1.概述
在進(jìn)給伺服系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)中，人們一直致力于用軟件控制盡可能多地取代硬件電路，以降低系統(tǒng)的成本和提高系統(tǒng)的性能。隨著高速數(shù)字信號(hào)處理器、單片微型計(jì)算機(jī)、大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，以及可用邏輯電平控制其通斷的電力半導(dǎo)體器件——功率晶體管、功率場(chǎng)效應(yīng)管的商品化，使得高精度、多功能的全數(shù)字進(jìn)給伺服系統(tǒng)很快從設(shè)想變成了現(xiàn)實(shí)，并將逐漸成為進(jìn)給伺服系統(tǒng)的主流。圖1所示是一種全數(shù)字進(jìn)給伺服系統(tǒng)，由脈寬調(diào)制（pwm）調(diào)速的直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)同樣有位置控制，速度控制和電流控制等控制調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)。電流控制器向pwm功率放大器輸送邏輯電平型脈沖調(diào)寬控制信號(hào)，脈沖編碼器pg提供位置與速度反饋信號(hào)，電流檢測(cè)器發(fā)送電流反饋信號(hào)、pwm功率放大器輸出可調(diào)直流電壓驅(qū)動(dòng)直流伺服電機(jī)完成位置伺服控制任務(wù)。
位置控制、速度控制和電流控制環(huán)節(jié)的數(shù)字（軟件）控制運(yùn)算均由單片微機(jī)的cpu來(lái)完成，與cnc系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)有雙向通訊聯(lián)系。在系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)環(huán)節(jié)之間使用同一ram實(shí)行高速通訊處理。各環(huán)節(jié)可以采用不同的控制調(diào)節(jié)策略，通過(guò)軟件可以設(shè)定、改變其結(jié)構(gòu)和參數(shù)。系統(tǒng)最后輸出邏輯電平型的脈寬調(diào)制信號(hào)，直接送至pwm功率放大器模塊，該功率模塊上也可以有電機(jī)的電流檢測(cè)和脈沖編碼器的中繼傳送等電路。
圖1 全數(shù)字進(jìn)給伺服系統(tǒng)
2.全數(shù)字伺服系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)
與全硬件和混合型系統(tǒng)相比，全數(shù)字進(jìn)給伺服系統(tǒng)有許多明顯的優(yōu)點(diǎn)：
在全硬件和混合型系統(tǒng)中模擬信號(hào)因溫度、電路器件老化等原因引起零點(diǎn)偏離和漂移，在全數(shù)字系中，對(duì)邏輯電平以下的信號(hào)漂移、噪聲干擾將不予響應(yīng)，而且還可用軟件進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，因而提高了速度、位置控制的精度和穩(wěn)定性。
在全硬件的模擬控制系統(tǒng)中，微弱信號(hào)的信、噪分離很困難，很難將控制精度提高到毫微級(jí)別以上，而在全數(shù)字伺服系統(tǒng)中，可以通過(guò)增加數(shù)字信號(hào)的位長(zhǎng)，達(dá)到所要求的控制精度。
由于是軟件控制，在全數(shù)字伺服系統(tǒng)中，可以預(yù)先設(shè)定數(shù)值進(jìn)行反向間隙補(bǔ)償；可以進(jìn)行定位精度的軟件補(bǔ)償；甚至因熱變形或機(jī)構(gòu)受力變形所引起的定位誤差，也可以在實(shí)測(cè)出數(shù)據(jù)后通過(guò)軟件進(jìn)行補(bǔ)償；因機(jī)械傳動(dòng)件的參數(shù)（如絲杠節(jié)距）或因使用要求的變化而要求改變脈沖當(dāng)量（即最小設(shè)定單位）時(shí)，可通過(guò)設(shè)定不同的指令脈沖倍率（cmr）或檢測(cè)脈沖倍率（dmr）的辦法來(lái)解決。
全數(shù)字伺服系統(tǒng)中控制調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)全部軟件化，很容易引進(jìn)經(jīng)典和現(xiàn)代控制理論中的許多控制策略，如比例（p），比例-積分（pi）和比例-積分-微分（pid）控制等，而且這些控制調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)可以根據(jù)負(fù)載慣量等條件的不同，通過(guò)軟件進(jìn)行設(shè)定和修改。這樣可以使系統(tǒng)的控制性能達(dá)到最完善的程度，得到最佳的控制效果。
