數控技術(積分調節(jié)器及比例積分調節(jié)器)和數控機床編程及加工

6.3.3積分調節(jié)器及比例積分調節(jié)器1.積分調節(jié)器及控制規(guī)律∵Σ為“”地，且運放的內阻無窮大，∴即，輸出的電壓Uex為輸入電壓Uin對時間的積分。τ—為積分時間常數；“～”—輸入輸出相位相反。當輸入信號由0變到某一電壓時，電容C以近似恒流方式進行充電，輸出電壓與t(時間)呈線性關系，即

，當t=τ時，?幾分調節(jié)器有三個重要特性：a.延緩性：電容C充放電需要時間，輸入階躍電壓后，輸出變化較緩慢，呈線性增長。b.保持性：當輸出階躍信號Uin=0后,輸出仍保持在輸入信號改變前的瞬時值上。當t<τ時消失，；當t≥τ時消失，c.疊加性：當輸入一個階躍信號后，再輸入若干階躍信號，輸出端能把這些信號累加，上跳變相加，下跳變相減。即下圖：UexUinUinUext0UinUin1Uin2Uin30Uext1t2t3t4Uex1Uex2Uex3Uex4Uin4t?2.比例積分(PI)調節(jié)器由于運放內阻無窮大∑為“”地，故，輸出電壓為：當輸出階躍電壓信號時，有分析：PI調節(jié)器的輸出電壓Uex由P、I兩部分組成，在輸出階躍信號的瞬間，電容C相當于短路，輸出相當于一個放大系數為Kp的比例環(huán)節(jié)，輸出電壓立即為KpUin；之后，隨電容充電，輸出電壓開始積分，其數值不斷增長，直到穩(wěn)態(tài)，在穩(wěn)態(tài)，Uin＝0，Uex仍維持穩(wěn)定值。P調節(jié)的放大作用加快了系統(tǒng)的調節(jié)過程，I調節(jié)保持疊加實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差。?3.轉速負反饋單閉環(huán)無靜差調速系統(tǒng)調速兩個目的：·速度指令改變時，電機轉速隨意改變。

·速度指令不變時，電機轉速穩(wěn)定不變。無靜差調速：穩(wěn)定運行時，輸入端的給定值與實測量的反饋值相等，相差為0。

PI調節(jié)器輸出端輸入給定值和反饋值Un，當兩者之間差不為0時，P調節(jié)迅速響應起控制作用，I最終消除穩(wěn)態(tài)偏差。PMW?工作原理如下：1）當PWM輸出脈沖在正半周時，經R2C2延時后，A1輸出使T1、T4(+)，而A2

，使T2、T3(-)；當PWM負半周時，經R3C3延時后，A輸出,T2、T3(+)，A1

使T1、T4(-)。2）突然加了負載后，電機轉矩失衡，轉速下降，使，即，△Un使PI調節(jié)器輸出Uc產生一個增量△Uc，該增量PWM方波占空比δ發(fā)生變化，電機轉速增加Un

＝Un*為止，電機轉速值增到加載前的值，但Uc比前增加了△Uc△Uc引起PWM占空比的變化，但不是用于改變n，是用于改變電樞電流ia，使電機轉矩T與TL（外載）平衡。0*1-=DnnUUU?3）當外載負荷TL不變時，改變Un*，在突變的瞬間，使PI調節(jié)器Uc發(fā)生了變化使PWM占空比發(fā)生了變化改變了電機轉速，電樞電流沒變化，當Un*=Un時，電機達新的穩(wěn)態(tài)。

問題：一般直流伺服電機，機電常數τj＝數ms～數s，故電磁時間常數τd＝(10～30)ms，個別小于1ms，τj>>τd故用一個調節(jié)器調節(jié)兩個參數n、I是困難的，難以達到良好的控制品質，采用雙閉環(huán)調速方式。?4.轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)ASR：速度調節(jié)器，是主調節(jié)器。

內環(huán)工作從屬于外環(huán)ACR：電流調節(jié)器，是輔調節(jié)器。?調節(jié)過程如下：1）突然啟動：啟動前，△Un*=0,Un=0，在突然加了Un*后的瞬間，電機的n=0。此時，達到最大值；由于采用的限幅的PI調節(jié)器，△Un使ASR的輸出i＊快速達到飽和值im，直到Un>Un*為止（即△Un為負值）。

