数控技术第4章2

数控技术湘潭大学机械工程学院14.1概述4.2位置检测装置4.3进给电机及驱动4.4交流进给伺服系统的控制原理和方法4.5伺服系统性能分析24.4.1步进伺服驱动系统的控制原理与方法4.4交流进给伺服系统的控制原理和方法步进电机的驱动控制由环形分配器和功率放大器组成。环形分配器的主要功能：将数控装置送来的一串指令脉冲，按步进电机所要求的通电顺序分配给步进电机驱动电源的各相输入端，以控制励磁绕组的通断，实现步进电机的运行及换向。功率放大器的主要作用：将环形分配器送来的弱电信号变为强电信号，以得到步进电机控制绕组所需要的脉冲电流及所需要的脉冲波形。31．硬件环形分配器可由D触发器或JK触发器构成，亦可用专用集成芯片或通用可编程逻辑器件。CNC装置电源环形分配器A相驱动B相驱动C相驱动FULL/HALFDIRCLKM硬件环形分配驱动与数控装置的连接4CH250是国产三相反应式步进电机环形分配器专用集成电路芯片，通过控制端的不同接法可组成三相双三拍和三相六拍的工作方式。16151413121110912345678CH250CH250UDJ3LJ3rJ6rJ6LABCR*CLENR*RJ6LJ6rABCJ3LJ3rUSUDCLEN91071214158131211616+12V1μF100kΩCP1方向RUS7.2步进电机及其驱动控制系统三相六拍接线图:52．软件环形分配器由数控装置中的软件完成环形分配，直接驱动步进电机各绕组的通、断电。用软件环形分配器只需编制不同的环形分配程序，可使线路简化，成本下降，可灵活地改变步进电机的控制方案。CNC装置电源A相驱动B相驱动C相驱动CBAM7.2步进电机及其驱动控制系统软件环形分配器的设计方法:查表法、比较法、移位寄存器法等，常用查表法。63.功率放大电路种类：按其采用的功率放大器件分，有中功率晶体管、大功率晶体管、大功率达林顿晶体管、可控硅…等；按其工作原理分，有单电压驱动、高低电压驱动、恒流斩波、调频调压、细分电路等。步进电机有几相，就需要几组功率放大电路。7.2步进电机及其驱动控制系统7高低电压切换驱动电路特点：高压充电，保证电流以较快的速度上升，低压供电，维持绕组中的电流为额定值。UCPUWiW(绕组电压)(绕组电流)UCPUdUgRgRdVDgTLaVTdUwriwVT2VT14.7kΩ200Ω1kΩ18kΩ20Ω100Ω+80V+12VVTgVDd0.1¦ΜF7.2步进电机及其驱动控制系统81+5V+5VUcgUsUWVTgUdUcdVTdUCPVD1VT1RRPRfUfR2R3D1VD2VD3UCPtOUcdtOUcgtOUwtOiwOtUd-UgiwUg驱动电路Q+-驱动电路恒流斩波电路7.2步进电机及其驱动控制系统9UcpUctU1LsR1CWRsR2接口CPUU2tontsVT1VD1VD2VT3VT27.2步进电机及其驱动控制系统调频调压驱动电路104.4进给伺服系统的控制原理和方法4.4.2交流进给伺服驱动系统的控制原理与方法交流进给伺服驱动系统的组成：控制器、功率驱动器、检测装置和伺服电机；系统根据数控装置的指令信号和检测装置检测的实际信号之差来调节控制量。111.交流伺服电机的矢量控制原理为什么矢量控制？直流电机调速方法：直流电机组成：磁极（定子）、电枢（转子）、电刷与换向片MIaIfUfUaRaLaEaUa4.4进给伺服系统的控制原理和方法12mTEamTEaEaTCCRnTCCRCUn202aTmICTm直流调速度中：与电磁转矩Tm相关的励磁磁通Фm和电枢电流Ia是两个互相独立的变量。励磁磁通Фm仅正比于励磁电流If，而与Ia无关，分别控制励磁电流If和电枢电流Ia，即可方便地实现转矩Tm与转速n的线性控制。