《机电一体化教学设备电气控制部分设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机电一体化教学设备电气控制部分设计.docx（37页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第37页 共37页目录目录1摘要3摘要：31.绪论51.1 课题研究的意义51.2 课题研究的目的61.3机电一体化系统概述62 系统设计92.1机电一体化实验教学设备总体结构92.2控制系统的总体方案确定103 控制系统硬件结构设计123.1 控制系统组成结构及分类123.1.1 控制系统组成结构123.1.2 控制系统的分类133.3 PMAC硬件结构及软件设计153.3.1 运动控制卡153.3.2 硬件结构特点173.3.3 软件控制特点183.3.4系统控制环调整193.3.5 PID调整原理简介223.3.6 差补原
2、理233.4机电一体化系统检测元件选择243.4.1 数控机床测量系统的分类与特点243.4.2 常用的测量元件253.4.2 码盘、光栅尺的选择273.4.2 编码器测速原理及保证回零精度的工作原理273.5 伺服电动机设计293.5.1 交流伺服电机的分类和特点293.5.2 交流伺服电机的控制方式303.6 系统电气电路的设计与实现313.7控制系统的具体配置324. 结论335.参考文献346致谢35摘要本设计的主要工作是对机电一体化教学设备的控制系统的设计，由于教学设备属立式加工中心范畴，故此次设计以对加工中心的设计方法及步骤为主线展开设计，包括控制系统总体设计，系统软、硬件的选择，
3、系统的调试等内容。设计配置如下：信息处理和控制由美国Deltatau公司的PMAC（可编程多轴运动控制器，型号为PMAC2A-PC104，）完成；驱动元件为日本富士伺服驱动器（200W），执行机构是它的配套电机；机械本体为一个两维的X-Y工作平台，是工业应用中最典型的控制对象之一；反馈用检测元件为光栅尺。关键词：PMAC运动控制卡；系统控制环；检测元件；光栅尺AbstractThe design of the main work is the integration of teaching equipment, electromechanical control systems design,
4、 As teaching equipment is the vertical machining center areas, herefore, the current design of the processing center, the design method and steps to design the main line, including the control system design, System software and hardware choices, the system debugging content. Design configuration is
5、as follows : Information management and control of the company by the United States Deltatau the PMAC (programmable multi-axis motion controller, Model for PMAC2A - PC104), completed; Driver components for Japans Fuji servo actuator (200W), the executing agency is supporting its motor; Ontology mach
6、inery for a two-dimensional X-Y platforms, Industrial Application is the most typical one of the control object; Feedback detection components for grating feet. Keyword: PMAC sport controls card; The system controls wreath; Examine a component; Light grid Chinese foot1. 绪论1.1 课题研究的意义机电一体化技术是一项将机械、电子
