第十章數(shù)控機(jī)床的閉環(huán)控制系統(tǒng)

1、第十章數(shù)控機(jī)床的閉環(huán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)前面所述的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，三大缺點(diǎn)： 1。精度不夠高 步進(jìn)電機(jī)步距有限，無(wú)法無(wú)限細(xì)，步距小，速度慢，另外對(duì)機(jī)床傳動(dòng)機(jī)構(gòu)精度要也高。 2。功率小 3。無(wú)法知道有無(wú)失步 目前，一般要求較高的數(shù)控機(jī)床大多采用交、直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng) 一。全閉環(huán)伺服系統(tǒng) 位置檢測(cè)安裝在工作臺(tái)上 工作原理 ：閉環(huán)系統(tǒng)的定位誤差只取于位置檢測(cè)單元的誤差，與機(jī)床傳動(dòng)部分沒(méi)有關(guān)系。 二。半閉環(huán)控制系統(tǒng) 位置檢測(cè)直接接在伺服電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，另外還有速度檢測(cè)器工作原理： 一般速度用測(cè)速發(fā)電機(jī)檢測(cè)，位置用軸角編碼盤檢測(cè)。 半閉環(huán)的特點(diǎn) ： 由于機(jī)床的傳動(dòng)部分放在半閉環(huán)系統(tǒng)以外，因而這部分傳動(dòng)誤差

2、無(wú)法克服，但比起開(kāi)環(huán)，精度仍要高許多。 另外，比全閉環(huán)穩(wěn)定（全閉環(huán)易振蕩）三。描述全閉環(huán)、半閉環(huán)的性能指標(biāo) 1。分辨率： 開(kāi)環(huán)：步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)當(dāng)量位移閉環(huán)：檢測(cè)系統(tǒng)的最小檢測(cè)量 2。精度 ：也即系統(tǒng)的誤差，精度一般不高于檢測(cè)系統(tǒng)的精度 3。跟隨誤差 開(kāi)環(huán)不存在，閉環(huán)是指命令值與反饋值之差 4。運(yùn)行速度 開(kāi)環(huán)、半閉環(huán)、全閉環(huán)控制系統(tǒng)的差異是：A.輸出驅(qū)動(dòng)電路是否包含反饋回路，及反饋回路的形式不同。B.是指機(jī)床工作臺(tái)是否包含位置檢測(cè)裝置及檢測(cè)裝置的形式是否相同。C.控制系統(tǒng)機(jī)箱是敞開(kāi)式還是封閉式以及是否需要屏蔽等的差異。四。閉環(huán)系統(tǒng)的控制特點(diǎn) 位置檢測(cè)采用定時(shí)采樣，所以控制輸出也采用定時(shí)控制，在每

3、個(gè)采樣周期，計(jì)算機(jī)比較指令值與反饋值偏差，然后控制伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，所以通常用時(shí)間分割法插補(bǔ)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)。五.數(shù)控閉環(huán)系統(tǒng)的偏差 指令增量值 ，反饋增量值之差為偏差 De=Dr- Df 若把前一時(shí)刻遺留的偏差Dei-1計(jì)算在內(nèi) Dei=DriDfi+Dei-1 閉環(huán)系統(tǒng)即將此偏差值經(jīng)過(guò)放大（增益系數(shù)KD）變成伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速的數(shù)字指令VD，再經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換后得到模擬電壓VP此VP驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng). 要使系統(tǒng)達(dá)到一穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，偏差De也將維持一穩(wěn)定值，叫跟隨偏差 102閉環(huán)系統(tǒng)的位置檢測(cè) 一。要求： 精度：1以下（可達(dá)0.5u）速度 ：10m/min20m/min二。分類 三。絕對(duì)型光電編碼

4、器 絕對(duì)式編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式檢測(cè)裝置，可直接把被測(cè)轉(zhuǎn)角用數(shù)字代碼表示出來(lái)，且每一個(gè)角度位置均有其對(duì)應(yīng)的測(cè)量代碼，它能表示絕對(duì)位置，沒(méi)有累積誤差，電源切除后，位置信息不丟失，仍能讀出轉(zhuǎn)動(dòng)角度。q 結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理n 碼盤基片上有多圈碼道，且每碼碼盤基片上有多圈碼道，且每碼道的刻線數(shù)相等；道的刻線數(shù)相等；n對(duì)應(yīng)每圈都有光電傳感器；對(duì)應(yīng)每圈都有光電傳感器；n輸出信號(hào)的路數(shù)與碼盤圈數(shù)成正輸出信號(hào)的路數(shù)與碼盤圈數(shù)成正比；比；n檢測(cè)信號(hào)按某種規(guī)律編碼輸出，檢測(cè)信號(hào)按某種規(guī)律編碼輸出，故可測(cè)得被測(cè)軸的周向絕對(duì)位置。故可測(cè)得被測(cè)軸的周向絕對(duì)位置。四位二進(jìn)制編碼盤四。增量型光電編碼器 信號(hào)處理裝置a