系統(tǒng)能夠高速傳遞多種狀態(tài)參數(shù)信息，進(jìn)行系統(tǒng)故障的自診斷和報(bào)警。
3.全數(shù)字進(jìn)給伺服系統(tǒng)的發(fā)展
為了適應(yīng)高速、高精度加工的需要，提高系統(tǒng)的性能，在全數(shù)字伺服系統(tǒng)中，目前有以下多種方法。
前饋控制（feedforward control）
在數(shù)控機(jī)床高速加工時(shí)，傳統(tǒng)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的位置誤差（位置滯后）很大，反映到被加工零件上是其軌跡誤差很大，增大位置環(huán)的增益系數(shù)可以減小位置誤差，但是會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，或者會(huì)產(chǎn)生慣性沖擊。引入前饋控制可以改善這一缺陷。實(shí)際上進(jìn)給伺服系統(tǒng)成了具有反饋與前饋控制的復(fù)合型系統(tǒng)。這種系統(tǒng)理論上可以完全消除系統(tǒng)的靜態(tài)位置誤差，即實(shí)現(xiàn)了無(wú)差調(diào)節(jié)。
圖2 某數(shù)控機(jī)床的加工實(shí)驗(yàn)結(jié)果
有無(wú)前饋補(bǔ)償，明顯地影響輪廓加工的精度，圖2是某數(shù)控機(jī)床的加工實(shí)驗(yàn)結(jié)果。曲線a是沒(méi)有前饋補(bǔ)償時(shí)，用4m/min進(jìn)給速度切削出的圓弧輪廓，曲線b是引入前饋補(bǔ)償后用同樣進(jìn)給速度加工的結(jié)果，曲線c是沒(méi)有前饋補(bǔ)償時(shí)，用0.5m/min進(jìn)給速度加工的結(jié)果，b、c兩者形狀誤差基本相同?？梢?jiàn)采用前饋補(bǔ)償后，可以提高加工速度和顯著地降低輪廓誤差。
自調(diào)整控制
在進(jìn)給伺服系統(tǒng)中，系統(tǒng)的伺服控制性能和機(jī)械負(fù)載有緊密的聯(lián)系，使系統(tǒng)具有自動(dòng)調(diào)整功能，能根據(jù)機(jī)械負(fù)載特性的變化，自動(dòng)完成控制器結(jié)構(gòu)和參數(shù)的整定，以獲得最優(yōu)的控制性能。伺服系統(tǒng)的速度控制采用pi控制方式，并且系統(tǒng)中引入自校正機(jī)構(gòu)，使系統(tǒng)形成自適應(yīng)pi控制方式。一方面系統(tǒng)可以自動(dòng)辨識(shí)被控機(jī)械對(duì)象的參數(shù)，主要是機(jī)械負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量gd2，自動(dòng)整定控制器參數(shù)，以適應(yīng)被控對(duì)象參數(shù)的變化。另一方面系統(tǒng)具有常規(guī)pi調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、魯棒性較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。這種方案由于計(jì)算繁瑣復(fù)雜，難以實(shí)時(shí)在線進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整 ，宜作為一種輔助功能，在非加工時(shí)間辨識(shí)系統(tǒng)機(jī)械部分的參數(shù)，然后自動(dòng)修正控制器的結(jié)構(gòu)和增益。使伺服系統(tǒng)工作在經(jīng)辨識(shí)整定后的優(yōu)化狀態(tài)。當(dāng)機(jī)械負(fù)載特性發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)用信號(hào)提示，以便再一次調(diào)用自調(diào)整功能，在非加工時(shí)間對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行重新辨識(shí)和整定，使系統(tǒng)又在新整定的結(jié)構(gòu)和參數(shù)下工作。
其他方案
由于全數(shù)字伺服系統(tǒng)，以通用微型計(jì)算機(jī)的硬件為基礎(chǔ)，進(jìn)行軟件控制，可以很靈活地采用不同的控制策略，因此除了上述兩種控制方案以外，目前可見(jiàn)的方案，還有預(yù)測(cè)控制、學(xué)習(xí)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制和各種自適應(yīng)控制等等。當(dāng)然，這些方案多處在研究實(shí)驗(yàn)階段，尚未臻于實(shí)用的程度。