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1、进给伺服系统,伺 服 系 统,第 8 章,编写人：葛翔 上海应用技术学院,内容提要,第一节 进给伺服系统概述 第二节 进给伺服系统分析 第三节 脉冲比较的进给伺服系统 第四节 相位比较的进给伺服系统 第五节 幅值比较的进给伺服系统 第六节 数据采样式进给伺服系统 第七节 交、直流伺服电动机的微机,引 言,数控机床通常有多个运动坐标轴，如车床有x和z坐标轴，复杂车床还有平行于x的u轴和平行于z的w轴，铣床一般有x、y和z坐标轴，加工中心则有更多的坐标轴（包括直线轴和回转轴）。 这些轴有的带动装有工件的工作台，有的带动装有切削刀具的刀架，通过坐标轴的综合联动，使刀具相对于加工工件产生复杂的曲线轨迹
2、，加工出所要求的复杂形状的工件。,引 言,驱动各加工坐标轴运动的传动装置称为进给伺服系统。包括机械传动部件和产生主动力矩以及控制其运动的各种驱动装置。因传动部件而影响伺服机构性能的因素主要有刚性、间隙、摩擦、惯量、负载的均匀性及温度变形等。 进给伺服系统是计算机数控系统（CNC）中一个重要组成部分，它的性能直接决定与影响CNC系统的快速性、稳定性和精确性。,引 言,数控机床的进给伺服系统是一种精密的位置跟踪与定位系统，是以位置为控制对象的自动控制系统。 对于位置控制，若位置比较及位置控制器都由微机完成，则是位置数字伺服系统。目前，在高性能的CNC系统中，位置、速度和加速度是数字伺服（至少位置、
3、速度是数字伺服）；在全功能中档数控系统，则有的位置环控制是计算机完成的，而速度环则是模拟伺服，这种情况下，位置控制器的输出往往是数字量，需经D/A转换后，作为速度环的给定命令。,第 8 章,第一节 进给伺服系统概述,第一节 进给伺服系统概述,数控机床进给伺服系统有多种分类方式。 按照有无位置检测和反馈环节以及位置检测元件的安装位置来分类，可以将进给伺服系统分为开环、半闭环和闭环三种类型；按进给伺服系统的进给轨迹来分类，可以将其分成点位控制系统和轮廓控制系统两类。 对于轮廓控制的进给伺服系统来说，它在进给运动中要连续的接收来自CNC装置的运动控制指令。这一指令可以是连续的脉冲序列，也可以是一个接
4、一个的数字。若按照运动控制指令的形式来分，又可将轮廓控制的进给伺服系统分为数据采样式和基准脉冲式两类。,第一节 进给伺服系统概述,一、开环、闭环和半闭环 数控机床中最简单的位置伺服系统如图8-1所示。 步进电动机直接将进给脉冲变换为机械运动；通过齿轮和丝杆带动工作台移动。对应于每个进给脉冲，工作台移动一个脉冲当量的距离。这种只含有信号的放大和变换，不带有检测反馈的伺服系统称为开环伺服系统，或简称开环系统。,第一节 进给伺服系统概述,由于没有反馈检测部件，开环系统中各部分的误差都折合成系统的位置误差。因此，开环系统的精度较差，速度上也有一定限制（主要是受步进电动机性能的限制）。但由于其结构简单，
5、容易调整，适于速度、精度要求不太高的场合。,第一节 进给伺服系统概述,与开环相对应的是闭环伺服系统。 原理框图如图8-2所示。 安装在工作台上的位置检测器把机械位移变成电量，反馈到输入端与输入信号相比较，得到的差值经过放大和变换，最后驱动工作台向减小差值的方向移动。如果输入信号不断产生，工作台就不断跟随输入信号运动。只有在差值为零时工作台才停止运动。 因此，闭环系统的定位误差取决于检测单元的误差，而于放大和传动部分没有直接关系。,第一节 进给伺服系统概述,如图8-2(a)所示，闭环进给伺服系统主要由以下几部分组成： 比较环节 将位置指令和反馈的实际位置进行比较，得出位置偏差。 位置控制器 将位
