1、第第6章章 位置随动系统位置随动系统p本章教学要求与目标本章教学要求与目标n掌握位置随动系统的特点、要求和组成掌握位置随动系统的特点、要求和组成n熟悉位置随动系统的控制方法熟悉位置随动系统的控制方法n了解位置随动系统的数学模型和校正设计了解位置随动系统的数学模型和校正设计6.1 位置随动系统概述位置随动系统概述p伺服（伺服（Servo）的意思是）的意思是“伺候伺候”和和“服从服从”，广义的伺服系统是精确，广义的伺服系统是精确地跟踪或复现某个给定过程的控制系统，也称为随动系统，它的主要地跟踪或复现某个给定过程的控制系统，也称为随动系统，它的主要目标是实现精确、快速的轨迹跟踪，在现代工业中不可缺少
2、。典型的目标是实现精确、快速的轨迹跟踪，在现代工业中不可缺少。典型的应用领域如数控机床、机器人、雷达跟踪、绘图仪等。应用领域如数控机床、机器人、雷达跟踪、绘图仪等。p狭义的伺服系统又称为位置随动系统，其被控制量（输出量）是负载狭义的伺服系统又称为位置随动系统，其被控制量（输出量）是负载机械空间位置的线位移或角位移，当位置给定量（输入量）作任意变机械空间位置的线位移或角位移，当位置给定量（输入量）作任意变化时，系统的主要任务是使输出量快速准确地复现给定量的变化。化时，系统的主要任务是使输出量快速准确地复现给定量的变化。伺服系统的基本要求是：伺服系统的基本要求是：p1）稳定性好。伺服系统在给定输入
3、和外界干扰下，能在短暂的过渡）稳定性好。伺服系统在给定输入和外界干扰下，能在短暂的过渡过程后，达到新的平衡状态，或者恢复到原先的平衡状态。过程后，达到新的平衡状态，或者恢复到原先的平衡状态。p2）精度高。伺服系统的精度是指输出量跟随给定值的精确程度，如）精度高。伺服系统的精度是指输出量跟随给定值的精确程度，如精密加工的数控机床，就需要很高的定位精度。精密加工的数控机床，就需要很高的定位精度。p3）动态响应快。伺服系统要求对给定的跟随速度足够快、超调小，）动态响应快。伺服系统要求对给定的跟随速度足够快、超调小，甚至要求无超调。甚至要求无超调。p4）抗干扰能力强。在各种扰动作用时，系统输出动态变化
4、小，恢复）抗干扰能力强。在各种扰动作用时，系统输出动态变化小，恢复时间快，振荡次数少，甚至要求无振荡。时间快，振荡次数少，甚至要求无振荡。6.1.1 位置随动系统的组成p位置随动系统可以是开环控制系统，如步进电机控制系统。位置随动系统可以是开环控制系统，如步进电机控制系统。p在跟随精度要求较高而且驱动力矩又较大的场合，多采用闭环控制系在跟随精度要求较高而且驱动力矩又较大的场合，多采用闭环控制系统，驱动电动机采用统，驱动电动机采用直流伺服电动机、两相感应交流伺服电动机或三直流伺服电动机、两相感应交流伺服电动机或三相永磁同步伺服电动机相永磁同步伺服电动机等。等。p位置随动系统闭环结构一般采用三重闭
5、环的形式，即位置随动系统闭环结构一般采用三重闭环的形式，即位置环、速度环位置环、速度环和电流环和电流环。从运动控制的基本规律来理解，这样的三闭环结构是最合。从运动控制的基本规律来理解，这样的三闭环结构是最合理的。理的。p数控机床伺服系统包括机械执行机构和电气自动控制两个组成部分。数控机床伺服系统包括机械执行机构和电气自动控制两个组成部分。数控机床一般需要多轴联动，可以采用运动控制卡在上位机控制下协数控机床一般需要多轴联动，可以采用运动控制卡在上位机控制下协调工作。每根轴的运动控制系统可分为半闭环位置伺服系统、全闭环调工作。每根轴的运动控制系统可分为半闭环位置伺服系统、全闭环位置伺服系统两种基本
6、结构。这两类结构的根本区别在于位置检测元位置伺服系统两种基本结构。这两类结构的根本区别在于位置检测元件不同、位置检测元件的安装位置也不同。件不同、位置检测元件的安装位置也不同。半闭环位置伺服系统半闭环位置伺服系统p半闭环结构的位置伺服系统以伺服电动机轴的转角位移为被控量，采用旋转编半闭环结构的位置伺服系统以伺服电动机轴的转角位移为被控量，采用旋转编码器（也可以用旋转变压器）作为位置检测元件。图中电流反馈部分没有画出。码器（也可以用旋转变压器）作为位置检测元件。图中电流反馈部分没有画出。半闭环结构是当前应用最为广泛的结构，由于它的电气自动控制部分与机械部半闭环结构是当前应用最为广泛的结构，由于它
