CN103792888B - 基于进给系统位置反馈信号的振动抑制控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于进给系统位置反馈信号的振动抑制控制器，振动控制抑制器设置在数控系统与伺服系统之间，控制器的输入信号为数控系统产生的代表设定速度指令的±10V的模拟量信号或数字量信号和位置测量系统实测的工作台的位置信号，输出信号为代表修正速度指令的±10V的模拟量信号或者数字量信号。本发明利用位置测量系统测得工作台实际位置信号和近似插补指令信号计算器得到的近似插补指令信号，通过振动抑制信号产生器的处理得到振动抑制信号，并反馈回调节回路达到抑制振动的目的。此外，利用近似插补指令信号计算器得到的近似插补指令信号，通过速度前馈控制器得到速度前馈信号，并反馈回调节回路，从而达到减小稳态误差的目的。

Description

基于进给系统位置反馈信号的振动抑制控制器

技术领域

本发明涉及机械控制领域，具体涉及一种基于进给系统位置反馈信号的振动抑制控制器。

背景技术

当今社会，精密和超精密加工技术已经成为现代机械制造的重要组成部分。数控机床作为机械制造中的重要工具，它的精度指标是影响工件加工精度的重要因素。而进给系统作为数控机床主要的组成部分，其跟随性能和抗干扰能力严重影响了数控机床的加工精度。

现有机床进给系统控制应用的主要是级联控制：电流环PI控制，速度环PI控制以及位置环P控制。速度环通过电机侧的角度编码器实现速度的反馈，位置环通过角度编码器实现半闭环的位置控制或者通过工作台处的直线光栅尺实现全闭环的位置控制。

现在大多数进给系统采用的是电机+联轴器+丝杠螺母+工作台的传动方式。联轴器、丝杠螺母和支撑轴承的有限刚度导致了进给系统具有较低的第一阶共振频率,限制了进给系统带宽的增加以及控制性能的提高。当控制器的参数设置不当或者工作台受到外部干扰时，进给系统会产生不期望的振动，从而影响工件的加工质量。此外，随着对生产效率要求的提高，高速数控机床得到了广泛的应用，但是高速数控机床大幅值、高频宽的驱动力、惯性力、切削力会激励起机械系统显著的振动。

利用控制论中极点配置的理论，分析可知，在理想电流环的情况下，伺服电机的转速和名义速度指令之间的传递函数是四阶的，而仅仅通过速度环的比例增益Kv和积分时间常数Ti不能实现传递函数极点的任意布置，从而影响了控制器的跟随性能和抗干扰能力。为了提高进给系统的控制能力，就必须要反馈回另外的机械状态变量，如丝杠的扭矩、工作台的移动速度等，从而实现传递函数极点的任意布置。但是由于状态变量的反馈可能需要另外的测量设备，增加了系统的成本，而且状态变量反馈增益的调整比较困难，因此市场上鲜有带有另外状态反馈的控制器出现。

约翰尼斯海登海恩博士股份有限公司设计了一种用于抑制低频振动的调节器结构，中国专利（申请）CN 103246232 A，具有位置调节器、速度调节器和电流调节器。此外，在调整回路中形成了振动抑制信号，该振动抑制信号反作用与不期望的低频振动。但是由于数控系统和伺服系统的封闭性，此专利所采用的振动抑制方式仅仅只能在伺服系统的设计阶段考虑，不能在使用阶段考虑，限制了其使用范围。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于进给系统位置反馈信号的振动抑制控制器，该控制器安装于数控系统与伺服系统之间，可以大大增强整个进给系统的抗干扰能力，进而提高加工工件的表面质量。

为了解决现有技术中的这些问题，本发明提供的技术方案是：

一种基于进给系统位置反馈信号的振动抑制控制器，进给系统包括数控系统与伺服系统，振动控制抑制器设置在数控系统与伺服系统之间，控制器的输入信号为数控系统产生的代表设定速度指令的±10V的模拟量信号或各种不同通信协议的数字量信号和位置测量系统直线光栅尺、磁栅、干涉仪同步变压器等任意可以测量位置信号的系统实测的工作台的位置信号模拟量或者数字量，输出信号为代表修正速度指令的±10V的模拟量信号或者数字量信号。

