《数控原理》中伺服系统的教学实践应用

一、任务提出

在我院数控系的《数控原理》教学内容中,有一段关于数控机床的位置伺服系统的内容。位置控制是伺服系统的重要组成部分,它是保证位置控制精度的重要环节。位置控制按其结构可分为开环与闭环控制两大类,为了使学生更好地理解闭环数字伺服系统,我在学校组织的职校教师下工厂实习的活动中,结合工厂的发动机试验研究,选择汽油机恒速的控制课题,采用单闭环PID控制系统,将教学内容与工厂实践相结合。

二、汽油机转速控制原理

发动机曲轴每分钟的回转数称为发动机转速,用n表示,单位为r/min。发动机转速的高低,关系到单位时间内作功次数的多少或发动机有效功率的大小,即发动机的有效功率随转速的不同而改变,需要对发动机的转速实现恒定速度的自动控制。我们可以不用气门位置传感器,而直接采样发动机的转速作为信号反馈,用步进电机来控制气门开度,用汽油机转速的数字量采集来作为单闭环的反馈量,因为一般的开度控制应该是对应于步进电机的步数,而开度的大小直接对应汽油机的转速,以此作为发动机转速的自动控制方式的解决办法。

主要特点:1.闭环反馈式自动控制方式,通过反馈来减少被控制量(输出量)的偏差;2.智能化控制,用单片机实现数字控制与数码显示;3.通过实用新型控制气压式油门拉线挤压器来实现对油门拉线的控制,控制油门大小,实现对发动机转速的控制,结构简单,容易实现;4.自动归位功能;5.解决了现有发动机转速控制装置结构复杂的问题。

电路总体设计如图一:

1.单片机的介绍

单片机就是一个微型电脑,它内部也有和电脑功能类似的模块,比如CPU、内存、并行总线、存储器件。目前最常用的单片机为MCS-51,是由美国Intel公司(生产CPU的英特尔)生产的;89C51也是这几年在我国非常流行的单片机,它是由美国ATMEL公司开发生产的,软件开发是Keil C 51,以C语言为开发基础。

2.汽油机的转速信号采集

对汽油机的转速信号采集必须使用转速传感器。转速传感器是将旋转物体的转速转换为电量输出的传感器。转速传感器属于间接式测量装置,可用机械、电气、磁、光和混合式等方法制造。按信号形式的不同,转速传感器可分为模拟式和数字式两种。本发动机采集的转速信号是模拟信号,必须进行信号放大与整形,把它转变为可以直接给单片机采集的脉冲信号。

3.转速的算法

转速是指作圆周运动的物体在单位时间内所转过的圈数,其大小与变化往往意味着机器设备运转的正常与否,因此,转速测量一直是工业领域的一个重要问题。对转速的测量实际上是对转子旋转引起的周期脉冲信号的频率进行测量。在频率的工程测量中,电子式定时计数测量频率的方法一般有以下两种:1.测频率法:在一定时间间隔t 内,计数被测信号的重复变化次数N ,则被测信号的频率fx 可表示为f x =Nt。2.测周期法:在被测信号的一个周应用中需要测量的转速范围很宽,上述的转速测量方法难以满足要求,因此,研究高精度的转速测量方法,以同时适用于高、低转速信号的测量,不仅具有重要的理论意义,而且是实际生产中的需要。当单片机计算出发动机的实时转速时,就可以与设定值进行比较,进入下一个PID计算控制环节。

三、单片机的恒定转速的单闭环的PID控制

在自动控制系统中,选用单闭环的校正装置中最常用的是PID控制。PID是比例、积分、微分的简称,PID控制的难点不是编程,而是控制器的参数整定。参数整定的关键是正确地理解各参数的物理意义,PID控制的原理可以用人对炉温的手动控制来理解。有经验的操作人员手动控制发动机的风门,即让步进电机带动风门旋转一个步距角,比如1.5°,就可以在监控转速表上看到转速的变化,转速大于给定值时,误差为负,在位置L的基础上反时针减小步进电机的转角,并令转角与位置L的差值与误差成正比。上述控制策略就是比例控制,即PID控制器输出中的比例部分与误差成正比。这样就可以确定P的大小。单纯的比例控制很难保证调节得恰到好处,完全消除误差。 总之,PID参数的调试是一个综合的、各参数互相影响的过程,实际调试过程中的多次尝试是非常重要的,也是必须的。当执行机构需要的不是控制量的绝对值,而是控制量的增量(例如本例去驱动步进电动机)时,需要用PID的“增量算法”。见图二。

上式已是离散型的表达式了,看不出是PID的表达式了,也看不出P、I、D作用的直接关系,只表示了各次误差量对控制作用的影响。换句话说,数字增量式PID算法,只要贮存最近的三个误差采样值e(k)、e(k-1)、e(k-2)就足够了。

四、执行元件的介绍

步进电机的控制脉冲输入步进电机是伺服控制元件,我们选用大批量生产的2相混合式步进电机,12V直流,型号28BYJ48-01,额定电压 12VDC±10%,相数 4,减速比 1/64,步距角5.625°/64。关于步进电机的初始位置的确定,当系统未加电时,步进电机的起始位置由一机械弹簧复位,此位置即对应发动机风门的怠速风门位置,系统加电后系统自动进入发动机转速的增量型闭环恒速控制。因此风门无需加装初始位置传感器。 用80C51单片机驱动步进电机,可通过对80C51单片机的编程实现脉冲分配,再驱动uln2003或者ULN2803A,也可采用L297和L298芯片驱动步进电机,或内部带有脉冲分配器的IC,可使80C51单片机的编程更简单。如包含脉冲分配器的三相步进电机驱动电路PMM8713。利用转速传感器数字化信号采集原理设计反馈电路,形成闭环。用C语言编程,应用PID算法,利用LCD显示,比较设定值与反馈值,实现转速反馈闭环控制系统。

五、结语

总之,在《数控原理》数控机床闭环伺服系统的原理与性能的教学实践中,理论理解是一方面,课题实践更具有重要的作用。提高闭环系统稳定性能的措施,包括降低系统的速度放大系数, 采用积分—微分串联校正装置,采用速度、加速度负反馈并联校正装置。

参考文献:

[1]郭文成.数控原理.机械工业出版社,2002.

[2]刘文涛.MCS-51单片机实用教程.原子能出版社,2004.

推荐访问:数控 教学实践 原理 伺服系统