進(jìn)給伺服系統(tǒng)介紹

第四章進(jìn)給伺服系統(tǒng)內(nèi)容提要本章將詳細(xì)討論進(jìn)給伺服系統(tǒng)的軟件硬件結(jié)構(gòu)；進(jìn)給伺服系統(tǒng)基本功能的原理及實現(xiàn)方法。第一節(jié)概述.進(jìn)給伺服系統(tǒng)的定義及組成.定義：

進(jìn)給伺服系統(tǒng)(FeedServoSystem)——以移動部件的位置和速度作為控制量的自動控制系統(tǒng)。組成：進(jìn)給伺服系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成：位置控制單元；速度控制單元；驅(qū)動元件(電機(jī))；檢測與反饋單元；機(jī)械執(zhí)行部件。位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動檢測與反饋單元位置控制單元速度控制單元++--電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件CNC插補(bǔ)指令實際位置反饋實際速度反饋一、進(jìn)給伺服系統(tǒng)的定義及組成調(diào)速范圍要寬且要有良好的穩(wěn)定性(在調(diào)速范圍內(nèi))

調(diào)速范圍：

一般要求：

穩(wěn)定性：指輸出速度的波動要少，尤其是在低速時的平穩(wěn)性顯得特別重要。二、NC機(jī)床對數(shù)控進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求

輸出位置精度要高

靜態(tài)：定位精度和重復(fù)定位精度要高，即定位誤差和重復(fù)定位誤差要小。(尺寸精度)

動態(tài)：跟隨精度，這是動態(tài)性能指標(biāo)，用跟隨誤差表示。(輪廓精度)靈敏度要高，有足夠高的分辯率。

負(fù)載特性要硬在系統(tǒng)負(fù)載范圍內(nèi)，當(dāng)負(fù)載變化時，輸出速度應(yīng)基本不變。即△F盡可能??；當(dāng)負(fù)載突變時，要求速度的恢復(fù)時間短且無振蕩。即△t盡可能短；應(yīng)有足夠的過載能力。這是要求伺服系統(tǒng)有良好的靜態(tài)與動態(tài)剛度。tF△t△F

響應(yīng)速度快且無超調(diào)這是對伺服系統(tǒng)動態(tài)性能的要求，即在無超調(diào)的前提下，執(zhí)行部件的運動速度的建立時間tp

應(yīng)盡可能短。通常要求從0→Fmax（Fmax→0），其時間應(yīng)小于200ms，且不能有超調(diào)，否則對機(jī)械部件不利，有害于加工質(zhì)量。tFtp能可逆運行和頻繁靈活啟停。系統(tǒng)的可靠性高，維護(hù)使用方便，成本低。

綜上所述：對伺服系統(tǒng)的要求包括靜態(tài)和動態(tài)特性兩方面；對高精度的數(shù)控機(jī)床，對其動態(tài)性能的要求更嚴(yán)。第二節(jié)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的位置檢測裝置一、概述

組成：位置測量裝置是由檢測元件（傳感器）和信號處理裝置組成的。

作用：實時測量執(zhí)行部件的位移和速度信號，并變換成位置控制單元所要求的信號形式，將運動部件現(xiàn)實位置反饋到位置控制單元，以實施閉環(huán)控制。它是閉環(huán)、半閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的重要組成部分。閉環(huán)數(shù)控機(jī)床的加工精度在很大程度上是由位置檢測裝置的精度決定的，在設(shè)計數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)，尤其是高精度進(jìn)給伺服系統(tǒng)時，必須精心選擇位置檢測裝置。1.進(jìn)給伺服系統(tǒng)對位置測量裝置的要求高可靠性和高抗干擾性：受溫度、濕度的影響小，工作可靠，精度保持性好，抗干擾能力強(qiáng)；能滿足精度和速度的要求：位置檢測裝置分辨率應(yīng)高于數(shù)控機(jī)床的分辨率（一個數(shù)量級）；位置檢測裝置最高允許的檢測速度應(yīng)數(shù)控機(jī)床的最高運行速度。使用維護(hù)方便，適應(yīng)機(jī)床工作環(huán)境；成本低。.位置檢測裝置的分類按輸出信號的形式分類：數(shù)字式和模擬式按測量基點的類型分類：增量式和絕對式按位置檢測元件的運動形式分類：回轉(zhuǎn)型和直線型常用位置檢測裝置分類表分類.感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)及分類結(jié)構(gòu)sincos節(jié)距2τ（2mm）節(jié)距（0.5mm）絕緣粘膠銅箔鋁箔耐切削液涂層基板(鋼、銅)定尺滑尺

感應(yīng)同步器的工作原理.