5、bz光電盤透鏡光源光電元件圓盤透光狹縫光欄板節(jié)距AABBZZm+/4 數(shù)字顯示 信號(hào)處理電路 光電盤 圓盤 光電元件 聚光鏡 光源 節(jié)距節(jié)距PAB90 90 實(shí)際的光電編碼盤光電型位置傳感器還有光柵尺尺子移動(dòng)方向 莫爾條紋 條紋移動(dòng)方向 根據(jù)定尺、動(dòng)尺上的條紋間距，以及測(cè)出莫爾條紋的移動(dòng)條數(shù)即可算出光柵尺位移。 有反光型（玻璃、鋁做成）有透光型如做成盤狀，則可測(cè)出旋轉(zhuǎn)角度，即圓光柵 干涉條紋的特點(diǎn)干涉條紋的特點(diǎn)當(dāng)當(dāng)d =0.01mmd =0.01mm，( (l00l00線線/ /毫米毫米)=0.01)=0.01弧度，紋距弧度，紋距W=1mmW=1mm，即利用擋光效應(yīng)，可把光柵線距轉(zhuǎn)換成放大即利

6、用擋光效應(yīng)，可把光柵線距轉(zhuǎn)換成放大100100倍的摩爾倍的摩爾條紋的寬度。條紋的寬度。表明莫爾條紋的節(jié)距是柵距的表明莫爾條紋的節(jié)距是柵距的1 1倍。倍。(1)(1)干涉條紋方向與干涉條紋方向與標(biāo)尺光柵的刻線幾標(biāo)尺光柵的刻線幾乎垂直。乎垂直。(2)(2)放大作用放大作用: :用用W W（mmmm）表示莫爾條）表示莫爾條紋的寬度，紋的寬度，d(mm)d(mm)表示柵距，表示柵距，(rad)(rad)為光柵線紋之間的為光柵線紋之間的夾角。夾角。ddWsind d光柵節(jié)光柵節(jié)距距摩爾條紋摩爾條紋節(jié)距節(jié)距W W光柵傾角光柵傾角光柵尺的基本工作原理基于莫爾條紋，莫爾條紋可以：A.增強(qiáng)通過(guò)光柵的光線強(qiáng)度B.

7、提高光柵刻度的分辨率C.僅作為放大光柵條紋D.放大光柵條紋，且起到平均光柵條紋間距作用三。旋轉(zhuǎn)變壓器 旋轉(zhuǎn)變壓器是一種交流感應(yīng)電機(jī)，外形小巧，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固，輸出信號(hào)強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)。其工作原理與變壓器類似，但次級(jí)線圈及鐵心可旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理：cosmDLL兩線圈的互感：線圈D加入交流電：tUumDsin線圈 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：cossincostkUkuumDK為變壓器常數(shù)，即 =0時(shí)的變比sin)90cos(DDkukuu在次級(jí)上再加一線圈 ：實(shí)際的旋轉(zhuǎn)變壓器：D、G線圈在、線圈上感應(yīng)電壓： sin)90cos(cosDDDkukuukuuD對(duì)、G對(duì)、cos)90cos(GGkuukuu若

8、在D、G兩線圈加入：tUutUumGmDcossin)sin()90cos(coscossin)90cos(costkUtkUtkUkukuummmGD)cos(tkUum同理：旋轉(zhuǎn)變壓器工作時(shí)：A.轉(zhuǎn)子上加正弦交流電，定子信號(hào)反映轉(zhuǎn)角狀態(tài)。B. 定子上加正弦交流電，轉(zhuǎn)子信號(hào)反映轉(zhuǎn)角狀態(tài)。四。感應(yīng)同步器直線型-測(cè)直線旋轉(zhuǎn)型-測(cè)轉(zhuǎn)角 相當(dāng)于展開(kāi)的多級(jí)旋轉(zhuǎn)變壓器感應(yīng)同步器有兩種工作方式：1。感應(yīng)同步器在相位工作方式繞組繞組BtVVAtVVmcmscossin當(dāng)A繞組與定尺間相對(duì)量為 時(shí) B繞組與定尺間相對(duì)量為-90 )sin(sincoscossintkVtkVtkVVmmmo)sin(sinco

