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数控机床进给伺服系统的性能评估与改进
李佳特
北京机床研究所,北京,
摘要本文介绍伺服系统在数控加工中的作用以及伺服系统的主要性能指标。并根据这些性能指标评估何服系统。另
外也讨论伺服系统的选择和提高伺服系统性能的一些措施
关锉词进给驱动,伺服系统,桂指标
伺服系统的主要性能
一般数控机床采用的进给驱动伺服系统结构如图所示。经处理后给伺服系统的信号为机床
移动指令和速度,实际机床移动为和速度
位
卜一」尸月一一一一一一一一,一一一一一,
前
实际机床
处移动的距
理后的机离为和
床移动指速度
令爵渭豁


图
伺服系统最重要的功能是保证输出的速度和距离准确复制输入要求。从图看出,为了保证实现
这个功能,数控机床的伺服系统基本包括电流控制环,速度控制环和位置控制环三环控制的系统。电流
环保证伺服系统的电流在动态时为最佳波形速度环和位置环保证伺服系统在任何时刻的输出速度和
位置准确复制输入信号要求的速度和位置。评估伺服系统往往从系统的静特性、动特性出发本文从
下面几个具体指标对伺服系统的性能进行评估。转矩今
输出特性的要求它是指被控制的伺服
电机和驱动器静特性,根据这个特性,判断在下’”’二’”’“··。··
要求的速度范围内是否具有足够的输出转矩以带动一
负载。是否有足够的过载倍数使机械负载启动。电
断续作区
机的特性如图所示。一般伺服电机以转矩作为主
要参数。连续工作的转矩不得超过连续工作区。在
起制动及加减速时不得超过断续工作区。图是在连续工作区
第象限的情况。为了能反向和在制动下工作,伺
转速。
服系统还需要具有四象限作的特性。
田
图
系统的动态特性它是描述系统在输入的作用下,输出随时间变化的情况。
电流控制与速度控制的动态特性
速度和电流控制,有数字和模拟两种控制方法。可分别采用离散和连续的数学方法分析。工程上
为了简化分析,根据香农定理,选择数字系统的采样频率,设为数字系统的采样频率,,为数字
系统信号频谱中的最高频率。这样系统就可以按连续系统,用拉普拉斯传递函数的方法分析。
肠
采样周期为采样频率的倒数,即那么如何确定数字系统信号频谱中的最高频率以电流
环为例,当忽略反电势作用时,电流环由电流调节器、功率放大器、电机绕组电流产生电路、电
流反馈组成绕组的电时间常数一般为几十到几百的数量级,相应采样周期数量级和一般使用的功
率模块如下表所示
采样周期三
相应电路,功率智,功率,功率晶可控硅整流
能模块智巨模块体管器
为了分析速度系统, 把电流环近似为由于伺服电机的轴端施加负载,所以伺服系统的动态特
性受负载,包括阻尼和惯性负载的影响。为了提高系统的动态性能,算法是工程上经常采用的方
法,速度环经常采用的有①和②两种控制方式。用这部分作为图虚框中速度控制部分。本质上,
与都是比例一积分的关系。但控制软件处理的顺序是先比例、后积分,着重于比例而控制
软件处理的顺序是先积分、后比例,着重于积分。


图
①控制如图,为比例积分控制,其中为比例增益,为积分增益,为电机转矩系数,
为伺服电机轴卜的惯量,表示数学上的