试述数控机床伺服系统的组成结构和基本要求
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发布时间：2022-04-24 17:55
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时间：2022-05-01 22:13
一、数控机床伺服系统的组成结构：
1、数控机床伺服系统包括进给伺服系统和主轴伺服系统。数控机床伺服系统是数控系统和机床机械传动部件间的连接环节，是数控机床的重要组成部分。伺服系统是以机床运动部件位置为控制量的自动控制系统，它根据数控系统插补运算生成的位置指令，精确地变换为机床移动部件的位移（包括直线位移和角位移），直接反映了机床坐标轴跟踪运动指令和定位的性能。一般所说的伺服系统是指进给伺服系统。
2、进给伺服系统用于控制机床各坐标轴的切削进给运动，是一种精密的位置跟踪、定位系统，它包括速度控制和位置控制，是一般概念的伺服驱动系统；进给伺服系统主要由以下几个部分组成：伺服驱动电路、伺服驱动装置（电机）、位置检测装置、机械传动机构以及执行部件。进给伺服系统接受数控系统发出的进给位移和速度指令信号，由伺服驱动电路作一定的转换和放大后经伺服驱动装置和机械传动机构，驱动机床的执行部件进行工作进给和快速进给。
3、 主轴伺服系统用于控制机床主轴的旋转运动和切削过程中的转矩和功率，一般只以速度控制为主。
二、数控机床伺服系统的基本要求：
1、数控机床的高效率、高精度主要取决于进给伺服系统的性能。因此数控机床对进给伺服系统的位置控制、速度控制、伺服电动机、机械传动等方面都有很高的要求。
2、要求具有可逆行的能力：在加工过程中，机床工作台根据加工轨迹的要求，随时都可以实现正向或反向运动，同时要求在方向变化时，不应有反向间隙和运动的损失。数控机床一般采用具有削除反向间隙能力的传动机构，如滚珠丝杠。
3、要求具有较宽的调整范围：为适应不同的加工条件，数控机床要求进给在很宽的范围内无级变化。这就要求伺服电动机有很宽的调整范围和优异的调整特性。经过机械传动后电动机转速的变化范围即可转换为进给速度的变化范围。对一般数控机床而言，进给速度范围在0-24时都可以满足加工要求。通常在这样的速度范围还可以提出以下更细的技术要求。
1）在1-2400mm/min即1：2400调速范围内，要求均匀、稳定、无爬行、且速降小。
2）在1mm/min以下时具有一定的瞬时速度，但平均速度很低。
3）在零速度时，即工作台停止运动时，要求电动机有电磁转矩以维持定位精度，使定位误差不超过系统的允许范围，即电动机处于伺服锁定转态。
4、要求具有足够的传动刚性和较高的速度稳定性：伺服系统在不同的负载情况下或切削条件发生变化时应使进给系统速度稳定，即具有良好的静态与动太负载特性。刚性良好的系统，速度负载力矩变化的影响很小。通常要求承受的额定矩变化时静态速降应小于5%，动态速降应小于10%。
5、要求具有快速响应的能力：为保证轮廓切削开关的高精度和低的表面粗糙度，对位置伺服系统除了要求国交高的定位精度外，还要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应快速。这主要有两方面的要求；一是伺服系统处于频繁的启动、制动、加速、减速等动态过程时，为了提高生产效率和保证加工质量，要求加、减速度足够大，以缩短过渡过程时间，一般电动机速度由零到最大，或从最大减少到零，时间应控制在200MS以下，甚至少于几十毫秒，且速度变化时不应有超调；二是当负载突变时过渡过程恢复时间要短且无振荡，这样才能得到光滑的加工表面。
6、要求具有高精度：为了满足数控加工精度的要求，关键是保证数控机床的定位精度和进给精度。这是伺服系统性能的重要指标。位置伺服系统的定位精度一般要求能达到1pm甚至0.1pm，相应地，对伺服系统的分辨力也提出了要求。分辨力是指当伺服系统接受CNC送来的一个脉冲时工作台相应移动的距离，也称脉冲当量。系统力取决于系统稳定工作性能和所使用的位置检测元件。目前的闭环伺服系统都能达到1pm的分辨力（脉冲当量）。高精度数控机床可达到0.1pm的分辨力甚至更小。
7、要求低速时仍有较大的输入转矩。
8、低速时进给鸡翅要有大的转矩输出，以满足低速进给切削的要求。