7、的电气自动控制部分与机械部分相对独立，可以对驱动器进行通用化设计。分相对独立，可以对驱动器进行通用化设计。图图6-1 半闭环位置伺服系统结构示意图半闭环位置伺服系统结构示意图 全闭环位置伺服系统p全闭环结构的位置伺服系统以工作台的平动位移为被控量，采用光栅尺（也可全闭环结构的位置伺服系统以工作台的平动位移为被控量，采用光栅尺（也可用感应同步器）作为位置检测元件。全闭环结构在一些大型机械设备和超精密用感应同步器）作为位置检测元件。全闭环结构在一些大型机械设备和超精密机械设备中得到应用。由于全闭环位置伺服系统将机械传动机构也包括到了位机械设备中得到应用。由于全闭环位置伺服系统将机械传动机构也包括到
8、了位置控制回路中，就使得机械传动结构的误差也可以通过闭环控制得到减小，但置控制回路中，就使得机械传动结构的误差也可以通过闭环控制得到减小，但同时也增大了位置闭环整定的难度。同时也增大了位置闭环整定的难度。图图6-2 全闭环位置伺服系统结构示意图全闭环位置伺服系统结构示意图5.1.2 位置随动系统的特点p位置随动系统与调速系统相比较，有下面一些特点：位置随动系统与调速系统相比较，有下面一些特点：n1）输出量（被控量）为位移，而不是转速。）输出量（被控量）为位移，而不是转速。n2）输入量是不断变化的（而不是恒定量），系统主要要求输出量）输入量是不断变化的（而不是恒定量），系统主要要求输出量能按一定
9、精度跟随输入量的变化，以跟随性能为主。而调速系统主能按一定精度跟随输入量的变化，以跟随性能为主。而调速系统主要要求输出量保持恒定，能抑制负载扰动对转速的影响，以抗扰性要要求输出量保持恒定，能抑制负载扰动对转速的影响，以抗扰性能为主。能为主。n3）功率放大器及控制系统都必须是可逆的，使伺服电动机可以正、）功率放大器及控制系统都必须是可逆的，使伺服电动机可以正、反两个方向转动，并消除正或负的位置偏差。而调速系统可以有不反两个方向转动，并消除正或负的位置偏差。而调速系统可以有不可逆系统。可逆系统。n4）位置随动系统的外环为位置环，而速度环、电流环为内环。）位置随动系统的外环为位置环，而速度环、电流环
10、为内环。5.1.3 位置随动系统的基本性能指标p位置随动系统的性能指标，可以分为动态和稳态两个方面。位置随动系统的性能指标，可以分为动态和稳态两个方面。其动态性其动态性能基本上是由内环来保证的，而稳态精度则主要靠外环来实现。能基本上是由内环来保证的，而稳态精度则主要靠外环来实现。p对位置随动系统总的要求是稳定性好、精度高、动态响应快、抗扰动对位置随动系统总的要求是稳定性好、精度高、动态响应快、抗扰动能力强。对于内环的要求是希望有足够的调速范围、快且平稳的起制能力强。对于内环的要求是希望有足够的调速范围、快且平稳的起制动性能、转速尽量不受负载变化、电源电压波动及环境温度等干扰因动性能、转速尽量不
11、受负载变化、电源电压波动及环境温度等干扰因素的影响。而对外环的要求是有足够的位置控制精度（定位精度）、素的影响。而对外环的要求是有足够的位置控制精度（定位精度）、位置跟踪精度（位置跟踪误差）、足够快的跟踪速度、位置保持能力位置跟踪精度（位置跟踪误差）、足够快的跟踪速度、位置保持能力（伺服刚度）等。（伺服刚度）等。p作为位置随动系统的速度内环，相对于一般的调速系统而言，性能要作为位置随动系统的速度内环，相对于一般的调速系统而言，性能要求严格得多。如数控加工中，有时候速度变化很快（如尖角过渡），求严格得多。如数控加工中，有时候速度变化很快（如尖角过渡），速度内环必须要有足够的带宽才能跟踪这样的快速
12、变化。速度内环必须要有足够的带宽才能跟踪这样的快速变化。位置随动系统性能指标位置随动系统性能指标p1）稳态位置跟随误差）稳态位置跟随误差n当位置随动系统对输入指令信号的瞬态响应过程结束后，在稳定运当位置随动系统对输入指令信号的瞬态响应过程结束后，在稳定运行时，位置的指令值与实际值之间的误差被定义为系统的稳态位置行时，位置的指令值与实际值之间的误差被定义为系统的稳态位置跟随误差。跟随误差。p2）定位精度与速度控制范围）定位精度与速度控制范围n定位精度是评价位置随动系统控制准确度的性能指标。系统最终定定位精度是评价位置随动系统控制准确度的性能指标。系统最终定位点与指令目标值间的静止误差定义为系统的
13、定位精度。位点与指令目标值间的静止误差定义为系统的定位精度。n位置伺服系统，应当能对位置输入指令输入的最小设定单位（位置伺服系统，应当能对位置输入指令输入的最小设定单位（1脉脉冲当量），作出相应的响应。为了实现这一目标，一是要采用分辨冲当量），作出相应的响应。为了实现这一目标，一是要采用分辨率足够高的位置检测器，二是要求系统的速度单元具有足够宽的调率足够高的位置检测器，二是要求系统的速度单元具有足够宽的调速范围，也就是说速度单元要有较好的低速运行性能。速范围，也就是说速度单元要有较好的低速运行性能。n图图6-3为速度控制单元的输入输出特性为速度控制单元的输入输出特性p死区越小，说明速度控制单死
