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伺服系统的介绍与开发

  2020-05-23         Chris         7957

CNC servo system is an important part of CNC machine tools, used to realize the feed servo control of CNC machine tools and spindle servo control.The function of the numerical control servo system is to receive the command information from the numeric
数控伺服系统介绍
数控伺服系统是数控机床的重要组成部分,用于实现数控机床的进给伺服控制和主轴伺服控制。数控伺服系统的功能是接收来自数控装置的指令信息,经过功率放大、塑性加工,进入机床执行部件的直线位移或角位移运动。由于数控伺服系统是数控机床的最后一个环节,其性能的好坏将直接影响数控机床的精度和速度等技术指标。因此,数控机床的伺服传动装置需要良好的快速响应性能,准确和敏感的跟踪数字数控设备发送的控制信号,并能忠实地执行命令的数控设备,以提高后的动态特性和静态系统的跟踪精度。测量元件检测数控机床各坐标轴的实际位移值,并通过反馈系统输入到机床的数控装置中。
数控伺服系统是以机械位移为直接控制目标的自动控制系统。也可称为位置随动系统,简称伺服系统。数控机床伺服系统主要有两种:一种是进给伺服系统,它控制机床各坐标轴的进给运动,主要是直线运动;另一种是主轴伺服系统,它控制主轴的进给运动,主要是旋转运动。伺服系统的控制方法主要分为三种:开环、闭环和半闭环。它实际上是指伺服系统以三种方式实现位置伺服控制。
伺服系统开发流程:
永磁同步电动机具有耦合、时变、非线性等特点,难以对其进行控制,难以获得较好的调速性能。直到1971年,F。德国西门子公司的blaschke在交流电机控制理论方面首次实现了质的飞跃。采用矢量控制向量变换方法,由交流电动机磁通和转矩的解耦,永磁同步电动机的控制类似于直流电机的控制,从而大大提高控制性能,成为交流传动的基本控制方法,永磁同步电动机具有良好性能的速度控制和位置控制性能,因此在数控机床伺服系统已广泛应用。数控机床交流伺服系统广泛采用三回路(电流回路、速度回路、位置回路)PID控制技术,并已实现产品化、系列化。但是,传统的永磁同步电动机三环PID控制方式在数控机床的应用中还存在一些问题:
该调节器的参数设置复杂,误差较大。传统的手动设计伺服系统的调节器参数需要简化系统,导致误差增大,系统不能在最优状态下工作。
伺服系统的解耦控制需要精确的数学模型。它对系统参数(如电机的扭矩系数、机械系统的结构、切削力的大小和频率等)有很强的依赖性。当参数发生变化时,系统的性能可能会变差。
在传统的研究成果中,大多数研究对象只考虑电机的控制,很少考虑加工过程中机电参数的匹配以及动态切削力对伺服系统动态性能的影响。饲料伺服系统的全闭环数控机床、机械供给系统和物理切割过程中位置环,和他们不是完全分离子系统从电气伺服控制系统,但是一项新的综合机电系统是由耦合的反馈循环。
为了提高数控机床的整体性能,专家学者对数控交流伺服系统这一高水平、复杂、全面的系统,进行了广泛而富有成果的研究,主要包括:
数控机床伺服系统的非线性影响因素补偿控制的研究取得了丰硕的成果,许多理论成果已应用于实际。
为了大大提高伺服系统的性能,一个新的控制方式采用高精度、高性能数控伺服系统和现代控制方法如神经网络、专家系统、自适应控制、鲁棒控制和模糊控制引入伺服系统的控制。
采用复合控制策略,提高了伺服系统的性能。事实上,每种控制策略都有其优点和问题。因此,多种控制策略的相互渗透和组合可以克服单一策略的缺点,提高控制性能,更好地满足数控机床伺服系统的要求。复合控制策略主要有两种形式:一是在传统PID控制策略的基础上采用新的控制策略;另一种是采用两种或两种以上新的控制策略。研究重点是神经网络控制与模糊控制的结合。复合控制将是未来的一种趋势。
系统的在线识别。数控机床交流伺服系统,包括永磁同步电动机参数(恒转矩、定子电阻和定子电感等)操作将会改变,或者改变是机械系统属性的一部分,切削参数也可以改变,这些情况对数控机床系统是不可避免的。这将导致根据精确参数设计的通用控制器质量较差,导致系统性能下降。采用自适应算法和神经网络控制在线辨识参数,并根据辨识结果调整调节器参数,在提高系统性能方面取得了一定的效果。参数估计方法设计简单,计算量小,收敛速度快
Introduction and development of servo system
PID控制器的基本原理:
在设计任何控制系统时,都要考虑系统的稳定性、动态特性、稳态特性和鲁棒性等指标。
稳定性:这是控制系统设计最基本的要求。控制系统的稳定性可分为内部稳定性和外部稳定性。所谓的内部稳定的系统的轨迹从平衡点在任何初始状态收敛于平衡点,当时间是无限的,外部稳定的系统输入和输出的稳定性,也就是说,有界输入有界输出。
动态特性:即系统运行转换过程的形式和速度,包括响应速度和超调。系统的响应速度可以用系统过渡过程完成的时间来表示。超调量是系统的最大振幅。一般来说,不同的系统对动态特性有不同的要求。对于数控伺服系统,响应速度越快,系统跟踪误差越小,控制精度就越高。稳态特性:即系统在过渡过程后达到稳定状态时,被控量的稳态值与期望值一致。对于任何实际工程系统,由于系统结构、外界干扰、内摩擦等非线性因素的影响,被控量的稳态值与期望值之间总存在误差,可称之为稳态误差。稳态误差是衡量控制系统控制精度的重要标志,控制系统的技术指标一般都有具体的要求。
鲁棒性:当系统的约束发生变化时,不会影响系统的功能特性。如果系统的鲁棒性较好,系统在参数变化时仍能保持稳定。在过渡过程中,系统的响应速度和超调量不受参数变化的影响。这里所提到的参数变化不仅包括实际的外部参数变化,还包括系统内部参数的变化。
PID控制技术是最早发展起来的控制策略之一,已有几十年的历史。它具有算法简单、鲁棒性好、可靠性高、调整方便等优点,在工业控制中得到了广泛的应用。当被控对象的结构和参数不能完全掌握,或者无法得到精确的数学模型时,必须通过经验和现场调试来确定系统控制器的结构和参数。此时,PID控制技术的应用最为方便。在实际工程应用中,也可根据需要采用PI控制和PD控制。PID控制器是基于系统偏差,通过比例、积分和微分操作来控制调节量。
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