CN2703290Y - 全闭环交流伺服运动控制教学实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种适合于教学要求的全闭环交流伺服运动控制教学实验装置，包括计算机、伺服控制卡、交流伺服驱动器、伺服电机、水平纵向滚轴丝杠、水平横向滚轴丝杆、垂直滚轴丝杆、工作台，伺服控制卡分别与计算机及交流伺服驱动器相连，交流伺服驱动器与伺服电机相连；垂直滚轴丝杆上安装有位移传感器，其特征是在工作台上和支架上分别安装有与水平纵向滚轴丝杠、水平横向滚轴丝杆布置方向相同的用于为实现水平横向和水平纵向全闭环控制提供位移信号的密封式光栅线位移传感器。

Description

全闭环交流伺服运动控制教学实验装置

技术领域

本实用新型涉及一种教学实验装置，具体地说是一种全闭环交流伺服运动控制教学实验装置。

背景技术

目前，现代化生产的水平、产品的质量和经济效益等各项指标，在很大程度上取决于生产设备的先进性和电气自动化程度。机电一体化技术是随着科学技术的不断发展，生产工艺不断提出新的要求而迅速发展的。在控制方法上主要是从手动到自动；在控制功能上，是从简单到复杂；在操作上，是由笨重到轻巧。随着新的控制理论和新型电器及电子器件的出现，又为电气控制技术的发展开拓了新的途径。

传统的机械加工设备的电气控制是继电器接触式控制系统，由继电器、接触器、按钮、行程开关等组成，实现对机械设备的启动、停车、有极调速等控制。继电器接触式控制系统的优点是结构简单。维护方便、抗干扰强、价格低，因此广泛应用于各类机床、模具加工设备、雕刻设备等机械设备中。目前，在我国继电器接触式控制仍然是机床和类似机械设备最基本的电气控制型式之一。

在实际生产中，由于大量存在一些用开关量控制的简单的程序控制过程，而实际生产工艺和流程又是经常变化的，因而传统的继电器接触式控制系统常不能满足这种要求，因此曾出现了继电器接触控制和电子技术相结合的控制装置，叫做顺序控制器。它能够根据生产的需要改变控制程序；而又远比电子计算机结构简单、价格低廉，它是通过组合逻辑元件插接或编程来实现继电器接触控制的。但它的装置体积大，功能也受到一定限制。随着大规模集成电路和微处理机技术的发展及应用，上述控制技术也发生了根本性的变化，在70年代出现了将计算机的存储技术引人顺序控制器，产生了新型工业控制器——可编程序控制器(PLC)，它兼备了计算机控制和继电器控制系统两方面的优点，故目前在世界各国已作为一种标准化通用装置普遍应用于工业控制。

为解决占机械总加工量80％左右的单件和小批量生产的自动化，50年代出现了数控机床。它综合应用了电子技术、计算技术、检测技术、自动控制和机床结构设计等各个技术领域的最新技术成就，它是典型的机电一体化产品。数控机床经过40年来的发展，品种日益增多，性能不断完善，其中以轮廓控制的数控机床和带有自动换刀装置和工作台能自动转位的数控加工中心发展更为迅速。数控机床由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体等部分组成，其中伺服系统的性能是决定数控机床加工精度和生产率的主要因素之一。

在自动控制系统中，把输出量能够以一定准确度跟随输入量的变化而变化的系统称为随动系统，亦称伺服系统。数控机床的伺服系统是指以机床移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统，又称为随动系统。

伺服系统由伺服驱动装置和驱动元件(或称执行元件伺服电机)组成，高性能的伺服系统还必须配备检测装置，反馈实际的输出状态。

数控机床伺服系统的作用在于接受来自数控装置的指令信号，驱动机床移动部件跟随指令脉冲运动，并保证动作的快速和准确，这就要求高质量的速度和位置伺服。以上指的主要是进给伺服控制，另外还有对主运动的伺服控制，不过控制要求不如前者高。数控机床的精度和速度等技术指标往往主要取决于伺服系统。伺服系统的基本要求有：

(1)稳定性：稳定性是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后到达新的或者回复到原有的平衡状态。

(2)精度：伺服系统的精度是指输出量能跟随输入量的精确程度。作为精密加工的数控机床，要求的定位精度或轮廓加工精度通常都比较高，允许的偏差一般都在0.01～0.001mm之间。

(3)响应性：响应性是伺服系统动态品质的标志之一，即要求跟踪指令信号的响应要快，一方面要求过渡过程时间短，一般在100ms以内，甚至小于几十毫秒；另一方面，为了满足超调要求，要求过渡过程的前沿陡，即上升率要大。