14、区越小，说明速度控制单元的低速性能越好。元的低速性能越好。p系统在静止状态收到相当于系统在静止状态收到相当于1个脉冲的输入指令时，为个脉冲的输入指令时，为使位置伺服机构移动，指令使位置伺服机构移动，指令必须大于必须大于 。调速范围。调速范围D应当达到应当达到p （6-1）图图6-3 速度控制单元输入输出特性速度控制单元输入输出特性 maxDp（3）最大快移速度）最大快移速度n最大快移速度即为系统速度控制单元所能提供的最高速度最大快移速度即为系统速度控制单元所能提供的最高速度Vmax，最大快移，最大快移速度也是决定系统定位精度的一个重要参数。系统最小分辨率为速度也是决定系统定位精度的一个重要参数
15、。系统最小分辨率为n （6-2）p（4）伺服刚度）伺服刚度n伺服刚度表达的是伺服系统抵抗负载外力，在原来的位置保持静止的能力。伺服刚度表达的是伺服系统抵抗负载外力，在原来的位置保持静止的能力。设伺服电动机的转子轴原来静止，后来在外加的转矩设伺服电动机的转子轴原来静止，后来在外加的转矩Tw的作用下发生了角的作用下发生了角位移位移，那么伺服刚度定义为，那么伺服刚度定义为p （6-3）n伺服刚度取决于位置环的增益，也取决于速度控制单元的低速力矩性能。伺服刚度取决于位置环的增益，也取决于速度控制单元的低速力矩性能。TGwdpvmaxKDKv6.2 闭环位置伺服系统及其控制原理闭环位置伺服系统及其控制原
16、理p闭环位置伺服系统组成：闭环位置伺服系统组成：p执行元件执行元件p反馈检测单元反馈检测单元p比较控制环节比较控制环节p驱动电路驱动电路p机械传动机构机械传动机构6.2.1 闭环伺服系统的执行电动机p1. 直流伺服电动机直流伺服电动机n直流电动机容易进行调速，因而数控伺服系统中早有使用。但由于数控机直流电动机容易进行调速，因而数控伺服系统中早有使用。但由于数控机床的特殊要求，一般的直流电动机不能满足要求，常用的是小惯量直流伺床的特殊要求，一般的直流电动机不能满足要求，常用的是小惯量直流伺服电动机和宽调速直流伺服电动机。服电动机和宽调速直流伺服电动机。n小惯量直流伺服电动机有下述特点：小惯量直流
17、伺服电动机有下述特点：p1）转子细长）转子细长,转动惯量约为一般直流电动机的十分之一；转动惯量约为一般直流电动机的十分之一；p2）气隙尺寸比一般直流电动机大）气隙尺寸比一般直流电动机大10倍以上，倍以上，,电枢反应小电枢反应小,具有具有良好的换向性能良好的换向性能,机电时间常数只有几个毫秒；机电时间常数只有几个毫秒；p3）转子无槽）转子无槽,电枢绕组用粘合剂直接贴在转子表面上，大大减电枢绕组用粘合剂直接贴在转子表面上，大大减低低速时的转矩脉动和不稳定性，在转速达到低低速时的转矩脉动和不稳定性，在转速达到10r/min时无爬行时无爬行现象；现象；p4）过载能力强，最大转矩可达额定转矩的）过载能力
18、强，最大转矩可达额定转矩的10倍。倍。p宽调速直流伺服电动机有下述特点：宽调速直流伺服电动机有下述特点：n1）在维持一般直流电动机较大转动惯量的前提下，以尽量提高转）在维持一般直流电动机较大转动惯量的前提下，以尽量提高转矩的方法改善动态性能，低速时输出较大转矩，可以不经减速齿轮矩的方法改善动态性能，低速时输出较大转矩，可以不经减速齿轮直接驱动丝杠；直接驱动丝杠；n2）调速范围宽。采用优化设计减小电动机转矩的脉动，提高低转）调速范围宽。采用优化设计减小电动机转矩的脉动，提高低转速的精度，从而大大扩大了调速范围，往往电动机内已经装有测速速的精度，从而大大扩大了调速范围，往往电动机内已经装有测速装置
19、（测速发电机、旋转变压器和光电码盘等）及制动装置；装置（测速发电机、旋转变压器和光电码盘等）及制动装置；n3）动态响应好。采用永磁结构和矫顽力很高的永磁材料，在电动）动态响应好。采用永磁结构和矫顽力很高的永磁材料，在电动机过载机过载10倍的情况下也不会被去磁，大大提高了电动机的瞬时加速倍的情况下也不会被去磁，大大提高了电动机的瞬时加速度；度；n4）过载能力强。采用高等级绝缘材料，允许在密闭的空冷条件下）过载能力强。采用高等级绝缘材料，允许在密闭的空冷条件下长时间超负荷运行。长时间超负荷运行。2. 交流伺服电动机交流伺服电动机p在现代伺服系统中，更多的采用交流伺服电动机。交流伺服电动机可在现代伺
