力矩電機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與性能實(shí)驗(yàn)

摘要
現(xiàn)代高檔數(shù)控機(jī)床的發(fā)展對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)進(jìn)給伺服性能提出了越來(lái)越高的要求，在各種數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)中，傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式難以實(shí)現(xiàn)高精度加工。本文采用KOLLMIRGEN力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)，消除了中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，具響應(yīng)速度快、動(dòng)態(tài)剛度和定位精度高等特點(diǎn)。
本文依據(jù)“零傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)”的具體要求，采用了“NC嵌入PC”的開放式數(shù)控系統(tǒng)，采用工控機(jī)作為上位機(jī)，來(lái)處理數(shù)控系統(tǒng)中的弱實(shí)時(shí)性任務(wù)，用PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡作為數(shù)控系統(tǒng)的控制器，完成數(shù)控系統(tǒng)中的強(qiáng)實(shí)時(shí)性任務(wù)；安裝了PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡的IPC與Danaher Motion伺服驅(qū)動(dòng)器、力矩電機(jī)組成了三環(huán)閉環(huán)的控制系統(tǒng)；利用PMAC提供的PID執(zhí)行程序在線調(diào)節(jié)整個(gè)系統(tǒng)的PID參數(shù)，優(yōu)化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能；利用RENISHAW激光干涉儀測(cè)定電機(jī)的定位誤差并編寫誤差補(bǔ)償程序，實(shí)施誤差的在線補(bǔ)償。通過(guò)對(duì)電機(jī)的調(diào)試和檢測(cè)，電機(jī)的性能達(dá)到各項(xiàng)設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞：力矩電機(jī)，PMAC, RENISHAW激光干涉儀

Design of Torque Motor Control System and Performance Test
ABSTRACT
The performance of the rotative feed servo is more and more important with the development of modern advanced numerical control machine ,in various NC rotary tables, the traditional drive mode is very difficult to implement high precise processing. The text taking kollmorgen direct drive NC rotary table, in this drive mode, all mechanical transmission elements are eliminated, and it has quick response ,high dynamic stiffness and position precision.
According to requirement of zero mechanical transmission experimental table, this text taking “NC+PC” openning architecture, IPC was used as its supervisory to process weak real-time tasks in CNC, and PMAC motion control card was used as the control of CNC to process strong real-time tasks. stage．The whole system PID parameters had been adjusted on—line using the PID executive program provided by PMAC，optimized the dynamic performance of the system. The setting accuracy and the resetting accuracy of the Torque Motor had been determined by RENISHAW laser interferometer. system，and then the setting error compensation on-line had been realized by compiling the error compensation program．
Through the debug and detection of the motor, the performance index of it has fulfilled the designing requirement.
Key words: Torque Motor, PMAC, RENISHAW laser interferometer


目 錄
第1章. 緒論 1
1.1. 課題研究的目的及意義 1
1.2. 力矩電機(jī)的研究狀況及發(fā)展趨勢(shì) 2
1.3. 國(guó)內(nèi)外超精密數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用PMAC概況 4
1.4. 開放式數(shù)控系統(tǒng) 6
1.5. 論文的主要內(nèi)容與任務(wù) 7
第2章. 伺服驅(qū)動(dòng)單元 9
2.1. 力矩電機(jī) 9
2.1.1. 力矩電機(jī)的主要特點(diǎn)及應(yīng)用 9
2.1.2. KOLLMORGEN力矩電機(jī)D063M 10
2.2. 伺服驅(qū)動(dòng)器 11
2.2.1. 驅(qū)動(dòng)器的主要端口 12
2.2.2. 編碼器的引腳及意義 13
2.2.3. 正弦編碼器的反饋 15
2.3. 本章總結(jié) 15
第3章. PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡 16
3.1. PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡的概述 16
3.2. PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡的功能簡(jiǎn)介 16
3.3. PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡的開放性 18
3.4. PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡的應(yīng)用 19
3.5. 本章總結(jié) 19
第4章. 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 20
4.1. 控制系統(tǒng)的組成與分類 20
4.1.1. 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的組成 20
4.1.2. 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的分類 21
4.2. 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì) 22
4.2.1. 系統(tǒng)連線 24
4.2.2. 系統(tǒng)的電氣控制 29
4.3. 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的調(diào)試 29
4.3.1. I變量的設(shè)置 29
4.3.2. 驅(qū)動(dòng)器參數(shù)的設(shè)置 32
4.3.3. 電機(jī)PID參數(shù)的設(shè)定及調(diào)節(jié) 33
4.4. 系統(tǒng)安全 37
4.4.1. 硬件超程限位開關(guān) 38
4.4.2. 軟件超程限位 38
4.4.3. 跟隨誤差限制 38
4.4.4. 屏蔽技術(shù) 38
4.4.5. 光電隔離 39
4.5. 本章總結(jié) 39
第5章. 系統(tǒng)精度檢測(cè)實(shí)驗(yàn) 40
5.1. RENISHAW激光干涉儀的測(cè)量原理 40
5.2. 精度測(cè)量結(jié)果分析 41
5.2.1. 基于PMAC的誤差補(bǔ)償功能 41
5.2.2. 測(cè)量結(jié)果分析 42
5.3. 本章小結(jié) 44
第6章. 結(jié)論及展望 45
6.1. 結(jié)論 45
6.2. 展望 45
參考文獻(xiàn) 47
致 謝 50

第1章. 緒論
1.1. 課題研究的目的及意義
目前多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展水平已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家制造裝備業(yè)水平的重要標(biāo)志，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家已把數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)直接驅(qū)動(dòng)多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床作為新一代產(chǎn)品的主流發(fā)展方向之一，并正在積極研制和開發(fā)。作為這種高檔次數(shù)控產(chǎn)品的核心問(wèn)題之一——直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)及其控制系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)高速高精度加工的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。在各種數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)中，傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式通常是旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)加蝸輪蝸桿副和齒輪副機(jī)構(gòu)，由于存在著傳動(dòng)鏈，雖有較好的靜態(tài)剛度，但這種驅(qū)動(dòng)方式要完成啟動(dòng)、加速、減速、反轉(zhuǎn)及停車等運(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的彈性變形摩擦和反向間隙等將造成機(jī)械振動(dòng)、運(yùn)動(dòng)響應(yīng)慢、動(dòng)態(tài)剛度差及其它非線性誤差，因而難以實(shí)現(xiàn)高精度加工[1]。解決上述問(wèn)題的途徑之一就是采取直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)“零傳動(dòng)”。兩種傳動(dòng)方式的最大區(qū)別就是取消了從電動(dòng)機(jī)到工作臺(tái)之間的一切機(jī)械中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，如圖1.1所示，伺服系統(tǒng)省掉了機(jī)械速度變換機(jī)構(gòu)，將負(fù)載