7、等技术有机结合综合运用的新兴技术。该技术主要涉及精密机械、自动控制、检测传感、信息处理、伺服传动、计算机等相关领域，是高等学校教育和职业学校培训的重要内容。机电一体化技术的日新月异使高等学校和职业学校在教学实践上面临着新的挑战。传统的机电一体化教学理论教学内容很多，而学生实验很少甚至没有，即使有也是针对于使用和操作机电设备，学生缺少在实践动手中联系理论知识的机会。比如讲到伺服控制中的三环：位置环、速度环、电流环的理论知识，老师讲了很多，但学生却缺少相应实验自己去操作从感性上认识加深这些理论知识，这样就使得毕业生走上社会以后面临重重困难，难以适应工作岗位的具体要求。很多学校传统的实验教学采用的模
8、式是购买一些数控及机电一体化的机床，然后让学生参观或在上面进行简单的零件加工实验。这种实验教学方式当然可以在一定程度上培养学生学习的兴趣和动手操作能力，但这些实验很难让学生深入的掌握到机电一体化技术的核心内容，理论联系实际远远不够，因为没有一所学校开实验课会让学生把成套的数控设备拆散然后在分成各个环节刨析其中的重要技术细节。为了达到在机电一体化实验教学中充分实现理论联系实际的教学目标，让培养出来的学生不仅仅只是一个会开数控设备的操作工，而成为一个在机电一体化技术方面有所特长的人才，设计机电一体化教学实验台尤为重要，本次设计的课题就是机电一体化教学用实验台的电气控制设计。该机电一体化教学设备的特
9、点是：1、去除真实机电一体化设备中的一些辅助器件和辅助功能，但机电一体化技术中各环节的核心仍然采用真实的工业器件和先进的技术，比如运动部件仍然采用真实数控设备采用的直线导轨和丝杠，但去掉了润滑等辅助设施；用一只笔代替了加工工件的刀具；使用工业场合真实应用的伺服驱动和电机，但却不将这些全部封闭而让学生可以直接操作连接等等。这样做既减小了设备体积，增加了安全性和灵活性，又不象一些塑料教具（类似玩具）不能给学生以工业应用的真实感觉。2、整个设备采用开放式的数控结构，这也是当今数控的流行趋势，学生使用后可以举一反三，一劳永逸，深入理解机电一体化技术的各个关键部分。3、设备的硬件核心均采用世界上领先成熟
10、的技术，比如控制器采用在运动控制界享有很高声誉的美国Deltatau公司的PMAC（可编程多轴运动控制器），交流伺服采用日本松下的伺服驱动器和电机等等。4、该设备体积小功能全，可以开展多项实验课程，而且可以作为项目开发的实验平台，解决既不能靠纯软件仿真解决又不能在（或没有）真实设备上直接操作的棘手问题，一机多用。5、设备本身安全方便，经济可靠，除了做为学生实验的教具还可以用做为工业企业员工的培训设备。1.2 课题研究的目的本课题研究的目的就是为了方便学生进行以下实验：1伺服电机转矩控制实验2全闭环调整实验3PVT（厄米特样条）插补实验4半闭环系统和开环系统的精度比较5垂直度测量及软件修正安装误
11、差实验1.3机电一体化系统概述机电一体化技术涉及到传感器技术、信息处理技术、自动控制技术、伺服驱动技术、精密机械技术、计算机技术等关键技术。典型的机电一体化系统包含以下几个部分：图 1-1 机电一体化系统组成（1） 信息处理与控制系统：信息处理及控制系统接收传感与检测系统反馈的信息，并对其进行相应的处理/运算和决策，实现要求的控制功能。本课题研究的机电一体化实验台中，信息处理及控制系统主要是由计算机的软件和硬件以及相应的接口所组成。硬件包括输入输出设备、显示器、可编程控制器（PLC）和数控装置等。本机电一体化实验台要求信息处理速度高，A/D和D/A转换及分时处理时的输入输出可靠，抗干扰能力强。