20、服系统中，更多的采用交流伺服电动机。交流伺服电动机可以是异步电动机或者永磁同步电动机。以是异步电动机或者永磁同步电动机。p交流异步伺服电动机有下述特点：交流异步伺服电动机有下述特点：n1）采用二相结构，电动机定子上布置有空间相差）采用二相结构，电动机定子上布置有空间相差90电角度的二相绕组，电角度的二相绕组，一相称励磁绕组，一相称控制绕组，分别施加相位差一相称励磁绕组，一相称控制绕组，分别施加相位差90的交流电压；的交流电压；n2）励磁绕组电压不变控制绕组电压为零时，旋转磁场变成了静止脉动磁）励磁绕组电压不变控制绕组电压为零时，旋转磁场变成了静止脉动磁场，电动机立即停止转动，克服了普通异步电动
21、机失电时的场，电动机立即停止转动，克服了普通异步电动机失电时的“自转自转”现象，现象，符合机床的要求；符合机床的要求；n3）转子内阻特别大，使临界转差率（与最大转矩对应的转差率）大于）转子内阻特别大，使临界转差率（与最大转矩对应的转差率）大于1，低速转矩大；低速转矩大；n4）控制绕组电压可以调节，从而使旋转磁场变为椭圆形，以此调节转矩）控制绕组电压可以调节，从而使旋转磁场变为椭圆形，以此调节转矩的大小。的大小。p永磁同步伺服电动机永磁同步伺服电动机PMSM。3. 直线电机直线电机p传统的传统的“旋转电机旋转电机+滚珠丝杠滚珠丝杠”进给驱动方式在高速运行时，滚珠丝进给驱动方式在高速运行时，滚珠丝
22、杠的刚度、惯性、加速度等动态性能已远远不能满足要求。这就使得杠的刚度、惯性、加速度等动态性能已远远不能满足要求。这就使得一种崭新的进给驱动方式一种崭新的进给驱动方式-直线电动机控制系统应运而生。这种进给驱直线电动机控制系统应运而生。这种进给驱动系统取消了从动力源到执行件之间的一切中间传动环节，将进给传动系统取消了从动力源到执行件之间的一切中间传动环节，将进给传动链的长度缩短为零，大大简化了机械结构，提高了系统的速度、加动链的长度缩短为零，大大简化了机械结构，提高了系统的速度、加速度、刚度等动态特性和控制精度，是机床进给驱动设计理论的一项速度、刚度等动态特性和控制精度，是机床进给驱动设计理论的一
23、项重大突破。重大突破。p直线电动机可以认为是旋转电动机在结构上的一次演变，它可以看作直线电动机可以认为是旋转电动机在结构上的一次演变，它可以看作将旋转电动机沿径向刨开，然后将电动机沿圆周展成直线。直线电动将旋转电动机沿径向刨开，然后将电动机沿圆周展成直线。直线电动机的主要类型有：直线直流电动机、直线感应电动机、直线同步电动机的主要类型有：直线直流电动机、直线感应电动机、直线同步电动机、直线步进电动机等。机、直线步进电动机等。6.2.2 数字脉冲比较式伺服系统p数字脉冲比较环节是伺服系统中重要的位置控制单元，如图数字脉冲比较环节是伺服系统中重要的位置控制单元，如图6-4所示。数字脉所示。数字脉冲
24、比较环节由六个主要部分组成。指令信号由数码装置发出，可以是一串数字冲比较环节由六个主要部分组成。指令信号由数码装置发出，可以是一串数字脉冲，代表一个短时间段内的位移量给定；由测量元件提供的工作台位置信号脉冲，代表一个短时间段内的位移量给定；由测量元件提供的工作台位置信号也可以是一串数字脉冲（用光栅或光电编码器得到）；它们经过脉冲也可以是一串数字脉冲（用光栅或光电编码器得到）；它们经过脉冲-数码转数码转换（例如计数器对脉冲串计数）变成数码信号；在比较器中完成比较，其差值换（例如计数器对脉冲串计数）变成数码信号；在比较器中完成比较，其差值经过功率放大经过功率放大,然后去驱动执行元件，带动工作台移动
25、，直到给定位移与实际然后去驱动执行元件，带动工作台移动，直到给定位移与实际位移相等，完成本时间段内的位移任务，位移量为脉冲当量乘脉冲数。位移相等，完成本时间段内的位移任务，位移量为脉冲当量乘脉冲数。图图6-4 数字脉冲比较环节数字脉冲比较环节p假定伺服系统的脉冲当量为假定伺服系统的脉冲当量为0.05mm/脉冲，如果要求机床工作台沿脉冲，如果要求机床工作台沿x坐坐标轴正向进给标轴正向进给10mm，数码装置经过插补运算后连续输出，数码装置经过插补运算后连续输出200个脉冲给个脉冲给脉冲脉冲-数码转换器，于是脉冲数码数码转换器，于是脉冲数码-转换器根据运动方向作加转换器根据运动方向作加1计数（反计数
