活塞环数控车床控制系统设计

　　活塞环数控车床需要通过“电子靠模”代替通常的硬靠模完成活塞环自由型线的加工。必须使主轴旋转编码器所采集的机床主轴角度信息和直线电机的径向位移匹配起来，这是活塞环数控车床首先需要解决的问题。PMAC具有与外部事件同步控制功能，即时基控制，也称电子凸轮，它是通过由外部采集输入信号的频率来控制所要求运动的速度。对于本机床数控系统而言，通过主轴编码器采集的角度信号来控制X轴(直线电机)的执行，即主轴每旋转一个角度。要求X轴直线电机运动到指定的距离，直线电机运动速度受主轴转动速度控制。

　　在基于时基的控制中，PMAC将位置运动轨迹表述为主位置的函数，而不是时间的函数。在本机床控制系统中，主轴旋转运动不受PMAC控制，但希望将受PMAC控制的X轴运动轨迹表示成主轴运动的函数．也就是说X轴运动轨迹与主轴转动的角度一一对应。实际做法为，先定义主轴位置传感器的“实时输入频率(RITF)”，其单位为每毫秒步，例如设RITF为32每毫秒步，表示程序运行1毫秒时，主轴旋转32步。若主轴编码器每转有4096脉冲．数控系统采用4倍频。则主轴在每毫秒实际转过了32*360／(4096*4)角度。定义了外部实时输入频率后，就可以将X轴的运动轨迹与该主轴转过的角度联系起来。

　　虽然基于时基的控制可以使从动轴和主轴保持良好的同步，但对于活塞环车削还存在一个相位问题．即主轴上某相位点应与X进给轴某一位置点相对应。为此，我们使用了主轴编码器的基准点来触发时基．在触发之前冻结时基，当触发器捕捉了主轴基准点开始触发时基，这样就可以使时基的触发与主轴的相位保持良好的同步。

　　通过上述分析，对PMAC特定变量进行设置以及所需PLC程序的编写，可以很好的启动PMAC电子凸轮的功能，满足活塞环加工的特定要求。表l为本机床数控系统所采用的“电子靠模”的存储结构。

　　归纳上述，本机床基于时基的电子靠模程序设计步骤如下：

　　第一步：信号解码给PMAC输入的信号必须是某一个增量编码器输入正交信号或一个脉冲和方向信号，通过定义PMAC的I变量选择解码方式

　　第二步：插补与时基设置通过对PMAC系统I变量的设置，使系统启动电子凸轮的控制模式。

　　第三步：编写运动程序编写使用触发时基的运动程序，使所有从动控制轴停止在等待触发点上，在未被触发前，时基必须被冻结，以防止开始运动。

　　第四步：准备触发器为了使系统可靠的执行．运动控制程序不能启动触发器，而必须通过PLC程序来准备触发，这样保证在程序计算未进行完之前不可能产生时基的触发。

　　第五步：开始触发一旦触发器准备完毕．PMAC就等待主编码器的基点信号的到来。以使时基程序的触发。

5 基于PMAC的直线电机速度／加速度前馈控制

　　PID调节是自动控制中最早产生的一种控制方法，其在工业生产过程中的应用已有几十年的历史，作为一种最基础最主要的调节方式。PID调节控制简单且效果显著．在本系统中将在PMAC中引入PID调节，以获得良好的稳态性能和动态性能。

　　5.1 传统PlD控制器基本原理简介

　　PID(Proportional、Integral and Differentia1)控制是最早发展起来的控制策略之一，它以算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点而被广泛应用于工业过程控制中。

　　常规的PID控制系统结构如图3所示：

图3 PID控制系统结构图 

　　系统主要由PID控制器和被控对象组成。作为一种线性控制器，它根据设定值Y (t)和实际输出值y(t)构成控制偏差e(t)，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量U(t)，对被控对象进行控制。控制器的输入输出关系可描述为：

　　在系统中，比例作用的引入是为了及时成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)，以最快速度产生控制作用．使偏差向减小的方向变化。增加比例增益可以提高系统的开环增益，提高响应速度，但K 过大，会造成闭环系统不稳定，导致系统振荡比较严重，超调量增大。

　　积分控制能对误差进行记忆并积分，有利于消除稳态误差，提高系统的稳态性能。但在设计过程中如果使积分值过大．将会使系统的过渡过程变长。微分具有超前作用，能抑制超调，对于大的迟滞系统．引入微分控制对于改善系统的动态性能有显著的效果。但在设计过程中如果使微分控制量过大，将会使系统的响应速度变慢。

　　5.2 基于PMAC的直线电机速度／加速度前馈控制

　　传统的PID控制策略在交流伺服系统中得到了广泛的应用，但在高精度微进给的高性能场合，就必须考虑到对象结构与参数变化、各种非线性的影响、运行环境的改变以及环境干扰等不确定因素，才能得到满意的控制效果。

　　在采取各种控制方法时，基于对对象模型结构的认识．必须从直线交流伺服电动机传动系统是一个具有高度快速性的动态系统这一具体对象特征出发，不可能在非常短暂的动态调节过程中实现十分复杂的控制算法。同时，要针对产生扰动的不同原因的特殊性．采用相应见长的控制策略。伺服系统另一个重要性能就是其对指令的跟踪能力，在理想情况下。输出能无延迟、无超调地跟踪指令的变化。一个成功的控制策略，必须针对具体对象的特点，在满足主要要求的同时，兼顾跟踪能力和抗扰能力。

　　在这种情况下，考虑到PMAC强大的伺服控制功能，在传统的PID控制算法的基础上，再加上速度和加速度的前馈，用速度前馈来减小由于阻尼带来的跟随误差，用加速度前馈来补偿由于惯性带来的跟随误差，同时加上陷波滤波器来防止谐振，以抵消共振，正是基于上述的分析，提出了基于PMAC的直线电机速度／力Ⅱ速度前馈控制，控制结构图如图4所示：

图4 基于PMAC的速度／力口速度前馈算法

　　在图中，K_p是比例增益，K_d是微分增益，K_i是积分增益，K_vff提速度前馈增益，K_aff提加速度前馈增益。

6 结束语

　　本文介绍了活塞环数控车床的控制系统设计方案，为非圆产品的高速加工提供了控制系统解决方案。