感應(yīng)同步器是利用勵磁繞組與感應(yīng)繞組間發(fā)生相對位移時，由于電磁耦合的變化，感應(yīng)繞組中的感應(yīng)電壓隨位移的變化而變化，借以進(jìn)行位移量的檢測。感應(yīng)同步器滑尺上的繞組是勵磁繞組，定尺上的繞組是感應(yīng)繞組。USU0U0θ1USUSUSUS定尺滑尺θ1感應(yīng)同步器的信號處理原理滑尺正旋繞組上加激磁電壓Us后，與之相耦合的定尺繞組上的感應(yīng)電壓為：

Uos=KUScosθ1滑尺余旋繞組上加激磁電壓Uc后，與之相耦合的定尺繞組上的感應(yīng)電壓為：

Uoc=KUccos（θ1+π/2）=－KUcsinθ1滑尺正、余旋繞組上同時加激磁電壓Us、Uc時，感應(yīng)同步器的磁路可是為線性的，根據(jù)疊加原理，則與之相耦合的定尺繞組上的總感應(yīng)電壓為：

Uo

=Uos+Uos=KUScosθ1－KUcsinθ1K—電磁感應(yīng)系數(shù)

θ1—定尺繞組上的感應(yīng)電壓的相位角滑尺與定尺相對位移量x的求?。骸?τ:2π=x:θ1∴x=τθ1／π結(jié)論：相對位移量x與相位角θ1呈線性關(guān)系，只要能測出相位角θ1，就可求得位移量x。根據(jù)滑尺正、余旋繞組上激磁電壓Us、Uc供電方式的不同可構(gòu)成不同檢測系統(tǒng)——-鑒相型系統(tǒng)和鑒幅型系統(tǒng)。

鑒相型系統(tǒng)的工作原理

在鑒相型系統(tǒng)中，激磁電壓是頻率、幅值相同，相位差為π/2的交變電壓：

US=UmsinωtUC=Umcosωt則：Uo

=Uos+Uos=KUScosθ1－KUcsinθ1

=KUmsinωtcosθ1－KUmcosωt

sinθ1

=KUmsin（ωt－θ1）結(jié)論：只要能測出Uo與US相位差θ1，就可求得滑尺與定尺相對位移量x。鑒幅型系統(tǒng)的工作原理

在鑒幅型系統(tǒng)中，激磁電壓是頻率、相位相同，幅值不同的交變電壓：

US=Umsinθ2sinωtUC=Umcosθ2sinωt

θ2=πx2／τ（x2是指令位移值）

Uo

=Uos+Uos=KUScosθ1－KUcsinθ1

=KUmsinθ2

cosθ1sinωt－KUmcosθ2sinωtsinθ1=KUmsin（θ2－θ1）sinωt結(jié)論：只要能測出Uo與UC相位差θ1，就可求得滑尺與定尺相對位移量x。.脈沖編碼器

脈沖編碼器又稱碼盤，是一種回轉(zhuǎn)式數(shù)字測量元件，通常裝在被檢測軸上，隨被測軸一起轉(zhuǎn)動，可將被測軸的角位移轉(zhuǎn)換為增量脈沖形式或絕對式的代碼形式。根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測方式碼盤可分為接觸式、光電式和電磁式3種。其中，光電碼盤在數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用較多，而由霍爾效應(yīng)構(gòu)成的電磁碼盤則可用作速度檢測元件。另外，它還可分為絕對式和增量式兩種。.增量脈沖編碼器結(jié)構(gòu)及工作原理信號處理裝置abz碼盤基片透鏡光源光敏元件透光狹縫光欄板節(jié)距τm+τ/4信號處理裝置abz節(jié)距τm+τ/4AAa

光電碼盤隨被測軸一起轉(zhuǎn)動，在光源的照射下，透過光電碼盤和光欄板形成忽明忽暗的光信號，光敏元件把此光信號轉(zhuǎn)換成電信號，通過信號處理裝置的整形、放大等處理后輸出。輸出的波形有六路：

其中，是的取反信號。AB90°Z……碼盤轉(zhuǎn)一圈輸出信號的作用及其處理

A、B兩相的作用根據(jù)脈沖的數(shù)目可得出被測軸的角位移；根據(jù)脈沖的頻率可得被測軸的轉(zhuǎn)速；根據(jù)A、B兩相的相位超前滯后關(guān)系可判斷被測軸旋轉(zhuǎn)方向。后續(xù)電路可利用A、B兩相的90°相位差進(jìn)行細(xì)分處理（四倍頻電路實現(xiàn)）。ABCP90O

Z相的作用被測軸的周向定位基準(zhǔn)信號；被測軸的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)記數(shù)信號。的作用后續(xù)電路可利用A、兩相實現(xiàn)差分輸入，以消除遠(yuǎn)距離傳輸?shù)墓材８蓴_。Z……碼盤轉(zhuǎn)一圈增量式碼盤的規(guī)格及分辨率規(guī)格增量式碼盤的規(guī)格是指碼盤每轉(zhuǎn)一圈發(fā)出的脈沖數(shù)；現(xiàn)在市場上提供的規(guī)格從36線/轉(zhuǎn)到10萬線