9、scossintkVtkVtkVVmmmox滑尺位移感應(yīng)同步器的半節(jié)距相移（動(dòng)、定尺之間）耦合系數(shù)xk2。感應(yīng)同步其工作在幅值工作方式繞組繞組BtVVAtVVmcmssincossinsintkVtkVtkVkVkVVmmmcsosin)sin(sinsincoscossinsin)90cos(cosVo的相位不變，但其幅度變化：)sin(mkV只要測(cè)出幅度變化，即可測(cè)出及位移x 控 制 電 機(jī) 從工作原理上看，控制電機(jī)和普通電從工作原理上看，控制電機(jī)和普通電機(jī)沒(méi)有本質(zhì)上的差異，但普通電機(jī)功率機(jī)沒(méi)有本質(zhì)上的差異，但普通電機(jī)功率大，側(cè)重于電機(jī)的啟動(dòng)、運(yùn)行和制動(dòng)等大，側(cè)重于電機(jī)的啟動(dòng)、運(yùn)行和制動(dòng)等

10、方面的性能指標(biāo)，而控制電機(jī)輸出功率方面的性能指標(biāo)，而控制電機(jī)輸出功率較小，較小，側(cè)重于電機(jī)控制精度和響應(yīng)速度。側(cè)重于電機(jī)控制精度和響應(yīng)速度。 第三節(jié)交直流伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)n 控制電機(jī)按其功能和用途可分為控制電機(jī)按其功能和用途可分為信號(hào)檢測(cè)信號(hào)檢測(cè)和傳遞類和傳遞類控制電機(jī)及控制電機(jī)及動(dòng)作執(zhí)行類動(dòng)作執(zhí)行類控制電機(jī)兩大控制電機(jī)兩大類。執(zhí)行電機(jī)包括類。執(zhí)行電機(jī)包括伺服電機(jī)伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)和和直線直線電機(jī)電機(jī)；信號(hào)檢測(cè)和傳遞電機(jī)包括；信號(hào)檢測(cè)和傳遞電機(jī)包括測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器和和自整角機(jī)自整角機(jī)等。等。n 在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，伺服電動(dòng)機(jī)是一個(gè)執(zhí)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，伺服電動(dòng)

11、機(jī)是一個(gè)執(zhí)行元件，它的作用是把信號(hào)（控制電壓或相位）行元件，它的作用是把信號(hào)（控制電壓或相位）變換成機(jī)械位移，也就是把接收到的電信號(hào)變變換成機(jī)械位移，也就是把接收到的電信號(hào)變?yōu)殡姍C(jī)的一定轉(zhuǎn)速或角位移。伺服電動(dòng)機(jī)有為電機(jī)的一定轉(zhuǎn)速或角位移。伺服電動(dòng)機(jī)有直直流流和和交流交流之分。之分。伺服電動(dòng)機(jī) 伺服電動(dòng)機(jī)的作用是將輸入的伺服電動(dòng)機(jī)的作用是將輸入的電壓信號(hào)電壓信號(hào)（即控制電壓）（即控制電壓）轉(zhuǎn)換成軸上的轉(zhuǎn)換成軸上的角位移或角角位移或角速度速度輸出。輸出。 在自動(dòng)控制系統(tǒng)中常作為執(zhí)行元件，所在自動(dòng)控制系統(tǒng)中常作為執(zhí)行元件，所以伺服電動(dòng)機(jī)又稱為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。以伺服電動(dòng)機(jī)又稱為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。 伺服電動(dòng)機(jī)最大

12、特點(diǎn)：伺服電動(dòng)機(jī)最大特點(diǎn)： 有控制電壓時(shí)轉(zhuǎn)子有控制電壓時(shí)轉(zhuǎn)子立即旋轉(zhuǎn)立即旋轉(zhuǎn)，無(wú)控制電壓時(shí)轉(zhuǎn)，無(wú)控制電壓時(shí)轉(zhuǎn)子子立即停轉(zhuǎn)立即停轉(zhuǎn)。 轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速是由控制電壓的方向和大小決轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速是由控制電壓的方向和大小決定的。定的。 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 交流伺服電動(dòng)機(jī)主要由交流伺服電動(dòng)機(jī)主要由定子定子和和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子構(gòu)成，如圖所示。構(gòu)成，如圖所示。 定子鐵心定子鐵心通常用硅鋼片疊通常用硅鋼片疊壓而成。壓而成。 定子鐵心表面的槽內(nèi)嵌定子鐵心表面的槽內(nèi)嵌有兩相繞組，其中一相繞組有兩相繞組，其中一相繞組是是勵(lì)磁繞組勵(lì)磁繞組，另一相繞組是，另一相繞組是控制繞組控制繞組。 1外定子鐵心；2杯形轉(zhuǎn)子； 3內(nèi)定子鐵心；4