12、（2）驱动元件系统：按照系统的要求，为机电一体化产品提供能量和动力功能，去驱动执行机构工作，以完成预定的主功能。本机电一体化实验台采用的是富士公司的伺服电动机作为动力驱动元件。（3） 执行机构系统：在控制信息的作用下完成要求的动作，实现机电一体化实验设备的主功能。执行部件为运动部件，本机电一体化设备采用的是机械机构，即电动机带动滚珠丝杠作X、Y方向的位移，以完成设备的主功能。执行机构是实现产品目的功能的直接执行者，其性能好坏直接决定着整个产品的性能，因而是机电一体化实验设备中重要的组成部分。（4） 机械本题系统：机械本体是机电一体化实验设备的基础，用于支撑和连接其他要素，并把这些要素合理的结合
13、起来，形成有机的整体。（5） 检测元件系统：在系统运行过程中将自身和外界环境的各种参数转换成可以测定的物理量进行测定，为系统提供运行控制所需的各种信息。本试验台的传感与检测系统的功能由是由传感器（即光栅尺）实现，对其要求是体积小、便于安装与连接、检测精度高、抗干扰能力强等。由上述5个组成部分在工作时的相互协调，共同完成所规定的目的功能。综上所述，本课题所面临的关键技术有：传感器技术、信息处理技术、伺服驱动技术、自动控制技术、精密机械技术等。其中，信息处理技术是否能及时、准确的处理工作过程中各种参数和状态以及自动控制有关的信息输入、识别、变换、运算、存储、输出和决策分析等，直接影响到系统工作的质
14、量和效率。在机电一体化实验台中，实现信息处理技术的主要装置是控制信息处理器（即控制计算机）它能控制和指挥整个产品的运行，是本机电一体化设备的核心。驱动器主要是执行元件和驱动装置驱动器一方面通过接口电路与控制单元相连，接受控制系统的指令；另一方面，通过机械接口与机械传动与执行机构相连，以实现规定的动作，因而驱动器直接影响着本机电一体化实验设备的执行和操作，对产品的动态性能、稳定性能、操作精度和控制质量等产生决定性的影响。因此控制信息处理器和驱动器是本机电一体化设备组成要素中紧密相连的两大核心部分。2 系统设计2.1机电一体化实验教学设备总体结构本课题设计的AC-200型交流伺服教学设备是一款多功
15、能机电一体化教学设备。如图21所示。其实质为数控铣床，有X，Y两个直线运动坐标，即工作台承担运动功能为纵向（X轴）和横向（Y轴）两个方向的移动，由两个伺服电机分别控制。它能够使工件在一次装夹后完成安装面和顶面以外的其余四个面的加工，最适合箱体类工件的加工。图21 系统实物图2.2控制系统的总体方案确定根据一般数控铣床的结构组成以及教学设备的特点，本机电一体化教学实验台的控制系统组成应包含运动控制器、实验机柜、操作平台及相关软件、资料和电缆等元件。由计算机编制程序，控制器对伺服驱动器发出指令进行控制，同时检测元件对精密平台进行监测，从而实现零件的加工。控制系统如图22所示。由上图可知，PMAC-
16、104控制器是本套系统的核心部件，它包含有伺服运动控制及I/O点的过程控制功能。在运动控制功能中，由它发送控制指令，接受编码器或光栅的反馈构成闭环系统，并且通过串口通计算机通讯（可选USB接口）。本次设计的AC200型数控系统主要由PC机、运动控制卡、伺服驱动装置、检测装置等元件组成。下面就主要部件的作用作介绍：PC机 ：通过总线与运动控制卡通信，传输程序以及显示进程等。运动控制卡：运算控制功能，即向伺服系统发出指令并接受检测装置的反馈，根据反馈向驱动装置不断更新指令，以尽量减少机械误差；过程控制功能，即PLC逻辑运动控制；可与PC机通信；通过选用不同的附件和选项来发送不同的控制信号，控制不同
17、的电机；通过选用不同的附件和选项来接受不同类型传感器的不同反馈信号；选用不同的附件和选项来提升系统的各项功能，满足一些特殊要求。伺服驱动装置：接受运动控制卡发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动电路作转换和放大后，经伺服驱动装置（电动机）和机械传动机构，驱动实验台的工作台等执行元件实现工作台的进给。实验台的伺服进给系统与一般车床的进给系统有本质差别，它能根据指令信号精确的控制部件的运动速度与位置，以及几个执行部件按一定规律运动所合成的运动轨迹。检测装置：实验台的检测装置是是对实验台执行元件的实际位置进行测量，不断的将工作台的位移量检测出来并反馈给运动控制卡的装置。控制卡利用其本身的差补计算的
