一种应用于雕铣机的伺服位置控制方法

摘要

本发明公开了一种应用于雕铣机的伺服位置控制方法，该方法引入了速度前馈和电流前馈，其中，将位置控制器的输出信号加上前馈控制器输出的前馈速度信号，减去伺服电机反馈的速度信号作为速度控制器的输入信号，前馈控制器将上位机发送的位置脉冲信号经过微分处理获得前馈速度信号；将速度控制器的输出信号加上前馈控制器输出的电流前馈信号，然后减去伺服电机反馈的电流信号作为电流控制器的输入信号，电流前馈信号由加速度电流信号与摩擦力电流信号相加得到。电流前馈的作用是提升伺服的速度响应，速度前馈的作用是提升伺服的位置响应，本发明方法减小了雕铣机的X轴、Y轴和Z轴在换相点处的位置误差，提高了工件的加工精度和加工效率。

权利要求

1.一种应用于雕铣机的位置控制方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）将雕铣机的上位机发送的给定位置脉冲信号与伺服电机反馈的位置脉冲信号相减后作为伺服驱动器的位置控制器的输入信号；

（2）将伺服电机反馈的位置脉冲信号经过微分器变成伺服电机反馈的速度信号；

（3）将位置控制器的输出信号加上前馈控制器输出的前馈速度信号，然后减去伺服电机反馈的速度信号作为速度控制器的输入信号；其中，前馈控制器将上位机发送的给定位置脉冲信号经过微分处理及滤波处理获得前馈速度信号；

（4）将速度控制器的输出信号加上前馈控制器输出的电流前馈信号，然后减去伺服电机反馈的电流信号作为电流控制器的输入信号；其中，前馈控制器将前馈速度信号经过微分处理及滤波处理获得加速度信号，加速度信号乘以设定系数A得到加速度电流信号；将滚珠丝杠、负载和导轨之间的摩擦力乘以设定系数B得到摩擦力电流信号；将加速度电流信号与摩擦力电流信号相加得到电流前馈信号；

（5）将电流控制器的输出信号作为功率驱动板的输入信号，功率驱动板输出三相交流电驱动伺服电机运行。

说明书

一种应用于雕铣机的伺服位置控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种应用于雕铣机的伺服位置控制方法，尤其涉及一种应用于雕铣机带速度前馈及电流前馈的伺服位置控制方法，属于伺服控制技术领域。

背景技术

[0002] 雕铣机是一种使用小刀具、大功率和高速主轴电机的数控机床，其特点是既可以雕刻，也可以铣削，广泛应用于精密模具粗细加工一次完成的场合。

[0003] 基于图1和图2，说明雕铣机控制系统部分的基本组成：上位机10负责完成工件加工所需的轨迹规划，X轴、Y轴和Z轴的伺服驱动器工作在位置模式，负责接收上位机发送的脉冲指令，同时驱动伺服电机稳定、快速和精确地完成上位机期望的脉冲指令值。伺服电机20的旋转运动通过滚珠丝杠21转换为负载22的直线运动，雕铣机的加工精度受以下多个方面的影响：上位机规划的轨迹曲线精度、丝杠和导轨的刚性、伺服驱动器的控制性能等。

[0004] 伺服驱动器的控制性能由位置控制环、速度控制环和电流控制环的综合性能来决定。位置控制器、速度控制器和电流控制器一般基于反馈信号，采用PID控制算法来实现闭环控制。由于反馈信号需要经过检测部件进行处理，具有一定的滞后性，因此伺服系统无法实现快速响应。另外，滚珠丝杠21、负载22和导轨23之间存在着摩擦力，这部分摩擦力也需要通过反馈闭环控制来克服，也影响伺服的快速响应性能，尤其体现在伺服换相点处的位置跟随误差较大。在实际的加工中，我们发现雕铣机的X轴、Y轴和Z轴在换相点处的位置误差最大，造成在换相点处工件的轮廓加工精度变差，最终的工件加工精度和加工效率也相应受到影响。