13、轉(zhuǎn)軸；5軸承；6定子繞組 杯形轉(zhuǎn)子杯形轉(zhuǎn)子伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖 特點(diǎn)：轉(zhuǎn)子電阻大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小空心杯交流伺服電機(jī) 勵(lì)磁繞組勵(lì)磁繞組和和控制繞組：控制繞組： 兩相繞組在空間位置兩相繞組在空間位置上互差上互差90電角度。電角度。 工作時(shí)勵(lì)磁繞組與交流工作時(shí)勵(lì)磁繞組與交流勵(lì)磁電源相連，控制繞組勵(lì)磁電源相連，控制繞組加控制信號(hào)電壓加控制信號(hào)電壓 kU 交流伺服電動(dòng)機(jī)原理圖交流伺服電動(dòng)機(jī)原理圖 一、交流伺服電動(dòng)機(jī)一、交流伺服電動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)子的形式有兩種轉(zhuǎn)子的形式有兩種:籠式轉(zhuǎn)子籠式轉(zhuǎn)子空心杯轉(zhuǎn)子空心杯轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子:工作原理 交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理和電容分交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理和電容分相式相式單相

14、異步電動(dòng)機(jī)相似單相異步電動(dòng)機(jī)相似。 在沒(méi)有控制電壓時(shí)，氣隙中只有勵(lì)磁繞在沒(méi)有控制電壓時(shí)，氣隙中只有勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的脈動(dòng)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子上沒(méi)有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩而組產(chǎn)生的脈動(dòng)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子上沒(méi)有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩而靜止不動(dòng)。靜止不動(dòng)。 當(dāng)有控制電壓且控制繞組電流和勵(lì)磁繞當(dāng)有控制電壓且控制繞組電流和勵(lì)磁繞組電流不同相時(shí)，則在氣隙中產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)組電流不同相時(shí)，則在氣隙中產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)并產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁場(chǎng)并產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向旋轉(zhuǎn)。方向旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)矩特性曲線 臨界轉(zhuǎn)差率S01，這樣不僅使轉(zhuǎn)矩特性（機(jī)械特性）更接近于線性，而且具有較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。因此，當(dāng)定子一有控制電壓，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動(dòng)，即具有起動(dòng)快、靈敏

15、度高的特點(diǎn) 直流伺服電動(dòng)機(jī)直流伺服電動(dòng)機(jī) 1基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 傳統(tǒng)的直流伺傳統(tǒng)的直流伺服電動(dòng)機(jī)動(dòng)實(shí)質(zhì)是容服電動(dòng)機(jī)動(dòng)實(shí)質(zhì)是容量較小的量較小的普通直流電普通直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)機(jī)。 有他勵(lì)式和永有他勵(lì)式和永磁式兩種，其結(jié)構(gòu)與磁式兩種，其結(jié)構(gòu)與普通直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)普通直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)基本相同。構(gòu)基本相同。 2基本工作原理基本工作原理 傳統(tǒng)直流伺服電動(dòng)機(jī)的基本工作原理與普傳統(tǒng)直流伺服電動(dòng)機(jī)的基本工作原理與普通通直流電動(dòng)機(jī)完全相同直流電動(dòng)機(jī)完全相同。 依靠電樞電流與氣隙磁通的作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)依靠電樞電流與氣隙磁通的作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。矩，使伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。 通常采用電樞控制方式，即在保持勵(lì)磁電壓通常

16、采用電樞控制方式，即在保持勵(lì)磁電壓不變的條件下，通過(guò)改變電樞電壓來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。不變的條件下，通過(guò)改變電樞電壓來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。電樞電壓越小，則轉(zhuǎn)速越低；電樞電壓為零時(shí)，電樞電壓越小，則轉(zhuǎn)速越低；電樞電壓為零時(shí)，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。由于電樞電壓為零時(shí)電樞電流也為電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。由于電樞電壓為零時(shí)電樞電流也為零，電動(dòng)機(jī)不產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，不會(huì)出現(xiàn)零，電動(dòng)機(jī)不產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，不會(huì)出現(xiàn)“自轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)”。轉(zhuǎn)矩特性直流伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路 PWM原理示意圖第4節(jié)脈沖-相位調(diào)制式伺服系統(tǒng)若在D、G兩線圈加入：tUutUumGmDcossin一。旋轉(zhuǎn)變壓器相位工作方式：)sin(tkUum)cos(tkUum相位工作狀態(tài)方框圖脈沖-相位調(diào)制式伺服系統(tǒng)數(shù)字式脈沖-相位調(diào)制式伺服系統(tǒng)：SM問(wèn)題問(wèn)題1：數(shù)字式脈沖數(shù)字式脈沖-相位調(diào)制式伺服系統(tǒng)中