提高伺服系统定位精度的方法

摘要:分析了伺服系统定位误差形成的原因,提出了伺服系统采用分段线性减速并以开环方式精确定位的方法,给出了相应的程序流程图,对提高数控机床伺服系统的定位精度具有实用参考价值。

数控机床的定位精度直接影响到机床的加工精度。传统上以步进电动机作驱动机构的机床,由于步进电动机的固有特性,使得机床的重复定位精度可以达到一个脉冲当量。但是,步进电动机的脉冲当量不可能很小,因而定位精度不高。伺服系统的脉冲当量可以比步进电动机系统小得多,但是,伺服系统的定位精度很难达到一个脉冲当量。由于CPU性能已有极大提高,故采用软件可以有效地提高定位精度。我们分析了常规控制算法导致伺服系统定位精度误差较大的原因,提出了分段线性减速并以开环方式精确定位的方法,实践中取得了很好的效果。

一、伺服系统定位误差形成原因与克服办法

通常情况下,伺服系统控制过程为:升速、恒速、减速和低速趋近定位点,整个过程都是位置闭环控制。减速和低速趋近定位点这两个过程,对伺服系统的定位精度有很重要的影响。

减速控制具体实现方法很多,常用的有指数规律加减速算法、直线规律加减速算法。指数规律加减速算法有较强的跟踪能力,但当速度较大时平稳性较差,一般适用在跟踪响应要求较高的切削加工中。直线规律加减速算法平稳性较好,适用在速度变化范围较大的快速定位方式中［1］。

选择减速规律时,不仅要考虑平稳性,更重要的是考虑到停止时的定位精度。从理论上讲,只要减速点选得正确,指数规律和线性规律的减速都可以精确定位,但难点是减速点的确定。通常减速点的确定方法有:

(1)如果在起动和停止时采用相同的加减速规律,则可以根据升速过程的有关参数和对称性来确定减速点。

(2)根据进给速度、减速时间和减速的加速度等有关参数来计算减速点,在当今高速CPU十分普及的条件下,这对于CNC的伺服系统来说很容易实现,且比方法(1)灵活。

伺服控制时,由软件在每个采样周期判断:若剩余总进给量大于减速点所对应的剩余进给量,则该瞬时进给速度不变(等于给定值),否则,按一定规律减速。

理论上讲,剩余总进给量正好等于减速点所对应的剩余进给量时减速,并按预期的减速规律减速运行到定位点停止。但实际上,伺服系统正常运转时每个采样周期反馈的脉冲数是几个、十几个、几十个甚至更多,因而实际减速点并不与理论减速点重合。如图1所示,其最大误差等于减速前一个采样周期的脉冲数。若实际减速点提前,则按预期规律减速的速度降到很低时还未到达定位点,可能需要很长时间才能到达定位点。若实际减速点滞后于理论减速点,则到达定位点时速度还较高,影响定位精度和平稳性。为此,我们提出了分段线性减速方法。

图1 减速点误差示意图

在低速趋近定位点的过程中,设速度为V0(mm/s),伺服系统的脉冲当量为δ(μm),采样周期为τ(ms),则每个采样周期应反馈的脉冲数为:N0=V0τ/δ。由于实际反馈的脉冲数是个整数,可能有一个脉冲的误差,即此时速度检测误差最大值为l/N0=δ/(V0τ)。采样周期越小、速度越低,则速度检测误差越大。为了满足定位精度是一个脉冲的要求,应使V0很小,使得N0≤1,此时速度检测误差达到100%甚至更高。如果此时仍然实行位置闭环控制,必然造成极大的速度波动,严重影响伺服机构的精确定位。所以,我们认为此时应采取位置开环控制,以避免速度波动。

2 分段线性减速精确定位

2.1 方法与步骤

分段线性减速的特点是减速点不需要精确确定,减速过程速度曲线如图2所示。首先讨论最不利情况,即由伺服系统的最高速度开始减速过程,具体的减速步骤是:

(1)初始速度VG经AB段以加速度a2降速到V2,在BC段以V2匀速运行T2个采样周期,用BC这个时间段来补偿减速点A的误差。A点最大误差是VG对应的一个采样周期的脉冲数NG=VGτ/δ,速度为V2时一个采样周期的脉冲数为N2=V2τ/δ,则只要保证T2≥NG/N2=VG/V2,就可以使BC时间段补偿减速点A点的误差。

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