26、（反方向则作减方向则作减1计数），并将计数结果送到比较器与来自工作台的计数结计数），并将计数结果送到比较器与来自工作台的计数结果作比较，不相等则将差值输出，经功率放大指挥执行电动机驱动工果作比较，不相等则将差值输出，经功率放大指挥执行电动机驱动工作台移动，差值为正则电动机正转，为负则反转，直到误差消除。电作台移动，差值为正则电动机正转，为负则反转，直到误差消除。电动机轴上或工作台上的光栅或光电编码器产生实际运动的一串脉冲，动机轴上或工作台上的光栅或光电编码器产生实际运动的一串脉冲，经过相似的处理送到比较器。如果要控制移动的速度，则数码装置可经过相似的处理送到比较器。如果要控制移动的速度，则数码
27、装置可以将以将200个脉冲分成若干组，相继在不同的时间段各输出一组脉冲，达个脉冲分成若干组，相继在不同的时间段各输出一组脉冲，达到控制速度的目的。到控制速度的目的。p实际的实现方法可以多种多样。例如用计算机实现的位置闭环控制系实际的实现方法可以多种多样。例如用计算机实现的位置闭环控制系统已得到广泛应用。统已得到广泛应用。6.2.3 数控加工过程p图图6-5中的数控装置是数控机床的中枢，由它接收和处理来自信息载体中的数控装置是数控机床的中枢，由它接收和处理来自信息载体的指令信息，并将其加工处理后指挥伺服系统去执行。这种工作如果的指令信息，并将其加工处理后指挥伺服系统去执行。这种工作如果用数字逻辑
28、电路去实现，称为普通数控（用数字逻辑电路去实现，称为普通数控（NC），如果用计算机去实现，），如果用计算机去实现，称为计算机数控（称为计算机数控（CNC）。）。图图6-5 数控机床加工零件的过程数控机床加工零件的过程 p机床的数控系统由信息输入、信息处理和伺服系统机床的数控系统由信息输入、信息处理和伺服系统3部分组成。部分组成。p信息处理是数控装置的核心任务，由计算机来完成。它的作用是识别信息处理是数控装置的核心任务，由计算机来完成。它的作用是识别输入信息中每个程序段的加工数据和操作指令，并对其进行换算和插输入信息中每个程序段的加工数据和操作指令，并对其进行换算和插补计算。补计算。p现在的数控
29、系统一般都采用国际标准现在的数控系统一般都采用国际标准G代码编程，有的还可以支持代码编程，有的还可以支持AI、DXF、PLT、HPG等图形数据格式。等图形数据格式。p加工程序的编制必须考虑诸多约束条件，主要有加工精度、加工速度加工程序的编制必须考虑诸多约束条件，主要有加工精度、加工速度和刀具半径等。加工程序本质上就是对刀具的连续运动轨迹及其运动和刀具半径等。加工程序本质上就是对刀具的连续运动轨迹及其运动特性的一个描述。所以对加工轮廓的控制又称为连续运动轨迹控制。特性的一个描述。所以对加工轮廓的控制又称为连续运动轨迹控制。6.2.4 数控机床的轨迹控制原理及其实现p1. 数控插补概述数控插补概述
30、p以数控机床为例，其控制的目标是被加工的曲线或曲面，在加工过程以数控机床为例，其控制的目标是被加工的曲线或曲面，在加工过程中要随时根据图纸参数求解刀具的运动轨迹，其计算的实时性有时难中要随时根据图纸参数求解刀具的运动轨迹，其计算的实时性有时难以满足加工速度的需求。因此实际工程中采用的方法是预先通过手工以满足加工速度的需求。因此实际工程中采用的方法是预先通过手工或自动编程，将刀具的连续运动轨迹分成若干段，而在执行程序的过或自动编程，将刀具的连续运动轨迹分成若干段，而在执行程序的过程中实时地将这些轨迹段用指定的具有快速算法的直线、圆弧或其它程中实时地将这些轨迹段用指定的具有快速算法的直线、圆弧或其
31、它标准曲线予以逼近。标准曲线予以逼近。p插补是一个实时进行的数据密化过程。轨迹插补与坐标轴位置伺服是插补是一个实时进行的数据密化过程。轨迹插补与坐标轴位置伺服是数控机床的二个主要环节。数控机床的二个主要环节。p插补必须实时完成，因此除了要保证插补运算的精度外插补必须实时完成，因此除了要保证插补运算的精度外,还要求算法简还要求算法简单。一般采用迭代算法。单。一般采用迭代算法。p就目前普遍应用的算法而言，可以分为两大类：脉冲增量插补，数据就目前普遍应用的算法而言，可以分为两大类：脉冲增量插补，数据采样插补。采样插补。2. 脉冲增量插补原理脉冲增量插补原理p脉冲增量插补就是分配脉冲的计算，在插补过程
