伺服系统定位偏差减低的方法.docx

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伺服系统定位误差如何减少
分析了伺服系统定位误差形成的原因，提出了伺服系统采用分段线性减速并以开环方式精确定位的方法，给出了相应的程序流程图，对提高数控机床伺服系统的定位精度具有实用参考价值。
数控机床的定位精度直接影响到机床的加工精度。传统上以步进电动机作驱动机构的机床，由于步进电动机的固有特性，使得机床的重复定位精度可以达到一个脉冲当量。但是，步进电动机的脉冲当量不可能很小，因而定位精度不高。伺服系统的脉冲当量可以比步进电动机系统小得多，但是，伺服系统的定位精度很难达到一个脉冲当量。由于CPU性能已有极大提高，故采用软件可以有效地提高定位精度。我们分析了常规控制算法导致伺服系统定位精度误差较大的原因，提出了分段线性减速并以开环方式精确定位的方法，实践中取得了很好的效果。
一、伺服系统定位误差形成原因与克服办法
通常情况下，伺服系统控制过程为：升速、恒速、减速和低速趋近定位点，整个过程都是位置闭环控制。减速和低速趋近定位点这两个过程，对伺服系统的定位精度有很重要的影响。
减速控制具体实现方法很多，常用的有指数规律加减速算法、直线规律加减速算法。指数规律加减速算法有较强的跟踪能力，但当速度较大时平稳性较差，一般适用在跟踪响应要求较高的切削加工中。直线规律加减速算法平稳性较好，适用在速度变化范围较大的快速定位方式中。
选择减速规律时，不仅要考虑平稳性，更重要的是考虑到停止时的定位精度。从理论上讲，只要减速点选得正确，指数规律和线性规律的减速都可以精确定位，但难点是减速点的确定。通常减速点的确定方法有：
　（1）如果在起动和停止时采用相同的加减速规律，则可以根据升速过程的有关参数和对称性来确定减速点。
　（2）根据进给速度、减速时间和减速的加速度等有关参数来计算减速点，在当今高速CPU十分普及的条件下，这对于CNC的伺服系统来说很容易实现，且比方法（1）灵活。
伺服控制时，由软件在每个采样周期判断：若剩余总进给量大于减速点所对应的剩余进给量，则该瞬时进给速度不变（等于给定值），否则，按一定规律减速。
对输出电压低的故障，检修的关键测试点为：稳压电源中，光电耦合器内含发光二极管的两端电压降。
1、当测得发光二极管的两端电压降结果为1V甚至大于1V。说明取样电路有故障。如取样三极管的基极下偏置电阻开路，发射极所接稳压二极管短路。此时的输出电压低是取样电路误调整所至。
2、当测得发光二极管的两端电压降结果为0V。这说明取样电路将输出电压低的情况如实反映给了光电耦合器。查V512基极电压，如为正值，说明V512基极电压不符合输出电压低的检测，正常时此电压应当是负压。
V512基极为正电压时有两种可能：
1）稳压电源自身故障；2）负载有短路部位。
V512的基极没有产生正常时的负电压，其原因是基极所接的VD516开路、短路，或与VD516串联的电阻阻值增大（这只电阻有的机器上用的是1/8W的小型品，很容易变值，本人就遇到因这只电阻变值，使维修一时进入困境局面。教训深刻！）
另外，次级整流以后输出的负载有短路（次级负载短路后，会将开关管截止后产生的负脉冲短路，从而引起V512的基极没有负电压。）此时+B电压在70V左右。可依次断开负载进行确认。对于VD516和与之串联的电阻阻值增大，测量其在路电阻就可以判断是否损坏。
