数控机床进给交流伺服系统 的周期优化研究fs2.chuandong.com/upload/files/20131014/8D3A1641E0242487.pdf · 4 交流伺服控制系统周期优化的实现 4.1...

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摘要：交流伺服电机轴上往往加装光电编码器测量电机转子的位置以实现速度和位置闭环控制。光电编码器存在与分辨率相关的量化误差，在零速附近的范围内，量化误差造成测量死区和控制死区，影响系统的控制性能。在对测量苑区的机理进行分析的基础上，提出采样周期优化方法，即在低速范围内增加采样周期时间来减少测量死区和控制死区。在模型机实验研究中将采样周期规划为在2000～20r/min速度范围内，速度环采样周期为0.5ms，在20～10r/min速度范围内，速度环采样周期为1ms，在10～0r/min速度范围内，4速度环采样周期为2ms，从而使速度测量死区从11r/min降低到3r/min，满足了系统控制要求。

文章编号:130111

华南理工大学自动化科学与工程学院 黄钟 皮佑国

数控机床进给交流伺服系统的周期优化研究Reserach on Period Optimization of Feeding AC Servo System in Numerical Control Machine

1 引言交流伺服系统越来越广泛地应用

于雷达、机器人、数控机床等领域。

交流伺服电机轴上往往加装位置监测

装置来测量电机转子的位置。其作用

为：（1）提供转子位置信号以便配

置旋转磁场；（2）生成转速反馈信

号实现转速闭环控制；（3）坐成位

置反馈信号而实现进给位置控制。常

用的位置测量元件有旋转变压器、感

应同步器、磁式编码器、光电编码器

等。由于光电编码器具有精度高、抗

干扰能力强、工作可靠性好、接口简

单、体积小、重艟轻和易于维护等优

点，因而在雷达、机器人、数控机床

等领域获得了非常广泛的应用。根

据其刻度方法及信号输出形式，

光电编码器可分为增量式、绝对式以

及混合式3种，而增量式编码器因其

结构简单、价格低廉而得到广泛应

用。由于光电编码器的本质是机械数

字传感器，其模拟量转换成数字量存

在量化误差，误差的大小取决于编码

器的分辨率。

高性能的伺服系统对低速性能提

出了较高的要求，而在低速条件下，

固定采样周期，不同分辨率可以获得

不同的控制性能。而在相同分辨率的

编码器条件下，可能获得较好的控制

性能，而在低堡封一个采样周期内可

表3 数控机床的球杆仪诊断表

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能无法获取一个完整的脉潞币影响系统的控制性

能。本文研究通过对采样葡韵进行规划，改变交

流伺服系统的采样周期和堇铡周期来获得较高的

控制性能。

2 低速时速度测不准机理研究增量式编码器通常以互补脉冲形式输出相对

匿置信号，随着编码器分辨率的提高，脉冲频率

将睦之增高，过高频率的脉冲信号将给处理和传

输营来困难。对于脉冲编码器分辨率的选择，主

要是根据位置精度要求来决定的。

众所周知，交流伺服电机常工作在频繁启

停和正反转的工作状态。脉冲编码器的量化误差

为1个脉冲，在低速状况下，1个采样周期内脉冲

的量化误差造成的相对误差可能很大，带来的后

果就是转子位置信息的准确度降低。采样周期为

0.5ms，编码器分辨率为6000pulse/r，在不同速

度下系统读取的脉冲数及量化误差如表1所示。

由表1可见，在低速时，系统的量化误差造成

昀相对误差很大，在一个采样周期内，转速低于

lOr/min的情况下，脉冲编码器根本没有完整的客

冲输出，即存在测量死区，这一测量死区必然造

霞控制死区，使系统的控制性能下降。

3 采样周期的优化根据香农采样定理，为了不失真地恢复原信

号，采样频率不应该低于信号最高频率的2倍。时

编码器脉冲信号的采样也必须满足上述原理才巍

够不失真的将脉冲信号从电路中读取出来。

从表1我们得知，单独对编码器的输出信号注

行检测必然会存在较大的量化误差。而增量式编

码器的输出包含两路相差90°相角的脉冲信号，

如果先对这两路信号进行4倍频和辨向处理，则会

有效地减少表1中的量化误差。处理后，系统能够

读到的增量式编码器的最小脉冲单位为四分之一

个脉冲。对编码器处理后得到的4倍频信号和方向

信号如图1所示。

表2列出电机低速范围1～10r/min时不同采样

周期对分辨率为6000pulse/r的编码器脉冲4倍频后

的脉冲数。

由表2可见，系统能够读取的脉冲数量随采样

周期时间的增加而增加，在满足香农采样定理的

条件下，低速时可以采用增大速度环采样周期的

方法来减少反馈量的相对误差，减少控制死区。

当采样周期固定为0.5ms时，在转速为IIr/min时，

编码器脉冲数为2.2个，此时状态机能够接收到一

