數(shù)控伺服技術(shù)在真空成型機自控系統(tǒng)中的應用
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在一個第一級程序執(zhí)行周期即8ms內(nèi)，其中的1.25ms用于執(zhí)行第一和第二級程序，剩余時間由CNC使用。如果第一級程序的步數(shù)增加，那么在8ms內(nèi)第二級程序動作的步數(shù)就要響應減少，因此分割數(shù)要變多，整個程序處理時間變長，因此第一級程序應編得盡可能短，僅處理包括急停，返回參考點減速，跳步，到達測量位置和進給暫停信號等。
圖6FANUCPMC-PA1順序程序執(zhí)行過程
本系統(tǒng)所用PowerMate-APMC程序流程圖如圖7所示。
圖7-aPMC梯形圖程序總體結(jié)構(gòu)
第一級和第二級程序流程圖具體描述如下：
圖7-bPMC梯形圖程序流程圖
3.3伺服驅(qū)動系統(tǒng)
3.3.1伺服系統(tǒng)分類
伺服驅(qū)動系統(tǒng)簡稱伺服系統(tǒng)（ServoSystem），是一種以機床移動部件的位置（或角度）和速度（或轉(zhuǎn)速）作為控制對象的自動控制系統(tǒng)，又稱隨動系統(tǒng)、拖動系統(tǒng)或伺服機構(gòu)。伺服系統(tǒng)的主要功能是接收來自插補裝置或插補軟件生成的進給指令，并按指令信息來驅(qū)動各運動部件運動，以加工出符合圖紙要求的零件。伺服系統(tǒng)一般由伺服驅(qū)動裝置、驅(qū)動元件、機械傳動機構(gòu)及末端執(zhí)行部件等組成，對于閉環(huán)控制系統(tǒng)還包括檢測反饋裝置。
伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置與機床本體的聯(lián)系環(huán)節(jié)，忠實而準確地執(zhí)行CNC裝置發(fā)出的運動指令。伺服系統(tǒng)的性能，在很大程度上決定了數(shù)控機床的性能。例如，數(shù)控機床的最高移動速度、跟蹤精度、定位精度等重要指標均取決于伺服系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)性能。
按照控制對象和使用目的，數(shù)控機床伺服系統(tǒng)可分為進給伺服系統(tǒng)和主軸伺服系統(tǒng)。
進給伺服系統(tǒng)是指一般概念的伺服系統(tǒng)，它包括速度控制環(huán)和位置控制環(huán)，用于控制機床各坐標軸的切削進給運動，是一種精密的位置跟蹤、定位系統(tǒng)，單位是mm/min。主軸控制系統(tǒng)只是速度控制系統(tǒng)，用于控制機床主軸的旋轉(zhuǎn)運動，提供切削過程中的轉(zhuǎn)矩和功率，而且需完成轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的無級調(diào)速，單位是r/min。
按照調(diào)節(jié)理論，數(shù)控機床伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)系統(tǒng)。
開環(huán)伺服系統(tǒng)主要靠步進電機來實現(xiàn)，每接收一個指令脈沖，步進電機就旋轉(zhuǎn)一定角度，步進電機的旋轉(zhuǎn)速度取決于指令脈沖的頻率，轉(zhuǎn)角的大小則取決于脈沖數(shù)目。由于輸出轉(zhuǎn)矩較小，而且沒有反饋環(huán)節(jié)，開環(huán)系統(tǒng)精度較差，適用于精度要求不高的場合。如圖8所示。
圖8 開環(huán)伺服系統(tǒng)原理圖