32、中不断向各坐标轴发出相互协脉冲增量插补就是分配脉冲的计算，在插补过程中不断向各坐标轴发出相互协调的进给脉冲，控制机床作相应的运动，适用于以步进电动机为驱动装置的开调的进给脉冲，控制机床作相应的运动，适用于以步进电动机为驱动装置的开环位置系统。插补的结果是产生单个的行程增量，以一个脉冲的方式分配、输环位置系统。插补的结果是产生单个的行程增量，以一个脉冲的方式分配、输出给某坐标轴步进电动机。一个脉冲所产生的进给轴移动量叫脉冲当量，普通出给某坐标轴步进电动机。一个脉冲所产生的进给轴移动量叫脉冲当量，普通数控机床的脉冲当量取数控机床的脉冲当量取0.01mm。脉冲增量插补的实现方法较为简单，但控制。脉冲
33、增量插补的实现方法较为简单，但控制精度和进给速度较低。目前比较典型的算法有逐点比较法和数字积分法等。精度和进给速度较低。目前比较典型的算法有逐点比较法和数字积分法等。p逐点比较法是在各种增量轨迹运动系统中广泛采用的插补方法，它能实现直线、逐点比较法是在各种增量轨迹运动系统中广泛采用的插补方法，它能实现直线、圆弧、非圆二次曲线的插补，插补精度较高。逐点比较法，顾名思义，就是每圆弧、非圆二次曲线的插补，插补精度较高。逐点比较法，顾名思义，就是每走一步都要把当前动点的瞬时坐标与规定的图形轨迹相比较，判断一下偏差，走一步都要把当前动点的瞬时坐标与规定的图形轨迹相比较，判断一下偏差，决定下一步的走向。如
34、果瞬时动点走到图形的外面去了，下一步就向里面走；决定下一步的走向。如果瞬时动点走到图形的外面去了，下一步就向里面走；如果在图形里面，下一步就向外面走，以缩小偏差。这样就能得到一个非常接如果在图形里面，下一步就向外面走，以缩小偏差。这样就能得到一个非常接近规定图形的轨迹，最大误差不超过一个脉冲当量。近规定图形的轨迹，最大误差不超过一个脉冲当量。 （1） 逐点比较法直线插补逐点比较法直线插补p如图如图6-6所示，假定直线所示，假定直线OA的起点为坐标原点，终点的起点为坐标原点，终点A的坐标为的坐标为A(xe, ye)，P(xi , yj)为动点。若为动点。若P点正好在点正好在OA直线上，则直线上，
35、则p 即即 p若若P点在点在OA线的上方，则线的上方，则p 即即 p若若P点在点在OA线的下方，则线的下方，则p 即即 p取偏差函数取偏差函数Fij为为 ，由，由Fij的值就可以判别出的值就可以判别出P点与直线的相点与直线的相对位置。即对位置。即p当当Fij =0时，点时，点P(xi , yj) 正好落在直线上；正好落在直线上；p当当Fij 0时，点时，点P(xi , yj) 落在直线上方；落在直线上方；p当当Fij 0时，则向时，则向x轴发出一个正向进给脉冲，伺服系统向轴发出一个正向进给脉冲，伺服系统向+x方向走一步，新动点方向走一步，新动点P(xi+1, yj)，xi+1=xi+1的偏差为
36、的偏差为p即即 （6-4）p如果某一动点如果某一动点P的的Fij R，即，即 p若动点若动点P落在圆弧内侧，则落在圆弧内侧，则RP R，即，即 p取动点偏差判别式为取动点偏差判别式为p运用上述法则和偏差判别式，就可以获得图运用上述法则和偏差判别式，就可以获得图6-8折线所示的近似圆弧。折线所示的近似圆弧。220202j2iRyxyx20202j2iyxyx20202j2iyxyx 202j202iijyyxxFp若若P在圆弧上或圆弧外，即在圆弧上或圆弧外，即Fij 0时，应向时，应向x轴发出一个负向运动的进给脉冲，即轴发出一个负向运动的进给脉冲，即向圆内走一步。若向圆内走一步。若P在圆弧内侧，
37、即在圆弧内侧，即Fij 0时，则向时，则向y轴发出一个正向运动的进给轴发出一个正向运动的进给脉冲，即向圆外走一步。为了简化偏差判别运算，仍用递推法来推算下一步新脉冲，即向圆外走一步。为了简化偏差判别运算，仍用递推法来推算下一步新的动点偏差。的动点偏差。 p设动点设动点P在圆弧上或圆弧外，则其偏差为在圆弧上或圆弧外，则其偏差为px坐标向负方向进给一步，移到新的动点坐标向负方向进给一步，移到新的动点P(xi+1, yj)，新动点的，新动点的x坐标为坐标为xi-1，可以，可以得到新动点的偏差为得到新动点的偏差为 （6-6）p设动点设动点P在圆弧的内侧，在圆弧的内侧，Fij 0。那么，。那么，y坐标需
38、要向正方向进给一步，移到新动坐标需要向正方向进给一步，移到新动点点P(xi, yj+1)，新动点的，新动点的y坐标坐标yj+1，同理可以得到新动点的偏差为，同理可以得到新动点的偏差为p （6-7）p由偏差计算的递推公式（由偏差计算的递推公式（6-6）和）和(6-7)可知，插补递推运算只是加减和乘可知，插补递推运算只是加减和乘2运算，运算，比较简单。除了偏差递推运算外，还需要终点判别运算。每走一步，需要从两比较简单。除了偏差递推运算外，还需要终点判别运算。每走一步，需要从两个坐标方向的总步数中减个坐标方向的总步数中减1，直到总步数被减为零，才停止计算，并发出终点到，直到总步数被减为零，才停止计算