发明内容

[0005] 本发明公开了一种应用于雕铣机的伺服位置控制方法，解决了现有控制方法应用于雕铣机时雕铣机的X轴、Y轴和Z轴在换相点处的位置误差较大的问题。

[0006] 为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案是：

[0007] 一种应用于雕铣机的位置控制方法，包括以下步骤：

[0008] 第一步： 将雕铣机的上位机发送的给定位置脉冲信号与伺服电机反馈的位置脉冲信号相减后作为伺服驱动器的位置控制器的输入信号；

[0009] 第二步：将伺服电机反馈的位置脉冲信号经过微分器变成伺服电机反馈的速度信号；

[0010] 第三步：将位置控制器的输出信号加上前馈控制器输出的前馈速度信号，然后减去伺服电机反馈的速度信号作为速度控制器的输入信号；其中，前馈控制器将上位机发送的位置脉冲信号经过微分处理及滤波处理获得前馈速度信号；

[0011] 第四步：将速度控制器的输出信号加上前馈控制器输出的电流前馈信号，然后减去伺服电机反馈的电流信号作为电流控制器的输入信号；其中，前馈控制器将前馈速度信号经过微分处理及滤波处理获得加速度信号，加速度信号乘以设定系数A得到加速度电流信号；将滚珠丝杠、负载和导轨之间的摩擦力乘以设定系数B得到摩擦力电流信号；将加速度电流信号与摩擦力电流信号相加得到电流前馈信号；

[0012] 第五步：将电流控制器的输出信号作为功率驱动板的输入信号，功率驱动板输出三相交流电驱动伺服电机运行。

[0013] 本发明在传统伺服控制方法的基础上，增加电流前馈的主要作用是提升伺服的速度响应，降低速度跟踪误差；在伺服的速度跟踪精度获得提升的基础上，增加速度前馈的主要作用是提升伺服的位置响应，降低伺服的位置跟踪误差。本发明中的控制方法应用于雕铣机时，减小了雕铣机的X轴、Y轴和Z轴在换相点处的位置误差，提高了工件的加工精度和加工效率。

附图说明

[0014] 图1为雕铣机的结构示意图。

[0015] 图2为伺服驱动器的内部控制器与信号关系示意图。

[0016] 图3为本发明方法应用于雕铣机的示意图。

[0017] 图4为换相点处实际的位置曲线、带前馈控制的位置曲线及不带前馈控制的位置曲线关系图。

[0018] 图5为摩擦力曲线。

[0019] 图6为实测的摩擦力对应的电流数据。

[0020] 图7为加速度曲线。

[0021] 图8为为实测的加速度对应的电流波形。

[0022] 图9为带前馈控制的X轴位置偏差丝与不带前馈控制的X轴位置偏差丝关系图。

[0023] 图10为带前馈控制的Y轴位置偏差丝与不带前馈控制的X轴位置偏差丝关系图。

具体实施方式

[0024] 下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步详细说明。

[0025] 图1为雕铣机的结构示意图，上位机10输出3个位置信号P-1、P-2和P-3，分别以脉冲形式发给X轴、Y轴和Z轴伺服驱动器，X轴、Y轴和Z轴伺服驱动器分别驱动X轴、Y轴和Z轴伺服电机。Y轴伺服电机驱动工件加工台面在Y轴方向运动；Z轴伺服电机驱动主轴电机在Z轴方向运动，主轴电机带动刀具高速旋转，负责雕铣工件；Z轴伺服电机与主轴电机做为一个整体由X轴伺服电机驱动，在X轴方向运动。

[0026] 图2为伺服驱动器的内部控制器与信号关系示意图，其中20为伺服电机，21为滚珠丝杠、22为负载，23为导轨。内部控制器包括位置控制器、速度控制器、电流控制器和前馈控制器。前馈控制器根据上位机给定的位置信号以及X轴、Y轴和Z轴的滚珠丝杠幅的摩擦特性，分别计算出X轴、Y轴和Z轴各自对应的速度前馈信号和电流前馈信号。

[0027] 图3为本发明方法应用于雕铣机的示意图。本发明方法应用于雕铣机控制系统中的X轴、Y轴和Z轴伺服驱动器，X轴、Y轴和Z轴伺服驱动器的内部控制器与信号关系都是相同的。

[0028] 速度前馈和电流前馈的控制原理为：前馈控制器将上位机发送的位置脉冲指令经过微分处理获得速度指令信号，但从离散的位置脉冲指令中通过微分获取的速度信号含有噪声信号，影响控制效果，所以需要经过滤波处理，获得光滑的速度指令信号。用同样的方法，将速度指令信号先经过微分处理，再经过滤波处理获得加速度指令信号，由于系统加速度乘以系统惯量所得的值与伺服电机需要提供的加速力矩成线性关系，而伺服电机提供的加速力矩与电流也成线性关系，所以加速度值乘以一个系数后就可以获得加速度对应的电流，所乘的加速度对应到相应的电流前馈量的比例系数可以由用户来设定。通过伺服电机带动滚珠丝杠进行实验来确定摩擦模型所需的参数，摩擦力乘以一个系数后就可以获得摩擦力对应的电流前馈量，所乘的摩擦力对应到相应的电流前馈量的比例系数可以由用户来设定。将加速度对应的电流前馈量与摩擦力对应的电流前馈量叠加后获得最终的电流前馈量。

