位置伺服系统的硬件设计.pdf

位 置 伺 服 系 统 的 硬 件 设 计 蒋锐权 王小椿 西安交通大学机械工程学院机自系 西安 710049 摘要 本文阐述了位置伺服系统的结构组成及硬件实现 特别是对以往位置反馈回路中的四 倍频器和脉冲计数电路做了改进 最后实验结果表明 该系统设计合理且能有效避免电机起始的跳 动 关键词 位置伺服 硬件线路 Abstract T he hardware construction of a positioning servosystem is described Especially the improvement of a previous position detector including its frequency multiplier and counting circuit is discussed in detail The reasonableness of this design and the avoidance of the start jolt of a motor have been proved by experiments Keyword Positioning servo Hardware circuit 1 概述 现在的位置伺服系统一般采用所谓的 软伺服 系统 使位置增益不很大 这样系统容易稳定 并且 增加一个闭环调速单元 速度环的增益很大 因此 很小的位置偏差就能产生很明显的速度偏差 速度 环就以很高的增益修正 从而系统可得到很高的位 置分辨率 1 笔者在研制一种数控刨齿机时 设计和 完成了单轴位置伺服系统 系统采用半闭环结构 框 图如图 1 1 所示 本文将结合该系统 阐述位置伺 服系统的组成及硬件实现 图 1 1 单轴位置控制框图 2 位置伺服系统的组成 在图 1 1 中 位置控制器和速度控制器均由 486 个人微机编程实现 电机采用北京数控设备厂 的 FANUC BESK 15 型 直流伺服电机 采用该 厂的 A06B 6054 H005 作为功率驱动模块 由于 该速度控制单元是模拟系统 因此采用 12 位 D A 转换器 把微机根据控制算法输出的数字量转换为 合适的模拟电压 控制电机向减小位置偏差的方向 转动 位置反馈采用光电编码器 分辨率为 4000 线 转 经四倍频电路 由可编程计数器 8254 记录位置 脉冲数 位置控制器根据此脉冲数和指令脉冲数计 算出速度指令电压 再输出到一个 12 位 D A 转换 器得到模拟的速度指令电压 速度反馈也利用同一 个光电编码器和计数电路 速度控制器通过对位置 求一阶差分计算出实际转速 然后输出到另一个 12 位 D A 转换器 将得到的模拟电压反馈至速度控制 单元的速度反馈输入端 实际转速 按 N T s 式求 26 工业仪表与自动化装置 1999 年第 4 期 取 其中 N 为在采样周期内的位置脉冲增量 T s 为采样周期 该系统取 8 ms 笔者编写的 CNC 控制程序采用前 后台软件 结构 前台程序是一个中断服务程序 由硬件实现 8 ms 定时中断 主要完成精插补和位置控制功能 后 台程序是一个循环运行程序 主要完成数据输入 粗 插补及其它辅助功能 以下阐述伺服系统的硬件实 现及有关问题 27 1999 年第 4 期 工业仪表与自动化装置 3 系统的实现 数模转换采用芯片 DAC1210 为了不降低分辨 率 采用一个电子开关 CD4052 处理正负号 使模数 转换达到双极性 12 位 为了提高驱动能力和抑制干 扰 输出采用集成运放 OP07 作成射极跟随器的形 式 电路见图 3 1 3 1 四倍频器 下面着重分析位置反馈回路的设计与实现 文 献 2 3 中提出的四倍频器采用微分电路来实现 抗 干扰能力较差 本文采用积分型单稳态电路 如图3 2所示 下面分析图 3 2 所示电路的工作原理 A B 两路相位差 90 的方波脉冲 