剛啟動的瞬間，電動機電流電流的反饋值i＝0，ACR輸入信號|－△

i

|=|－im*＋i|最大值，在該信號作用下，ACR的輸出Uc增大PWM輸出的脈寬發(fā)生變化，Ia增大，電動機啟動。當啟動電流達到最大值，反饋值i與給定值im*近似值相等，－△

i=0,輸出達到最大穩(wěn)定值，Ia達到最大穩(wěn)定值，T最大，給定轉速。由于電磁常數τd>>τj(機械常數)，電樞電流達到最大啟動電流時間比轉子達到給定轉速時間小許多，故啟動動態(tài)響應短。?2）抗負載擾動在速度給定值Un*不變的情況下，電動機負載變化時，雙環(huán)系統(tǒng)能很好維持電動機速度不變。外載加大時，電機Un減小,△Un=(Un

*－Un)增大，|－i＊|增大。在剛加瞬間i沒變，故|－△i|＝|－i＊＋i|增大，使ACR的Uc增大,PWM輸出方波的占空比變化，Ia增大。當△

Un>0，在PI累作用下，|－i＊|增大，且大于i，－△

i增大，Uc增大Ia增大,電機升速直到△Un＝0且－△

i＝0，Uc在新的穩(wěn)定數值上。用來平衡變化后的外載，使速度不變。3）抗電網電壓擾動過程由于電網電壓波動，使Ia變化，由于機電時間常數作用，當轉速尚無變化時，電流負反饋值i已變化使－△

i、Uc變化PWM占空比變化，從而消除電網電壓波動引起Ia的變化。小結：外載變化使n變化，由ASR調節(jié)起主要作用；電網電壓波動，使Ia變化,ACR起主要作用。?6.4交流伺服電動機調速系統(tǒng)直流伺服電機有明顯的弱點——由于機械換向器和電的存在，易磨損，易產生火花，降低了電機運行的可靠性，增加了維護和保養(yǎng)的負擔。且直流伺服電機結構復雜，成本高，使用受到一定的限制。近十多年來，直流伺服電機已被交流伺服電機所代替。交流伺服電機無電、結構簡單、動態(tài)響應好，輸出功率大，在數控機床上廣泛應用。交流伺服電機分為交流永磁式：用于進給交流感應式：住軸伺服系統(tǒng)由交流電的頻率來決定。f減小，n減?。籪增加，n增加，可以改變供電頻率的方法來調速。交流電動機速度控制分為標量法，屬開環(huán)控制矢量法，屬閉環(huán)控制?6.4.1交流伺服電動機調速主電路由電機學知識可知，交流電動機的轉速公式為：(6－17)（f—定子供電電壓頻率；P—磁極對數；s—轉差率）從上式可知，若均勻改變電動機定子供電電壓的頻率，則可以平滑地改變電動機的同步轉速。異步電機中，定子繞組的反電勢為：E＝4.44fωkΦ，若忽略定子阻抗壓降，則端電壓U≈E＝4.44fωkΦ(k為感應系數)。上式說明，在感應系數k＝c，端電壓U不變；當頻率f，同步角速度ω升高時，氣隙磁通Φ減小，從轉距公式，T=CmΦI2cosΦ，當Φ減小，則導致T減小，使電動機利用率惡化，嚴重時電動機會堵轉。另外，U＝C，當f減小，Φ增大，會使磁路飽和，激勵電流上升，導致缺損急劇增加。所以，為使T＝C，需要保持Φ＝C，即要求變頻的同時改變定子電壓U，即變頻調速關鍵問題是要獲得調頻調壓的交流電源。?1.變頻器定義：將電網供電的2頻（f＝50HZ）交流電源變?yōu)檫m用于交流電機變頻調速用的電壓可變、頻率可變的交流電的交流裝置。變頻器可分為：交—交VVVF變頻器

