5.2.1　數(shù)字伺服控制基本原理

1．?dāng)?shù)字伺服控制基本原理

在模擬量交流伺服系統(tǒng)中，位置控制部分由大規(guī)模集成電路LSI完成。而伺服控制的速度、電流和驅(qū)動(dòng)是由速度單元來(lái)完成的。在全數(shù)字的伺服系統(tǒng)中，速度環(huán)和電流環(huán)都是由單片機(jī)控制。FANUC的系統(tǒng)把速度、電流控制部分設(shè)計(jì)在系統(tǒng)的內(nèi)部，該伺服部分作為系統(tǒng)控制的一部分，通常叫做軸卡。該部分實(shí)現(xiàn)了速度和電流的控制，最終將被三角波調(diào)制后的刪信號(hào)輸出到伺服裝置。如圖5-9所示簡(jiǎn)要地描述了軸卡的控制框圖。

位置控制是數(shù)控系統(tǒng)的主要控制工作之一。位置環(huán)是伺服控制的最外環(huán)，以位置指令針為控制對(duì)象。如圖5-9中所示，系統(tǒng)的位置指令通過總線傳給插補(bǔ)器，插補(bǔ)器會(huì)產(chǎn)生一系列指令脈沖。該指令脈沖經(jīng)過指令倍率CMR乘積后輸出到誤差寄存器中。而位置檢測(cè)裝置反饋的脈沖經(jīng)方向鑒別電路以后也處理成一系列脈沖，該脈沖經(jīng)過檢測(cè)倍率DMR乘積后也輸出到誤差寄存器中。該位置誤差計(jì)數(shù)器為一雙向計(jì)數(shù)器，用于積分計(jì)算。當(dāng)指令與反饋的差增大時(shí)，該計(jì)數(shù)器的數(shù)值增大；當(dāng)指令與反饋的差減小時(shí)，該計(jì)數(shù)器的數(shù)值減小。計(jì)數(shù)器的差值與環(huán)路增益的乘積即為速度環(huán)的速度指令。該指令經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后，作為速度控制單元指令模擬量信號(hào)（VCMD）。而實(shí)際上位置環(huán)處理中包括了絲杠反向間隙和螺距誤差補(bǔ)償信號(hào)。

速度控制單元包括了伺服控制的電流環(huán)和速度環(huán)的雙環(huán)控制系統(tǒng)。它將位置環(huán)發(fā)出的VCMD指令經(jīng)過運(yùn)算和放大后，驅(qū)動(dòng)三相變頻橋組產(chǎn)生與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子相對(duì)應(yīng)的交流旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)扭矩。在圖5-9中，速度指令VCMD和速度反饋信號(hào)TSA都輸入到誤差放大器中，經(jīng)過誤差放大器的補(bǔ)償后作為控制電動(dòng)機(jī)的電流（扭矩）指令。由于交流伺服電動(dòng)機(jī)要根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置產(chǎn)生交流的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，所以轉(zhuǎn)子位置控制電路根據(jù)位置檢測(cè)裝置傳來(lái)的信號(hào)產(chǎn)生R/S相的電流指令，該電流指令再和電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力線的R/S相電流相減后輸送到電流環(huán)（電流指令）中，該部分即為輸出三相的電流指令。該指令經(jīng)過三角波調(diào)制后產(chǎn)生了用于驅(qū)動(dòng)逆變塊的脈沖信號(hào)。

圖5-9　數(shù)字伺服控制框圖

除了位置、速度及電流控制電路外，當(dāng)系統(tǒng)的電源打開后，系統(tǒng)在伺服的初始化過程中，會(huì)發(fā)出PRDY（*MCON）信號(hào)，如果伺服裝置正常，則會(huì)發(fā)回一個(gè)VRDY（*DRDY）信號(hào)作為速度單元正常的響應(yīng)，系統(tǒng)則進(jìn)入正常工作狀態(tài)。一旦系統(tǒng)沒有接收到VRDY信號(hào)，就會(huì)產(chǎn)生NOT READY（伺服未就緒）報(bào)警。

2．進(jìn)給伺服系統(tǒng)的接口形式

FANUC系統(tǒng)進(jìn)給伺服接口形式有A型和B型兩種形式。A型伺服接口是指進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)的內(nèi)裝編碼器信號(hào)反饋到CNC系統(tǒng)；B型伺服接口是指進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)的內(nèi)裝編碼器信號(hào)反饋到伺服放大器。FANUC-0C/0D系統(tǒng)可采用A型和B型伺服接口兩種形式，多數(shù)采用A型伺服接口。FANUC-16/18/0iA系統(tǒng)和FANUC-16i/18i/0iB/0iC均為B型伺服接口。

3．進(jìn)給伺服裝置的分類

FANUC伺服裝置按主電路的電源輸入是交流還是直流，可分為伺服單元（SVU）和伺服模塊（SVM）兩種。伺服單元的輸入電源通常為三相交流電（200V，50Hz），電動(dòng)機(jī)的再生能量通過伺服單元的再生放電單元的制動(dòng)電阻消耗掉。FANUC系統(tǒng)的伺服單元有α系列、β系列、βi系列（本書介紹βi系列）。伺服模塊的輸入電源為直流電源（通常為DC300V），電動(dòng)機(jī)的再生能量通過系統(tǒng)電源模塊反饋到電網(wǎng)。FANUC系統(tǒng)的伺服模塊有α系列、αi系列。