6、置偏差作为输入，完成位置控制策略功能，输出作为速度的给定命令。 检测单元 测量工作台或刀架的实际位置，反馈到位置伺服系统的输入端。位置检测传感器的精度、分辨率对伺服系统的精度起者决定性作用。 速度控制及伺服驱动单元 完成进给速度变化范围的调速控制，产生一定的功率，并通过执行器完成能量转换。 控制对象 指机床工作台及其传动机构，它们是组成系统的重要部分，也是系统结构组成要素的重要内容。 由于应用了反馈控制的原理，闭环伺服系统可以达到较高的速度和精度，因此在数控机床、特别是大型和精密的机床中广为应用。,第一节 进给伺服系统概述,图8-2所示，直接测量工作台的位移建立反馈系统，可以消除整个放大和传动
7、部分的误差，间隙和失动。但这种测量装置价格较高，安装和调整都比较复杂而且不易保养；相比之下，测量转角要容易得多。 因此根据实际情况可以在传动链和旋转部位安装角度测量元件进行反馈。 一般把这种在中间部位上取出反馈信号的系统称为半闭环系统。 图8-3为半闭环系统原理框图。这种系统只能补偿环路内部传动链的误差。 因此，其精度要比闭环系统稍差，但由于这种系统结构简单，调整方便，所以广泛应用于各种数控机床。,第一节 进给伺服系统概述,第一节 进给伺服系统概述,第一节 进给伺服系统概述,二、点位和连续控制的伺服系统 连续切削控制的伺服系统与点位控制的伺服控制系统有很大的不同。在点位控制系统中，重要的是定位
8、精度和定位时间（影响到效率），对于如何趋近定位点及趋近过程中的精度则无关紧要，因此，可能采用分级降速，单方向趋近等提高定位精度的办法，一般属于闭环断续控制方式。,第一节 进给伺服系统概述,对于连续切削控制系统，由于一边进给，一边要加工零件的轮廓，所以除了定位精度要求准确之外，在整个进给过程中，为使工件精度高而且表面粗糙度低，要求伺服系统速度稳定，跟随误差小。 或者说要求伺服系统在很宽的速度范围内有良好的稳态和动态品质。,第 8 章,第二节 进给伺服系统分析,第二节 进给伺服系统分析,在自动控制系统中，把输出量能够以一定准确度跟随输入量的变化而变化的系统称为随动系统，亦称伺服系统。 数控机床的伺
9、服系统是指以机床移动部件的位置（或速度）作为控制对象的目的自动控制系统。 进给伺服系统的作用在于接受来自数控装置的指令信号，驱动机床移动部件跟随指令脉冲运动，并保证动作的快速和准确。数控机床的精度和速度等技术指标往往主要取决于伺服系统。,第二节 进给伺服系统分析,在数控机床位置进给控制中，为了加工出光滑的零件表面，绝对不允许出现位置超调。 位置控制器对位置进给伺服系统非常重要。 目前在CNC系统中使用的主要有“比例型”“比例加前馈型”两种类型。,第二节 进给伺服系统分析,一、进给伺服系统的数学模型 对控制系统的数学描述，实际上就是首先建立系统中各环节的传递函数，然后求出整个系统的传递函数。有速
10、度内环的闭环系统如下图所示：,第二节 进给伺服系统分析,位置控制器本身可以是微处理器，也可以是由硬件构成的脉冲比较电路。从传递函数的角度来看，位置控制器相当于一个比例环节，其比例系数是KP。 位置控制器输出是数字量，必须经过D/A转换之后才能控制调速单元，D/A转换也相当于一个比例环节，比例系数是KA。 从位置环的角度看，调速单元可以等效为一贯性环节KV/(TVs+1),式中，TV为惯性时间常数；KV为调速单元的放大倍数。 调速单元输出的量是速度量，这一速度量经过积分环节1/s后成为角位移量。,第二节 进给伺服系统分析,位置检测环节是指位置传感器（光电编码器，旋转变压器等）和后置处理电路。作用
11、是把位置信号转换为电信号。这个环节也可以看做是一个比例环节，比例系数是Kf。 将各环节的传递函数置换8-5的框图，就得到了动态结构图，如图8-5所示：,第二节 进给伺服系统分析,图8-5中，前向通道的传递函数： (8-1) 利用前向通道的传递函数G1(s)可以将图8-5简化为图8-6，系统的闭环传递函数是：,第二节 进给伺服系统分析,代入(8-1)得： 式中：K=KpKvKA。 上式表明，闭环进给伺服系统是一个典型的二阶系统，令： 则：,第二节 进给伺服系统分析,二、进给伺服系统动、静态性能分析。 上面已经把数控机床位置伺服系统简化为典型的二阶系统。下面将应用控制系统的分析方法来讨论数控机床位