圖9所示為半閉環(huán)/閉環(huán)伺服系統(tǒng)原理圖，它由伺服電機、檢測反饋單元、驅(qū)動線路、比較環(huán)節(jié)等部分組成。閉環(huán)伺服系統(tǒng)將檢測反饋單元安裝在機床工作臺上，直接將測量的工作臺位移量轉(zhuǎn)換成電信號，反饋給比較環(huán)節(jié)，與指令信號比較，并將其差值經(jīng)伺服放大，控制伺服電機帶動工作臺移動，直至二者差值為零為止。閉環(huán)伺服系統(tǒng)消除了進給傳動系統(tǒng)的全部誤差，所以精度很高（從理論上講，精度取決于檢測裝置的測量精度）。然而，由于各個環(huán)節(jié)都包括在反饋回路內(nèi)，所以機械傳動系統(tǒng)的剛度、間隙、制造誤差和摩擦阻尼等非性因素都直接影響伺服系統(tǒng)的調(diào)制參數(shù)。由此可見，閉環(huán)伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復雜，其調(diào)試、維護都有較高的技術(shù)難度，價格也較昂貴，常用于精密數(shù)控機床。
圖9半閉環(huán)/閉環(huán)伺服系統(tǒng)原理
在半閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，反饋環(huán)節(jié)安裝在中間某一部位（如電機軸上），由于拋開了機械傳動系統(tǒng)的剛度、間隙、制造誤差和摩擦阻尼等因素，所以這種系統(tǒng)調(diào)試比較容易，穩(wěn)定性好。盡管半閉環(huán)系統(tǒng)不反映反饋回路之外的誤差，但采用高分辨率的檢測元件，也可以獲得比較滿意的精度。
按照反饋比較方式，伺服系統(tǒng)可分為數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)、相位比較伺服系統(tǒng)，以及幅值比較伺服系統(tǒng)。
數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較簡單，常采用光電編碼器、光柵作為位置檢測裝置，以半閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)形式構(gòu)成的數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)應用較為廣泛。
在相位比較和幅值比較伺服系統(tǒng)中，位置檢測裝置主要以旋轉(zhuǎn)變壓器、感應同步器為檢測元件。在相位比較伺服系統(tǒng)中，位置檢測裝置多采用相位工作方式，指令信號與反饋信號都變成相應的同頻率的某一載波的不同相位的脈沖信號，然后通過兩者相位的比較，獲得實際位置與指令位置的偏差，實現(xiàn)閉環(huán)控制。而幅值比較伺服系統(tǒng)主要是以其位置檢測信號的幅值反映機械的實際位置，并以此作為位置反饋信號，再與指令信號進行比較構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。
PowerMate-A是FANUC公司20世紀80年代中期開始生產(chǎn)的產(chǎn)品，并于90年代初期引進到我國，由于它的質(zhì)量十分可靠，在引進之后得到了廣泛的應用。PowerMate-A內(nèi)置了伺服放大器和PMC，伺服放大器與CNC共用AC200V電源，由于只需要控制鏈條在X軸方向前進或后退，所以PowerMate-A伺服控制系統(tǒng)實際上只有進給伺服驅(qū)動，而沒有主軸驅(qū)動，PowerMate-A數(shù)控系統(tǒng)是一個單軸控制系統(tǒng)；與PowerMate-A配套的伺服電機是FANUCS系列的20S交流伺服電機，電機軸上裝有增量式脈沖編碼器，輸出位置反饋信號給CNC，不難看出，PowerMate-A數(shù)控系統(tǒng)是一個采用數(shù)字脈沖比較反饋方式的半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。