伺服系统的主要特点有：

(1)精确的检测装置。以组成速度和位置闭环控制。

(2)有多种反馈比较原理与方法。根据检测装置实现信息反馈的原理不同，伺服系统反馈比较的方法也不相同。目前常用的有脉冲比较、相位比较和幅值比较三种。

(3)高性能的伺服电动机(简称伺服电机)用于高效和复杂型面加工的数控机床，伺服系统将经常处于频繁的启动和制动过程中。要求电机的输出力矩与转动惯量的比值大，以产生足够大的加速或制动力矩。要求伺服电机在低速时有足够大的输出力矩且运转平稳，以便在与机械运动部分联接中尽量减少中间环节。

(4)宽调速范围的速度调节系统，即速度伺服系统。从系统的控制结构看，数控机床的位置闭环系统可以看作是位置调节为外环、速度调节为内环的双闭环自动控制系统，其内部的实际工作过程是把位置控制输入转换成相应的速度给定信号后，再通过调速系统驱动伺服电机，实现实际位移。数控机床的主运动要求调速性能也比较高，因此要求伺服系统为高性能的宽调速系统。

伺服系统的分类：

伺服系统按其驱动元件划分，有步进式伺服系统、直流电动机(简称直流电机)伺服系统、交流电动机(简称交流电机)伺服系统…。按控制方式划分，有开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统等，实际上数控系统也分成开环、闭环和半闭环三种类型，就是与伺服系统这三种方式相关。

开环系统：

图1是开环系统构成原理图，它主要由驱动电路，执行元件和机床三大部分组成。常用的执行元件是步进电机，通常称以步进电机作为执行元件的开环系统为步进式伺服系统，在这种系统中，如果是大功率驱动时，用电液脉冲马达作为执行元件。驱动电路的主要任务是将指令脉冲转化为驱动执行元件所需的信号。

闭环系统：

闭环系统主要由执行元件、检测单元、比较环节、驱动电路和机床五部分组成。其原理框图如图2所示。在闭环系统中，检测元件将机床移动部件的实际位置检测出来并转换成电信号反馈给比较环节。常见的检测元件有旋转变压器、感应同步器、光栅、磁栅和编码盘等。通常把安装在丝杠上的检测元件组成的伺服系统称为半闭环系统；把安装在工作台上的检测元件组成的伺服系统称为闭环系统。由于丝杠和工作台之间传动误差的存在，半闭环伺服系统的精度要比闭环伺服系统的精度低一些。

比较环节的作用是将指令信号和反馈信号进行比较，两者的差值作为伺服系统的跟随误差，经驱动电路，控制执行元件带动工作台继续移动，直到跟随误差为零。根据进入比较环节信号的形式以及反馈检测方式，闭环(半闭环)系统可分为脉冲比较伺服系统、相位比较伺服系统和幅值比较伺服系统三种。

由于比较环节输出的信号比较微弱，不足以驱动执行元件，故需对其进行放大，驱动电路正是为此而设置的。

执行元件的作用是根据控制信号，即来自比较环节的跟随误差信号，将表示位移量的电信号转化为机械位移。常用的执行元件有直流宽调速电动机、交流电动机等。执行元件是伺服系统中必不可少的一部分，驱动电路是随执行元件的不同而不同的。

为了适应控制技术，特别是伺服控制技术发展的需要，现有各高校均开设了伺服控制课程配备了相应的实验装置，但由于所教学客观规律的限制，为使学生全面理解控制理论，必须首先从开环控制开始，致使现有的相关实验装置均为开环式结构或半闭环式结构，而全闭环控制的相关理论和技术只能靠老师进行书面讲解，没有适合学生进行全闭环控制实验的装置，不仅影响了教学效果，而且使学生走上工作岗位后不能立即投入相关闭环控制系统的设计，使理论和实际脱节。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种适合于教学要求的全闭环交流伺服运动控制教学实验装置。

本实用新型的技术方案是：

一种全闭环交流伺服运动控制教学实验装置，包括计算机、伺服控制卡、交流伺服驱动器、伺服电机、水平纵向滚轴丝杠、水平横向滚轴丝杆、垂直滚轴丝杆、工作台，伺服控制卡分别与计算机及交流伺服驱动器相连，交流伺服驱动器与伺服电机相连；水平纵向滚轴丝杠、水平横向滚轴丝杆及垂直滚轴丝杆安装在工作台上，水平横向滚轴丝杆安装在支架中，支架横跨在二个平行的水平纵向滚轴丝杠上，水平纵向滚轴丝杠带动支架作前后位移，垂直滚轴丝杆垂直安装在支架上，执行部件与垂直滚轴丝杆的一端相连，执行部件在垂直滚轴丝杆的带动下作垂直方向的位移，在水平横向滚轴丝杆的带动下作左右位移；水平纵向滚轴丝杠、水平横向滚轴丝杆及垂直滚轴丝杆均与各自的伺服电机相连，垂直滚轴丝杆上安装有位移传感器，其特征是在工作台上和支架上分别安装有与水平纵向滚轴丝杠、水平横向滚轴丝杆布置方向相同的用于为实现水平横向和水平纵向全闭环控制提供位移信号的密封式光栅线位移传感器。