对于上述技术方案，发明人还有进一步的优化措施。

作为优化，所述振动抑制控制器包括输入接口电路、反馈接口电路、振动抑制器、输出接口电路，其中，

控制器的输入接口电路对输入的代表设定速度指令的±10V的模拟量信号或数字量信号进行采样保持A/D转换或者插补，得到数字量设定速度指令信号V_set，其采样或者插补的周期为速度环的采样周期Tspeed；

控制器的反馈接口电路对输入的代表工作台实际位置的模拟量或者数字量信号进行采样保持或者插补，得到数字量实际位置反馈信号X_list，其采样或者插补的周期为速度环的采样周期Tspeed；

控制器的振动抑制器对上述的数字量速度指令信号V_set和位置反馈信号X_list进行处理得到振动抑制信号P_mr，V_mr，并反馈回调节回路，得到修正速度指令信号V_nom；

控制器的输出接口电路按照伺服系统可接受速度指令信号类型的不同，把上述修正速度指令信号V_nom通过D/A转化为模拟量信号或者直接输出数字量信号。

进一步，所述的振动抑制器输入信号为数字量速度指令信号V_set和位置反馈信号X_list，结构包括近似插补指令信号计算器.、速度前馈控制器.、振动抑制信号产生器.

更进一步，所述的近似插补信号计算器.对设定速度指令的数字量信号V_set和工作台实际位置的数字量信号X_list进行重新采样和保持，其采样周期为位置环的采样周期Tpos，工作台实际位置的数字量信号X_list经过具有参数化放大系数Kp的比例环节..，并与重新采样后的设定速度指令的数字量信号相加，得到近似的插补指令信号X_ref。

作为优化，所述的速度前馈控制器.对上面所述的近似插补指令信号X_ref经过微分处理..，并经过具有参数化放大系数K的比例环节..和低通滤波器..得到速度前馈补偿信号V_FF。

作为优化，所述的振动抑制信号产生器.利用工作台实际位置的数字量信号X_list，经过具有参数化放大系数Kp的比例环节..，并与上面所述的近似插补指令信号X_ref相减得到误差信号E，再经过具有参数化的放大系数K的比例环节..得到振动抑制信号P_mr。

进一步，所述的误差信号E经过微分环节..、具有参数化放大系数K的比例环节..和低通滤波器..得到振动抑制信号V_mr。

作为优化，工作台实际位置的数字量信号X_list经过具有参数化放大系数Kp的比例环节、微分环节、具有参数化放大系数K的比例环节..和低通滤波器..得到振动抑制信号V_mr。

相对于现有技术中的方案，本发明的优点是：

本发明所描述的基于进给系统位置反馈信号的振动抑制控制器，利用位置测量系统测得工作台实际位置信号和近似插补指令信号计算器得到的近似插补指令信号，通过振动抑制信号产生器的处理得到振动抑制信号，并反馈回调节回路，从而达到抑制振动的目的。此外，利用近似插补指令信号计算器得到的近似插补指令信号，通过速度前馈控制器得到速度前馈信号，并反馈回调节回路，从而达到减小稳态误差的目的。

本发明提出的控制器结构仅需要唯一的传感器信号—位置测量系统反馈的工作台实际位信号，此信号包括待抑制的振动信号，因此此控制器不具有测量反馈状态变量困难的问题。而且相对较容易实现用于抑制设备的参数化，因为单个的参数仅极小程度的影响彼此。此外，通过分析可知，此振动抑制控制器对进给系统机械部分高频建模不准确、机械参数的时变和使用环境变化具有较好的鲁棒性。

利用本发明提出的振动抑制控制器可以有效的抑制驱动装置和工作台之间的扭转振动，以及减小进给系统的稳态跟随误差，大大提高数控机床的工件加工质量。因此，此振动抑制控制器具有比较广泛的应用。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明实施例所描述的振动控制抑制器的整体结构图；

