以光栅为测量元件的7360CNC伺服系统

1.软件部分

7360伺服系统是采用软件中断来实现的，在每一中断周期结束之前，插补软件算出下一周期坐标轴的位置增量，当每一中断周期开始时 ，位置控制程序对坐标轴的实际位置进行采样 ，将采样值与插补软件产生的增量命令进行比较，算出跟随误差，该跟随误差经计算机接口送到位置控制输出组件，由位置控制输出组件拖动工作台移动，从而实现伺服控制。7360系统的中断周期(或称采样周期)T=10.24ms，在整个10.24ms中断周期中，计算机输出的指令信号维持不变。

7360伺服控制软件的工作主要包括跟随误差的计算、进给速度指令的计算和进给速度的监控。

1) 跟随误差的计算

从理论上讲，跟随误差为指令信号要求工作台移动的位置(简称指令位置)和工作台实际移动位置之差，即跟随误差=(指令位置值)-(实际位置值)

但实际上为了计算和控制方便，按采样周期的增量方式进行计算，计算公式为

           (5—8)

式中E_i-1——上一次10.24 ms迭代中所计算的跟随误差；

E_i——本次迭代中所计算的跟随误差；

D_Fi——本次迭代中所读取的在上一次10.24 ms中运动的实际位置增量；

D_Ci——上一次迭代末为本次10.24 ms周期算得的坐标轴位置增量。

在图5-47中这种关系是很清楚的。设在t_i时刻开始进行第i周期的迭代计算，这时的已知条件是：

图5-47 跟随误差的计算

第i-1周期中算出的跟随误差(A是t_i-1时刻命令位置，A是实际位置)，第i-1周期中插补程序所插补出下一步命令位置为B点。所以为第i周期提供的位置命令增量是。从t_i-1时刻到t时刻，工作台由点A运动到点B，采样可得的实际运动增量为。t₁周期开始时工作台的跟随正是命令点B和实际点B之差，即

       （5—9）

在稳定状态下，E=E_i-1，工作台以恒定速度进给。

2) 位置环增益K_v的控制

位置环增益，也就是在鉴相系统中提到的系统进给速度放大系数，是机床伺服系统的基本指标之一，它不仅影响着系统的稳定性、系统刚度、静不灵敏区，还影响着机床工作台的进给速度和稳态误差。在CNC伺服系统中，利用软件可以对位置增益K_v进行调节控制，以实现伺服系统时刻处于最佳增益工作状态。

根据自动控制理论，计算机数字采样控制系统与相应的连续系统有着完全相同的阶跃响应和斜坡响应，当系统以匀速斜坡R(t)=v_t输入时，系统的稳态误差为一常量E，且有

E=v/K_v       (5—10)

而

K_v=K_CK_DK_MK_A

式中 K_C——计算机的控制增益；

K_M——驱动速度回路增益；

K_A——测量组件增益；

K_D——数模转换增益，其式为

K_D=K_NK_DA

其中 K_N——为了实现数模转换器的整个数值范围而引入的比例系数，在7360系统中取K_N=0.46；

K_DA——实现数模转换器的增益，7360系统使用13位的D／A转换器，相应于其饱和数字量8191的模拟电压输出为9 V，K_DA=9/8191=0.001V数字单位。

式(5-10)说明，当向某坐标轴输入位置命令R(t)=v_t，要求某坐标以恒定的进给速度v进给时，该坐标轴实际的速度与指令进给速度v一致。但二者的瞬时位置有一定的偏差，这就是斜坡响应的稳态误差E，即系统的跟随误差。图5-48是输入系统的斜坡R₀(t)和响应系统C(t)之间的关系图。

图5-48 反馈系统稳定误差

由关系式v=K_vE可知，系统K_v的越大，较小的跟随误差就足以引起较大的速度。另一方面，由关系式E=v/K_v可知，当输入的速度命令为一定时，位置增益K_v愈大，坐标轴在跟随命令过程中形成的跟随误差愈小。在轮廓加工中，跟随误差在轮廓上产生一个实际的误差。因此，希望提高增益保证较高的轮廓精度。但是，当坐标轴快速移动时，希望有较高的速度以提高机床的利用率。为了取得较高的速度，又要保证速度变化的平稳性，要求适当降低系统的增益，以增大跟随误差。用计算机可以容易地进行变增益的控制，使系统在两种不同的工作条件下都具有最佳的增益。7360系统通过用软件程序改变K_C值实现了两种工作条件的增益K_v变化的控制。

3) 进给速度指令(数字量)的计算

如上所述，进给速度v的表达式如下：

       (5—10)

系数K_DN，K_M和K_A部分由硬件设计确定，而软件须要完成对跟随误差乘以K_CK_N的处理，我们把软件计算结果V_DA称为进给速度的数字量，它由计算机发送到位置输出组件的D/A缓冲器，其值为

          (5—11)

V_DA的计算分两步进行：

首先根据当前跟随误差所在的工作区域，计算V_D值：

轮廓区：

        (5—12)

快进区：   

        (5—13)

