压 不为零，使直流伺服电机(执行元件)仍以慢速旋转。因此，需在软件中补加一个零点偏移补偿量ΔS，使补偿后的直流伺服电机停止旋转。所以，实际的速度指令值的计算应为 vKKES,，,,(526)NDAC (5—18) 2.硬件部分 (1) 位置控制输出组件。位置控制输出组件线路如图5-55 v所示，速度指令寄存器寄存从工业处理机来的速度指令值,DA 012其二进制位存放速度值，第14位是符号位，最大指令 值为 +8191，最小指令值为 -8191。数模转换器由可预置数的减法计数器组成，定时向计数器置入速度指令值，然后以一定的速率减到零，可将数字量的速度指令值转换为调宽脉冲 MvP，脉冲周期等于置数周期，脉冲宽度τ与成正比。在DA 7M系统中，为了减少电路误差对精度的影响，将数模转换器 91208的减法计数器分成粗计数器(位)和精计数器(位)两 128,s部分。两个计数器的置数周期T均为，粗计数器的计数 时钟为125 kHz，最大计数值为15;精计数器的计数时钟为4 kHz，最大计数值为511。 M调宽脉冲是不带符号的，为此，需将P变换成可表示正 N负值的调宽脉冲P。此外，为了输出电平稳定精确，还需将 脉冲变换成标准幅值，完成这一功能的电 路是模拟开关。关于模拟开关电路参见鉴幅式伺服系统一节的检波器线路。 TT和等组成，如图5-55所示。滤波放大器由运算放大器12 NTTPC是放大倍数为1的高输入阻抗电路，将粗精调宽脉冲12 N和按16倍的比例混合，并且滤掉脉冲成分，将直流成分PF V放大到所需的电压。 P 图5-55 位置控制输出组件线路图 V按图5-55的滤波放大电路，可写出的计算公式: P RRRR5555,，，,,,(1)(527)VVVVPRDNPCNPCRRRR (56161 —19) VVvVNPC当和均为2.5 V(相当于=0)时，应为零，NPFPDA V将各电阻值代入上式，可求得标准电压为2.023 8 V。那么，RD V就可表示为 P VVVV,,,,10.62540.25()(528)PNPFNPC (5—20) V根据选用的执行元件不同，还要转换成驱动这些执行P V元件所需的形式，即还要经驱动放大环节，如伺服阀放大P 器、可控硅驱动线路等。 (2) 位置检测组件。位置检测组件由检波器、电压频率转换器和sin,cos发生器、实际位置计数器等电路组成，其方框图如图5-56所示。 图5-56 位置检测装置方框图 由sin,cos发生器产生的8 kHz的正弦余弦电压被送到旋转变压器的定子绕组(或感应同步器的滑尺)，在旋转变压器的 VV。作转子绕组(或感应同步器的定尺)上感应出电压信号CC 为输入信号送到检测装置，先经过10 kHz低通滤波器滤去信号的高次谐波成分和干扰信号。滤波器的输出被送到检波器， V把交流信号变换为直流信号。再经过6 kHz低通滤波器滤E VV去8 kHz的脉动成分，输出平滑的直流电压，送到电压FF VV频率转换电路，转换为频率与成正比的脉冲CVFC, 还FF V被送到符号检测电路，检出的符号SIGN。CVFC和SIGNF 经同步电路后，被送到sin,cos发生器和实际位置计数器，以 ,,控制旋转变压器激磁信号中电气角的变化，并根据角产 生脉宽调制的正弦余弦电压，同时，使计数器计数，计出的数 D字表示一段时间内坐标位置的移动量。 Fi 电压频率转换电路和低通滤波器、检波器线路参考鉴幅式伺服系统。 图5-57 脉宽调制式的sin,cos发生器的方框图 脉宽调制式的sin,cos发生器的方框图如图5-57所示。它由混合电路、两套分频比为1000的计数器和正弦余弦波形组合门电路以及驱动器等组成 。混合电路的作用是根据脉冲CVFC及其符号SIGN ，使计数器1多计脉冲CVFC所表示的数和使计数器2少计CVFC所表示的数;或使计数器1少计CVFC所表示的数和使计数器2多计CVFC所表示的数 。在混合电路中有一只J-K触发器作为计数器，所以sin,cos发生器总分频比为2000 。当计数器的计数脉冲是16 MHz时，计数器输出频率为8 KHz的方波，相当于2π rad的脉冲数为2 000，每个脉冲为π,1 000 rad。脉宽调制式的正弦余弦波形 ,可用波形合成的方法产生。如果计数器的输出波形A滞后 角，计数器1的另一端输出B比A滞后90?;计数器2的输 ,出C导前角，计数器2的另一个输出D比C滞后90?。再 把A，B，C，D四个波形加到组合门电路，合成E，F，G，H的工作波形，其逻辑关系为 EACFAC,,,, GBDHBD,,,, 此组合电压经驱动电路加到旋转变压器(或感应同步器)的激励绕组两端，激励绕组上实际承受的电压是两端电压的偏差值，即 VFEVHG,,,,; 12 VV此和就是所要求的余弦和正弦调宽脉冲的波形，各12 ,工作波形如图5—58所示。图中为脉冲宽度的相角，可在 0360范围内变化。用傅里叶级数分析，可得出sin和cos函数的基本成分为 cos:()cossin529VtVt,,,,，，1m (5—21) sin:()sinsin(530)VtVt,,,, 2m (5—22) ,,,2ff,式中为角频率，，此处，是正弦和余弦波 形的频率，本系统中采用8kHz。 图5-58 sin/cos 发生器工作波形 本 章 小 结 本章讨论了5种伺服系统，即开环步进系统、鉴相系统、鉴幅系统、数字比较系统和CNC伺服系统。 开环步进系统中的控制环节主要是环形分配器，执行元件为步进电机。利用进给脉冲的数量、频率和方向控制电机的角位移、角速度和转向，进而控制工作台移动距离、速度和方向。 此外，为了改善精度，常在其控制线路中增设“自动升降速”电路，还有的在控制线路中采取细分措施等。 在闭环系统中，讨论了3种，即鉴相、鉴幅和数字比较系统。这3种系统的测量元件和执行元件可以是相同的，区别仅在于比较器和测量反馈信号的不同。相位比较系统的测量信号是与标准信号有一定相位差的信号，将它与进给信号在鉴相器中比较，输出的电压信号与二者相位差近似成正比。鉴相系统中的关键环节是数字相位转换器和鉴相器。数字相位转换器的作用是将进给脉冲的增加与减少(正与负)变成与基准脉冲的相位超前与滞后的调制信号 。鉴相器比较此两信号的相位，根据所比较信号的性质可分为模拟式和数字式鉴相器两种。鉴幅系统中，测量信号(正弦信号)的幅值反映了实际位置，将此信号进行一系列的变换后，变为数字脉冲信号，再和进给信号比较，便可推知理论位置和实际位置的差值，从而实施调节。鉴幅系统的关键环节是测量元件的信号处理线路，包括解调线路、电压频率转换器和sin,cos发生器 。在数字比较系统中，测量元件直接提供的是机床工作台位置的数字信号，将此信号与进给数字信号作比较，求出差值，以控制机床运行。它的关键环节是比较器、数字脉冲与数码的相互转换线路。此外，本章还介绍了CNC伺服系统的组成和工作原理，并且介绍了7360和7M两系统的伺服系统。实质上，在CNC伺服系统中，测量元件及伺服系统工作原理与前述基本相同，只是部分硬件 功能被软件所代替。此外，由于计算机的引入，它更加完善了 伺服系统。