18、理论值与实际反馈的位置进行比较，以判断进给定位正确与否，同时辅助伺服系统达到更精确的进给定位，以弥补机械精度的不足。3 控制系统硬件结构设计3.1 控制系统组成结构及分类3.1.1 控制系统组成结构 数控系统由输入/输出装置、数控装置（CNC装置）、伺服系统（驱动控制装置）和机床电器控制装置四部分组成，机床本体则为被控对象，如图3-1所示。 图3-1 数控系统的组成框图数控系统按照外部输入的数控加工程序对工件进行自动加工。数控加工程序记载着数控加工所需的各种信息，主要包括零件加工的轨迹信息（如几何形状与尺寸）、工艺信息（如进给速度和主轴转速）和开关命令（如换刀和切削液开关等）。 输入装置将数控
19、加工程序及其它信息输入给数控装置，输出装置则负责将输出的内容和机床的工作状态显示出来。数控装置（CNC）是数控系统的核心。他的主要功能是解释数控加工程序并对揭示的结果进行各种数字计算和逻辑判断处理，最终将数控加工程序按两类控制信息输出：一类是高速轨迹信息（连续控制量）,送给伺服驱动装置。伺服系统位于数控装置华人机床本体之间，包括进给轴伺服驱动装置和主轴伺服驱动装置。前者主要对各进给轴的位置进行控制，后者主要对主轴的进给速度进行控制。机床电气控制装置也位于数控装置和机床本体之间，它接受数控装置发出的开关命令，主要完成主轴的起停和方向控制、工件的夹紧和放松、切削液的开关等辅助工作，又可编程控制器和
20、继电器、接触器组成。3.1.2 控制系统的分类按伺服系统分类数控系统可分为开环数控系统、全闭环数控系统和半闭环数控系统。 开环数控系统 这类数控系统无检测装置和反馈回路一般以步进电动机为执行元件，其框图如图3-2所示。数控装置输出的指令脉冲经驱动电路进行功率放大，转换为步进电动机各定子绕组的电流脉冲信号控制步进电动机的角位移、转速和转动方向，再经机床传动机构带动工作台移动。开环控制系统控制简单、稳定性好、价格低，但精度和速度受限制目前被广泛用于经济型数控系统和普通机床的数控系统改造。 全闭环数控系统这类数控系统带有位置检测装置直接检测工作台的位移，以直流或交流伺服电动机作为执行元件。数控系统将
21、工作台的实际位移与插补计算出的理论位移相比较，用两者的差值进行控制，驱动工作台向减少误差的方向移动其框图如图3-3所示。由自动控制原理可知，凡是被反馈通道所包围的前向通道中的所有误差均能被反馈所补偿，因此这种系统可获得很高的定位精度和移动速度。但前向通道中包括丝杠螺母夫、机床工作台等大惯性环节和带有机械传动间隙的非线性环节，使系统的设计和调试困难，稳定性难以保证。全闭环数控系统一般用于高精度或超高精度的数控机床中。 图3-2开环数控系统框图 图3-3全闭环数控系统框图 半闭环数控系统这类数控系统也带有位置检测及反馈装置，但安装在伺服电动机或滚珠丝杠轴端的编码器，只能检测到其角位移或转速，工作台
22、的位移要经过计算间接得到，数控系统也用实际位移与理论位移的差值进行控制，如图3-4所示。半闭环控制的优点：一是测量角位移的编码器要比测量直线位移的光栅尺便宜；二是控制闭环中不包括机床工作台等大惯性环节，使控制系统的环路短、刚性好、调试方便，容易获得比较稳定的控制特性。缺点是不能补偿闭环外的机械传动间隙、丝杠螺距误差等，使其综合控制精度不如全闭环控制系统。目前半闭环控制在普及性数控系统中被广泛采用。本系统采用的是全闭环数控系统，通过光栅尺、码盘等检测元件对控制卡进行位置反馈，从而使用运动控制卡对电动机的速度等参数实时的进行调节，将误差减少到最小！ 图3-4 半闭环数控系统框图3.3 PMAC硬件
23、结构及软件设计3.3.1 运动控制卡随着机电一体化技术的飞速发展，开放式的机电控制技术越来越多的受到业界的关注。开放式机电控制技术源于1987年，美国空军发表了著名的“NGC（下一代控制器）”计划，首次提出了开放式体系结构控制器的概念。该计划的重要内容之一就是提出了“开放系统体系结构标准（SOSAS）”。该体系结构的定义为：在竞争的环境中允许多个制造商销售可相互交换和相互操作的模块。机床制造商可以在开放系统的平台上增加一定的硬件和软件构成自己的系统。这种开放体系的结构有两种：1、CNC+PC主板，将PC主板插入传统的CNC机器中，PC主板主要运行非实时控制，CNC主要用来做以运动控制为主的实时