3.3.2交流伺服電機
近年來，隨著高性價比永磁體的開發(fā)和性能的不斷提高，使得采用永磁同步調(diào)速電動機的交流同步伺服系統(tǒng)的性能日益突出，與采用矢量控制的異步伺服相比，永磁同步電動機轉(zhuǎn)子溫度低，軸向連接位置精度高，要求的冷卻條件不高，對機床環(huán)境的溫度影響小，容易達到極小的低限速度。即使在低限速度下，也可作恒轉(zhuǎn)矩運行，特別適合強力切削加工，同時其轉(zhuǎn)矩密度高，轉(zhuǎn)動慣量小，動態(tài)響應特性好，特別適合高生產(chǎn)率運行，比較容易達到很高的調(diào)速比。FANUC的進給伺服電動機一般采用永磁式的三相同步電動機。在本系統(tǒng)中所使用的交流伺服電機型號是A06B-0502-B004，具體參數(shù)為：23NmTRQ,20Amp,3phase8poles，AC146V,2000RPM。
永磁式的交流三相同步電動機的轉(zhuǎn)子是用高導磁率的永久磁鋼作成的磁極，中間穿有電機軸，軸兩端用軸承支撐并將其固定于機殼上。定子是用矽鋼片疊成的導磁體，導磁體的內(nèi)表面有齒槽，嵌入用導線繞成的三相繞組線圈，另外在軸的后端部裝有編碼器。當定子的三相繞組通有三相交流電流時，產(chǎn)生的空間旋轉(zhuǎn)磁場就會吸住轉(zhuǎn)子上的磁極同步旋轉(zhuǎn)，電路元件需要根據(jù)轉(zhuǎn)子磁場的位置實時地換向，這一點非常類似于直流電動機的轉(zhuǎn)子繞組電流隨定子磁場位置的換向。因此，為了實時地檢測同步電動機轉(zhuǎn)子磁場的位置，在電動機軸上（后端）安裝了一個編碼器，編碼器的光碼盤隨著電機軸的轉(zhuǎn)動測出轉(zhuǎn)子上磁極磁場的實際位置，該位置可用角度θ來表示，即定子合成磁場磁極軸線和轉(zhuǎn)子磁極軸線之間的角度，也稱為功率角。將該位置值送到控制電路后，控制器可以實時地控制逆變器功率元件的換向，實現(xiàn)了伺服驅(qū)動器的自控換向。因此，有人將這種同步電動機的驅(qū)動控制器和電動機一起稱為自換向同步電動機。另外，因為其控制特性類似于直流電動機，所以也稱為無整流子式直流電動機。
3.3.3交流伺服驅(qū)動
伺服系統(tǒng)按其內(nèi)部控制信號的形式，可分為模擬量控制的模擬伺服與數(shù)字量控制的數(shù)字伺服兩類，F(xiàn)ANUC產(chǎn)品早期一般采用直流驅(qū)動器，到了20世紀80年代中期，開始采用交流模擬伺服驅(qū)動器，從20世紀90年代起開始采用交流數(shù)字伺服驅(qū)動裝置。PowerMate-AA06B-6050系列伺服驅(qū)動器與A06B-05**系列交流伺服電機配套組成的產(chǎn)品，是FANUC交流模擬伺服驅(qū)動系統(tǒng)最常見的配置之一，它采用了矢量控制、PWM調(diào)速，輸出特性好，可靠性高，在上世紀90年代引入我國后，得到了廣泛的應用。FANUC交流模擬伺服驅(qū)動工作原理見圖10。
圖10FANUCPowerMate-A交流模擬伺服驅(qū)動工作原理
交流模擬伺服系統(tǒng)主要有電源部分、放大器及控制部分組成。電源部分主要包括整流逆變電路，以實現(xiàn)交-直-交變換。整流器使用的是整流二極管，給逆變器部分供以直流電源。逆變器使用了6個IGBT，在控制電路的控制下進行逆變，將直流功率變?yōu)榻涣鞴β?，給同步電動機供電。對逆變器的頻率變化進行控制，即可控制電動機轉(zhuǎn)速的快慢，具體的逆變過程是利用PWM（脈沖寬度調(diào)制）技術(shù)來控制的。通過PWM控制，使系統(tǒng)得到的交流電壓波形更接近正弦波，減少了諧波，快速性得到提高，更好地滿足了電動機的需要。另外，電機主電路有兩相電機的定子繞組串有電流檢測器，檢測電機的實際電流，用作電流反饋和電機的過流保護。脈沖編碼器裝在電機轉(zhuǎn)子上用作速度和位置反饋。