[0029] 下面结合图5、图6、图7及图8具体说明摩擦力对应到相应的电流前馈量的比例系数及加速度对应到相应的电流前馈量的比例系数的设定原则。图5为摩擦力曲线，其中正向摩擦力和反向摩擦力对称，摩擦力最大值约为0.02。图6为实测的摩擦力对应的电流数据，正向电流和反向电流对称，在摩擦力为最大值的时间段内，对应的电流值是波动的，对波动的电流值做取平均值处理。在摩擦力为最大值0.02时，对应的电流平均值约为0.2，所以摩擦力对应到相应的电流前馈量的比例系数约为0.2÷0.02=10。图7为加速度曲线，其中正向加速度与反向加速度对称，加速度最大值约为2.2。图8为实测的加速度对应的电流波形，其中正向电流和反向电流对称，在加速度为最大值的时间段内，对应的电流值是波动的，对波动的电流值做取平均值处理。在加速度为最大值2.2时，对应的电流平均值约为1.3，所以加速度对应到相应的电流前馈量的比例系数约为1.3÷2.2=0.59。

[0030] 以图3中的X轴伺服驱动器1为例，说明伺服驱动器的控制信号关系以及速度前馈和电流前馈的计算方法。上位机发送的给定位置脉冲信号P-1和伺服电机反馈的位置脉冲信号1-3相减后作为位置控制器的输入信号。从给定位置脉冲信号P-1中提取速度前馈量1-4和加速度前馈量，通过实验来分析加速度前馈量与电流前馈量之间的比例关系，找出加速度前馈量与电流前馈量之间比例系数，用户将该比例系数输入伺服参数表中，由此获得加速度前馈量对应的电流前馈量。伺服电机反馈的位置脉冲信号1-3经过微分器后获得伺服电机反馈的速度信号1-2；位置控制器的输出信号先加上前馈控制器输出的前馈速度信号1-4，然后减去伺服电机反馈的速度信号1-2作为速度控制器的输入信号。通过实验来获取摩擦模型所需的参数，摩擦力与电流前馈量的比例系数由用户来设定，由此获得摩擦力对应的电流前馈量，前馈控制器将加速度前馈量对应的电流前馈量加上摩擦力对应的电流前馈量作为最终的电流前馈信号1-5。速度控制器的输出信号先加上前馈控制器输出的电流前馈信号1-5，然后减去伺服电机反馈的电流信号1-1作为电流控制器的输入信号。电流控制器的输出信号作为功率驱动板的输入信号，最后功率驱动板输出三相交流电驱动伺服电机旋转，伺服电机的旋转运动通过滚珠丝杠转换为负载的直线运动。Y轴伺服驱动器
2和Z轴伺服驱动器3的控制原理同X轴伺服驱动器1，其中2-1和3-1为伺服电机反馈的电流信号，2-2和3-2为伺服电机反馈的速度信号，2-3和3-3为伺服电机反馈的位置脉冲信号，2-4和3-4为前馈控制器输出的前馈速度信号，2-5和3-5为前馈控制器输出的电流前馈信号。

[0031] 为了说明本发明技术产生的实际技术效果，在雕铣机上进行画圆实验，观察在换相点处圆弧的曲线精度是否改善。上位机将圆轨迹信号发送给X轴和Y轴伺服，首先进行不带速度前馈及电流前馈的实验，然后进行带速度前馈及电流前馈的实验，判断在换相点处两次实验中哪次实验的实际位置曲线更加接近给定位置曲线，越接近给定位置曲线说明实际的工件加工效果更好。由图4的实验数据可知：在雕铣机上使用带速度前馈及电流前馈的位置控制方式以后，在换相点处实际的位置曲线更加接近给定的位置曲线。给定位置与实际位置之间的差值为位置偏差量，位置偏差量越小意味着位置跟踪效果更好，由图9和图10的实验数据可知：使用带速度前馈及电流前馈的位置控制方式以后，X轴和Y轴位置偏差量降低了。