图2a为本发明实施例中输入量为模拟量时输入接口电路的结构原理图；

图2b为本发明实施例中输入量为数字量时输入接口电路的结构原理图；

图3为本发明实施例中反馈接口电路的结构原理图；

图4为本发明实施例中第一种振动抑制控制器的控制结构图（其中，以光栅尺测得的工作台实际位置信号，通过微分、比例和滤波得到抑制振动信号V_mr）；

图5为本发明实施例中第二种振动抑制控制器的控制结构图（其中，以光栅尺测得的工作台实际位置信号与近似插补指令信号相减得到的误差信号，通过微分、比例和滤波得到抑制振动信号V_mr）；

图6a为本发明实施例中输出量为模拟量时输出接口电路的结构原理图；

图6b为本发明实施例中输出量为数字量时输出接口电路的结构原理图；

图7为本发明实施例中进行实例仿真所采用轨迹的位移图与速度图；

图8为本发明实施例中进行实例仿真后得到的利用振动抑制控制器和不使用控制器两种情况下的工作台实际位置与理想位置之间的误差图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

实施例：

本实施例描述了一种基于进给系统位置反馈信号的振动抑制控制器，进给系统包括数控系统与伺服系统，如图1所示，振动控制抑制器设置在数控系统与伺服系统之间，控制器的输入信号为数控系统产生的代表设定速度指令的±10V的模拟量信号或数字量信号（包括各种不同通信协议的数字量信号）和位置测量系统（直线光栅尺、磁栅、干涉仪同步变压器等任意可以测量位置信号的系统）实测的工作台的位置信号（模拟量或者数字量），输出信号为代表修正速度指令的±10V的模拟量信号或者数字量信号。

所述振动抑制控制器包括输入接口电路（1）、反馈接口电路（2）、振动抑制器（3）、输出接口电路（4），，其中，

控制器的输入接口电路（1）对输入的代表设定速度指令的±10V的模拟量信号或数字量信号进行采样保持（A/D转换）或者插补，得到数字量设定速度指令信号（V_set），其采样或者插补的周期为速度环的采样周期（Tspeed）；

控制器的反馈接口电路（2）对输入的代表工作台实际位置的模拟量或者数字量信号进行采样保持或者插补，得到数字量实际位置反馈信号（X_list），其采样或者插补的周期为速度环的采样周期（Tspeed）；

控制器的振动抑制器（3）对上述的数字量速度指令信号（V_set）和位置反馈信号（X_list）进行处理得到振动抑制信号（P_mr，V_mr），并反馈回调节回路，得到修正速度指令信号（V_nom）；

控制器的输出接口电路（4）按照伺服系统可接受速度指令信号类型的不同，把上述修正速度指令信号（V_nom）通过D/A转化为模拟量信号或者直接输出数字量信号。

振动抑制控制器的输入信号包括两种：

其一种输入信号为输入量信号，为数控系统产生的代表设定速度指令的±10V的模拟量信号或数字量信号（包括各种不同通信协议的数字量信号）。如果是模拟量信号，而模拟量信号是连续信号，具有无限可分的特点，通过输入结构电路（图2a）中的A/D转换器对其进行采样保持，可以获得代表设定速度指令的数字量信号，其采样周期为速度环的采样时间。而如果是数字量信号，就不需要进行二次采样，但是需要利用输入结构电路（图2b）中的插补器对其进行插补，获得插补周期为速度环采样周期的数字量设定速度指令信号，此外图2b还包括信号采集器，其结构因数字量信号传输协议的不同而不同；

另一种输入信号为位置测量系统测得的工作台的实际位置信号，通过反馈接口电路可以获得代表工作台实际位置的数字量信号，其采样周期也为速度环的采样时间。反馈接口电路的结构也因反馈位置信号类型的不同而不同，但都包括一个信号处理计算单元和采样保持单元，如图3所示。