24、控制；2、PC+运动控制板，在PC机中标准总线槽中插入运动控制卡用来做实时控制。AC-200教学设备是基于后一种结构制作的。PMAC即Program Multiple Axis Controller（可编程多轴运动控制器）是由美国DELTA TAU公司生产的运动控制卡。该系列产品功能强大、稳定可靠、配置灵活，通过不同配置可以控制任何形式的电机以及接收市场上大多数位置及速度反馈元件的反馈信号，支持各种总线结构如ISA、PCI、VME、STD等等，并且提供了通过RS232或RS422串口同主机进行通讯的功能。PMAC实际上就是一台性能优良的专业用计算机，以Motorola 56300系列DSP C
25、PU为主要元器件加上外围电路和丰富优化的专业控制软件构成。该卡优秀的控制功能和良好的开放性特点包括以下几个方面：运动控制功能：运算速度快-每轴55s的伺服更新速度数据精度高-位置可到32位的数据精度、输出数据精度为16/18位内置丰富优秀的插补算法-直线、圆弧、PVT（位置速度时间）、三次样条插补算法，用以产生各种类型的运动轨迹良好的通用性-支持标准的机床加工代码G代码编程灵活、简练的运动程序语言-简便易学优良的伺服控制算法-PID+NOTCH滤波+速度/加速度前馈，并且支持用户自己的伺服控制算法过程控制功能（PLC逻辑顺序控制）：运算速度快-典型程序运行时间在59ms，较普通PLC快一个数量
26、级可容纳程序量大-216K字节存储容量（包含运动程序）程序语言简单易操作-类似高级语言，方便编辑存储和运行模块化管理-可分成32个PLC程序模块，并且可编译为PLCC，运行速度可提高2030倍，方便程序调用和管理数据交换功能及开放的接口：功能完善的动态链接库-提供200多个库函数，利用高级语言编程调用这些函数，使得同上位机交换数据非常方便简单易用的专用控件-同上位机交换数据更加简单，容易学习和掌握允许用户访问和使用卡上内存和寄存器地址空间硬件扩展功能、适用性及灵活性：通过多卡链接的方式可以控制多达128轴同时运动通过选用不同的附件和选项来发送不同的控制信号，控制不同的电机通过选用不同的附件和选
27、项来接收不同类型传感器的不同反馈信号通过选用不同的附件和选项来提升系统的各项功能，满足一些特殊要求CNC 运动控制卡是实现数控系统速度和位置控制的关键硬件。本数控铣床系统为三轴进给运动控制系统，拟用脉冲、方向的方式控制，只要控制卡技术指标能达到系统技术指标，价格合理均可采用。本课题采用的通用运动控制卡为PMAC2A-104开放式运动控制器。PMAC2A-104是一块四轴卡，总线形式为PC104，可以同时控制四个伺服电机或者步进电机联动。其配置及所具备的功能如下：40MHz Motorola 563000 DSP CPU4路D/A通道，用以发送模拟速度或转矩指令4路编码器反馈通道，可直接接收4路
28、增量码盘的反馈4路PWM信号输出，可输出脉宽调制信号和脉冲信号强大的运动控制功能、过程控制功能、数据交换功能3.3.2 硬件结构特点 图3-6 PMA卡原理框图图3-6画出了一块8轴PMAC卡的原理框图，由上图可以看到该控制卡实际上是一个非常专业的计算机，有自己的数字处理CPU，有大容量的存储介质包括EPROM，SRAM以及闪存等，数据地址总线为48位线宽，通讯方式有总线、串口、双端口RAM以及光缆等，由专用的伺服控制芯片（门阵列芯片）控制各种伺服电机的运动及接受编码器的反馈。上位机通过动态链接库及虚拟设备驱动程序同PMAC卡进行通讯。由于PMAC卡是以Motorola 56300系列DSP
29、CPU为主要芯片的，而该芯片是24位宽的双数据总线形式（这不同于现在个人计算机上的32/64位宽单数据总线），每一路的最大访问地址是16位，即从0000H-FFFFH，所以该卡的内存布局和访问方式有独特的地方，它分为两列X和Y列，其布局如下图3-7所示。3.3.3 软件控制特点PMAC的软件功能强大，分别包含以下几部分：参数、变量设置PMAC卡包含有一种控制参数I参数、三种用户变量M、P、Q。其中通过对I参数的设置来配置系统的功能，是系统中非常重要的部分；M变量是用户自己定义的，指向PMAC卡中的某一内存或寄存器地址，用户通过它来间接访问PMAC卡上的几乎所有资源；P变量、Q变量由用户随意使用