交—直—交VVVF1）交—交變頻器（直接變頻器、周波變頻器）定義：直接將電網的交流電變?yōu)殡妷汉皖l率都可以調節(jié)的交流電（VariableVoltageVariableFreqency）下圖由兩組反并聯(lián)的整流器p組和N組構成。?若p組，N組交替地向負載R供電，則在負載上獲得交流電壓U0；U0的幅值由兩組可控整流器的控制角α決定。U0的頻率由p、N整流器的切換頻率來決定。由于U的輸出波形是由供電電源波形是由供電電源波形經整流后得到的，故交流輸出的頻率不能高于電網的頻率。P組通N組通0U0t?2）交—直—交變頻器以單相負載供電為例說明可控硅整流裝置把交流變?yōu)橹绷麟?，開關元件1、3和2、4交替對負載R供電，獲得負載上的交流輸電U0。U0的幅值由可控硅整流裝置的控制角α來決定；U的頻率由開關元件的切換頻率來定，不受電源頻率的限制。1,3通2,4通0U0t?3）變頻器的基本構成整流器：～為交流電，整流器可采用硅整流元件構成不可控整流器，也可采用晶閘管可控整流器。交流輸入電源可用單相或三相，視交流電機容量而定。濾波器：用來緩沖直流環(huán)節(jié)和負載之間的壓力能量，電濾波電壓型，大電感濾波電流型。功率逆變器：—直流電變?yōu)椤?。功率元件有晶閘管、大功率晶體管、功率場效應管。控制器：控制逆變器中個功率元件的工作狀態(tài)，使逆變器輸出預定電壓和預定頻率的交流電源。?2.逆變器定義：將直流電變?yōu)榻涣麟姷淖兞餮b置稱功率逆變器。（反之為整流器）按功能分電壓型逆變器電流型逆變器按控制方法分脈寬PWM逆變器脈幅PAM逆變器按逆變器波形分矩形（方法）逆變器分類正弦波逆變器按使用功率元件分晶閘管(SCR)

可關斷晶閘管(GTD)

大功率晶體管(GTR)功率場效應管(P-MOSFET)

按逆變器控制分固定壓變，固定頻率(CV,CF)固定壓變，可變頻率(CV,VF)可變電壓，可變頻率(VV,VF)一般，異步步電動機采用VVVF逆變器。?6.4.2SPWM波調制原理SPWM變頻器同時適用于永磁式及感應式伺服電動機，采用正弦規(guī)律的脈寬調制原理，功率數增大、波形好等優(yōu)點，交流調速系統(tǒng)中廣泛應用。1.一相SPWM波調制原理交流SPWM中，輸出電壓U0由△波調到正弦電壓得到U為幅值相等、寬度不等方波信號。各脈沖的面積與正弦波下的面積成比例，脈寬基本上按正弦分布，基波是等效的正弦波。調制原理如下：當控制電壓(U1>△波)U1>Ut

時，電壓比器輸出(高電平)，反之輸出電平。?雙極性SPWM波調制原理將右圖正弦正半周分成N等分，每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都一個與此面積相等的等幅矩形脈沖所代替，即N個等幅而步等寬的矩形脈沖組成的波形與正弦正半周等效。?任何一個平滑的曲線與三角波相交時，都會得到一組等幅的脈寬正比于該函數值的矩形脈沖。圖中看出，幅值為Um脈寬按正弦規(guī)律變化的矩形脈沖。如果這一組矩形脈沖作為逆變器多開關元件的控制信號，則在逆變器輸出端獲得一組類似的矩形脈沖，其幅值為逆變器的直流電壓