振动抑制器中的近似插补信号计算器对设定速度指令的数字量信号V_set和工作台实际位置的数字量信号X_list进行重新采样和保持，其采样周期为位置环的采样周期Tpos，工作台实际位置的数字量信号X_list经过具有参数化放大系数Kp的比例环节3.1.2，并与重新采样后的设定速度指令的数字量信号相加，得到插补指令信号X_ref。由于存在反馈和计算延时，所得到的插补指令信号只能是近似的。但是由于延时比较小，近似插补指令信号与原信号之间的误差比较小。

振动抑制器中的振动抑制信号产生器利用工作台实际位置的数字量信号X_list，经过具有参数化放大系数Kp的比例环节3.3.1，并与近似插补指令信号X_ref相减得到误差信号E，再经过具有参数化的放大系数K1的比例环节3.3.2得到振动抑制信号P_mr。此外，工作台实际位置的数字量信号X_list经过具有参数化放大系数Kp的比例环节3.3.1、微分环节3.3.3、具有参数化放大系数K2的比例环节3.3.4和低通滤波器3.3.5，得到振动抑制信号V_mr。

由于振动抑制控制器、数控系统和伺服系统组成的控制系统具有一定的跟随时间滞后，会导致很大的稳态误差。而通过补偿速度前馈指令的方法，可以大大减小或者消除稳态误差。控制器中的速度前馈控制器对上面所述的近似插补指令信号X_ref经过微分处理3.2.3，并经过具有参数化放大系数K3的比例环节3.2.2和低通滤波器3.2.1得到速度前馈补偿信号V_FF。

控制器产生的速度前馈补偿信号V_FF正反馈回速度指令信号的调节回路，而振动抑制信号P_mr和V_mr负反馈回速度指令信号的调节回路。通过以上信号的反馈，得到修正的具有抑制干扰能力的速度指令信号V_nom，并经过输出接口电路得到代表修正速度指令的±10V的模拟量信号或者数字量信号。如果要得到代表修正速度指令的±10V的模拟量信号，则输出接口电路中就必须包括D/A转换器（如图6a）。如果要产生不同通信协议的修正速度指令信号，就必须要包括一个通信协议模块（如图6b）。

图5是第二种振动抑制控制器的控制结构图，与图4的控制结构基本相同，唯一的不同点为振动抑制信号V_mr的产生。图5是中的振动抑制信号产生器是利用光栅尺测得的工作台实际位置信号比例放大，并与近似插补指令信号相减得到的误差信号，通过微分、比例和滤波得到抑制信号V_mr，而图2中的抑制信号V_mr，是直接利用比例放大的光栅尺测得的工作台实际位置信号，通过微分、比例和滤波得到的。

以下给出本专利一种实例的仿真结果：

仿真控制的对象为三轴数控铣床Y轴进给系统，采用安川交流伺服电机。进给系统的主要参数为：

参数介绍	数值	单位
			电机的转动惯量	20.5e-4	Kg.m2
丝杠的转动惯量	23.52e-4	Kg.m2
			工作台的质量	250	Kg
丝杠的导程	12	mm
			等效扭转刚度	234	Nm/rad
等效扭转阻尼	0.174	Nms/rad
			位置环比例增益	20	1/s
速度环比例增益	100	1/s
			速度环积分时间常数	0.01	s

图7实例仿真所采用轨迹的位移图与速度图。在Matlab Simulink中建立控制框图进行仿真，并在1s时施加5N.m的干扰力矩信号。仿真时振动抑制控制器采用第二种控制结构，其参数为K1=20，K4=0.7，K3=1。

图8是仿真得到的的工作台实际位置与理想位置之间的误差图，实线为利用振动抑制控制器的情况，虚线为不利用振动抑制控制器的情况。由于可知，利用振动抑制控制器，可以大大的减小干扰产生的误差，提高了进给系统的动刚度。