/轉(zhuǎn)都有；選擇：①伺服系統(tǒng)要求的分辨率；②考慮機(jī)械傳動系統(tǒng)的參數(shù)。分辨率（分辨角）α設(shè)增量式碼盤的規(guī)格為n線/轉(zhuǎn)：.絕對式編碼器結(jié)構(gòu)和工作原理碼盤基片上有多圈碼道，且每碼道的刻線數(shù)相等；對應(yīng)每圈都有光電傳感器；輸出信號的路數(shù)與碼盤圈數(shù)成正比；檢測信號按某種規(guī)律編碼輸出，故可測得被測軸的周向絕對位置。010111100110011110001001101010111100110111110000000100100011010023222120絕對編碼盤的編碼方式及特點二進(jìn)制編碼：特點：編碼循序與位置循序相一致，但可能產(chǎn)生非單值性誤差。誤差分析：01011110011001111000100110101011110011011111000000010010001101001111100023222120格雷碼（循環(huán)碼、葛萊碼）特點：任何兩個編碼之間只有一位是變化的，因而可把誤差控制在最小單位上。但編碼與位置循序無直接規(guī)律。111100011101110001000101011101100010001100001000100110111010111023222120格雷碼的編碼方法它是從二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換而來的，轉(zhuǎn)換規(guī)則為：將二進(jìn)制碼與其本身右移一位后并舍去末位的數(shù)碼作不進(jìn)位加法，得出的結(jié)果即為格雷碼(循環(huán)碼)。例題：將二進(jìn)制碼0101轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的格雷碼：絕對式碼盤的規(guī)格及分辨率規(guī)格絕對式碼盤的規(guī)格與碼盤碼道數(shù)n有關(guān)；現(xiàn)在市場上提供從4道到18道都有；選擇：①伺服系統(tǒng)要求的分辨率；②考慮機(jī)械傳動系統(tǒng)的參數(shù)。分辨率（分辨角）α設(shè)絕對式碼盤的規(guī)格n道：

.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；。光電轉(zhuǎn)換，抗干擾能力強(qiáng)；體積小，便于安裝，適合于機(jī)床運行環(huán)境；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格高，光源壽命短；碼盤基片為玻璃，抗沖擊和抗震動能力差。第三節(jié)進(jìn)給伺服驅(qū)動系統(tǒng)一、概述

進(jìn)給伺服驅(qū)動系統(tǒng)：由進(jìn)給伺服系統(tǒng)中的電機(jī)及其控制和驅(qū)動裝置

組成。電機(jī)：進(jìn)給系統(tǒng)的動力部件，它提供執(zhí)行部件運動所需的動力，在數(shù)控機(jī)床上目前常用的電機(jī)有：步進(jìn)電機(jī)直流伺服電機(jī)交流伺服電機(jī)直線電機(jī)。速度單元：電機(jī)的控制和驅(qū)動裝置，通常驅(qū)動電機(jī)與速度控制單元是相互配套供應(yīng)的，其性能參數(shù)都是進(jìn)行了相互匹配，這樣才能獲得高性能的系統(tǒng)指標(biāo)。速度控制單元主要作用：接受來自位置控制單元的速度指令信號，對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)運算(目的是穩(wěn)速)，將其變換成電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制量(頻率，電壓等)，再經(jīng)功率放大部件將其變換成電機(jī)的驅(qū)動電量，使驅(qū)動電機(jī)按要求運行。簡言之：調(diào)節(jié)、變換、功放。進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)的特點（與主運動（主軸）系統(tǒng)比較）：功率相對較小；控制精度要求高；控制性能要求高，尤其是動態(tài)性能。、步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動裝置

步進(jìn)電機(jī)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。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，除功率驅(qū)動電路之外，其它部分均可由軟件實現(xiàn)，從而進(jìn)一步簡化結(jié)構(gòu)。因此，這類系統(tǒng)目前仍有相當(dāng)?shù)氖袌觥Ｄ壳安竭M(jìn)電機(jī)僅用于小容量、低速、精度要不高的場合，如經(jīng)濟(jì)型數(shù)控；打印機(jī)、繪圖機(jī)等計算機(jī)的外部設(shè)備。、直流伺服電機(jī)及驅(qū)動