式中  E_BP——增益转折点的跟随误差；

α——控制增益减小率，K_C常取1，而α值常取为1/2，1/4。

接着，计算出，便可以向位置输出组件发送进给速度指令(数字量)了。发送到位置控制输出组件的数字量经过数模转换后，变为0~9V的速度指令模拟电压。

4) 进给速度的监控

在CNC闭环系统中，如果发生位置反馈回路断开故障时，系统实际上成为开环状态，没有位置反馈增量从命令中减去，跟随误差会累积得越来越大，直到溢出，以致引起过量的进给速度而造成事故。当驱动装置失速时，也会发生累积误差引起的速度冲击振荡。为了避免这些现象发生，软件设置了两级速度保护。图5-49是跟随误差与进给速度的关系图，图中折线上的S点称为进给速度抑制点，M点称为过量速度控制点。

图5-49 跟随误差与进给速度的关系

 (1) 进给速度抑制点S。对应于这一点的进给速度为最大编程进给速度 (快进速度) 的1.05倍。当伺服软件检测到计算出来的进给速度指令v_D大于此对应的v_D时，自动将进给速度调整设定值减小一半，从而使插补程序中步长值下降一半，限制了进给速度，并同时显示报警信息，通知操作者处理。

(2) 过量进给速度控制点M。对应于这一点的进给速度值为最大编程速度的1.1倍，由此点的v_D计算出来的进给速度指令数字量v_DA等于或接近数模转换器的最大容量。当伺服软件检测到计算出来的进给速度指令v_D大于或等于此点的v_D时，自动使系统进入紧停状态，即停止各坐标轴的进给运动，停止零件程序的运行，并显示出错信息。

2.硬件部分

1) 位置控制输出组件

位置控制输出组件将工业处理机输出的以数字形式表示的跟随误差(一般为二进制数)转换为驱动执行元件需要的电压信号。它包括数字模拟转换和驱动放大环节两部分。

(1) 数字模拟转换。7360系统使用的是一专用的数模转换器，由于目前已有许多功能完备的数模转换器供实际应用选择，对于7360系统的专用数模转换电路在此不再进一步介绍和分析。

(2) 驱动放大环节。不同的执行元件，须要配备不同的驱动放大环节。7360系统配备有供液压伺服阀使用的伺服放大器和供直流电机使用的电压驱动放大器。图5-50为执行元件是液压伺服阀时的伺服阀放大线路图。它由五部分组成，即指令信号的电压放大器、脉冲信号发生器、伺服阀控制放大器、伺服阀饱和检测器以及测速反馈校正回路。其中测速反馈校正回路是为了提高系统的稳定性而设置的速度、加速度并联校正装置，伺服阀饱和检测器是为了对伺服阀以及整个伺服系统安全保护而设置的。

图5-50 伺服阀放大线路图

2) 位置检测组件

位置检测组件由三部分组成：光电耦合器、鉴向倍频线路及计数器。图5--51是位置检测组件原理框图。

为了提高系统工作的可靠性，在光栅读数头和鉴向倍频线路之间，用光电耦合器隔离滤波，即图5-51中的“A通道”和“B通道”。信号由机床向数控装置长距离传送过程中，可能产生干扰脉冲，通过该线路后，可把它们基本滤掉。由于接线不可靠或其他原因丢失脉冲时，该线路也可以识别出来，并且产生或的报警信号。图5-52是该线路的原理图。

位置检测组件的另一个重要组成部分是鉴向倍频线路，关于鉴向倍频线路，已在第四章作过介绍，这里给出另一个鉴向倍频线路及其工作波形图，其工作原理与鉴向倍频线路类似，读者可自己分析。

图5-53是该鉴向倍频线路图。图中元件69是一个四位的并行移位寄存器(SN7495N)，其内部是4个触发器。4个触发器的触发端连在一起，即元件69的SL端，A₁~D₁是4个触发器的输入端A₀~D₀是输出端。93和77号元件是两块将BCD码(二—十进制码)译为单十进制码的译码器。1和2的状态决定着UP和DN的输出脉冲频率，当时。从UP或DN送出的脉冲的频率为输入信号CHA或CHB的两倍；当时，从UP或DN得到的是四倍频的脉冲。图5-54是鉴向倍频线路的工作波形图。

图5-51 位置检测组件原理框图

图5-52 光电耦合器和识别线路

图5-53 鉴向倍频线路

(a)CHA超前CHB时                      (b) CHA滞后CHB时
图5-54 鉴向倍频线路工作波形图

除上述线路外，位置检测组件上还有一个保护电路。它接收来自测速电机速度信号和鉴向倍频线路输出的脉冲频率信号，并在D/A比较器中进行比较。如果两者所表示的机床丝杠旋转速度相同，说明检测元件和测速电机工作正常，伺服系统继续工作。若两者不相同，说明检测元件及其信号处理线路或测速电机及其信号处理线路出现故障，将造成伺服系统位置环或速度、加速度并联校正装置开路，引起伺服系统控制失误。这时，保护电路一方面产生报警信号，使指示灯亮，另一方面通过控制机床继电器线路，使工作台紧停。