数控系统及其位置控制原理

数控与伺服驱动系统的位置控制是基于闭环反馈控制原理，位置闭环控制系统由位置环、速度环和电流环构成。位置环由数控系统中的位置控制器、位置检测装置及位置反馈组成，是主环；速度环由伺服系统中的速度控制器、伺服电动机、速度检测装置及速度反馈组成，是外环；电流环由电流控制器、功率变换、电流检测装置及电流反馈组成，是内环。CNC机床闭环反馈控制示意图如图1-1所示。

数控系统三大组成：控制系统+伺服驱动系统+位置测量系统。

图1-1 CNC机床闭环反馈控制示意图

控制系统：CNC系统是一个专用的实时多任务计算机系统，在它的控制软件中融合了当今计算机软件技术中的许多先进技术，其中最突出的是多任务并行处理和多重实时中断。CNC的基本功能是由各种功能子程序来实现的。例如译码子程序、刀具半径补偿子程序、插补子程序、诊断子程序等。插补的任务是根据进给速度的要求，在轮廓起点和终点之间计算出若干中间点的坐标值。由于每个中间点计算所需的时间直接影响系统的控制速度，而插补中间点的计算精度又影响整个CNC系统的精度，插补算法对整个CNC系统的性能指标至关重要，所以说插补是整个CNC系统运动控制软件的核心。

在位置控制中，根据插补运算得到的位置指令，与位置检测装置反馈所得到的机床坐标轴的实际位置相比较，形成位置偏差，经变换得到速度控制指令，发送到伺服驱动系统。数控系统要求伺服系统正确、快速地跟随控制指令信息，执行机械运动。同时，位置反馈系统将机械运动的实际位移信息反馈给数控系统以保证位置控制精度。位置闭环的伺服系统是以机械参数为控制对象的自动控制系统，在伺服系统中，输出量能够自动、快速、准确地跟随输入量的变化，因此又称为跟踪系统或随动系统。机械参数主要包括位移、角度、力、转矩、速度和加速度。

伺服驱动系统：伺服驱动系统由伺服电动机、功率变换器、传感器以及控制器构成。它是数控系统和机械传动部件间的连接环节，把控制系统的进给位移量等信息转换成由伺服电动机驱动机床的进给运动，伺服控制的最终目的是进行机床工作台或刀具的位置控制。它根据数控系统插补运算生成的位置命令，精确地变换为机床移动部件的位移，直接反映了机床坐标轴跟踪运动指令和实际定位的性能。

交流伺服驱动系统包括伺服驱动装置与交流伺服电动机。交流伺服驱动装置采用电流内环和速度外环的双闭环PI调节器控制，双闭环具有良好的静动态特性。它通过控制供给交流电动机电源的频率来达到调速的目的。其主要部分由一个把交流变成直流的整流器和一个把直流变成频率可变的交流逆变器组成。

速度环（外环）：当速度控制指令给出时，有一个较大的速度偏差指令信号加到速度调节器的输入端，放大器输出信号增大，控制变频器调制输出电压与频率提高，电动机转速相应上升。同时，测速机输出实际信号增加，当它接近或等于指令信号时，系统达到动态平衡，电动机即以要求设定的转速稳定运转。当系统受到外界干扰，如负载增大时，转速下降，这时测速机的输出信号下降，速度调节器的输入偏差信号增大，其输出相应增大，使电枢电压提高，电动机转速迅速恢复到要求值。(www.xing528.com)

电流控制环（内环）：电流环起调节作用，用以维持或者调节电流。电流调节器有两个输入信号，即速度调节器的输出信号和主电路的电流反馈信号。在电动机转速由于惯性尚未变化之前，首先引起电枢电流降低，电流实际反馈值减少，有一个较大的电流偏差指令信号加到电流调节器的输入端，从而使电流调节器输出信号增加，控制变频器使电压恢复到原来值，电流实际反馈值相应增加，以抑制主回路的电流变化。当电流指令值为阶跃信号时，电流调节器有一个很大的输出值，但其输出只能是最大饱和值，此时电枢电流最大，从而使电动机在加速过程中始终保持最大转矩和最大加速度，以使起动或制动过程最短。

位置测量系统：检测机械的运动位置或速度，并反馈到控制系统来修正控制指令，测量元件包括光栅尺、编码器等。

由于机械传动环节也包含在位置闭环控制中，机械间隙缓冲、负载扰动等也将作用在电动机转子上，使位置控制难度加大。为达到较好的控制效果，要合理匹配和调整三个闭环反馈环节的参数，优化控制；也可采用特殊的控制方法，如负载扰动的前馈控制、自适应控制等。

机械负载依据电动机的转矩，机电运动方程可表示为

式中，J为计算出的转动惯量；ω_r为转子角速度；T_L为机械负载的转矩；D为粘滞摩擦系数。

式（1-1）为机电一体化参数的匹配和调整提供了重要依据。

设置各轴的增益和加速度参数时，在不振荡的条件下，尽量增大增益系数，增加伺服系统的刚度，减小跟随误差，提高定位精度；在满足上述机电运动方程的条件下，尽量增大加速度，以保证闭环控制的惯性环节和加速特性相匹配，尽量增加增益和加速度可以有效地解决低速爬行问题。正确调整三个闭环控制环节中的增益与加速度的比例关系，使位置、速度、电流控制环在闭环控制中既能快速响应又无过度超调，高速平稳运行而不振荡。在机械负载变化时，可以精确调整伺服系统闭环控制参数，做到低速无爬行而高速不振荡，高速准确定位。伺服系统中所采取的一切措施都是为了保证进给运动的位置精度。闭环反馈控制系统主要解决系统的偏差和扰动问题，使机床稳定地运行。