直流电机的两个重要参数：4.4进给伺服系统的控制原理和方法13交流电机交流电机电磁转矩公式电磁转矩Tm与气隙磁通Фm、转子电流Ia成正比，但Фm与Ia不正交，不是独立的变量，不能单独控制，因此，不能分别调节。同时，交流电机定子产生的是随时间和空间都在变化的旋转磁场，气隙磁通Фm是一个空间交变矢量，这样，在定子侧的各物理量（电压、电流、磁动势）也都在空间上同步旋转且交变，调节、控制和计算很不方便。2cosamMmICT4.4进给伺服系统的控制原理和方法141)矢量控制的基本思想：将三相交流电机输入的电流等效变换为类似直流电机彼此独立的励磁电流和力矩电流，建立起与之等效的直流电机数学模型，通过对这两个电流量的反馈控制实现对电机电磁转矩和速度的控制。然后，再通过相反的变换，将被控制的等效直流电机电流还原为三相交流电机电流，那么就可以采用类似直流电机的调速方法对三相交流电机进行调速了。等效变换的准则：变换前后必须产生同样的旋转磁场4.4进给伺服系统的控制原理和方法15（1）三相/二相变换将三相静止绕组A、B、C的交流变换为两相静止绕组α、β的交流。从而实现三相交流电机变换为等效的二相交流电机以及与其相反的变换。2)矢量变换的实现：4.4进给伺服系统的控制原理和方法16方法：根据三相交流{iA、iB、iC}所产生的旋转磁动势Fm与两相交流{iα、iβ}所产生的旋转磁动势Fm等效。CBACBAiiiiiiii23230212113234sin32sin0sin44cos32cos0cos32建立三相交流{iA、iB、iC}转换为两相交流{iα、iβ}的电流变换矩阵：4.4进给伺服系统的控制原理和方法17建立两相交流{iα、iβ}转换为三相交流{iA、iB、iC}的电流变换矩阵：iiiiiCBA2321232101324.4进给伺服系统的控制原理和方法18（2）矢量旋转变换将静止坐标系α-β上的两相交流{iα、iβ}变换为旋转坐标系d-q上的两相直流{id、iq}。方法：将绕组d、q中分别通入直流{id、iq}，并且使得包含这两个绕组在内的整个铁心，以与旋转磁动势Fm同步的转速ω1旋转。在该铁心上和绕组一起旋转观察时，d和q便成了两个通入直流而相互垂直的静止绕组。4.4进给伺服系统的控制原理和方法194.4进给伺服系统的控制原理和方法当选择旋转坐标系的d轴与旋转磁动势Fm的方向重合时，旋转坐标系d轴上的直流分量id相当于直流电机的励磁电流if。q轴上的直流电流iq相当于直流电机的力矩电流ia。20建立静止坐标系α-β上两相交流{iα、iβ}转换为旋转坐标系d-q上两相直流{id、iq}的电流变换矩阵：iiiiqdcossinsincosdqiiiicossinsincos建立旋转坐标系d-q上两相直流{id、iq}与静止坐标系α-β上两相交流{iα、iβ}的电流变换矩阵：4.4进给伺服系统的控制原理和方法212交流伺服电机的矢量控制系统在矢量控制中，当以获得最大转矩为控制目标时，变换旋转坐标系d-q中励磁电流分量id通常控制为零。交流电机在矢量转换中输出电磁转矩Mm的关系式为：qfmipM23可知，电磁转矩Mm仅与转矩电流分量iq成线性关系状态变量id、iq可以独立调节，从而实现转矩线性化控制。4.4进给伺服系统的控制原理和方法22采用Id=0控制策略的三相永磁同步伺服控制系统：4.4进给伺服系统的控制原理和方法23（1）位置控制环。位置控制环使实际位置保持和给定令位置一致，它由位置调节器、位置反馈和位置前馈控制器构成。（2）速度控制环。速度控制环使电机实际速度保持和给定速度一致，它由速度调节器、速度反馈构成。（3）电流控制环。电流控制是提高伺服系统控制精度和响应速度、改善控制性能的关键。