第十章數(shù)控機(jī)床的閉環(huán)控制系統(tǒng)

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(pán)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=Dri—Dfi+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

§10—2閉環(huán)系統(tǒng)的位置檢測(cè)

一。要求：

精度：1μ以下（可達(dá)0.5u）速度：10m/min~20m/min二。分類(lèi)三。絕對(duì)型光電編碼器

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。0101111001100111100010011010101111001101111100000001001000110100

結(jié)構(gòu)和工作原理

碼盤(pán)基片上有多圈碼道，且每碼道的刻線數(shù)相等；對(duì)應(yīng)每圈都有光電傳感器；輸出信號(hào)的路數(shù)與碼盤(pán)圈數(shù)成正比；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。四位二進(jìn)制編碼盤(pán)四。增量型光電編碼器

信號(hào)處理裝置abz光電盤(pán)透鏡光源光電元件圓盤(pán)透光狹縫光欄板節(jié)距τm+τ/4節(jié)距PAB90°

90°

實(shí)際的光電編碼盤(pán)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(pán)狀，則可測(cè)出旋轉(zhuǎn)角度，即圓光柵

干涉條紋的特點(diǎn)

當(dāng)d=0.01mm，(l00線/毫米)θ=0.01弧度，紋距W=1mm，即利用擋光效應(yīng)，可把光柵線距轉(zhuǎn)換成放大100倍的摩爾條紋的寬度。表明莫爾條紋的節(jié)距是柵距的1／θ倍。(1)干涉條紋方向與標(biāo)尺光柵的刻線幾乎垂直。(2)放大作用:用W（mm）表示莫爾條紋的寬度，d(mm)表示柵距，θ(rad)為光柵線紋之間的夾角。d光柵節(jié)距摩爾條紋節(jié)距θW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.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(lèi)似，但次級(jí)線圈及鐵心可旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理：兩線圈的互感：線圈D加入交流電：線圈α感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：K為變壓器常數(shù)，即θ=0時(shí)的變比在次級(jí)上再加一線圈β：實(shí)際的旋轉(zhuǎn)變壓器：D、G線圈在α、β線圈上感應(yīng)電壓：

D對(duì)α、βG對(duì)α、β若在D、G兩線圈加入：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當(dāng)A繞組與定尺間相對(duì)量為θ時(shí)B繞組與定尺間相對(duì)量為θ-90

2。感應(yīng)同步其工作在幅值工作方式Vo的相位不變，但其幅度變化：只要測(cè)出幅度變化，即可測(cè)出θ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)等方面的性能指標(biāo)，而控制電機(jī)輸出功率較小，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)控制電機(jī)按其功能和用途可分為信號(hào)檢測(cè)和傳遞類(lèi)控制電機(jī)及動(dòng)作執(zhí)行類(lèi)控制電機(jī)兩大類(lèi)。執(zhí)行電機(jī)包括伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和直線電機(jī)；信號(hào)檢測(cè)和傳遞電機(jī)包括測(cè)速發(fā)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器和自整角機(jī)等。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，伺服電動(dòng)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）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)有直流和交流之分。伺服電動(dòng)機(jī)

伺服電動(dòng)機(jī)的作用是將輸入的電壓信號(hào)（即控制電壓）轉(zhuǎn)換成軸上的角位移或角速度輸出。

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)。

伺服電動(dòng)機(jī)最大特點(diǎn)：

有控制電壓時(shí)轉(zhuǎn)子立即旋轉(zhuǎn)，無(wú)控制電壓時(shí)轉(zhuǎn)子立即停轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速是由控制電壓的方向和大小決定的。

基本結(jié)構(gòu)交流伺服電動(dòng)機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，如圖所示。定子鐵心通常用硅鋼片疊壓而成。定子鐵心表面的槽內(nèi)嵌有兩相繞組，其中一相繞組是勵(lì)磁繞組，另一相繞組是控制繞組。

1—外定子鐵心；2—杯形轉(zhuǎn)子；3—內(nèi)定子鐵心；4—轉(zhuǎn)軸；5—軸承；6—定子繞組

杯形轉(zhuǎn)子伺服電動(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)磁繞組和控制繞組：

兩相繞組在空間位置上互差90°電角度。工作時(shí)勵(lì)磁繞組與交流勵(lì)磁電源相連，控制繞組加控制信號(hào)電壓

交流伺服電動(dòng)機(jī)原理圖一、交流伺服電動(dòng)機(jī)

轉(zhuǎn)子的形式有兩種:籠式轉(zhuǎn)子空心杯轉(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相式單相異步電動(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)。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)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)。轉(zhuǎn)矩特性曲線

臨界轉(zhuǎn)差率S0＞1，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、靈敏度高的特點(diǎn)

直流伺服電動(dòng)機(jī)

1．基本結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的直流伺服電動(dòng)機(jī)動(dòng)實(shí)質(zhì)是容量較小的普通直流電動(dòng)機(jī)。有他勵(lì)式和永磁式兩種，其結(jié)構(gòu)與普通直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)基本相同。

2．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通直流電動(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)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)“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：一。旋轉(zhuǎn)變壓器相位工作方式：相