闭环伺服驱动系统与位置控制

7.5　闭环伺服驱动系统与位置控制

7.5.1　闭环位置控制的概念

伺服驱动系统按控制对象不同可主要分为速度控制和位置控制。利用速度传感器将速度信号反馈到输入端构成速度环的闭环回路;利用位置传感器将位置信号反馈到输入端构成位置环反馈的闭环回路;同时利用速度环和位置环构成双闭环系统(参考图7－1－3)。

以加工指令脉冲为输入量，以机床移动部件的位置为输出量的伺服驱动系统称之为位置伺服驱动系统。

数控机床的位置伺服驱动系统按其结构可分成开环控制和闭环(半闭环)控制。由于开环控制的精度不能很好地满足机床的要求，为提高伺服系统的控制精度，最根本的办法是采用闭环控制方式。

闭环和半闭环位置控制的基本原理相同，控制是由数控系统中的计算机完成的。安装在工作台上的位置传感器(半闭环中为安装在电动机轴上的角度传感器)将机械位移转换为数字脉冲，该脉冲送至数控系统的位置测量接口，有计数器进行计数。计算机以固定的时间周期对该反馈进行采样，采样值与插补程序输出的结果进行比较，得到位置误差。该误差经软件增益放大，输出给数模转换器(D/A)，从而为伺服装置提供控制电压，驱动工作台向减少误差的方向移动。如果插补程序不断产生进给量，工作台就不断地跟随该进给量运动。只有位置误差为零时，工作台才停止(停在要求的位置上)。数控系统位置伺服控制如图7－5－1所示。

图7－5－1　数控系统位置控制接口

7.5.2　位置比较实现的方式

在数控机床闭环位置伺服系统中，由于采用的位置检测元件不同，从而引出指令信号与反馈信号不同的比较方式。通常分为脉冲比较、相位比较和幅值比较三种方式。

1.脉冲比较伺服系统

如图7－5－2所示，脉冲比较伺服系统按功能大致可以分为三部分:采用光电脉冲编码器等位置检测器产生位置反馈脉冲P_f;实现指令脉冲P_c与反馈脉冲P_f的脉冲比较，从而取得位置偏差信号e;以位置偏差e为依据来控制伺服电机的转向和转速，即可控制工作台向指令位置进给。

图7－5－2　脉冲比较伺服系统组成框图

光电编码器与伺服电机的转轴连接，随着电机的转动产生脉冲序列输出，其脉冲的频率将随着转速的快慢而升降。现设工作台处于静止状态，指令脉冲P_c=0，这时反馈脉冲P_f亦为零，经比较环节可知偏差e=P_c－P_f=0，则伺服电机的速度给定为零，工作台继续保持静止不动。随着指令脉冲的输出，P_c≠0，在工作台尚未移动之前，反馈脉冲P_f仍为零。在比较器中，将P_c与P_f比较，得偏差e=P_c－P_f≠0，若设指令脉冲为正向进给脉冲，则e＞0，有速度控制单元驱动电机带动工作台正向进给。随着电机运转，光电脉冲编码器将输出反馈脉冲P_f送入比较器，与指令脉冲P_c进行比较，如e=P_c－P_f≠0，继续运动，不断反馈，直到e=P_c－P_f=0，即反馈脉冲数等于指令脉冲数时，e=0，工作台停在指令规定的位置上。如果继续给正向运动指令脉冲，工作台继续运动。当指令脉冲为反向运动脉冲时，控制过程与指令脉冲为正向进给脉冲时基本上类似。只是此时e＜0，工作台做反向进给。最后，也应在指令所规定的反向某个位置，在e=0时，停止。

比较器为由加减可逆计数器组成的数字脉冲比较器，其组成如图7－5－3所示。指令脉冲P_c来自插补器，反馈脉冲P_f来自光电编码器。

图7－5－3　脉冲比较器

应用可逆计数器实现脉冲比较的基本要求是:当输入指令脉冲为正(由P_c+)或反馈脉冲为负(由P_f－)时，可逆计数器做加法计数;当指令脉冲为负(由P_c－)或反馈脉冲为正(由P_f+)时，可逆计数器做减法计数。

脉冲分离电路的作用是，在加、减脉冲先后分别到来时，各自按预定的要求经加法计数端或减法计数端进入可逆计数器。若加减脉冲同时到来，则由该电路保证先做加法计数，然后再做减法计数，这样可保证两电路计数脉冲均不会丢失。

除光电编码器外，光栅等也可用作脉冲比较伺服系统的检测元件。随着数控技术的发展，采用脉冲比较方法的位置闭环受到了广泛的重视，原因是这种系统结构简单，易于实现数字化的闭环位置控制。