3、带负载能力差。表现为低亮度时图像正常，高亮度时图像收缩扭曲，+B电压降低，且光电耦合器发光二极管的两端电压降0V，512基极电压为－2V以上，这说明了V511输出了使V512截止所需的负电压。此时输出电压低是由于V512静态电流过大，对开关管不正常分流所引起的。当误差放大管V511的基极偏置电阻开路或阻值增大，C515的容量变小R523或R526的阻值变小均可造成这样的故障。但注意：千万不要随意减小开关管的基极限流电阻，减小开关管的基极限流电阻会造成开关管过激励，否则会不定期烧开关管。
4、如果发现用户的市电电压低长期偏低，经检测光电耦合器发光二极管的两端电压降0V，且V512的基极为－1V～－2V，说明稳压控制电路正常，故障多为开关管的β值低或开关基极限流电阻阻值增大。可更换开关管或适当减小开关管的基极限流电阻。但不能采用过小阻值。否则有日后烧开关管的隐患。
理论上讲，剩余总进给量正好等于减速点所对应的剩余进给量时减速，并按预期的减速规律减速运行到定位点停止。但实际上，伺服系统正常运转时每个采样周期反馈的脉冲数是几个、十几个、几十个甚至更多，因而实际减速点并不与理论减速点重合。如图1所示，其最大误差等于减速前一个采样周期的脉冲数。若实际减速点提前，则按预期规律减速的速度降到很低时还未到达定位点，可能需要很长时间才能到达定位点。若实际减速点滞后于理论减速点，则到达定位点时速度还较高，影响定位精度和平稳性。为此，我们提出了分段线性减速方法。
在低速趋近定位点的过程中，设速度为V0（mm/s），伺服系统的脉冲当量为δ（μm），采样周期为τ（ms），则每个采样周期应反馈的脉冲数为：N0=V0τ/δ。由于实际反馈的脉冲数是个整数，可能有一个脉冲的误差，即此时速度检测误差最大值为l/N0=δ/(V0τ)。采样周期越小、速度越低，则速度检测误差越大。为了满足定位精度是一个脉冲的要求，应使V0很小，使得N0≤1，此时速度检测误差达到100％甚至更高。如果此时仍然实行位置闭环控制，必然造成极大的速度波动，严重影响伺服机构的精确定位。所以，我们认为此时应采取位置开环控制，以避免速度波动。
二、分段线性减速精度定位
1、方法与步骤
分段线性减速的特点是减速点不需要精确确定。首先讨论最不利情况，即由伺服系统的最高速度开始减速过程，具体的减速步骤是：
（1）初始速度VG经AB段以搪玻璃反应罐、加速度a2降速到V2，搪瓷反应釜、搪玻璃反应罐、搪瓷搅拌器 ( )在BC段以V2匀速运行T2个采样周期，用BC这个时间段来补偿减速点A的误差。A点最大误差是VG对应的一个采样周期的脉冲数NG=VGτ/δ，速度为V2时一个采样周期的脉冲数为N2=V2τ/δ，则只要保证T2≥NG/N2=VG/V2,就可以使BC时间段补偿减速点A点的误差。
（2）速度V2经CD段以加速度a1降速到V1，在DE段以V1匀速运行T1个采样周期，用DE这个时间段来补偿减速点C的误差。类似地，应保证T1≥V2/V1。由于速度V1较低，假设取V1=5mm/s，脉冲当量δ=1μm，采样周期τ=1ms，则单位采样周期应反馈的脉冲数为N1=5，速度检测误差最大可达20％。所以，从这段过程开始就可以采用开环控制，以避免由于速度检测误差而引起速度波动。值得注意的是，开环控制算法应包括伺服机构的死区补偿和零漂补偿模块。
（3）速度V1经EF段以加速度a0降速到V0，在FG段以V0匀速运行T0个采样周期，直到到达定位点，这个过程采用位置开环控制。
通常情况下开始减速时伺服系统的速度（假设为VG1）小于最高速度，这时相当于减速起始点A向下移动到A1点，如图2虚线所示。如果初始速度小于V2，如图2中的VG2所示，相当于减速起始点移到了CD段，少了一段减速过程。