个脉冲，因此正好能够得刭此时的转速。

在满足采样定理和伺服系统的性能要求的前

提下，为最大限度的保持脉冲信号的完整性，应

尽可锯使采样周期大，因此对速度环采样周期做

如图2所示的周期规划。速度在2000r/min到20r/

min范围内，速度环采样周期为0.5ms，在20r/mln

到10r/min速度范围内，速度环采样周期为1ms，

在速度在10r/min到0r/min范围内，速度环采样周

期为2 ms，速度环死区范围从10r/min减少到3r/

min。

4 交流伺服控制系统周期优化的实现4.1 周期优化的编程实现

交流伺服系统结构框图如图3所示。该系统为

位置、速度和转矩的三闭环系统。其中位置环由

CNC实现，速度环和电流环由伺服驱动实现。速

度指令由CNC给出，编码器的信号送到CNC作为

位置反馈信号。

为了实现周期优化，涉及到的范围如图4所

示，必须相应地进行处理，主要内容如下。

（1）对CNC发来的速度指令进行累计。

表1 不同转速下量化误差 表2 在不同采样周期、转速下的脉冲数 图2 速度环采样周期规划

图1 对编码器输出信号的处理

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CNC的指令是按照原来确定的速度环控制周期发

来的，即CNC的周期仍然是0.5ms，那么在低速

段，在1个速度采样周期内CNC有可能发2次或4次

指令，这些指令要进行累加，并在下一个周期执

行，以防止指令丢失。

（2）反馈给CNC的位置量，也必须进行处

理，方法是将1次读出的量分配成2次或4次报出。

（3）由于速度环采样和控制周期变长了，对

电流环的指令也可按照变化趋势进行一些分配处

理。

对图3所示系统按照图2进行周期规划，并处

理好上述相关任务就实现了采样周期优化。

4.2 实验及结果分析实验在某公司型号为XKHL650的立式数控铣

床上进行。铣床进给伺服电机采用日本三洋公司

的PI系列电机，铭牌参数为：额定功率2kW，额

定电流9.5A，额定转速2000r/min，编码器分辨率

6000pulse/r，转矩11.6N.m。伺服驱动器自行开

发，包括控制板和功率驱动板。其中控制板采用

TI公司的DSP芯片TMS320F2812和ACTEL公司的

FPGA芯片A3P400。功率驱动板采用日本三菱公

司生产的PM100RLIA060作为开关元件，其最大

开关频率可达到20kHz。

实验分2步进行。

第1步，数控机床下电机的速度和转矩波形

对比。在同一台机床上，同样的加工程序，

对某一个轴上的伺服电机施加一定的速度指令信

号。速度给定为±3r/min时，优化前后电机速度反

馈如图4所示。速度给定为180r/min时，优化前后

在零速附近电机转矩反馈加图5所示。

（a）周期优化前

（b）周期优化后

（a）周期优化前

（b）周期优化后

从图4和图5可以看出，速度采样死区是造成

控制死区的主要原因。

由图4a可见，速度反馈波形完全失真，因为

运动系统是一个惯性系统，速度不可能跃变，而

反馈的波形明显处于不断的跃变过程，其原因就

是上面所分析的，设第尼个周期的起点正好与编

码器脉冲起点相同，则在k+l，k+2，k+3各周期

内，电机转子所转动角度都不到一个脉冲，在第

k+4个周期采样时，电机转动超过1个脉冲（2个脉

冲的上升沿）。状态机上读到1个脉冲。

从速度采样波形可见，波形能够反映电机正

反转的运行状态，在电机反向过零时仍然存在死

区，但已经有很大程度改善，是否需要进一步减

少死区，需要根据实际的要求确定。

图5a是反向运行时的转矩波形，从图可见电

机反向时存在转矩过冲，这一过冲就会造成加工

性能变差，在数控机床中直接影响加工零件的光

洁度。

优化前伺服系统的低速测速存在的测速死区

在优化后得到了较好的解决，同时可以观察到，

在反向的时候，转矩的过冲也变小，这对于改善

加工工件的光洁度具有重要作用。

机床的反向跃冲可以检测伺服系统和机床整

体的动态特性，反向跃冲越小，说明伺服的响应

速度越快；伺服不匹配的误差量越小，则说明机

床各轴之间的联动性越好，对负载的扰动变化响

应越一致。圆度则说明了机床运行轨迹为半径是

100mm的圆时，正反方向半径的最大误差，误差

值越小表明数控机床加工工件的性能越高。

5 结论电机转子位移是连续变化的，采用光电编码

器测量转子的位移必然存在量化误差，其大小与

该编码器的分辨率相关。在零速附近的低速区，

量化误差引起相对误差增大，甚至1个周期内位移

不到1个脉冲，这就造成测量死区和控制死区。控

制死区会造成系统性能变差。

图3 数控机床进给交流伺服系统结构框图 图4 电机在±3r/min时的速度反馈 图5 电机转矩反馈

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