39、，并发出终点到达信号。达信号。p圆弧插补计算流程图见图圆弧插补计算流程图见图6-9。 0202j202iijyyxxF12iijj1,ixFF12jij1ji,yFF图图6-9 圆弧插补计算流程图圆弧插补计算流程图（3）坐标变换和终点判别）坐标变换和终点判别p用逐点比较法进行直线和圆弧插补的原理和计算公式，只适用于第一象限直线用逐点比较法进行直线和圆弧插补的原理和计算公式，只适用于第一象限直线和第一象限逆时针圆弧。为了将各象限的插补公式都统一到第一象限直线和第和第一象限逆时针圆弧。为了将各象限的插补公式都统一到第一象限直线和第一象限逆时针圆弧的插补公式，就需要将坐标和进给方向根据象限的不同而进
40、一象限逆时针圆弧的插补公式，就需要将坐标和进给方向根据象限的不同而进行变换。行变换。p现在用现在用SR1、SR2、SR3、SR4分别表示第一、第二、第三、第四象限的顺圆弧分别表示第一、第二、第三、第四象限的顺圆弧(G02)，用，用NR1、NR2、NR3、NR4分别表示第一、第二、第三、第四象限的分别表示第一、第二、第三、第四象限的逆圆弧逆圆弧(G03)，如图，如图6-10(a)所示；用所示；用L1、L2、L3、L4分别表示第一、第二、第分别表示第一、第二、第三、第四象限的直线三、第四象限的直线(G01)，如图，如图6-10(b)所示。所示。p由图由图6-10(a)可以看出，按第一象限逆时针走向
41、圆弧可以看出，按第一象限逆时针走向圆弧NR1插补运算时，如将插补运算时，如将x轴轴的进给反向，即走出第二象限顺时针走向圆弧的进给反向，即走出第二象限顺时针走向圆弧SR2；将；将y轴的进给反向，即走轴的进给反向，即走出出SR4；将；将x、y二轴进给都反向，即走出二轴进给都反向，即走出NR3。p此时此时NR1、NR3、SR2、SR4四种线型都取相同的偏差运算公式，无须改变。四种线型都取相同的偏差运算公式，无须改变。还可以看出，按还可以看出，按NR1的线型插补时，把运算公式的的线型插补时，把运算公式的x和和y对调，以对调，以x作作y，以，以y作作x，那么就得到那么就得到SR1的走向。适当改变进给方向
42、也可以获得其余线型走向。的走向。适当改变进给方向也可以获得其余线型走向。p这就是说，可以用第一象限偏差运算式统一插补运算，根据象限的不同发出不这就是说，可以用第一象限偏差运算式统一插补运算，根据象限的不同发出不同方向的脉冲。图同方向的脉冲。图6-10(a)、(b)分别示出了分别示出了8种圆弧和种圆弧和4种直线的坐标进给种直线的坐标进给情况。情况。图图6-10 直线和圆弧不同象限的走向直线和圆弧不同象限的走向 据此可以得到表据此可以得到表6-1中的中的12种进给脉冲分配类型，其中的种进给脉冲分配类型，其中的、分别代表第一、第二、第三、第四象限。分别代表第一、第二、第三、第四象限。 由表由表6-1
43、可以得到发往可以得到发往+x、-x、+y、-y坐标方向的脉冲分配逻辑式为：坐标方向的脉冲分配逻辑式为：+x=G02y+G01x+G02x+G03x+G03y+ G01y;-x=G03x+G03y+G01y+G02y+G01x+ G02x;+y=G03y+G01y+G02y+G01x+G02x+ G03x;-y=G02x+G03x+G03y+G01y+G02y+ G01x。 p终点判别的方法有几种，其中之一是：终点判别的方法有几种，其中之一是： p设置一个终点计数器设置一个终点计数器E，插补运算开始前已初始化为该程序，插补运算开始前已初始化为该程序x坐标和坐标和y坐标的总长（即位移总步数），在插
44、补过程中坐标的总长（即位移总步数），在插补过程中x轴或轴或y轴每走一步，就轴每走一步，就从总步数中减去从总步数中减去1，直到被减为零，表示终点达到。，直到被减为零，表示终点达到。3 数据采样插补原理数据采样插补原理p与基于行程的脉冲增量插补不同，数据采样插补是基于时间片的，因与基于行程的脉冲增量插补不同，数据采样插补是基于时间片的，因此也称时间标量插补。这种插补适用于闭环和半闭环的以交直流伺服此也称时间标量插补。这种插补适用于闭环和半闭环的以交直流伺服电动机为驱动装置的位置随动控制系统。目前比较典型的算法有时间电动机为驱动装置的位置随动控制系统。目前比较典型的算法有时间分割法、二阶递推法和扩展