本实用新型的有益效果：

本实用新型具有性能稳定、精度高、能够有效地消除误差。并且抗干扰能力强、结构紧凑、成本低的优点，它不仅适用于高等学校机电一体化，电子电器，电器自动化专业生产实习、课程设计的实验研究，可作为电机类本科生及研究生的开放性试验平台，为其认识和掌握现代交流调速及伺服系统奠定必要的基础，而且可直接运用于数码雕刻、包装机械、模具生产等工业生产应用场合。它构成了一个三维立体的伺服控制系统，通过微机编程，可进行三个自由度的协调控制，实现高速、高进度、低震动等伺服特性，还可用于机器人控制、柔性制造业等领域。

附图说明

图1是开环控制原理框图。

图2是闭环控制原理框图。

图3是本实用新型的结构示意图。

图4是图3的侧视图。

图5是本实用新型的控制原理框图。

图6是本实用新型实施例的控制主回路接线示意图。图中601是电源，602是无熔丝断路器，603是噪声滤波器，604是电磁接触器，605是电源线，607是外接再生放电电阻，608是连接电缆，609是计算机，610是连接电缆，611是编码器电缆，612是电机电缆

图7是本实用新型实施例的位置控制接线示意图。

图8是本实用新型实施例的速度控制接线示意图。

图9是本实用新型具体实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。

如图3所示。

一种全闭环交流伺服运动控制教学实验装置，包括计算机609、伺服控制卡、交流伺服驱动器、伺服电机、水平纵向滚轴丝杠1、水平横向滚轴丝杆2、垂直滚轴丝杆3、工作台4，伺服控制卡分别与计算机609及交流伺服驱动器相连，交流伺服驱动器与伺服电机相连；水平纵向滚轴丝杠1、水平横向滚轴丝杆2及垂直滚轴丝杆3安装在工作台4上，水平横向滚轴丝杆1安装在支架5中，支架5横跨在二个平行的水平纵向滚轴丝杠2上，水平纵向滚轴丝杠2带动支架5作前后位移，垂直滚轴丝杆3垂直安装在支架5上，执行部件(刀头)6与垂直滚轴丝杆3的一端相连，执行部件6在垂直滚轴丝杆3的带动下作垂直方向的位移，在水平横向滚轴丝杆1的带动下作左右位移；水平纵向滚轴丝杠2、水平横向滚轴丝杆1及垂直滚轴丝杆3均与各自的伺服电机相连，垂直滚轴丝杆3上安装有位移传感器，在工作台4上和支架5上分别安装有与水平纵向滚轴丝杠2、水平横向滚轴丝杆1布置方向相同的用于为实现水平横向和水平纵向全闭环控制提供位移信号的密封式光栅线位移传感器7、8。

伺服控制卡通过连接电缆与安装在工作台4内部的电气控制回路的输入、输出装置相连，三台伺服电机在各自的伺服控制器的控制下工作，并分别与水平纵向滚轴丝杠1、水平横向滚轴丝杆2、垂直滚轴丝杆3的一端相连。

具体例：

下面以本实用新型的全闭环交流伺服运动控制教学实验装置在高校机电一体化专业常用的伺服控制实验设备之一的全自动雕刻机上的应用为例对本实用新型作进一步的说明(如图9所示)：

1、结构组成

一种全自动雕刻机，由底座，横梁，立柱，滚珠丝杠副，直线滚动导轨副，雕刻头906，伺服电机，电器控制系统组成。采用整体铸造的高精度工作台面904，加粗的高精度滚动导轨滚珠丝杆。工作台面904经精密研磨，不需特别润滑，线性移动磨擦小，采用精密波子螺丝从而使得系统能稳定高速地运作，不会振动，精度保持性好。

(1)该机的X轴902采用了FFB2005滚珠丝杠副传动，Y轴901采用了FFZD2005滚珠丝杠副传动，Z轴903采用了FFZ1605滚珠副传动。采用滚珠丝杠副传动，具有高效率、低能耗、寿命长、承载大、精度好、动作灵敏以及启动力矩小，润滑维护方便等优异特点。