30、，为48位浮点变量，两种变量的区别在于P变量是全局变量，Q变量是坐标系内部变量（该卡支持多达16个坐标系）。以上参数和变量每一种都有1024个可供使用。I参数：分两类，系统级别和通道级别（所谓通道即卡中的每个电机控制通道）系统级别：设置卡的工作运行方式，100号以内，如参数I5用来控制PMAC中的PLC程序是否运行，等于2时开机PLC自动运行，等于0时开机后PLC不运行，需要手动指令使PLC运行。其它参数可以控制诸如卡的报错方式、伺服中断周期、串行通讯方式、缓冲区的开关及工作方式等。图 3-7 PMAC卡内存地址分布图3.3.4系统控制环调整在机电一体化系统中，为了获得良好的稳态特性和动态特性
31、，需要对系统的控制环进行校正和调整。在整个机电一体化系统中，它对系统的影响是巨大的，所以当系统的基本特性（包括机械传动、电机选型等）确立以后，系统的特性（模型）就确定下来，为了获得良好的控制效果，就需要对系统的控制环进行调整了。在以PMAC为核心控制器的系统中，PMAC卡为用户提供了PID+速度/加速度前馈+NOTCH滤波的控制环算法，能够满足大部分应用场合的要求，用户可以根据自己系统的要求来调整其中的相关参数。除此外，PMAC也为用户的特殊要求提供扩展的伺服控制算法，并且支持用户自己编写的伺服算法（需要用户熟悉Motorola 56300系列DSP CPU的汇编语言）。以下两图是PMAC控制
32、算法的原理。 图3-8 控制算法原理图图3-9 控制算法原理图在PMAC卡中，用户可以通过修改I变量对电机进行闭环控制，与此相关的I变量有以下主要几个：IX00、02、03、04、11、12、25、30、31、32、33、35以及I9X0-I9X5（其中X代表几号电机），其描述参见本章前面对PMAC卡软件的讲解。 图3-10电机的闭环控制 要利用PMAC构成一个完整的闭环控制系统，其原理图参见3-10。在上图中涉及到的参数有IX02、IX03、IX04等几个参数。其中IX03存放的是安装在负载上位置反馈元件检测值；IX04存放的是安装在电机后反馈元件检测值，由卡经过运算转换为速度值；IX02存
33、放的是DAC（模拟量指令）输出值。这样PMAC通过编码器转换表将位置及速度反馈给控制卡，然后与指令值比较经过PID运算后变为模拟量指令存放到DAC输出表中，由该值来控制电机的运动。在PMAC卡中每一路闭环通道都有默认值，但用户也可以根据自己的需要改动这些值构成闭环。以下以第一通道为例讲述一个闭环系统的构成。首先将参数I100设置为1，这样激活该电机。第二步是设置I102、103、104号参数-这些可以按照缺省值设置，但在双闭环系统（有位置环）中，I103（位置环地址）的值应该和I104（速度环地址）的值不同，应该设置为相应的编码器通道的值。第三步设置I910号参数的值，用来选择反馈元件的译码方
34、式和方向，一般选择4倍频正交译码，即3或7，译码方向一定要注意，否则电机可能会闭不上环，如果选错了方向可以改成另外一个方向即可，具体可参见PMAC软件手册或光盘资料（以上所描述内容在AC-200系统均已经设置好，用户只需要在PEWIN终端窗口查看其内容即可，不要随意修改）。下表是PMAC控制器的PID+速度/加速度前馈控制环算法所涉及到参数的含义、作用及调整范围。变量参数作用调整值域数值影响IX30P参数，比例增益提供系统所需的刚性（快速性）-83886088388607缺省为2000数值越大，系统刚性越好，但太大会产生振荡。太小系统会反应迟缓。IX33I参数，积分增益用于消除稳态误差（准确性
35、）08388607缺省为1280与IX63时间积分误差有关；如果输出饱满，IX33无效。IX34积分模式决定积分增益是全程有效还是只在速度为0时才有效0缺省为1IX34=0 积分增益全程有效IX34=1 积分增益只在速度为0时有效IX31D参数，微分增益用于提供足够的阻尼以保证系统稳定（稳定性）-83886088388607缺省为1280数值越大，阻尼越大，系统越稳定表3-1 PID参数变量参数作用调整值域数值影响IX32速度前馈减小由于微分增益的引入所引起的跟随误差08388607缺省为1280对电流环，IX32应等于或略大于IX31。对速度环，IX32应远大于IX31。IX35加速度前馈减