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时间：2022-05-01 23:31
图1所示为一个典型的全数字伺服系统框图。由图1可知，全数字伺服系统采用位置控制、速度控制和力矩控制的三环结构。系统硬件大致由以下几部分组成:电源单元;功率逆变和保护单元;检测器单元;数字控制器单元;接口单元。
图1 全数字伺服系统结构框图
4.1 电源单元
包括功率逆变器供电电源、控制电路供电和电源保护。逆变器供电电源由三相交流不可控桥式整流及无源滤波网络滤波所得到。为避免通电时出现过大的瞬时电流和电机制动时产生过高的泵升电压，一般带有软启动和能量泄放电路。控制电源一般由自激振荡式开关电源产生。电源保护主要是指交流输入端的缺相、欠压和过压，直流输出端的过流、欠压和过压以及泵升电路的超时保护。电源保护是系统可靠运行的重要保证。
4.2 功率逆变和保护单元
功率逆变器的功能是根据控制电路的指令，将电源单元提供的高压直流电转变为伺服电机定子绕组中的三相交流电流，以产生所需电磁力矩。这部分可以采用集驱动电路、保护电路和功率管于一体的智能功率模块(IPM)。IPM实现了功率管的优化驱动和就地保护，提高了功率逆变器的性能。现有智能功率模块的功率管为IGBT，其开关频率可达20kHz，可以满足大多数伺服系统的要求，但在选用较高的开关频率时，应采取措施以解决开关损耗与电压利用率低等问题。
4.3 检测器单元
包括反馈电流和反馈位置检测。电流反馈环节主要是抗电网电压扰动和提高系统的电流跟踪速度，实际系统中主要采用无接触式的电流霍尔传感器，采样电机定子电流。位置检测的精度直接影响到伺服系统的定位精度，对于采用矢量控制的永磁同步伺服系统，位置检测还直接影响坐标变换的精度。实际应用的位置检测器有光电编码器和无刷旋转变压器。光学编码器能简单地检测出位置，处理电路也很简单，而且价格便宜。但对于机械振动以及烟雾尘埃等恶劣条件很敏感。无刷旋转变压器传送的是低频的正弦波信号，故坚固可靠，不受电气噪声的影响，由于处理回路的不同，分辨率可调，多用于军工产品。但需要专用的检测和转换芯片，成本高，处理电路复杂。
实际应用较多的光电编码器是复合式的光电编码器，它是一种带有简单磁极定位功能的增量式光电编码器，它输出两组信息:一组用于检测磁极位置，带有绝对信息功能，三路彼此相差120°的脉冲U、V、W;另一组完全同增量式光电编码器，输出三路方波脉冲A、B和Z。A、B两路脉冲相位差90°，这样可以方便地判断转向，Z脉冲每转一个，用于基准点定位。所有输出一般为差动形式的脉冲信号，只要速度足够快的差动接收器(如MC3486、AM26LS32)和光电隔离器(如6N137)就能够将这类脉冲信号进行处理，处理后的信号引入数字控制器的计数器单元，用于电机控制的专用控制器都集成了倍频和鉴相电路，可以增加检测精度和判别转向。U、V、W信号用于永磁同步伺服系统转子磁极的初始定位，如图2所示。
图2 光电编码器位置检测原理图
无刷旋转变压器发出的信号是模拟量，需旋转变压器－数字转换器(RDC，如AD公司的AD2S80a)配合使用，将其转换成为数字量，以实现与数字控制器的接口，如图3所示。AD2S80a是AD公司的AD2S80系列的一种RDC芯片。它的精度可调，针对不同应用场合可以选择10bits、12bits、14bits、16bits数字化绝对位置量输出;采用对称电阻桥抑制电阻温漂、输入输出隔离技术，保证干扰降至极小;状态、控制信号数字化，可方便地与微控制器相连;需外部正弦波发生器作为旋转变压器的励磁信号源。
图3 旋转变压器位置检测原理图
4.4 数字控制器单元
数字控制器是全数字伺服系统的核心部分，三环系统构成、电机控制算法实现、系统调节器计算和脉宽调制波的发出都由数字控制器完成。为了使交流伺服系统得到响应速度更快、实时性更强的数字式电流控制，数字信号处理器(DSP)被广泛应用于交流伺服系统。各大公司推出的面向电机控制的专用DSP芯片，除具有快速的数据处理能力外，还集成了丰富的用于电机控制的专用集成电路，如A/D转换器、PWM发生器、定时计数器电路、异步通讯电路、CAN总线收发器以及高速的可编程静态RAM和大容量的程序存储器等。典型器件有Motolora公司的56000系列、日立公司的SH7000系列、AD公司的ADSP2100系列和TI公司的TMS320X24X系列。各厂商推出的一些主要竞争芯片的性能对比见表2。