由于对滚珠丝杠副施行预加载荷，消除了间隙，提高了刚性和定位精度，使传动平稳。可实现运动同步，可逆，精确的微量进给，高低速瞬时转换。

(2)该机的X，Y轴的导轨采用了GGB20BA型直线滚动导轨副，Z轴的导轨采用了GGB16BA型直线滚动导轨副，它们为四个方向等载荷结构。三个方向的抗颠覆能力大。直线滚动导轨副动静摩擦力之差小，随动性极好，驱动信号于机械动作滞后的时间较短。数控系统的响应速度和灵敏度高。能实现无间隙运动，提高机械系统的运动刚度。

2、传动系统

该机运动由三台伺服电机驱动。伺服电机通过接套与滚珠丝杠副端头连接，滚珠丝杠副的螺母座与直线滚动导轨副滑座连接板固定，从而带动其部件作运动。

雕刻刀具所需要的机械功率由雕刻头电机供给，通过弹性夹头驱动刀具旋转。雕刻电机可通过变频调速器调速。

3、控制部分

(1)伺服控制器自动判别伺服电机的容量，可与FA网络连接，更便于使用RS-232，RS-485和COMPOBUS/D通信，操作者通过电脑能执行使用参数设定(速度/转矩/位置)，采用高分辨率编码器(16，17bit)，编码器脉波数可任意分周，每次脉冲的转动角度可根据指令设置，制动连锁，模拟量，数字量输入输出。采用d-q轴转换，提高转矩控制精度，实现低转速平滑运转及定位时间缩短，谐波抑制且超调量减小。可进行分布式控制，可接PLC控制，具有浪涌电流预防回路，以更好地保护系统。通过设置软件可自动记录故障现象，可显示电机速度、监视转矩波形及I/O状态，负载制动情况，过载告警。

(2)伺服电机可采用10W～55KW，可点动运行，正反转控制，动态刹车，再生制动处理，缓冲启动，采用超小型低惯性伺服电机，尺寸多样。

(3)电气部分；主回路与控制回路的电源完全分离，检修容易。

(4)计算机系统：采用P4系列CPU，极大提高了系统的动态响应性能，非常适用于高速定位的场合，通过软件编程，可进行最佳调谐控制，可实现立体工件图形的三维仿真和加工过程中动态显示，具有软限位和硬限位的双重保护，仅需连接伺服系统就能自动对伺服电机加震，并能分析出机械系统的频率，整个分析过程只需30秒钟。机械分析器得到的结果，读入模拟调制解调器，从而可模拟用户机械系统的响应，在设备操作前，可将指令方式更改后的速度、电流、滞留脉冲量以模拟波形的方式表现出来并加以确认。个人电脑能在自动改变增益的同时，以最短的规定时间找出适当数值。

4、控制功能的实现

底层运动控制部分软件告诉运动控制器进行直线和圆弧插补运动所需要的所有参数，并对I/O口进行操作，同时接受运动控制器上返回的运动状态以及输入口的状态参数。运动控制器按照收到的指令自行控制电机进行插补运动及对I/O口进行操作。用户界面把操作员与底层运动控制软件连接起来，控制运动过程并反映运动状态。但是由于系统是半闭环结构，增量式编码器安装在伺服电机轴上，由于丝杠和工作台之间的传动误差限制了系统的精度和伺服性能的提高。

利用本雕刻机可进行教材规定的有关交流伺服运动控制的所有实验(如：控制方式、元器件及其接线、定位、点动、搜索原点等)，从而使学生对开环、半闭环、全闭环、伺服控制、编码器、光栅尺、伺服电机等原理和元器件有一个感性认识。

Claims (1)

1、一种全闭环交流伺服运动控制教学实验装置，包括计算机、伺服控制卡、交流伺服驱动器、伺服电机、水平纵向滚轴丝杠、水平横向滚轴丝杆、垂直滚轴丝杆、工作台，伺服控制卡分别与计算机及交流伺服驱动器相连，交流伺服驱动器与伺服电机相连；水平纵向滚轴丝杠、水平横向滚轴丝杆及垂直滚轴丝杆安装在工作台上，水平横向滚轴丝杆安装在支架中，支架横跨在二个平行的水平纵向滚轴丝杠上，水平纵向滚轴丝杠带动支架作前后位移，垂直滚轴丝杆垂直安装在支架上，执行部件与垂直滚轴丝杆的一端相连，执行部件在垂直滚轴丝杆的带动下作垂直方向的位移，在水平横向滚轴丝杆的带动下作左右位移；水平纵向滚轴丝杠、水平横向滚轴丝杆及垂直滚轴丝杆均与各自的伺服电机相连，垂直滚轴丝杆上安装有位移传感器，其特征是在工作台上和支架上分别安装有与水平纵向滚轴丝杠、水平横向滚轴丝杆布置方向相同的用于为实现水平横向和水平纵向全闭环控制提供位移信号的密封式光栅线位移传感器。

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