1.1.1 數控系統

數控與伺服驅動系統的位置控制是基于閉環反饋控制原理，位置閉環控制系統由位置環、速度環和電流環構成。位置環由數控系統中的位置控制器、位置檢測裝置及位置反饋組成，是主環；速度環由伺服系統中的速度控制器、伺服電動機、速度檢測裝置及速度反饋組成，是外環；電流環由電流控制器、功率變換、電流檢測裝置及電流反饋組成，是內環。CNC機床閉環反饋控制示意圖如圖1-1所示。

數控系統三大組成：控制系統+伺服驅動系統+位置測量系統。

圖1-1 CNC機床閉環反饋控制示意圖

控制系統：CNC系統是一個專用的實時多任務計算機系統，在它的控制軟件中融合了當今計算機軟件技術中的許多先進技術，其中最突出的是多任務并行處理和多重實時中斷。CNC的基本功能是由各種功能子程序來實現的。例如譯碼子程序、刀具半徑補償子程序、插補子程序、診斷子程序等。插補的任務是根據進給速度的要求，在輪廓起點和終點之間計算出若干中間點的坐標值。由于每個中間點計算所需的時間直接影響系統的控制速度，而插補中間點的計算精度又影響整個CNC系統的精度，插補算法對整個CNC系統的性能指標至關重要，所以說插補是整個CNC系統運動控制軟件的核心。

在位置控制中，根據插補運算得到的位置指令，與位置檢測裝置反饋所得到的機床坐標軸的實際位置相比較，形成位置偏差，經變換得到速度控制指令，發送到伺服驅動系統。數控系統要求伺服系統正確、快速地跟隨控制指令信息，執行機械運動。同時，位置反饋系統將機械運動的實際位移信息反饋給數控系統以保證位置控制精度。位置閉環的伺服系統是以機械參數為控制對象的自動控制系統，在伺服系統中，輸出量能夠自動、快速、準確地跟隨輸入量的變化，因此又稱為跟蹤系統或隨動系統。機械參數主要包括位移、角度、力、轉矩、速度和加速度。

伺服驅動系統：伺服驅動系統由伺服電動機、功率變換器、傳感器以及控制器構成。它是數控系統和機械傳動部件間的連接環節，把控制系統的進給位移量等信息轉換成由伺服電動機驅動機床的進給運動，伺服控制的最終目的是進行機床工作臺或刀具的位置控制。它根據數控系統插補運算生成的位置命令，精確地變換為機床移動部件的位移，直接反映了機床坐標軸跟蹤運動指令和實際定位的性能。

交流伺服驅動系統包括伺服驅動裝置與交流伺服電動機。交流伺服驅動裝置采用電流內環和速度外環的雙閉環PI調節器控制，雙閉環具有良好的靜動態特性。它通過控制供給交流電動機電源的頻率來達到調速的目的。其主要部分由一個把交流變成直流的整流器和一個把直流變成頻率可變的交流逆變器組成。

速度環（外環）：當速度控制指令給出時，有一個較大的速度偏差指令信號加到速度調節器的輸入端，放大器輸出信號增大，控制變頻器調制輸出電壓與頻率提高，電動機轉速相應上升。同時，測速機輸出實際信號增加，當它接近或等于指令信號時，系統達到動態平衡，電動機即以要求設定的轉速穩定運轉。當系統受到外界干擾，如負載增大時，轉速下降，這時測速機的輸出信號下降，速度調節器的輸入偏差信號增大，其輸出相應增大，使電樞電壓提高，電動機轉速迅速恢復到要求值。

電流控制環（內環）：電流環起調節作用，用以維持或者調節電流。電流調節器有兩個輸入信號，即速度調節器的輸出信號和主電路的電流反饋信號。在電動機轉速由于慣性尚未變化之前，首先引起電樞電流降低，電流實際反饋值減少，有一個較大的電流偏差指令信號加到電流調節器的輸入端，從而使電流調節器輸出信號增加，控制變頻器使電壓恢復到原來值，電流實際反饋值相應增加，以抑制主回路的電流變化。當電流指令值為階躍信號時，電流調節器有一個很大的輸出值，但其輸出只能是最大飽和值，此時電樞電流最大，從而使電動機在加速過程中始終保持最大轉矩和最大加速度，以使起動或制動過程最短。

位置測量系統：檢測機械的運動位置或速度，并反饋到控制系統來修正控制指令，測量元件包括光柵尺、編碼器等。

由于機械傳動環節也包含在位置閉環控制中，機械間隙緩沖、負載擾動等也將作用在電動機轉子上，使位置控制難度加大。為達到較好的控制效果，要合理匹配和調整三個閉環反饋環節的參數，優化控制；也可采用特殊的控制方法，如負載擾動的前饋控制、自適應控制等。

機械負載依據電動機的轉矩，機電運動方程可表示為

式中，J為計算出的轉動慣量；ω_r為轉子角速度；T_L為機械負載的轉矩；D為粘滯摩擦系數。

式（1-1）為機電一體化參數的匹配和調整提供了重要依據。

設置各軸的增益和加速度參數時，在不振蕩的條件下，盡量增大增益系數，增加伺服系統的剛度，減小跟隨誤差，提高定位精度；在滿足上述機電運動方程的條件下，盡量增大加速度，以保證閉環控制的慣性環節和加速特性相匹配，盡量增加增益和加速度可以有效地解決低速爬行問題。正確調整三個閉環控制環節中的增益與加速度的比例關系，使位置、速度、電流控制環在閉環控制中既能快速響應又無過度超調，高速平穩運行而不振蕩。在機械負載變化時，可以精確調整伺服系統閉環控制參數，做到低速無爬行而高速不振蕩，高速準確定位。伺服系統中所采取的一切措施都是為了保證進給運動的位置精度。閉環反饋控制系統主要解決系統的偏差和擾動問題，使機床穩定地運行。