直流電機(jī)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(jī)中的氣隙磁場，直流電機(jī)的勵磁繞組所建立的磁場是電機(jī)的主磁場，按對勵磁繞組的勵磁方式不同，直流電機(jī)可分為：他激式、并激式、串激式、復(fù)激式、永磁式。20世紀(jì)80~90年代中期，永磁式直流伺服電機(jī)在NC機(jī)床中廣泛采用。直流伺服電機(jī)的特點過載倍數(shù)大，時間長；具有大的轉(zhuǎn)矩/慣量比，電機(jī)的加速大，響應(yīng)快。低速轉(zhuǎn)矩大，慣量大，可與絲桿直接相聯(lián)。調(diào)速范圍大：1∶2000。帶有高精度的速度和角位置檢測元件；電機(jī)允許溫度達(dá)150°以上，由于溫升高，影響機(jī)床精度因轉(zhuǎn)子慣性大，電源容量以及機(jī)械傳動件的剛度都需相應(yīng)增大。電刷、維護(hù)不便、交流伺服電機(jī)及驅(qū)動

由于直流伺服電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速性能，80年代初至90年代中，在要求調(diào)速性能較高的場合，直流伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用一直占據(jù)主導(dǎo)地位。但其卻存在一些固有的缺點，即：電刷和換向器易磨損，維護(hù)麻煩結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，成本高而交流伺服電機(jī)則沒有上述缺點。特別是在同樣體積下，交流伺服電機(jī)的輸出功率比直流電機(jī)提高10%～70%，且可達(dá)到的轉(zhuǎn)速比直流電機(jī)高。因此，人們一直在尋求交流電機(jī)調(diào)速方案來取代直流電機(jī)調(diào)速的方案。編碼器轉(zhuǎn)子（永磁體）定子繞組線圈接線盒電機(jī)軸

.分類.交流伺服電機(jī)的速度控制單元

交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速n調(diào)速的理論基礎(chǔ)結(jié)論：交流伺服電機(jī)變頻調(diào)速的關(guān)鍵是要獲得可調(diào)頻調(diào)壓的交流電源調(diào)頻調(diào)壓電源的分類可控硅整流器逆變器整流器逆變器電壓型變頻器方案示意圖

電壓型變頻器工作原理結(jié)論：變頻器實現(xiàn)變頻調(diào)壓的關(guān)鍵是逆變器控制端獲得要求的控制波形（如SPWM波）。LdUdT3T4T5T3T1T2CdUVWABCIPMPMSM三相220VPG+驅(qū)動保護(hù)電路開關(guān)電源單相220V編碼器輸入接口FPGA顯示、按鍵光耦26LS3226LS31光耦光耦光耦263DSP(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6AT89C52控制波形的實現(xiàn)方式（電機(jī)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(jìn)給伺服系統(tǒng)(位置控制).開環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)(Open-LoopSystem)不帶位置測量反饋裝置的系統(tǒng)；驅(qū)動電機(jī)只能用步進(jìn)電機(jī)；主要用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控或普通機(jī)床的數(shù)控化改造A’相、B’相C’相、…A相、B相C相、…f、nCNC插補(bǔ)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(jìn)電機(jī).步進(jìn)電機(jī)開環(huán)系統(tǒng)設(shè)計步進(jìn)電機(jī)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(dāng)量和進(jìn)給速度F的要求。圖中：f—脈沖頻率（HZ）α—步距角（度）

Z1、Z2—傳動齒輪齒數(shù)

t—螺距(mm)

—脈沖當(dāng)量（mm）步進(jìn)電機(jī)Z1Z2tf，

傳動比選擇：為了湊脈沖當(dāng)量mm，也為了增大傳遞的扭矩，在步進(jìn)電機(jī)與絲桿之間，要增加一對齒輪傳動副，那么，傳動比i=Z1/Z2與α、、t之間有如下關(guān)系：

例：=0.01t=6mmα=0.75°進(jìn)給速度F：一般步進(jìn)電機(jī)：若：δ=0.01mm則：若δ=0.001mm則：因此，當(dāng)一定時，與δ成正比，故我們在談到步進(jìn)電機(jī)開環(huán)系統(tǒng)的最高速度時，都應(yīng)指明是在多大的脈沖當(dāng)量δ下的否則是沒有意義的。.提高步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)傳動精度的措施概述

影響步進(jìn)電機(jī)開環(huán)系統(tǒng)傳動精度的因素：步進(jìn)電機(jī)的步距角精度；機(jī)械傳動部件的精度；絲桿等機(jī)械傳動部件、支承的傳動間隙；傳動件和支承件的變形。提高步進(jìn)電機(jī)開環(huán)系統(tǒng)傳動精度的措施適當(dāng)提高系統(tǒng)組成環(huán)節(jié)的精度；采取各種精度補(bǔ)償措施。傳動間隙補(bǔ)償在整個行程范圍內(nèi)測量傳動機(jī)構(gòu)傳動間隙，取其平均值存放在數(shù)控系統(tǒng)中的間隙補(bǔ)償單元，當(dāng)進(jìn)給系統(tǒng)反向運動時，數(shù)控系統(tǒng)自動將補(bǔ)償值加到進(jìn)給指令中，從而達(dá)到補(bǔ)償目的。螺矩誤差補(bǔ)償滾珠絲桿在數(shù)控機(jī)床應(yīng)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(jī)的運算處理能力，可以補(bǔ)償滾珠絲杠的螺矩累積誤差，以提高進(jìn)給位移精度。方法：首先測量出進(jìn)給絲框螺距誤差曲線(規(guī)律)，然后可采用下列兩種方法實現(xiàn)誤差補(bǔ)償：硬件補(bǔ)償、軟件補(bǔ)償。.閉環(huán)、半閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)閉環(huán)進(jìn)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。特點：抗干擾能力強(qiáng)，一般不會因峰值誤差導(dǎo)致致命的誤動作?？捎贸Ｒ?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。對弱信號信噪分離困難，控制精度的提高受到限制。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。位置、速度調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)調(diào)整困難，適應(yīng)負(fù)載變化的能力較差。