36、小由于系统惯性所带来的跟随误差08388607缺省为0反应滞后特别明显时，增加IX35IX68摩擦增益减小由于摩擦产生的跟随误差，带负载调整时有效-3276732768缺省为0该变量正比于要求速度的符号，速度为正，IX68被加进输出，速度为负，IX68从输出中减去表3-2前馈参数变量参数作用调整值域数值影响IX29模拟量输出偏差校正PMAC的模拟量输出与放大器模拟输入之间的误差-3276832767缺省为0数值上应与修正电压计的模拟输出相等IX69模拟量输出极限用于限制PMAC中模拟量输出的大小032767缺省为20480如果控制环送出的模拟量大于该值，则模拟量输出大小将被它限制表3-3相关参
37、数为了方便的调整系统特性，执行软件PEWIN为用户提供了功能齐全的工具。在调整PID+速度/加速度前馈参数时，该软件都提供响应曲线，可以存盘打印，3.3.5 PID调整原理简介PID全称比例（proportion）-积分（integral）-微分（derivative）控制器，是自动控制系统设计中最经典应用最广泛的一种控制器，实际上是一种算法。任何闭环的控制系统都有它固有的特性，可以有很多种数学形式来描述它，如微分方程、传递函数、状态空间方程等。但这样的系统如果不做任何的系统改造很难达到最佳的控制效果，比如快速性稳定性准确性等。为了达到最佳的控制效果，我们在闭环系统的中间加入PID控制器，改造
38、系统的结构特性，并且调整PID参数来实现（虽然算法有很多种，但最经典的还是PID）。PID算法本身就有很多种结构，但归根到底离不了P、I、D三个参数。我们在这里不讨论具体的算法怎么实现、怎么编写，我们只想以最通俗的说法让大家知道按照什么样的原则去调整这三个参数达到最佳控制效果。任何闭环控制系统的首要任务是要稳（稳定）、快（快速）、准（准确）的响应命令。PID调整的主要工作就是如何实现这一任务。以下是个人对PID调整的一点经验和想法。增大比例系数P将加快系统的响应，它的作用于输出值较快，但不能很好稳定在一个理想的数值，不良的结果是虽较能有效的克服扰动的影响，但有余差出现，过大的比例系数会使系统有
39、比较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。积分能在比例的基础上消除余差，它能对稳定后有累积误差的系统进行误差修整，减小稳态误差。微分具有超前作用，对于具有容量滞后的控制通道，引入微分参与控制，在微分项设置得当的情况下，对于提高系统的动态性能指标，有着显著效果，它可以使系统超调量减小，稳定性增加，动态误差减小。在调整的时候，你所要做的任务就是在系统结构允许的情况下，在这三个参数之间权衡调整，达到最佳控制效果，实现稳快准的控制特点。3.3.6 差补原理实验台进行实验大都是加工轮廓为直线和圆弧这两种简单、基本的曲线的零件，若加工其他非圆轮廓曲线，可采用一小段直线或圆弧来拟合。一般已知工件轮廓的运动轨迹
40、的起点坐标、终点坐标和轮廓轨迹的曲线方程由控制卡计算出各个中间点的坐标，“插入”、“补上”运动轨迹中间点的坐标值，通常把这个过程称为“差补”。 脉冲增量插补法：在插补的过程中不断的向各个坐标发出进给脉冲，驱动各坐标轴的伺服电动机转动。每发出一个脉冲，工作台就移动一个基本长度，即脉冲当量。脉冲当量的大小决定了加工精度，发给各坐标轴的脉冲数目决定了相对运动的距离，而脉冲的频率代表了坐标轴的速度。脉冲增量插补的实现方法比较简单，既可以用硬件来实现，也可以用软件来实现。脉冲增量的插补方法有多种，最常用的是逐点比较插补法和数字积分插补法。逐点比较插补法的原理是：计算机在控制加工过程中，每进给一步都要将加
41、工点的瞬时坐标与规定的轨迹相比较，判断加工偏差，然后决定下一步的进给方向，进给方向总是向着逼近给定轨迹的方向，如果实际加工点在给定轨迹的上方，下一步就向给定轨迹的下方进给；如果实际加工点在给定轨迹的里面，下一步就向给定轨迹的外面进给，如此每进给一步算一次偏差，比较一次，决定下一步的进给方向，以逼近给定的轨迹，直至加工结束。逐点比较法是以折线来逼近直线或圆弧曲线的，插补误差小于脉冲当量，因而只需要将脉冲当量取得足够小就可达到加工精度的要求。逐点比较插补法既可做直线插补，又可作圆弧插补。数字积分插补法又称数字积分分析法（DDA），是利用数字积分的方法，计算刀具沿各坐标轴的位移，使刀具沿着所加工的轨
