運動控制主要涉及步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)的控制，控制結(jié)構(gòu)模式一般是：控制裝置 驅(qū)動器 (步進(jìn)或伺服)電機(jī)，本文筆者將根據(jù)最近智能硬件眾包平臺快包平臺發(fā)布的幾個伺服控制器項目，與大家探討伺服控制技術(shù)。

據(jù)平臺工作人員介紹，上周一位南京的雇主發(fā)布了一個伺服電動螺絲刀控制器任務(wù)，其中電機(jī)及其驅(qū)動設(shè)計已經(jīng)完成，要求服務(wù)商設(shè)計制作控制器，該控制器實現(xiàn)如下控制：帶5寸以上彩色顯示屏，帶觸摸操作功能；有急停按鍵及運行、停止按鍵；控制螺絲擰緊過程等要求，發(fā)布之日，申請人數(shù)達(dá)十五人。

本文介紹一種進(jìn)給伺服系統(tǒng)，通過它的原理與應(yīng)用，讓更多的人了解伺服控制技術(shù)的真諦。

進(jìn)給伺服系統(tǒng)是一個典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)，主要由以下幾個部分組成：位置控制單元、速度控制單元、驅(qū)動元件(電機(jī))、檢測與反饋單元和機(jī)械執(zhí)行部件。

進(jìn)給伺服系統(tǒng)各模塊(單元)之間的聯(lián)系。從調(diào)節(jié)原理的角度，進(jìn)給伺服系統(tǒng)是一種精密的位置跟蹤與定位系統(tǒng)，按其位置環(huán)路的開放與否，可以分為開環(huán)與閉環(huán)兩種，其中閉環(huán)系統(tǒng)按其位置檢測元件的安裝部位又可分為：全閉環(huán)與半閉環(huán)兩種。全閉環(huán)的位置檢測元件安裝在進(jìn)給傳動鏈的末端，半閉環(huán)的位置檢測元件安裝在進(jìn)給傳動鏈中的某個傳動元件上。

如果說CNC裝置是數(shù)控裝備的“大腦”，是發(fā)布“命令”的“指揮所”，那么進(jìn)給伺服系統(tǒng)則是數(shù)控裝置的“四肢”，是一種“執(zhí)行機(jī)構(gòu)”。進(jìn)給伺服系統(tǒng)忠實地執(zhí)行由CNC 裝置發(fā)來的運動命令，精確控制執(zhí)行部件的運動方向、進(jìn)給速度與位移量。

通常在數(shù)控機(jī)裝備往往需要對多個運動部件進(jìn)行控制，如：數(shù)控車床一般有兩個進(jìn)給軸，數(shù)控銑床一般有3個進(jìn)給軸，加工中心則有更多的進(jìn)給軸(包括直線軸或回轉(zhuǎn)軸)。這些進(jìn)給軸有的帶動裝有工件的工作臺運動，有的則帶動裝有刀具的刀架(如車床)或主軸箱(如銑床等)。每個進(jìn)給軸均是一個進(jìn)給伺服系統(tǒng)。多個進(jìn)給伺服系統(tǒng)問的配合和協(xié)調(diào)，是通過CNC 裝置(以指令的方式)實現(xiàn)的。通過多個進(jìn)給伺服系統(tǒng)的協(xié)調(diào)，可使刀具相對于加工工件產(chǎn)生復(fù)雜的曲線運動，加工出復(fù)雜形狀的工件。

開環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)工作原理

開環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的原理與圖1相似，只是沒有檢測與反饋單元(包括相應(yīng)的位置和速度檢測元件)，驅(qū)動電機(jī)只能用步進(jìn)電機(jī)，因為通過脈沖既可以控制其速度(脈沖的頻率)，又可以控制其位置(脈沖的個數(shù))。

開環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。


系統(tǒng)接受來自CNC插補(bǔ)指令，即該軸在插補(bǔ)周期內(nèi)的位移量，按該系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量，將位移量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖個數(shù)n 和脈沖頻率，輸出給脈沖環(huán)形分配器，由它將脈沖逐一分配給步進(jìn)電機(jī)各相的驅(qū)動電源，經(jīng)其放大后驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)運行。

閉環(huán)和半閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的工作原理

閉環(huán)和半閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)所使用驅(qū)動電機(jī)通常是直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)。由于這類驅(qū)動電機(jī)只能控制其速度，不能控制其位置，當(dāng)用于位置控制系統(tǒng)時，只能采用閉環(huán)或半閉環(huán)控制，不能用于開環(huán)控制，所以系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要比開環(huán)的復(fù)雜。

系統(tǒng)接受來自CNC 插補(bǔ)指令，即該軸在插補(bǔ)周期內(nèi)的位移量，并以該位移量和由檢測與反饋單元測得的執(zhí)行部件的實際位置值，作為位置控制單元的輸入，經(jīng)過比較器比較，即得位置跟隨誤差：

跟隨誤差=位置指令值-實際位置值

以跟隨誤差為位置控制調(diào)節(jié)器的輸入，按給定的調(diào)節(jié)規(guī)律(P、PI、PID 或其他方法)計算出速度指令值，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換(D／A)后變成速度指令電壓，該電壓即為速度控制單元的一個輸入量。

速度控制單元以位置控制單元輸出的速度指令電壓和由檢測與反饋單元測得的實際速度值為輸入，經(jīng)過比較器比較，即得速度跟隨誤差：

速度跟隨誤差=速度指令電壓-實際速度電壓

以速度跟隨誤差為速度調(diào)節(jié)器的輸入，按給定的調(diào)節(jié)規(guī)律進(jìn)行調(diào)節(jié)可得出伺服電機(jī)控制電壓，該電壓根據(jù)伺服電機(jī)的不同將變換成不同形式的電量，并經(jīng)過放大后輸出以控制電機(jī)的運行。

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