程序框图如图3所示，图中R为总剩余进给量（脉冲数），RA、RB、RC、RD、RE、RF分别对应图2减速曲线A、B、C、D、E、F点所对应的剩余进给量（脉冲数），可以由V、a、T、τ等参数算出。例如：
2、几组参数的确定原则
（1）V0、V1和V2　在常规的减速过程中，减速点的位置误差全靠最后低速趋近阶段来补偿，这样，V0就很不好选取。如果V0选得过小，应保证T0≥（VG/V0），则需要很长时间才能到达定位点；如果V0选得较大，直接影响定位精度。初始速度VG经AB段以搪玻璃反应罐、加速度a2降速到V2，搪瓷反应釜、搪玻璃反应罐、搪瓷搅拌器 ( )在BC段以V2匀速运行T2个采样周期，用BC这个时间段来补偿减速点A的误差。A点最大误差是VG对应的一个采样周期的脉冲数NG=VGτ/δ，速度为V2时一个采样周期的脉冲数为N2=V2τ/δ，分段线性减速方法与常规的减速方法相比，增加了BC、DE两个时间段，减速点的位置误差可以在较高速度得到绝大部分的补偿。因此，V0可以选得很小。通常可取伺服系统的最低速度，这样可以提高伺服系统的定位精度。V1、V2可分别取伺服系统最高速度的1%和10%。
（2）a0、a1和a2　加速度越大，减速过程越短，但引起的冲击和误差也越大。因此，在高速阶段加速度可取大些，以保证减速过程的快速性；低速阶段应取较小的加速度，以保证定位精度。通常a0的值在数值上可取为与V0相等。
（3）T0、T1和T2　由前面分析可知，为了补偿减速点的位置误差，应取T0=KV1/V0，T1=KV2/V1，T2=KVG/V2,式中K为可靠性系数，用来补偿算法的计算误差及其它一些不确定因素的影响，常取K=1.1～1.3。
该方法与伺服系统本身特性无关，可作为任何伺服系统在任意速度下减速控制方法。在我们为上海机床厂研制的YKA7232蜗杆砂轮磨齿机数控系统中，采用了分段线性减速开环趋近定位点的控制方法。实测各轴定位精度和重复定位精度都控制在一个脉冲当量内，性能稳定，获得了很好的效果。
交流伺服系统根据其处理信号的方式不同，可以分为模拟式伺服、数字模拟混合式伺服和全数字式伺服；如果按照使用的伺服电动机的种类不同，又可分为两种：一种是用永磁同步伺服电动机构成的伺服系统，包括方波永磁同步电动机（无刷直流机）伺服系统和正弦波永磁同步电动机伺服系统；另一种是用鼠笼型异步电动机构成的伺服系统。二者的不同之处在于永磁同步电动机伺服系统中需要采用磁极位置传感器而感应电动机伺服系统中含有滑差频率计算部分。若采用微处理器软件实现伺服控制，可以使永磁同步伺服电动机和鼠笼型异步伺服电动机使用同一套伺服放大器。
服马达控制器已经变得不仅仅是伺服提供atm的放大器了，如今，伺服提供atm控制器必须能够做出数字判断，提供从外部传感器接收信号的方式，控制系统，发送信号到主控制器和PLC等可以连接在伺服控制系统中的设备。图11-87中展示了些伺服提供atm和他们的放大器的图片。图中的这些部件看起来很象多种其他的马达和控制器。