Ud，寬度按正弦規(guī)律變化。這一組矩形脈沖可用正弦波等效，正弦波的負半波，用負值三角波調制。當逆變器輸出端升高電壓時，加大正弦波的幅值，逆變器輸出Ud

Um不變，脈寬加大，達到調壓目的，當逆變器要變頻時，改變正弦波頻率亦可。?2.三相SPWM波的調制在三相SPWM調制中，△波發(fā)生器Ut是共用的，每一相有一個輸入正弦信號和一個SPWM調制器輸入Ua、Ub、Uc信號相差120°的正弦交流信號，幅值頻率均可調。在三相橋式逆變器中，有180°導通型換向方式和120°導通性換向方式(在某一瞬間，控制一個開關器關斷，同時使另一個開關器導通，就實現(xiàn)了兩個之間的換向)。同一個橋臂上，下兩管之間互相換向的逆變器為180°導通型逆變器，例：T1(－)后T4(＋)，當T4(－)后T1(＋)。即每個開關在一個周期內導通的區(qū)間為180°，其他相亦如此。?在180°導通型逆變器，每一時刻總有3個開關器導通，但須注意防止同一橋臂上的上下管相通，連成直流電源段路換向時，采取“先斷后通”的原則。T6T5T4300～360°T5T4T3240～300°T4T3T2180～240°T3T2T1120～180°T6T2T160～120°T6T5T10～60°導通器件時間段180°導通型逆變器開關導通規(guī)律?120°導通型逆變器的換向在同一不同橋臂的左右兩管之間進行的。例：T3(－)后T5(＋)，T4(－)后T6(＋).每個開關器件一次連續(xù)導通120°，在同一時刻只有兩個器件導通。若負載由動機繞組是Y聯(lián)結，則只有兩相導電，另一相懸空。?3.SPWM變頻器功效

SPWM調制波經功放后才能驅動電機。功放電路如下圖：整流器：用六個硅整流元件接成三相橋式整流電路；濾波器：兩只高壓大容量串聯(lián)接在整流器的直流輸出端，以緩沖直流部分與負載之間的無功功率構成電壓型變頻器，并聯(lián)大瓦數的電阻，是斷電時電容釋放之用。逆變器：采用大功率晶體管構成(GTR)?4.SPWM調制的制約條件1）開關頻率功率器件的開關頻率決定了調制三角波的頻率。普通晶閘管開關頻率300～500HZ；大功率晶體管開關頻率：1～5KHZ；可關斷晶閘管開關頻率：1～2KHZ；功率場效應管開關頻率：～20KHZ。絕緣柵式雙極晶體管IGBT高速開關特性好，時間0.15μs，飽電壓2.2V，是非常好的功率電子器件。IGBT耐壓300V，電流達1500A。2）調制由于功率器件開關頻率的限制，所調制的脈沖波有最小的脈寬與最小的間隙限制，以保證脈寬大于器件導通和關斷時間即滿足：

（M—調制系數；U1—正弦控制電壓的峰值；Ut—三角波載波的峰值電壓）?5.SPWM的同步／異步調制（N—載波比；ft—三角波載波的峰值電壓；ft—正弦控制電壓的峰值）為保證調制波的對稱性N是3的倍數，如N＝15，18，21，30，36，42，60，72，84，120，144，168等。?3）分段同步調制

把整個頻率范圍分成n段，結合同異步調制的優(yōu)點，同同步各段之間N值不同。即fr

減小，N取大值；fr增大，N取小值。1）同步調制即載波比N=C（常數），變頻時ft

、fn同步變化。故一個正弦控制波周期內輸出的矩形脈沖數量是不變的。若N是3的倍數保證逆變器輸出的波形正負對稱，三相波形互差120°相位角。缺點：低頻段，相鄰兩脈沖的間距加大，諧波增大，使轉矩脈動產生噪聲。2）異步調制載波比N變化，ft

