位置控制DDC系统的设计

　　0　引　言

　　数控系统中, 对位置实现精确的控制, 结构上多采用在速度调节系统的基础上附加位置环。随着计算机技术的发展, 计算机以其高性能的技术指标和低廉的价格进入数控领域, 使系统的结构焕然一新。应用DDC 系统成为数控系统的发展方向之一。笔者在已有SANYO 速度环交流伺服系统的基础上, 自行开发了位置接口板, 将它和工控机、电机相连, 实现计算机闭环的位置控制DDC 系统。

　　1　系统的设计原理

　　系统根据负反馈控制原理和前馈控制原理设计, 其结构如图1 所示。基于位置随动系统的控制要求, 设计的位置伺服系统由位置检测电路、位置校正环节及位置环前馈控制环节构成。

　　通过伺服电机内装的光电码盘, 工控机读取位置反馈信号, 与位置给定量相减, 得到位置偏差,随后完成位置校正的计算, 经D/ A 转换将其值作为给定的速度值, 实现对机床主轴和XYZ 工作台的位置控制。经分析, 速度内环一般简化成一阶惯性环节, 因此, 位置环控制对象的传递函数可简化成为G = K v/ ( S( T vS + 1) ) , 若要求将系统设计成一个对位置输入无静差, 对速度输入有静差的二阶典型系统, 其位置环串联校正环节应设计为比例调节器。

　　若仅采用位置负反馈的比例调节控制, 整个系统的跟踪误差较大, 在加工尖角时, 形状误差较大, 影响加工精度。因此, 加入前馈补偿控制技术, 将位置指令的一阶微分值加载到速度给定值上参与控制, 消除位置环的滞后跟踪, 实现位置控制的高速响应。由于前馈补偿为开环控制, 在增加补偿后并未改变原闭环传递函数的极点的分布, 因此能在保持原系统的稳定性的同时, 明显地提高系统的动态跟踪特性。

　　2　位置环的硬件结构

　　本系统选用SANYO 速度控制交流伺服系统BL67ZA050A 作为速度内环, SANYO 电机61BM120BXS24 作为执行机构, 并自行开发微机接口板实现位置控制。系统硬件构成如图2所示。

　　位置接口板是控制系统的枢纽部分, 它将速度伺服单元、电机和工控机连接起来。根据要求完成的位控任务, 位置接口板有如下3 个功能。

　　2. 1　检测位置信号

　　获取机床工作台移动的位置量信号是通过对光电码盘产生的方波脉冲序列进行计数来实现的。当电机转动时, 光电码盘不断输出A 相、B 相、Z 相的方波脉冲, 对方波脉冲信号进行4倍频处理, 进一步细分脉冲当量, 以提高定位精度。如选用的三洋电机, 每转输出2000 个脉冲,经4 倍频后, 每转可输出8000 个脉冲。用判向电路检测A 相、B 相脉冲序列超前滞后, 由此判定电机正、反转方向。若正转, 则同步可逆计数器累加脉冲计数; 若反转, 则同步可逆计数器累减脉冲计数, 由此获得高精度的定位。