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。

數(shù)字型系統(tǒng)：

特征：這類系統(tǒng)是指至少其位置環(huán)控制與調(diào)節(jié)采用數(shù)字控制技術(shù)，即位置指令和反饋信號都不再是模擬信號改用數(shù)字信號（邏輯電平脈沖信號）的系統(tǒng)。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。對邏輯電以下的漂移、噪聲不予晌應(yīng)，零點定位精度可以得到充分保證。容易對其結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行修改（根據(jù)控制要求），且易于與計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。噪聲峰值大于邏輯電平時，對數(shù)據(jù)的最高位和最低位的干擾出錯程序是相同的，這種錯誤可能導(dǎo)致系統(tǒng)致命的危害。傳送數(shù)據(jù)的數(shù)字電路要求具有很寬的頻帶。以保證脈沖上、下降沿有足夠的陡峭度。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。.數(shù)字伺服系統(tǒng)的類型全硬件伺服系統(tǒng)全硬件伺服系統(tǒng)又稱脈沖比較伺系統(tǒng)，其典型的組成方式如圖所示：_

NC裝置－F/V偏差計數(shù)器D/A速度控制與驅(qū)動單元A、B、Z++_++－整形.倍頻.辨向工作臺PG電機(jī)Z構(gòu)成：該系統(tǒng)中，位置閉環(huán)的控制與調(diào)節(jié)運算主要由偏差計數(shù)器（一般為可逆計數(shù)器）和D/A完成。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(jī)電聯(lián)調(diào)整定后就固定下來了，不易改變，這對負(fù)載慣量變化不大的位置伺服系統(tǒng)（如車床刀架進(jìn)給控制），可獲得滿意的控制性能指。而對某些負(fù)載慣量較大的系統(tǒng)，則很難在整個范圍內(nèi)（負(fù)載慣量變化）都獲得滿意的控制效果。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。提供給速度伺服單元，因此，其零點漂移將影響定位精度。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(bǔ)償硬件速度控制與驅(qū)動單元D/A軟件位置控制ZA、BD0-++-F/V倍頻計數(shù)器工作臺PG電機(jī)+DAV1△SV0U0UA△D△U實際位置計算△DA指令位置計算△D0/nZ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)。位置控制的調(diào)節(jié)運算部分由軟件實現(xiàn)，增加了靈活性：調(diào)節(jié)器的參數(shù)可以通過進(jìn)行修改、設(shè)定調(diào)節(jié)算法可以采用較復(fù)雜的算法，以提高控制性能（變結(jié)構(gòu)、變增益）可增加許多輔助功能（故障診斷、脈沖當(dāng)量變換等）零點漂移可通過軟件進(jìn)行補(bǔ)償由于這種系統(tǒng)的速度單元仍是模擬型的，全硬件型系統(tǒng)中存在的問題并未明顯解決，如它的內(nèi)環(huán)參數(shù)（速度、電流）和位置環(huán)中D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)依然是固定的。因此難以兼顧負(fù)載慣量大的變化。不過，由于利用軟件采用一些補(bǔ)償措施，這就使得半軟件位置伺服系統(tǒng)的位置控制精度和控制性能要高于全硬件型的位置伺服系統(tǒng)。

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(jī)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(jī)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、BZ工作臺PG電壓圖中的微機(jī)位置、速度控制既可以是單微機(jī)，又可以是雙微機(jī)（一個是位置控制，另一個是速度控制）。不過系統(tǒng)中的微機(jī)常由單片機(jī)來構(gòu)成。由于微機(jī)的應(yīng)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(jìn)行切換，使之適應(yīng)負(fù)載變化的能力顯著增強(qiáng)，應(yīng)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(jī)械，通用化程度大大提高。其余同半軟件型系統(tǒng)。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(jī)運動的力矩，也不會對位置控制精度產(chǎn)生不良影響。由于電流環(huán)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)還是固定的，所以還不能通過微機(jī)改變控制策略，以獲得較理想的控制效果。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(dǎo)地位，成為位置伺服系統(tǒng)的首選方案。全數(shù)字位置伺服系統(tǒng)自以軟件位置伺服系統(tǒng)誕生以來，人們就一直致力于用軟件盡可能多地去取代硬件的工作，以降低成本，提高性能。隨著可直接用邏輯電平控制通斷的電子半導(dǎo)體器件——功率晶體管，功率場率應(yīng)管的商品化，以及高性能單片機(jī)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。