12、置伺服系统的性能指标。 （一）动态性能 动态性能分析 动态过程是指控制系统在输入作用下从一个稳态向新的稳态转变的过渡过程。位置伺服系统在跟踪加工的连续控制过程中，几乎始终处于动态的过程中。,第二节 进给伺服系统分析,控制系统都是受到给定与扰动两种输入的作用。理想的控制系统应该对给定输入的变化能够准确地跟踪，同时又完全不受扰动输入的影响。即系统应该具有很好的跟随性和很强的抗干扰性。 对于位置随动系统，给定值的变化量是主要输入，动态过程将围绕这个变化了的给定值变化。阻尼比是描述系统动态性能的重要参数。 （1）欠阻尼 01 这时进给伺服系统的传递函数：,第二节 进给伺服系统分析,这种情况下系统对于斜
13、坡输入信号的跟随响应是要经历振荡的，如下图所示：,第二节 进给伺服系统分析,（2）过阻尼 若阻尼比1则称为过阻尼。在这种情况下，进给伺服系统的传递函数有一对不相同的实数极点，传递函数可以写成： 在这种情况下，系统对输入信号的响应是无振荡的。对其斜度输入信号的响应，如图8-8所示。 （3）临界阻尼 若阻尼比=1则称为临界阻尼。临界阻尼的情况下，进给伺服系统的传递函数有一对相同的实数极点。传递函数可以写成：,第二节 进给伺服系统分析,在这种情况下，系统对输入的响应也是无振荡的，其对斜坡信号的响应与过阻尼时的情况差不多。 由于数控机床的伺服进给控制不允许出现振荡，故欠阻尼的情况是应当避免的；临界阻尼
14、是一种中间状态，若系统参数发生了变化，就有可能转变为欠阻尼，临界阻尼的情况也是应该避免的。由此得出结论：数控机床的进给伺服系统应当在过阻尼的情况下进行。,第二节 进给伺服系统分析,2动态性能指标 系统的动态过程用时域分析法最为直观。系统在给定输入和扰动输入下，其输出响应具有不同的物理意义。 （1）对给定输入的跟随性能指标 对于位置随动系统，由于给定值的变化是主要输入，动态过程将围绕这个变化了的给定值而变化。 在R(t)为单位阶跃信号下，系统输出c(t)的响应曲线如图8-9。分析响应曲线c(t)的质量时，常用的指标有：,第二节 进给伺服系统分析,1）超调量 设系统输出响应在tp时刻到达最大值，其
15、超出稳态值的部分与稳态值的比值称为超调量，通常取百分数形式。即： 2）调节时间ts 首先，若把c()的形成的区域称为误差带。那么调节时间ts定义是：从加上输入量的时刻到输出量c(t)进入而且不再超出误差带为止的一段时间。,第二节 进给伺服系统分析,从以上指标中，调节时间ts愈小表明系统快速性及跟随性能愈好。超调量愈小表明系统在跟随过程中比较平稳，但往往也比较迟钝。 实际中快速性和稳定性往往是互相矛盾的。 压低了超调量就会延长过度过程，加快了过度过程却又增大超调量，因此，需按照加工工艺需求在各项性能指标中作一定的选择。,第二节 进给伺服系统分析,（2）对扰动输入的抗扰性能指标 抗扰性能是指当系统
16、的给定输入不变时，即给定量为定值时，在受到阶跃扰动后，输出克服扰动的影响自行恢复的能力。抗扰能力指标用的是最大动态变化（降落或上升）和恢复时间。 这里以调速系统为例，给出一个调速系统在突加载时，力矩Mt与转速n(t)的动态响应曲线。图8-10所示。,第二节 进给伺服系统分析,第二节 进给伺服系统分析,1）最大动态速降nm nm表明系统在突加载后及时作出反应的能力， 常以稳态转速的百分比表示。 2）恢复时间tf ： 由扰动作用进入系统的时刻到输出量恢复到误差带内(一般也取稳态值的）所经历的时间，称为恢复时间。一般地说，阶跃扰动下输出的动态变化越小，恢复得越快，说明系统的抗扰性能力越强。显然，从要求系统具有抗扰性能好的角度出发，上述两项指标越小越好。,第二节 进给伺服系统分析,（二）静态性能 1静态性能分析 控制系统中，最重要的是稳定性问题。如果一台数控机床的伺服控制系统是不稳定的，那么机床工作台就不可能稳定在指定位置，是无法进行切削加工的。因此，任何控制系统首先必须是稳定的。 1）稳态性能指标 位置伺服系