不變化，fn

變化，在低頻段，SPWM輸出波的每一個正弦控制波周期內有較多的脈沖數，fr減小，脈沖個數增大，既減小了多次諧波的電機轉矩的波動、噪音。

優(yōu)點：改變了低頻工作特性；缺點：輸出波形變化時，引起波形的不對稱性和相反變化，難保證三相輸出的對稱關系，電機工作不平穩(wěn)。?6.軟件SPWM的實現(xiàn)SPWM調制的實質：根據三角載波與正弦控制波的交點來確定功率開關管的通斷時刻。數字方式SPWM控制，可實現(xiàn)硬件SPWM的波形，有n種方法。?1）自然采樣法方法：以正弦波三角波的交點采樣，從而生成SPWM波形方式。三角波變化一周期T，與正弦波有兩個交點；A發(fā)生脈沖時刻，B脈沖結束時刻。功率管導通工作區(qū)是t2關斷區(qū)：脈沖的間隙時間t1、t3、t1、t2、t3在正弦波的不同頻段是不一樣的。設三角波的幅值為1，正弦控制波為U＝Msinωt,根據相似三角形幾何關系及整理得：交點相對于三角形不對稱，t1≠t3。將事先計算的數據存入計算機內，以查表方式控制。當調速范圍變化大，頻段多時，公用內存多，該方法適用于有限調速場合。?2）規(guī)則采樣法以三角形波的峰點向上作水平軸的與正弦交于E點，過E點作水平線，與三角波交于A、B兩點。使∴優(yōu)點：每個采樣時刻都有確定的值，計算時間較少。缺點：有一定的誤差，但采取措施后可以達到精度。?3）指定簡諧波消除法

方法：計算前事先設定好每半個正弦周期用n個脈沖代替，然后以消除某些指定階次諧波為出發(fā)點求出功率元件通斷時刻。計算式用付氏變換方法。逆變器輸出電壓的基波幅值為U1m，消除5次和7次簡諧波電壓，SPWM電壓波形的付氏變換為：?求解以上三式，即得到脈沖波開關時刻，t1、t2、t3來關斷或打開功率管，產生SPWM波。一般計算出不同頻率下的開關數值，存入微機系統(tǒng)，以查表方式來控制。?數控機床編程及加工機械工程實驗教學中心實驗目的通過數控機床的加工程序編制，掌握編程的方法及技巧；將在計算機上用OpenSoftCNC軟件模擬顯示加工過程校驗程序，然后在數控機床上對工件進行加工；結合機械加工工藝，實現(xiàn)最優(yōu)化編程，提高加工質量和生產效率。機械工程實驗教學中心數控編程的基本原理數控編程的目的；數控編程的內容；編程步驟。機械工程實驗教學中心數控編程的基本原理所謂編程，就是把零件的圖形尺寸、工藝過程、工藝參數、機床的運動以及刀具位移等內容，按照數控機床的編程格式和能識別的語言記錄在程序單上的全過程。這樣編制的程序還必須按規(guī)定把程序單制備成控制介質如程序紙帶、磁帶等，變成數控系統(tǒng)能讀懂的信息，再送入數控機床，數控機床的CNC裝置對程序經過處理之后，向機床各坐標的伺服系統(tǒng)發(fā)出指令信息，驅動機床完成相應的運動。機械工程實驗教學中心數控編程的目的數控編程的基本原理①分析零件圖紙，確定加工工藝過程；②計算走刀軌跡，得出刀位數據；③編寫零件加工程序；④制作控制介質；⑤校對程序及首件試加工。機械工程實驗教學中心數控編程的內容數控編程的基本原理機械工程實驗教學中心數控編程的步驟零件圖紙分析零件圖紙制定工藝規(guī)程數學處理編寫程序文件制作控制介質程序校驗及試切數控機床OpenSoftCNC軟件介紹OpenSoftCNC軟件包括數控車床模擬仿真和數控銑床模擬仿真系統(tǒng)，由軟件+標準硬件系統(tǒng)構成，不要求專用硬件或運動控制卡，所有數控功能和邏輯控制功能均由軟件完成，操作界面由系統(tǒng)操作和機床控制兩大部分組成。機械工程實驗教學中心OpenSoftCNC軟件介紹機械工程實驗教學中心為例，軟件提供下列指令：以數控車床模擬仿真系統(tǒng)（OpenSoftCNC01T）組別指令功能編程格式模態(tài)

1G00快速線性移動G00X(U)_Z(W)_√G01直線插補G01X(U)_Z(W)_√G02順時針圓弧插補G02I_K_X(U)_Z(W)_√G03逆時針圓弧插補G03I_K_X(U)_Z(W)_√G32恒螺距公制螺紋插補G32X(U)_Z(W)_K_I_H√G33恒螺距英制螺紋插補G33X(U)_Z(W)_K_I_H√G27X軸返回程序零點G27

G28Z軸返回程序零點G28

G92定義絕對坐標系G92X_Z_√2G04延時G04E_

3M00暫停M00

M02程序結束M02

4M03主軸正轉M03√M04主軸反轉