单轴机床测控电路

数控机床单轴测控系统的设计一、数控机床控制工作原理总述光电编码器输出相位差90的两路方波信号，经细分辨向电路输出加减计数脉冲，可逆计数器记录工作台位移。配合零位信号确定工作台绝对位置。将实际位置与指令位置进行比较确定工作台应当快速运动、慢速运动或停止运动。在多轴联到的场合下，指令位置可能来自其它运动。根据计数脉冲的频率可以确定工作台的实际运动速度。速度调节电路将所要求的给定速度与实测速度进行比较，确定电动机的给定电流。电流调节电路将给定电流与实测的电动机电枢电流进行比较，进行电流调节。电流调节电路的输出送到触发脉冲发生器，控制功率驱动电路中的晶闸管的导通时间，从而改变电动机的电枢电流和转速。电网电源电路给触发脉冲发生器、功率驱动电路和直流稳压电路供电。保护电路测试电动机和晶闸管的温度，在过热情况下进行保护。二、对于数控机床控制系统的选择工作台的运动的控制要求比较高，因此采用全闭环伺服系统来控制数控机床单轴的运动较为合适。下图1为数控机床单轴运动控制全闭环伺服系统三、对于电动机的选择选用伺服电机，伺服电机有以下优点：1、精度：实现了位置、速度和力矩闭环控制，克服了步进电机失步的问题；2、转速：高速性能好，一般额定转速能达到2000～3000转；3、适应性：抗过载能力强，能承受三倍于额定转矩的负载，对有瞬间负载波动和要求快速起动的场合特别适用；4、稳定：低速运行平稳，低速运行时不会产生类似于步进电机的步进运现象。适用于有高速响应要求的场合；5、及时性：电机加减速的动态相应时间短，一般在几十毫秒之内；6、舒适性：发热和噪音明显降低。四、工作台的检测在闭环伺服系统中，检测装置安装在工作台上，直接检测工作台的位置和速度。对于工作台的检测装置，其位置检测单元的信号取自装在单轴位移机构上的长光栅，然后根据位置检测信号的时间微分，可以实现速度的检测。采用带光栅的单轴位移机构在传感器测量时可以输出增量码信号。其原理是根据光电信号的变化周期数确定被测工作台的位移量ΔL，而不是根据光电信号的强弱确定。增量码信号有如下特点：被测值的增量与传感器输出信号的变化周期数成正比。对于输出模拟信号的传感器，在输出非调制信号的情况下，传感器的输出信号波形随被测量变化；在输出调幅信号时，该信号包络线的波形随被测量变化。而增量码信号的波形不由被测量值或其增量来决定，这是增量码信号与模拟信号主要的区别。图2永磁式交流伺服电机控制方块图tVemsin五、增量码信号的处理用信号细分变相电路对增量码式数字信号的进行处理，而四细分辨向电路是最为常用的辨向电路，输入信号为具有一定相位差（通常为90°）的两路方波信号。细分的原理基于两路方波在一个周期内具有两个上升沿和两个下降沿，通过对边沿的处理实现四细分，辨向是根据两路方波相位的相位导前和滞后的关系作为判断依据。本设计采用单稳四细分辨向电路。然后通过可逆计数器对脉冲的计数，即可测出工作台的位移量。六、工作台的速度检测根据位置检测信号的时间微分，可以得到速度的信号。图3增量码信号通道电路GDS+12VVLD1V1N1单稳四细分辨向电路图4单稳四细分辨向电路七、速度调节电路如下图6所示，速度控制指令电压uSR，经N1集成运放所构成的反相放大器进行反相和阻抗匹配后加于N2的反相输入端。来自测速装置的信号uSF经阻容滤波与微分处理后也加于N2的反相输入端。测速反馈信号经微分处理后，可以获得转速微分负反馈的效果，减少转速超调量。引入速度微分负反馈时，必须对速度信号进行滤波，以免引进新的干扰。N2放及其外围元件构成PI调节器。N2的输出uiR和uSF与uSR之差成正比，它作为电流调节器的电流给定，改变通过电动机电枢的电流，使uSF接近uSR。电路引入调节器增益速度自适应控制。N2的反馈量由电阻R1、uSFR1R2C2C1N∞ui++－图5实用微分电路∞-++N1∞-++N2∞-++N3∞-++N4uSFuiRuSRR1R2RPVS-12V+12VV2锁零信号信号调理V1电流给定速度给定实测速度Lk图6速度调节电路可变电阻RP、R2的值决定。V2的控制栅极受N4组成的转速绝对值电路控制。高速时场效应晶体管V2截止，R1、RP断路，N2的反馈量最大，故调节器增益最小；低速时V2工作于放大器状态时，根据其工作点，可以不同程度地改变其等效电阻，使R2、RP接入不同的电阻，并通过V2接地，从而不同程度地减小了N2的反馈量，使调节器增益加大。N2输入端两个反向并联的二极管的作用是将输入信号限幅，以保护集成运放N2，而输出端与地之间所接双向稳压管VS的作用是将输出电压uiR正负限幅。当给定速度uSR为零时，为防止速度控制电路漂移引起的电动机微动，发出锁零信号Lk使V1导通，N2的输出信号UiR被钳到锁零信号LK的电位，以避免电动机爬行。八、电动机的电流检测由串接在电动机电枢回路中的电阻上取出反映电枢电流的信号C-R1和C-R2分别送到两个结构相同的电流测试电路。例如C-R1经过放大、滤波后作为电流反馈信号uiR送入电流调节电路。由于电动机电枢为高压电路，而后级电流调节电路为低压电路，采用了隔离放大器，此处为光电耦合器隔离。九、电流调节电路∞-++N2∞-++N1C-R1+12VVLC1uiF图7电动机电流测试电路电流调节器包括两组电流调节电路。N2和N4构成正组的ACR；N3和N5构成反组的ACR。它们分别将电动机的正组和反组驱动电流uiF1、uiF2与来自速度调节器ASR的输出信号uiR相比较，输出控制正组触发电路和反组触发电路的控制信号uIo1和uIo2。为极性的匹配，在反组ACR前接入了反相器N1。来自正组和反组的电流反馈信号uiF1、uiF2经电流微分环节送入正组和反组的ACR。两路电流调节器有输入正负限幅，输出信号送到由N4、N5构成的具有正负限幅的PI调节器。VD1和VD2的作用是保证uIo1和uIo2具有确定的极性。十、功率驱动电路三相全控桥式反并联电路。共用12只晶闸管，“正组”V11~V16在正转时工作，“反组”V21~V26在反转时工作。晶闸管导通时间由触发相位角，从而由触发控制电压uIo1或uIo2决定。每一时刻正组或反组接到不同相的晶闸管导通，各相交替工作。从而控制电动机的运转。∞-++N2∞-++N4∞-++N3∞-++N5∞-++N1-12V-12V-12V电流给定电流反馈+电流反馈uI01uI02uiRuiF1uiF2R1R3R2RPVD1VD2图8电流调节电路图9功率驱动电路