当前实际应用的交流伺服系统，电机控制算法仍以转子磁场定向的矢量控制为主，将交流电机进行坐标变换和旋转，等效为直流电机来控制。矢量控制策略是目前最为成熟，控制效果较好的一种控制策略，但是它受电机参数、负载变化影响较大，将智能控制引入交流电机控制，以实现智能化和最优化控制是当前的一个研究热点。
图1中位置环的作用是产生电机的速度指令并使电机准确定位和跟踪。通过设定的目标位置与电机的实际位置相比较，利用其偏差通过位置调节器来产生电机的速度指令，当电机初始起动后(大偏差区域)，应产生最大速度指令，使电机加速并以最大速度恒速运行，在小偏差区域，产生逐次递减的速度指令，使电机减速运行直至最终定位。为避免超调，位置环的调节器应设计为单纯的比例(P)调节器，为了系统能实现准确的等速跟踪，位置环还应设置前馈环节，如图4所示。在位置伺服系统中当不同螺距的丝杠与各种步距角的电机或不同一转脉冲数的伺服电机相配时，或通过各种变速齿轮联结时，通过系统的电子齿轮比参数设定，可以使编程与实际运动距离保持一致。
速度环的作用是保证电机的转速与指令值相一致、消除负载转矩扰动等因素对电机转速的影响。速度指令与反馈的电机实际转速相比较，其差值通过速度调节器直接产生q轴指令电流，力矩电流信号控制电机加速、减速或匀速，从而使电机的实际转速与指令值保持一致。速度调节器通常采用的是PI控制方式，对于动态响应、速度恢复能力要求特别高的系统，可以考虑采用结构(滑模)控制方式或自适应控制方式等。
图4 位置环结构图
图5 电流环结构图
电流环由电流控制器和逆变器组成，如图5所示。其作用是使电机绕组电流实时、准确地跟踪电流参考信号。在全数字交流伺服系统中，分别对d、q轴电流进行控制。q轴指令电流来自于速度环的输出，d轴指令电流直接给定，或者由弱磁控制器给出。将电机的三相反馈电流进行3/2、旋转变换，得到d、q轴的反馈电流，d、q轴的给定电流和反馈电流的差值通过PI控制器，得到给定电压，再由数字式SVPWM算法产生PWM信号。为防止电机起动过程中，产生过大的电流超调，对逆变器造成不利影响，电流控制器也可以采用IP控制器。为了获得电流控制的良好稳态和动态性能，可以应用预测电流控制器，利用绕组实际电流的采样值与参考电流的采样值及电机的电压方程，计算出强迫实际电流跟随参考电流所需的电压，通过PWM控制逆变器，采用积分补偿环节，可以有效地弥补电机参数变化对电压计算结果的影响，其缺点是结构复杂并需要高速微处理器。
当采用DSP构成全数字交流伺服系统时，其所有控制功能可以由软件实现，故有利于提高系统的可靠性，降低系统的成本，并且可以采用先进的现代控制策略，获得更高的控制性能，完成数据存储、故障诊断、故障冗余等功能，使交流伺服系统更趋于智能化。
4.5 接口单元
在伺服系统中的接口单元中，包括指令输入接口、异步通讯接口(RS232/RS485)、CAN总线接口、I/O控制单元以及故障报警单元。指令输入接口，接收CNC系统发出的位置指令脉冲以及模拟形式的速度指令。异步通讯接口，多作为用户对系统的操作接口，短距离采用RS232协议，距离较远时采用RS485协议。CAN总线是一种工业现场总线标准，在一些新推出的DSP器件(如TI的TMS320LF240X)中，集成了CAN总线的收发器。这使得伺服装置可以更方便的运用于大型的工业控制系统中。I/O控制单元，接收和发送各种I/O信号形式的指令和状态，伺服使能、CW/CCW禁止、脉冲禁止、报警清除、位置/速度到达、伺服准备好等等。故障报警单元，包括码盘故障报警、电源故障报警、功率逆变器故障报警、电机过载/失速报警、伺服报警等等，及时通知用户故障类别，使系统在故障时能及时得到处理，以免造成更大损失。设计友好而通用的接口单元是提高系统可靠性，增强伺服驱动器竞争力的重要手段。
参考资料：http://www.jdzj.com/bpq/article/2008-4-27/564-1.htm
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时间：2022-05-02 01:05
知道的只有这些了，希望能帮到你~