电机正向转动时 A 领 先 B 电机反向转动时 B 领先 A 该电路是在 A 及 A 的反相 A B 及 B 的反相 B 各接了一个积分 型单稳态电路 4 在 A 的上升沿 下降沿分别产生 一个短脉冲 A 和 A 在 B 的上升沿 下降沿分别 产生一个短脉冲 B 和 B 这里只分析 A 的产生过 程 其余的产生原理相同 当A 为低电平时 Va为高 电平 G2输出为低电平 当 A 上升沿来到后 G1输 出为低电平 但由于电容两端的电压不能突变 所以 在一段时间里 Va仍在阈值电平之上 G2输出为高 电平 电路进入暂稳态 随着电容的放电 Va不断下 降 当 Va低于阈值电平时 G2输出为低电平 待 A 回到低电平后 G1输出为高电平 电容又开始充电 当 Va恢复为高电平时 电路又达到稳态 为下一次 上升沿的到来作好准备 由以上分析可知 A 的脉 冲宽度 TW等于电容开始放电到 Va下降至阈值电 平所经历的时间 根据对 RC 电路暂态过程的分析 可知电容上的电压 Va放电时间由式 3 1 式决 定 4 t R C ln C C 0 C C t 3 1 其中 R C 为 RC 电路放电回路的电阻和电容 C 为电容电压的稳态值 C 0 为电容电压的初 值 C t 为经过 t 时间放电后的电容电压值 设 LST TL 电路的输出高电平为 VOH 输出低电平为 VOL VTH为阈值电平 R0为 G1输出低电平的输出电 阻 将 R R0 R C C C VOL C 0 VOH C t VTH代入式 3 1 可得脉冲宽度 TW 为 TW R0 R Cln VOL VOH VOL VTH 3 2 考虑到电路恢复时间 应使方波脉冲序列的周期为 TW的7 8 倍 这样电路才能可靠地工作 将得到的 4个短脉冲序列A A B B 按图 3 2 所示进 行与或非的逻辑组合 在 U1 U2 的输出端将产生 表示正转和反转的四倍频脉冲序列 如图 3 3 所 示 该电路有较好的抗干扰性能 因为高频时容抗 很小 而且脉冲经过二级与门的选择 图 3 3 正 反转四倍频器脉冲波形 左 正转 右 反转 3 2 脉冲计数电路与初值跳动 8254 是与微机接口非常方便的可编程计数器 在方式 2 下计数器可自动重复计数 利用它的两个 计数通道分别记录正转和反转脉冲 在程序里读入 计数值并使二者相减 便可得到在采样周期内的位 置脉冲增量 给后续程序做进一步处理 作者在应用 中发现 8254 有一个缺陷 对它进行初始化后 输出 锁存器残留有随机数 这时程序读数时就会读到这 28 工业仪表与自动化装置 1999 年第 4 期 个随机数 但当第一个计数脉冲到来后 计数器开始 从编程初值减一计数 所以当实际位置脉冲没有来 到时 程序里读到的位置脉冲值为一随机数 当有实 际位置脉冲输出到计数器后 采样程序读到的是正 常的位置脉冲值 所以采样程序第一次计算出的正 转或反转脉冲数是不正确的 随后计数才进入正常 状态 第一次读数的随机性将引起系统的剧烈跳动 称之为 初值跳动 这种跳动对数控机床来说是不 可接受的 必须予以消除 方法如下 初始化后先记录下输出锁存器的起 始内容 在采样程序里把读入的输入锁存器内容与 此起始数值比较 若数值不变 说明没有计数脉冲 位置增量为零 若数值发生变化 说明已有计数脉冲 到来 经过程序计算得到第一次的位置增量 此后不 再判别 初值跳动 进行正常计数 程序框图如图 3 4 所示 8254 的第 3 个计数通道用来产生 8 ms 的定时 中断 用来触发中断服务程序 图 3 4 解决 初值跳动 的程序框图 4 结论 该伺服系统采用 4000 线 转的光电编码器 再 经过四倍频电路 脉冲当量为 360 4000 4 0 0225 脉冲 位置控制算法采用前向差分控制 算法 可获得较小的跟踪误差 另外 脉冲计数电路 经过软件处理 彻底消除了 初值跳动 的现象 参考文献 1 廖效果 朱启逑 数字控制机