45、分割法、二阶递推法和扩展DDA法等。法等。p插补周期是插补程序每两次计算各坐标轴增量进给指令间的时间。插补周期是插补程序每两次计算各坐标轴增量进给指令间的时间。p在数据采样插补算法中，根据编程的进给速度在数据采样插补算法中，根据编程的进给速度V，将轮廓曲线分割为按，将轮廓曲线分割为按插补周期插补周期T分配的进给段分配的进给段轮廓步长，得到插补进给量轮廓步长，得到插补进给量f。对于弧线。对于弧线的插补一般以直线（例如圆弧的弦）来逼近曲线，加工精度取决于弦的插补一般以直线（例如圆弧的弦）来逼近曲线，加工精度取决于弦弧误差。弧误差。4. 数控装置的进给速度控制数控装置的进给速度控制p数控机床的进给控
46、制中，既要对运动轨迹严格控制，也要对运动速度数控机床的进给控制中，既要对运动轨迹严格控制，也要对运动速度严格控制，以保证被加工零件的精度和表面光洁度、刀具和机床的寿严格控制，以保证被加工零件的精度和表面光洁度、刀具和机床的寿命以及生产效率。命以及生产效率。p脉冲增量插补算法的进给速度控制方法：脉冲增量插补算法的进给速度控制方法：p脉冲增量插补算法的输出是脉冲串，其频率与进给速度成正比。因此脉冲增量插补算法的输出是脉冲串，其频率与进给速度成正比。因此可以通过控制插补运算的周期来控制进给速度。常用的方法有软件延可以通过控制插补运算的周期来控制进给速度。常用的方法有软件延时法和中断控制法，在连续的二
47、次插补之间插入一段等待时间时法和中断控制法，在连续的二次插补之间插入一段等待时间(软件延软件延时法时法)或者在中断程序中进行一次插补运算或者在中断程序中进行一次插补运算(中断控制法中断控制法)。5. 多坐标轨迹控制技术多坐标轨迹控制技术p在连续轨迹控制系统中，坐标轴控制是运动控制系统中要求最高的位在连续轨迹控制系统中，坐标轴控制是运动控制系统中要求最高的位置控制。不仅对单个轴的运动速度和精度的控制有严格要求，而且在置控制。不仅对单个轴的运动速度和精度的控制有严格要求，而且在多轴联动时，还要求各移动轴有很好的动态配合。各轴伺服驱动系统多轴联动时，还要求各移动轴有很好的动态配合。各轴伺服驱动系统的
48、动态特性会影响多坐标联动轨迹精度。的动态特性会影响多坐标联动轨迹精度。p目前对轮廓误差进行补偿控制主要通过两种途径：一是采用各种先进目前对轮廓误差进行补偿控制主要通过两种途径：一是采用各种先进的控制与补偿技术，改善各进给轴控制环的性能，减小各轴的位置误的控制与补偿技术，改善各进给轴控制环的性能，减小各轴的位置误差，从而提高系统的轮廓精度；二是采用耦合轮廓误差补偿方法，在差，从而提高系统的轮廓精度；二是采用耦合轮廓误差补偿方法，在不改变各轴位置环的情况下，通过向各轴提供附加补偿，减小系统的不改变各轴位置环的情况下，通过向各轴提供附加补偿，减小系统的轮廓误差。但后者由于在耦合轮廓误差补偿器的结构设
49、计、参数选择轮廓误差。但后者由于在耦合轮廓误差补偿器的结构设计、参数选择等方面还不够完善，限制了其实际应用。等方面还不够完善，限制了其实际应用。6.3 位置随动系统数学模型与校正设计位置随动系统数学模型与校正设计p位置随动系统的应用领域不同，采用的系统结构和控制方法会有所不位置随动系统的应用领域不同，采用的系统结构和控制方法会有所不同。对于闭环伺服控制系统，常用串联校正或并联校正进行动态性能同。对于闭环伺服控制系统，常用串联校正或并联校正进行动态性能的调整。校正装置串联配置在前向通道的校正方式称为串联校正，一的调整。校正装置串联配置在前向通道的校正方式称为串联校正，一般把串联校正单元称为调节器
50、，所以又称为调节器校正。在伺服系统般把串联校正单元称为调节器，所以又称为调节器校正。在伺服系统中常用的调节器有比例（中常用的调节器有比例（P）调节器、比例积分（）调节器、比例积分（PI）调节器、比例微）调节器、比例微分（分（PD）调节器及比例积分微分（）调节器及比例积分微分（PID）调节器，设计中可以根据实）调节器，设计中可以根据实际伺服系统的特征进行选择。际伺服系统的特征进行选择。p本节以应用广泛的数控机床进给驱动位置伺服系统为例进行介绍。本节以应用广泛的数控机床进给驱动位置伺服系统为例进行介绍。6.3.1 位置伺服系统的数学模型p由于位置环的截止频率远远低于速度环，所以可以将速度伺服单元按