NC裝置單片微機(jī)位置速度電流控制(PWM輸出)晶體管放大器電流檢測整形.信頻.辨向A.B工作臺PG電壓一種全數(shù)字、采用脈寬調(diào)制（PWM——pulsewidthmodulation）控制的位置伺服系統(tǒng)如下圖所示。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(jī)進(jìn)行控制，完成位置控制任務(wù)。調(diào)節(jié)器的全部軟件化使控制理論中的許多控制思想和手段，包括經(jīng)典的、現(xiàn)代的、智能的等新型的控制方法都可以衩方便地引進(jìn)來，例如：魯棒控制、自適應(yīng)控制、變參數(shù)控制、變結(jié)構(gòu)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制、專家系統(tǒng)控制等等。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(jìn)一步得到提高。.典型閉環(huán)伺服系統(tǒng)示例以半軟件型位置伺服系統(tǒng)為例+調(diào)節(jié)運算零漂補(bǔ)償硬件速度控制與驅(qū)動單元D/A軟件位置控制ZA、BD0-++-F/V倍頻計數(shù)器工作臺PG電機(jī)+DAV1△SV0U0UA△D△U實際位置計算△DA指令位置計算△D0/nZ這里僅介紹位置控制單元，速度控制前面已介紹了位置控制軟件部分的任務(wù)：指令位置計算（含反向間隙、螺距誤差補(bǔ)償、限位處理）實際位置計算（反饋累積）跟隨誤差計算調(diào)節(jié)運算零點漂移補(bǔ)償指令位置計算（反向間隙、螺距誤差補(bǔ)償、限位處理）：開始超程報警處理執(zhí)行下一個任務(wù)NY實際位置計算（反饋累積）跟隨誤差計算調(diào)節(jié)運算零點漂移補(bǔ)償硬件部分的任務(wù)系統(tǒng)總線數(shù)字接口計數(shù)器鎖存器光電隔離器件D/A轉(zhuǎn)換器方向控制與功率放大頻率/電壓（F/V）

轉(zhuǎn)換電路方向控制與功率放大展寬選通電路反饋脈沖倍頻電路幅值比較電路位置反饋脈沖速度反饋電壓速度指令電壓CKABZQU0AA*BB*ZZ*UAZV0+-△DA-+第五節(jié)伺服系統(tǒng)性能分析前面各節(jié)我們重點討論了進(jìn)給伺服系統(tǒng)的組成原理與實現(xiàn)方法，然而該系統(tǒng)要能真正實現(xiàn)預(yù)期的快速、準(zhǔn)確及平穩(wěn)驅(qū)動的要求，一個重要的問題是如何根據(jù)要求，進(jìn)行閉環(huán)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計和調(diào)試。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.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)：偏差與輸入之比二、進(jìn)給伺服系統(tǒng)的數(shù)字模型及傳遞函數(shù)閉環(huán)進(jìn)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(jī)機(jī)械執(zhí)行部件CNC插補(bǔ)指令UgUpUθmθDXD速度檢測裝置XAXCXD△D1.位置控制單元的數(shù)學(xué)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：KNKfP+－X0XAXCUp2.速度控制單元的數(shù)學(xué)模型速度控制單元是以指令電壓UP

為輸入，電機(jī)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：KASKV+－UGUPU△U3.直流伺服電機(jī)的數(shù)學(xué)模型直流伺服電機(jī)是以驅(qū)動電壓U為輸入，電機(jī)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(jī)電樞電勢平和電機(jī)轉(zhuǎn)矩衡方程導(dǎo)出的式中：Tm=RaJ

a/KeKT電機(jī)的機(jī)械時間常數(shù)

Km=1/Ke電機(jī)的增益系數(shù)

KR=Ra/KT

拉氏變換得：結(jié)構(gòu)框圖：+－++

由此可知：電機(jī)輸出的角位移由兩部分組成，一是無負(fù)載時由控制U(S)的激勵而產(chǎn)生的輸出，另一部分是由負(fù)載的擾動產(chǎn)生的輸出。而且經(jīng)適當(dāng)?shù)暮喕螅绷魉欧姍C(jī)可視為一個慣性環(huán)節(jié)和一個積分環(huán)節(jié)串聯(lián)而成。4.機(jī)械傳動與執(zhí)行單元的數(shù)學(xué)模型

機(jī)械傳動與執(zhí)行單元的輸入為電機(jī)的角位移θm，輸出為工作臺的線位移X0，其機(jī)械系統(tǒng)力平衡方程為：拉氏變換：結(jié)構(gòu)框圖：－+＋+由此可知，機(jī)械系統(tǒng)可視為一個二階振蕩環(huán)節(jié)。5.整個進(jìn)給伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型由圖可知：X0