圖10下半部分是模擬伺服系統(tǒng)的控制部分。
在控制上，PowerMate-A采用了磁場矢量控制方式。由于在同步電機中，勵
磁磁場與電樞磁通勢間的空間角度不是固定的，所以調(diào)節(jié)電樞電流就不能直接控制電磁轉(zhuǎn)矩。通過電機的外部控制系統(tǒng)，對電樞磁通勢相對勵磁磁場進行空間定向控制，控制兩者之間的角度保持固定值，同時對電樞電流的幅值也進行控制，這種控制方式就稱為矢量控制。電機軸上安裝有編碼器，編碼器隨時檢測轉(zhuǎn)子磁極位置，不斷取得位置角θ信息，并將θ送伺服控制器，在控制器中進行實時的坐標變化，變換后的電流對逆變器進行控制，產(chǎn)生PWM波形去控制電機。
如上圖10，VCMD是驅(qū)動系統(tǒng)的速度給定指令，它是來自CNC的模擬電壓；該電壓與來自檢測元件(通常為脈沖編碼器)的速度反饋電壓（也可以是脈沖編碼器的脈沖信號經(jīng)F/V變換后作為系統(tǒng)的速度反饋信號）TSA經(jīng)比較、放大后輸出速度誤差信號。速度誤差信號再經(jīng)調(diào)節(jié)器放大，作為轉(zhuǎn)矩給定指令輸出。轉(zhuǎn)矩指令信號通過乘法器，分別與轉(zhuǎn)子位置計算回路中輸出的sinθ和sin(θ－240°)算子相乘，其乘積作為電流指令信號輸出。電流指令又與電流反饋信號相比較后，產(chǎn)生電流誤差信號，電流誤差信號經(jīng)放大，輸出到PWM控制回路，進行脈寬調(diào)制控制。脈寬調(diào)制信號通過功率晶體管與電源回路的逆變，形成三相交流電，控制交流伺服電動機的電樞。
圖10中的虛線框，在實際系統(tǒng)中，通常為集成一體的專用大規(guī)模集成電路。在FANUC常見的交流伺服驅(qū)動中，其中一片型號為AF20，它包括兩個乘法器
和一個轉(zhuǎn)子位置計算回路；另一片型號為MB63137，它包括PWM控制回路和
脈沖編碼器的接收回路。圖11為交流模擬伺服系統(tǒng)的簡化框圖。
圖11交流模擬伺服系統(tǒng)的簡化框圖
3.3.4脈沖編碼器
以FANUCPowerMateA為核心組成的伺服控制系統(tǒng)是一個半閉環(huán)系統(tǒng)，有位置環(huán)、速度環(huán)兩個控制回路，它們分別需要脈沖編碼器對電機的位置量和速度量進行反饋。在對編碼器使用上，作位置測量時，累計工作臺走過的脈沖數(shù)；作速度測量時，則取單位時間（幾個毫秒）內(nèi)的脈沖數(shù)。
在前面曾經(jīng)敘述過，為了實現(xiàn)同步電機控制主回路中功率元件的自動換相，需要隨著電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動隨時檢測轉(zhuǎn)子磁場的位置，這項工作也由編碼器實現(xiàn)，為此，在脈沖編碼器上刻有按二進制值編碼的4層條紋，經(jīng)印刷電路板處理后輸出波形C1,C2,C4,C8，通過不同的組合來表明轉(zhuǎn)子位置變化。
脈沖編碼器連接圖見圖12所示。
圖中，各信號含義如下：
PCA/*PCA/PCB/*PCB：編碼器的A/B相脈沖輸入信號；
PCZ/*PCZ：編碼器的零位脈沖輸入信號；
C1～C8：轉(zhuǎn)子位置檢測信號；
OHA/OHB：伺服電機的過熱觸點輸入；
0V/5V：編碼器電源。
圖12脈沖編碼器連接圖
第四章結(jié)束語
本文對真空成型機自動化系統(tǒng)中的數(shù)控伺服系統(tǒng)的工作過程進行分析，找到了在CNC和PMC中與現(xiàn)場操作相關的變量存儲區(qū)，并總結(jié)出了PMC程序的流程圖。伺服控制技術(shù)的應用提高控制的精度，保證傳動機構(gòu)的運行的平穩(wěn)和精確。
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