综上所述，本专利所叙述的基于进给系统光栅尺反馈信号的振动抑制控制器，可以大大的改善进给系统的抗干扰能力，大大提高进给系统的动刚度。本控制只需要数控系统能够产生±10V的速度模拟量信号和进给系统采用直线光栅尺反馈，不依赖于数控系统和伺服系统的厂商和类型，具有较好的应用普遍性，而且使用方便。

上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于进给系统位置反馈信号的振动抑制控制器，进给系统包括数控系统与伺服系统，其特征在于，振动控制抑制器设置在数控系统与伺服系统之间，控制器的输入信号为数控系统产生的代表设定速度指令的±10V的模拟量信号或数字量信号和位置测量系统实测的工作台的位置信号，输出信号为代表修正速度指令的±10V的模拟量信号或者数字量信号，所述振动控制抑制器包括输入接口电路（1）、反馈接口电路（2）、振动抑制器（3）、输出接口电路（4），其中，

控制器的输入接口电路（1）对输入的代表设定速度指令的±10V的模拟量信号或数字量信号进行采样保持或者插补，得到数字量设定速度指令信号，其采样或者插补的周期为速度环的采样周期；

控制器的反馈接口电路（2）对输入的代表工作台实际位置的模拟量或者数字量信号进行采样保持或者插补，得到数字量实际位置反馈信号，其采样或者插补的周期为速度环的采样周期；

控制器的振动抑制器（3）对上述的数字量速度指令信号和位置反馈信号进行处理得到振动抑制信号，并反馈回调节回路，得到修正速度指令信号；

控制器的输出接口电路（4）按照伺服系统可接受速度指令信号类型的不同，把上述修正速度指令信号通过D/A转化为模拟量信号或者直接输出数字量信号。

2.根据权利要求1所述的基于进给系统位置反馈信号的振动抑制控制器，其特征在于，所述的振动抑制器（3）输入信号为数字量速度指令信号和位置反馈信号，结构包括近似插补指令信号计算器（3.1）、速度前馈控制器（3.2）、振动抑制信号产生器（3.3）。

3.根据权利要求2所述的基于进给系统位置反馈信号的振动抑制控制器，其特征在于，所述的近似插补指令信号计算器（3.1）对设定速度指令的数字量信号和工作台实际位置的数字量信号进行重新采样和保持，其采样周期为位置环的采样周期，工作台实际位置的数字量信号经过第一具有参数化放大系数的比例环节（3.1.2），并与重新采样后的设定速度指令的数字量信号相加，得到近似的插补指令信号。

4.根据权利要求2所述的基于进给系统位置反馈信号的振动抑制控制器，其特征在于，所述的速度前馈控制器（3.2）对上面所述的近似插补指令信号经过微分处理（3.2.3），并经过第二具有参数化放大系数的比例环节（3.2.2）和第一低通滤波器（3.2.1）得到速度前馈补偿信号。

5.根据权利要求2所述的基于进给系统位置反馈信号的振动抑制控制器，其特征在于，所述的振动抑制信号产生器（3.3）利用工作台实际位置的数字量信号，经过第三具有参数化放大系数的比例环节（3.3.1），并与上面所述的近似插补指令信号相减得到误差信号E，再经过第四具有参数化的放大系数的比例环节（3.3.2）得到振动抑制信号。

6.根据权利要求5所述的基于进给系统位置反馈信号的振动抑制控制器，其特征在于，所述的误差信号E经过微分环节（3.3.3）、第六具有参数化放大系数的比例环节（3.3.6）和第二低通滤波器（3.3.5）得到振动抑制信号。

7.根据权利要求1所述的基于进给系统位置反馈信号的振动抑制控制器，其特征在于，工作台实际位置的数字量信号经过第三具有参数化放大系数的比例环节（3.3.1）、微分环节（3.3.3）、第五具有参数化放大系数的比例环节（3.3.4）和第二低通滤波器（3.3.5）得到振动抑制信号。

8.根据权利要求1所述的基于进给系统位置反馈信号的振动抑制控制器，其特征在于，所述位置测量系统为直线光栅尺、磁栅或者干涉仪同步变压器。