是對XC

和FD

兩個激勵的響應(yīng)，根據(jù)疊加原理，可先分別求出每個激勵單獨作用的響應(yīng)，然后進(jìn)行疊加。KNKfP+－XAXCKASKV+－UG△U+－++－+＋+Up當(dāng)FD=0時，僅有XC

激勵的傳遞系數(shù)

當(dāng)XC

,FD同時激勵時系統(tǒng)的響應(yīng)三、進(jìn)給伺服系統(tǒng)的性能分析

系統(tǒng)增益KS(開環(huán)增益，速度增益)

KS是進(jìn)給伺服系統(tǒng)的重要性能參數(shù)，為了說明其物理意義，可對上述系統(tǒng)進(jìn)行一些簡化：假設(shè)上述各環(huán)節(jié)均是理想的，即各環(huán)節(jié)均是無慣量，無阻尼，剛度為無窮大，且無速度環(huán)，則：XCKNKAKfPKM+-△DUPUθmX0KS對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響進(jìn)給伺服系統(tǒng)的輸入通常是斜坡激勵：FT（1/KS）tKSFT（1/KS）t討論

KS與輸出速度的關(guān)系當(dāng)KS

↑時，到達(dá)F

所需的時間越短，系統(tǒng)的響應(yīng)加快，靈敏度增高。KS與系統(tǒng)的加速度的關(guān)系當(dāng)KS

↑

時，系統(tǒng)的加速度增大，尤其是在剛啟動時，它使系統(tǒng)的響應(yīng)加快，但對系統(tǒng)的沖擊也大，尤其對慣性較大的系統(tǒng)，將產(chǎn)生很大的沖擊力，另外，加速度太大也可能系統(tǒng)超調(diào)，引起系統(tǒng)失穩(wěn)。KS

與跟隨誤差△D

的關(guān)系。

KS↑→△D↓即：有利于提高系統(tǒng)的跟隨精度。結(jié)論：KS的選擇，要綜合考慮，折衷選取，才能獲得優(yōu)良的綜合性能。KS的初選方法在工程調(diào)試中，KS可按下列方式初選：

Mm、ML：分別是電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩；GDm2、GDL2：分別是電機(jī)轉(zhuǎn)子和負(fù)載等效飛輪慣量數(shù)控系統(tǒng)中KS的設(shè)定方法由前面的推導(dǎo)可知：

KN：位置環(huán)增益；KA：速度環(huán)增益

Km：電機(jī)增益L/2π：機(jī)械系統(tǒng)增益其中：

KA、Km、L/2π

在數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)選定后便確定了，而KN

是作為可調(diào)參數(shù)，允許用戶根據(jù)具體情況選定，以滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速度性的要求。.定位精度

定位精度的檢查通常是在空載的情況進(jìn)行的，即無負(fù)載力（Fc=0）。只有摩擦力，而且系統(tǒng)接受的是階躍位置指令，即：閉環(huán)系統(tǒng)的定位誤差為：半閉環(huán)系統(tǒng)的定位誤差討論

由可知，為減小定位誤差可采用下列措施：減小傳動間的摩擦力Fcr，如采用滾動傳動取代滑動。增大KN、KA，其實質(zhì)增大KS(在系統(tǒng)穩(wěn)定的范圍內(nèi))。減小KR（=Ra/KT），即選擇KT

大的伺服電機(jī)。在半閉環(huán)系統(tǒng)中，要盡可能增大傳動機(jī)構(gòu)的剛度K，這是因為當(dāng)K較小時，將產(chǎn)生較大的彈性變形，從而加大定位誤差。四、進(jìn)給伺服系統(tǒng)參數(shù)的匹配

進(jìn)給伺服系統(tǒng)是由電氣、機(jī)械等環(huán)節(jié)組成的一個整體，其組成環(huán)節(jié)的特性參數(shù)對整體系統(tǒng)的特性的影響。從理論上講，可以根據(jù)要求與系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型確定其參數(shù)，但是由于進(jìn)給伺服系統(tǒng)工作條件復(fù)雜多變，尤其是機(jī)械系統(tǒng)的阻尼、剛度、慣量等參數(shù)，尚無完善的計算方法。因此在進(jìn)行設(shè)計和調(diào)試時，除必要的理論計算外，還必輔之以實驗分析和類比法，利用已有的系統(tǒng)的參數(shù)和經(jīng)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行新的設(shè)計，這是目前常用的辦法。下面定性分析和介紹幾個重要參數(shù)對系統(tǒng)性能影響及其確定方法。1.阻尼

