单轴位置伺服系统的设计与实现

1、精品文档你我共享单轴位置伺服系统的设计与实现来源：无线测温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，从而使系统得到很高的位置分辨率 1。作者在研制一种数控刨齿机时， 设计并完成了单轴位置伺服系统，该系统采用半闭环结构，框图如图 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 单轴位置控制系统的框图 2 位置伺服系统的组成在图 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

2、FANUC-BESK(15型 ) 直流伺服电机，并采用该厂的 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，位置控制器则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，即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，然后输出腹有诗书气自

3、华精品文档你我共享到另一个 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/Ts 式求取， 其中N 为在采样周期内的位置脉冲增量，Ts 为采样周期，该系统取 8毫秒。作者编写的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毫秒定时中断， 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。3 伺服系统的实现数模转换采用芯片DAC1210，为了不降低分辨率，用一个电子开关 CD4052处理正负号， 使数模转换达到双极性12位，为了提高驱动能力和抑制干扰，输出采用集成运放OP

4、07做成射极跟随器的形式，电路如图2所示。图2 双极性 12位 D/A 转换3.1四倍频器四倍频器 2， 3采用微分电路来实现，其抗干扰能力较差。作者设计了一种四倍频器， 采用积分型单稳态电路， 如图 3 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。该电路在 A 及 A 的反相 -A 和 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 。当 A 为低电平时， Va 为高电平， G2输出为

5、低电平；当A 上升沿腹有诗书气自华精品文档你我共享来到后， 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放电时间由下式决定 4：（ 1）式中 R RC电路放电回

6、路的电阻C RC电路放电回路的电容VC（）电容电压的稳态值VC（ 0）电容电压的初值VC（ t ）经过t 时间放电后的电容电压值设 LSTTL 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输出低电平时的输出电阻， 将 R R0 R、C C、VC（） VOL、VC（ 0） VOH、VC（ t ） VTH代入式 (1) 可得脉冲宽度 TW为：（ 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。可以据此选择合适的电阻和电容。将得到的四个短脉冲序列 A、 A、 B、 B按图 3 所示进行与或非的逻辑组合， 在 U1、U

7、2的输出端将产生表示正转和反转的四倍频脉冲序列， 如图 4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。腹有诗书气自华精品文档你我共享图 3 积分型四倍频计数电路图 4 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，给后续程序作进一步处理。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，这时程序读数就会

8、读到这个随机数，所以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。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入到计数器后，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，而随后计数才进入正常状态。第一次读数的这一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。作者通过程序处理解决了这一问题，其方法：初始化后腹有诗书气自华精品文档你我共享先记录下输出锁存器的起始内容，在采样程序里把读入输出锁存器的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

9、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。解决“初值跳动”的程序如下 ( 用 Turbo C 语言实现 ) ：实时采样程序：unsigned char cl,ch;unsigned int clk0;outportb(P8254+3,0xd6);cl=inportb(P8254);ch=inportb(p8254);clk0=cl (ch<<8);if(clk0!=Old clk0)first=1;if(first)dsp0=；elsedsp0=0;初始化程序：unsigned char ch,cl;cl=inpo

10、rtb(P8254);ch=inportb(P8254);Old clk0=cl (ch<<8);有关变量的说明：腹有诗书气自华精品文档你我共享Old clk0 ：输出锁存器的起始初值clk0:输出锁存器的读数值first:判断是否有第一个脉冲到来的逻辑变量dsp0: 位置增量P8254:8254 的片选地址8254的第三个计数通道用来产生 8毫秒的定时中断，用来触发中断服务程序。4 实验与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） 00225°脉冲，位置控制算法采用前向差分控制算法，

11、调整速度反馈的 DA 转换，使输出满足速度控制单元A06B-6054-H005的要求：3V 1000r min，速度环反馈系数调节为1.2 ，电机能在不同的恒值速度指令电压下平稳运转，线性度为2000r min/7V 。经过实验， 调整位置增益为 2，电机定位误差为± 8脉冲，即± 0.18 °。在不同的进给速度指令下，测得的稳态跟踪误差见下表。电机到工作台有 150 1的减速比，上述性能指标已能满足实际的加工要求。另外，经过软件处理，系统彻底消除了“初值跳动”的现象。表不同速度下的稳态跟踪误差输入指令转速稳态跟踪误差(r/min)(角度° )100.8

12、1201.00301.26401.44501.80腹有诗书气自华精品文档你我共享出师表两汉：诸葛亮先帝创业未半而中道崩殂，今天下三分，益州疲弊，此诚危急存亡之秋也。然侍卫之臣不懈于内，忠志之士忘身于外者，盖追先帝之殊遇，欲报之于陛下也。诚宜开张圣听，以光先帝遗德，恢弘志士之气，不宜妄自菲薄，引喻失义，以塞忠谏之路也。宫中府中，俱为一体；陟罚臧否，不宜异同。若有作奸犯科及为忠善者，宜付有司论其刑赏，以昭陛下平明之理；不宜偏私，使内外异法也。侍中、侍郎郭攸之、费祎、董允等，此皆良实，志虑忠纯，是以先帝简拔以遗陛下：愚以为宫中之事，事无大小，悉以咨之，然后施行，必能裨补阙漏，有所广益。将军向宠，性行

13、淑均，晓畅军事，试用于昔日，先帝称之曰“能 ”，是以众议举宠为督：愚以为营中之事，悉以咨之，必能使行阵和睦，优劣得所。亲贤臣，远小人，此先汉所以兴隆也；亲小人，远贤臣，此后汉所以倾颓也。先帝在时，每与臣论此事，未尝不叹息痛恨于桓、灵也。侍中、尚书、长史、参军，此悉贞良死节之臣，愿陛下亲之、信之，则汉室之隆，可计日而待也。臣本布衣，躬耕于南阳，苟全性命于乱世，不求闻达于诸侯。先帝不以臣卑鄙，猥自枉屈，三顾臣于草庐之中，咨臣以当世之事，由是感激，遂许先帝以驱驰。后值倾覆，受任于败军之际，奉命于危难之间，尔来二十有一年矣。先帝知臣谨慎，故临崩寄臣以大事也。受命以来，夙夜忧叹，恐托付不效，以伤先帝之明；故五月渡泸，深入不毛