2.相位比较伺服系统

当位置检测装置采用旋转变压器、感应同步器或磁栅时，如果这些装置工作在相位工作状态，则构成的闭环控制系统为相位比较伺服系统。

图7－5－4所示为相位比较伺服系统的原理框图。系统采用同步器为检测元件。由感应同步器的原理可知，当其工作在相位工作状态时，以定尺的相位检测信号经整形放大后所得的作为位置反馈信号。相位比较的实质不是脉冲数量的比较，而是脉冲相位之间的比较，如超前或滞后多少。实现相位比较的比较器为鉴相器。

图7－5－4　相位比较伺服系统的原理框图

脉冲调相器又称脉冲－相位变换器，它的作用是将来至数控装置的进给脉冲信号转变为相位变化信号。若数控装置没有进给指令脉冲输出，脉冲调相器的输出与基准信号发生器的基准信号同相位，即两者没有相位差。若数控装置有进给指令脉冲输出，数控装置每输出一个正向或反向脉冲，脉冲调相器的输出将超前或滞后基准信号一个相应相位角。

鉴相器又称相位比较器，它的作用是鉴别指令信号与反馈信号的相位，判别两者之间的相位差，把它变成一个带极性的误差电压信号，且作为伺服放大器——伺服电机的输入信号。鉴相器的输入信号有两路，一路是来自脉冲调相器的指令信号P_A(θ)，另一路是位置的反馈信号P_B(θ)，P_B(θ)代表了工作台的实际位移量。这两路信号都是用它们与基准信号之间的相位差来表示，而且频率相同，周期相同。当工作台实际移动的距离小于进给指令脉冲要求的距离时，这两个信号之间便存在一个相位差，这个相位差的大小就代表了工作台实际移动的距离与进给指令脉冲要求的距离之差。鉴相器就是鉴别这个误差的电路，它的输出是与此相位差成正比的电压信号。

当进给指令脉冲P_C为正时，经过脉冲调相后，P_A(θ)产生正的相位移。P_A(θ)与反馈脉冲P_B(θ)比较后，鉴相器输出△θ=+θ₀，电机带动工作台作正向移动。当进给指令脉冲P_C为负时，P_A(θ)产生负的相位移，P_A(θ)与P_B(θ)比较后鉴相器输出△θ=－θ₀，电机带动工作台作反向运动。当进给脉冲指令P_C为0时，且工作台处于静止状态时，△θ=0，工作台不动。

3.幅值比较伺服系统

当位置检测装置采用旋转变压器或感应同步器，且工作在幅值工作状态时，则构成的闭环控制系统为幅值比较伺服系统。图7－5－5所示为其原理图。

图7－5－5　幅值比较伺服系统原理框图

幅值比较伺服系统是以位置检测信号的幅值大小来反映工作台的位移，并以此作为位置反馈信号与进给指令信号进行比较构成的闭环控制系统。

鉴幅器由低通滤波器、放大器和检波器三部分组成。来自测量元件的信号除包含基波信号之外，还有许多高次谐波，需要低通滤波器将它滤除。检波器的作用是将滤波后的基波正弦信号转变为直流电压。电压－频率变换器的作用是把检波后输出的模拟电压变成相应的脉冲信号，此电压为正时，输出正向脉冲，此电压为负时，输出反向脉冲。

位置检测装置将工作台的位移检测出来，经鉴幅器和电压－频率变换器处理，转换为相应数字脉冲信号，其输出一路作为位置反馈脉冲P_f，另一路送入位置检测装置的激磁电路。当进给指令脉冲P_C与反馈脉冲P_f两者相等，则比较器输出e为0，说明工作台实际移动距离等于进给指令要求的距离，则伺服电机停止从而使工作台停止移动;若e≠0，则P_C与P_f不相等，说明工作台实际位移不等于进给指令要求的位移，伺服电机会继续运转，带动工作台继续移动，直到e=0为止。

7.5.3　速度控制信号的实现方式

经位置控制的脉冲比较、相位比较或幅值比较获得的位置偏差均以脉冲的形式存在，该位置偏差经一定的转换后，形成速度控制信号，数控系统一般输出的速度控制信号为模拟信号－10～+10V，作为伺服驱动装置的控制信号的大小与伺服电动机的转速成正比;速度控制信号的正、负决定了伺服电动机的正、反转。从位置偏差到速度控制信号的形成如图7－5－6所示。

图7－5－6　速度控制信号的形成

速度指令V_C=位置偏差P_e×位置增益K_V。位置增益K_V决定了速度对位置偏差的响应程度，它反映了伺服系统的灵敏度。将速度指令V_C转换为速度控制电压U_C^*的转换电路常采用脉宽调制器(PWM)的方法。