阻尼主要與伺服驅(qū)動裝置的電感、電阻、電機(jī)機(jī)械部件、機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)的摩擦阻尼和粘性阻尼有關(guān)，它對系統(tǒng)的影響是：阻尼大則系統(tǒng)的伺服剛度高，抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性高。系統(tǒng)的定位精度低，定位的離散程度大。

由此可知，這兩方面的矛盾的，應(yīng)在精度與伺服剛度之間折衷考慮。例如，采用滾動、靜壓導(dǎo)軌就是減少機(jī)械系統(tǒng)的阻尼。它可有效提高定位精度，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性裕度將減小，因此，現(xiàn)在有些進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)置了可調(diào)阻尼器，或者采用軟件的方法來改變系統(tǒng)的阻尼參數(shù)。2.慣量執(zhí)行部件的慣量越小越好，因為慣量越大，時間常數(shù)越大，系統(tǒng)的靈敏度變差，且固有頻率降低（），易發(fā)生共振。但由于剛度、強(qiáng)度等方面的原因，慣量的降低受到的限制。一般要求（交流伺服電機(jī)）：式中：JL：傳動部件折算到伺服電機(jī)輸出軸上的慣量

Jm：電機(jī)的慣量要滿足這一要求有兩個途徑：盡可能使執(zhí)行部件折算到電機(jī)軸上的慣量減小。盡可能使用本身慣量大的電機(jī)為驅(qū)動源。3.剛度

K與固有頻率n

剛度是指系統(tǒng)抵抗變形的能力，即：

K=F/e開環(huán)系統(tǒng)：K↓→失動量↑→系統(tǒng)的死區(qū)↑閉環(huán)系統(tǒng)：K↓→n

↓→系統(tǒng)的穩(wěn)定性↓系統(tǒng)的固有頻率n是系統(tǒng)動剛度的重要參數(shù)，應(yīng)注意：機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)的n’>伺服驅(qū)動系統(tǒng)n的2-3倍。各個環(huán)節(jié)的n’應(yīng)相互錯開，以免發(fā)生振動耦合現(xiàn)象。各個環(huán)節(jié)的n應(yīng)避開系統(tǒng)的工作頻率范圍，以免在工作頻率上發(fā)生共振。第六節(jié)伺服系統(tǒng)的特性對加工精度的影響

對于輪廓加工系統(tǒng)，要求精確地、實時地同時控制多個坐標(biāo)軸的位置與速度，但由于系統(tǒng)存在著跟隨誤差△D，將可能會影響多坐標(biāo)軸運動合成軌跡的精確性，產(chǎn)生輪廓誤差。一.跟隨誤差△D的含義及特性定義：指令位置D0i與實際位置Dai之差稱為跟隨誤差△D。跟隨誤差△D是由進(jìn)給伺服系統(tǒng)各環(huán)節(jié)信息傳遞延遲效應(yīng)引起的。實際位置滯后指令位置。當(dāng)執(zhí)行部件進(jìn)入勻速運動時△D為常數(shù)。當(dāng)它減速并停止時，△D逐漸減少到零。當(dāng)位置環(huán)為P調(diào)節(jié)時，△D與F、KS

的關(guān)系為：△D=F/KS

D0titp△DttDAD0DADFAF0FFt二.跟隨誤差△D對輪廓加工精度的影響1.△D對直線輪廓加工精度的影響加工直線時兩軸的輸入指令為：

XY△DY△DXεAA’ααβXY△DY△DXεAA’ααβ由于存在跟隨誤差△DX、△DY在某時刻指令位置在A點，實際位置在A′點，則有：輪廓誤差ε的幾何求法：XY△DY△DXεAA’ααβKS：平均系統(tǒng)增益；△KS：兩軸系統(tǒng)增益差；△KS/

KS：系統(tǒng)增益失配量討論當(dāng)KSX=KSY

時，△KS=0，ε=0；這說明當(dāng)兩軸系統(tǒng)增益相等時，跟隨誤差△DX、△DY對輪廓精度無影響。XY△Dy△Dxε=0AA’ααβXY△DY△DXεAA’ααβ當(dāng)兩軸增益不一致，但KSX、KSY常數(shù)時，Ks、△Ks為常數(shù)，則ε為常數(shù)，也就是說，直線的輪廓形狀無誤差，但位置偏離了原位置。XY△DY△DXεAA’ααβ當(dāng)兩軸增益不一致，且KSX、KSY不是常數(shù)時，則ε不是常數(shù)，也就是說，將產(chǎn)生輪廓形狀誤差，即加工出的輪廓就不是直線了。在同等情況下：輪廓誤差ε與△KS

成正比，與KS

的平方成反比，與進(jìn)給速度成F

正比。當(dāng)加工45°直線時，輪廓誤差ε最大。當(dāng)加工0°或90°直線時，輪廓誤差ε與增益無關(guān)。例題

在X-Y平面上銑削工件的一個平面，該面與X軸成45°角，進(jìn)給速度為：F=450mm/min，KS為15±2%