电流控制环由电流调节器、矢量控制算法以及电流反馈三个部分构成。4.4进给伺服系统的控制原理和方法243.进给伺服系统的全数字控制系统数字式控制系统进给伺服控制系统的分类：模拟控制系统——系统中的给定指令信号和反馈信号都是模拟量。特点：是动态性能好、成本低；模拟伺服系统的电路复杂、一致性较差、有零点漂移等不足。数字模拟混合控制系统——位置环给定信号和反馈信号都是数字量；速度环和电流环的信号仍为模拟量。全数字式控制系——控制信号全部采用数字量来处理，利用计算机软件实现三环控制功能4.4进给伺服系统的控制原理和方法251)全数字式伺服系统的构成与特点构成4.4进给伺服系统的控制原理和方法26特点（1）无温漂，无参数变化，稳定性好；（2）系统参数调整方便，线性度及可重复性高；（3）软件模块化设计，以满足不同的用途；可以方便的增加、更改、删减，灵活性强；（4）伺服系统与上位机的信息传递灵活、方便；（5）许多控制思想和手段得以实现。如鲁棒控制、自适应控制、变参数控制等；（6）增加监控、诊断、调整以及分级控制等功能，系统趋于多功能化，智能化。4.4进给伺服系统的控制原理和方法272)全数字交流伺服驱动器实例HSV—162/160/16系列全数字伺服控制器4.4进给伺服系统的控制原理和方法28（1）HSV-160全数字式交流伺服驱动器硬件控制平台4.4进给伺服系统的控制原理和方法29控制简单、灵活；状态显示齐全；宽调速比。最高转速可达3000转/分，最低转速可低至0.5转/分；调速比为1：6000；结构紧凑、体积小巧、易于安装和拆卸；支持上位机DC5V与DC24V两种电平的脉冲指令与反馈接口。（2）HSV-160全数字交流伺服驱动器特点4.4进给伺服系统的控制原理和方法30位置控制方式（脉冲量接口）：接收三种形式的脉冲指令（正交脉冲；脉冲+方向；正、负脉冲）。速度控制方式（模拟量接口）：接收幅值不超过10V的模拟量。转矩控制方式（模拟量接口）：接收幅值不超过10V的模拟量。JOG控制方式：通过按键（无须外部指令）操作使驱动单元驱动电机运动。内部速度控制方式：在内部速度控制的方式下，可根据伺服驱动单元内部设定的速度运行。（3）HSV-160全数字伺服驱动器的控制方式4.4进给伺服系统的控制原理和方法31课后思考1.矢量控制的原理与特性；2.交流伺服电机矢量控制系统的组成及各单元的功能；3.全数字式伺服系统的特点。32第4章进给伺服驱动系统4.1概述4.2位置检测装置4.3进给电机及驱动4.4交流进给伺服系统的控制原理和方法4.5伺服系统性能分析334.5伺服系统性能分析前面各节我们重点讨论了进给伺服系统的组成原理与实现方法，然而该系统要能真正实现预期的快速、准确及平稳驱动的要求，一个重要的问题是如何根据要求，进行闭环系统的参数设计和调试。例如，开环增益，阻尼系数等参数对伺服系统的稳态精度与动态性能影响很大，这将是本节讨论的重点344.5.1控制系统的一般结构及传递函数R(S)—输入信号C(S)—输出信号E(S)—偏差信号M(S)—控制量B(S)—反馈信号N(S)—噪声信号G1(S)—控制系统传递函数G2(S)—被控对象传递函数H(S)—反馈系统传递函数G1(S)G2(S)H(S)R(S)B(S)E(S)N(S)M(S)C(S)+-++4.5伺服系统性能分析35开环传递函数：反馈与偏差之比闭环传递函数：输入与输出之比干扰的闭环传递函数：输出与噪声之比系统误差的函数：偏差与输入之比SHSGSGSESBSG21KSG1SGSGSHSGSG1SGSGSRSCSGK212121BSG1SGSHSGSG1SGSNSCSGK2212NSG11SHSGSG11SRSESGK21N4.5伺服系统性能分析364.5.2进给伺服系统的数字模型及传递函数闭环进给伺服系统