图 11-87

图11-88展示了一个伺服提供atm控制器的原理图，你可以看出它与其他的伺服提供atm控制器有些不同。这副图中的控制器是用于直流马达控制的，控制器有三个采集信号和发送信号的端口。电源提供，伺服提供atm，转速表连接在控制器下方的P3端口。你也可以看出提供的电源是单相交流115伏的电源，主断接点串联在输入电源线HIGH上，HIGH和NEUTRAL线给绝缘降压变压器供电，变压器的次级输出电压在20~85伏，控制器的接地点在8号端子，你应该明白这点仅仅用来保护所以金属部件的短路。

图 11-88
伺服提供atm连接在控制器的端子4和5上，端子5是正，端子4是负。端子3提供一个连接控制器和马达的电源线的屏蔽线的“地点”。转速表连接在端子1和2，2为正，1为负，电缆线的屏蔽线接到马达的机壳。连接这个端口的电源线应该要比其他端口的电源线粗一些，因为他们要承载更大的马达电流。如果马达使用外部散热风扇，也必须通过这个端口连接。在多数情况下，制冷风扇要由单相或三相的固定电压供电，如110VAC或者240VAC。
命令信号从P1端口送向控制器，命令信号线的端子是端子1和端子2，端子1是正，端子2是负。该信号是典型的型号，即它们不能接地也不能和其他端口共地。其他几个附加的辅助信号也通过端口P1连接，这些信号包括禁止信号（INH），这是从外部控制器来禁止输出驱动的信号；正转或反转命令（FAC和RAC），这是告诉控制器输送电压给马达，以便它可以正转或反转。在一些应用中，正转的最大行程开关和反转的最大形成开关是连接上的，以便机器移动到极限位置时可以接触到超行程极限开关，它可以自动给驱动施加电压让机器反方向运行。
端口P1也提供几个数字输出信号，这些数字信号可以用来发送失误信号或其他的运行信息给主控器或PLC。端口P1基本是数字信号（开关信号）接口。
端口P2模拟信号接口（0~最大值），初始速度VG经AB段以搪玻璃反应罐、加速度a2降速到V2，搪瓷反应釜、搪玻璃反应罐、搪瓷搅拌器 ( )在BC段以V2匀速运行T2个采样周期，用BC这个时间段来补偿减速点A的误差。A点最大误差是VG对应的一个采样周期的脉冲数NG=VGτ/δ，速度为V2时一个采样周期的脉冲数为N2=V2τ/δ，该总线上典型的信号包括从伺服控制器送回给主机或PLC的马达电流信号和电压信号，主机或PLC可以根据这些信号来进行逻辑判断一确保控制器输送的正确的信号给马达。从主机或PLC送来的输入信号也能被送给控制器来设置最大的驱动电流和电压。在比较先进的数字驱动器中，这些数值被写入驱动器的参数所控制。
PWM伺服放大器
PWM伺服放大器用在使用直流有刷伺服提供atm的小体积应用方案上，图11-89展示了这种放大器的原理图。从图的左下角部分可以看出放大器由单相交流供电。交流电压被整流并送到图的右上方的驱动输出部分。输出驱动部分使用4个IGBT来产生脉宽调制波形，IGBT的使用是为了能够让电路提供30~120DC电压和最大30A的电流给带刷的直流伺服提供atm，图中有标出马达的极性。

图11-89
其他的电路在图的中间部分显示了多种故障电路，这些是来自逻辑板的故障和图的底部提供的故障输出信号。应该注意到，故障输出信号包括过压，过热和过流，第四个信号是系统输出鉴定信号，它表明了系统状态中的任何时候所产生的故障。一个跳线用来设置系统状态信号在逻辑电平为“1”时的输出为集电极开路输出，初始速度VG经AB段以搪玻璃反应罐、加速度a2降速到V2，搪瓷反应釜、搪玻璃反应罐、搪瓷搅拌器 ( )在BC段以V2匀速运行T2个采样周期，用BC这个时间段来补偿减速点A的误差。A点最大误差是VG对应的一个采样周期的脉冲数NG=VGτ/δ，速度为V2时一个采样周期的脉冲数为N2=V2τ/δ，为“1”表明驱动已经准备好，或者用一个常用的闭合继电器来表明驱动已经准备好。
图中右下角的输入端子部分用来使能或禁止驱动，也用来选择正向放大或反向放大。禁止信号作为一个控制信号，只要它为高就会禁止放大器的输出，正向放大和反向放大信号限制了反向电流为5%。
图中左上方的显示的是输入信号，速度命令信号需要一个“正”和一个“负”来提供不同的信号。
如果你看了些比较典型的应用的话，你应该有个比较好的关于伺服马达和放大器如何工作的想法。图11-90显示了一个控制锻压进给的伺服马达应用例子，在这个应用中，一张原料被送进了压扎机中按指定长度进行部分切割，这张原料可能具有LOGO或其他广告信息需要锻压出来。在该应用中，原料的速度和位置必须要和正确的切割点同步。反馈的传感器可能是一个配有一对光敏传感器的编码器或解码器，它用来检测铭牌标志的位置。为了让操作员能够缓慢的将物料推进扎刀处，或上新的卷料提供了一个操作面板。操作面板也用来根据不同的原料调用不同的驱动参数。该系统可能由可编程控制器或其他类型的控制器，而且操作面板则可根据不同类型的原料来选择不同的切割点。

图11-90

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