42、迹运动。它具有运算速度快/脉冲分配均匀/易实现多轴联动等优点，不仅能方便的实现一次/二次曲线的插补，还可以用于各种函数运算，因此在数控系统中得到广泛应用。 数据采样插补法是软件插补法，用于闭环伺服系统中，其输出的结果不是脉冲。而是数据，计算机定时地对反馈回路采样，得到的采样数据与插补产生的指令数据相比较，用误差信号驱动伺服电动机。各系统采样周期不尽相同，一般取10s左右，采样周期太短则计算机来不及处理，太长会损失信息影响伺服精度。这种方法所产生的最大速度不受计算机最大运算速度的限制，但插补程序比较复杂。3.4机电一体化系统检测元件选择3.4.1 数控机床测量系统的分类与特点数控机床测量系统是对
43、数控机床执行元件的实际位置进行测量，不断的将工作台的位移量检测出来并反馈给数控系统装置。数控系统利用其本身的差补计算的理论值与实际反馈的位置进行比较，以判断进给定位的正确与否同时辅助伺服系统达到最精确的进给定位，以弥补机械精度的不足，实际反馈位置的采集是由位置检测装置来实现的。常用的位置检测装置有感应同步器、光栅位置检测装置、光电脉冲编码器、磁尺位置检测装置等。对于高精度的数控机床而言，它的加工精度和定位精度将主要取决于检测装置，因此检测装置的精度及性能是高精度数控机床的保证。数控机床的检测装置应满足以下要求：工作可靠，抗干扰性强满足速度和精度的要求使用维护方便，适合机床的工作环境成本低通常，
44、检测装置的检测精度为（0.0010.02）mm/m,分辨率为0.0010.01mm/m,运动速度应满足020m/min。数控系统中的检测装置分为位移、速度和电流三种类型。根据安装的位置和耦合方式，分为直接测量和间接测量两种；按测量方法分为增量式和绝对式两种；按检测信号的类型分为模拟式和数字式两大类；按运动形式分为回转型和直线型检测装置；按信号转换原理可分为光电效应、光栅效应、电磁感应原理、压电效应、压阻效应和磁阻效应等检测装置数控机床伺服系统中采用的位置检测装置基本分为直线型和旋转型两大类。直线型位置检测装置用来检测运动部件的直线位移量；旋转型位置检测装置用来检测回转部件的转动位移量。常用的位
45、置检测装置如表31 所示类型数字式模拟式增量式编码式增量式绝对式回转形圆光栅编码盘旋转编码器圆感应同步器圆形磁栅多极旋转变压器直线型计量光栅激光干涉仪编码尺直线感应同步器、磁栅、容栅绝对值式磁栅31 位置检测装置分类3.4.2 常用的测量元件旋转变压器：旋转变压器是一种间接测量装置，由于它具有结构简单、动作灵敏、工作可靠、对环境条件要求低、输出信号幅度大以及抗干扰能力强能特点，在连续控制系统中得到了普遍应用。感应同步器：感应同步器的工作原理与旋转变压器相似，也是一种电磁式位移测量装置，按结构可分为直线式和旋转式两种。直线感应同步器由定尺和滑尺组成，用以测量工作机构的直线位移；旋转式由定子和转子
46、组成，用于角位移的测量。光栅：光栅是利用光的透射、衍射现象形成莫尔条纹而制成的光电检测装置，与旋转变压器、感应同步器不同，它是将机械位移或模拟量转变为数字脉冲，因此又称为光电脉冲发射器。常见的有常光栅和圆光栅两大类，分别用于直线位移转角位移测量。光栅的检测精度较高，一般可达1m以上。光栅测量是一种非接触式测量。磁栅：磁栅又称磁尺，是一种计算磁波数目的位置检测元件。它是录磁磁头将具有周期性变化的一定波长的方波或正弦波电信号记录在磁性标尺上，用它作为测量位移的基准尺。测量时，用拾磁磁头读取记录在磁性标尺上的方波或正弦波电磁信号，通过检测电路将其转化为电信号，根据此电信号，将位移量用数字显示出来或者送到位置控制系统。磁栅检测装置由磁性标尺、拾磁磁头及检测电路三部分组成。磁栅按其结构特点可分为直线式和角位移式，分别用于长度和角度的检测。脉冲编码器：编码器是一种光电式转角测量装置。它是通过直接编码进行测量的元件，它将输入给轴的角度量，利用光电转换原理转换成相应的电脉冲或数字量，指示其绝对值，没有累积误差