全數(shù)字伺服系統(tǒng)中位置環(huán)和電子齒輪的設(shè)計(jì)

3.2 電子齒輪的軟件實(shí)現(xiàn)

這里使用F240DSP內(nèi)部的兩個(gè)可逆計(jì)數(shù)器來完成對(duì)指令脈沖和反饋脈沖的讀取。在F240芯片中共有3個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器，其中T₁用作周期定時(shí)器，T₂作為反饋脈沖計(jì)數(shù)器，T₃作為指令脈沖計(jì)數(shù)器。其中T₂配合DSP內(nèi)部的QEP電路使用，接受光電編碼盤的反饋信號(hào)并4倍頻使用。T₃計(jì)數(shù)器工作方式定義為外部時(shí)鐘，并采用雙向可逆計(jì)數(shù)。程序中，通過每個(gè)采樣周期對(duì)T₂和T₃的計(jì)數(shù)寄存器的讀取來獲得指令脈沖和反饋脈沖個(gè)數(shù)。在每個(gè)采樣周期T內(nèi)，通過讀取反饋信號(hào)獲得的脈沖個(gè)數(shù)記為DT₂，通過讀取指令信號(hào)獲得的脈沖個(gè)數(shù)記為DT₃。因此在電機(jī)跟蹤輸入脈沖頻率的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)為

v=（12）

其中誤差累加器ΔS的值為

ΔS=[DT₃(i_T)spdt₂－DT₂(i_T)spdt₁]（13）

當(dāng)電機(jī)在固定輸入頻率下穩(wěn)速運(yùn)行時(shí)，其動(dòng)態(tài)平衡方程為

DT₃(i_T)spdt₂－DT₂(i_T)spdt₁=0（14）

此時(shí)ΔS內(nèi)的值即為滯留脈沖，需要全部輸出。

3.3 指令脈沖輸入的硬件接口電路

指令脈沖由上位控制器產(chǎn)生，其格式為指令脈沖序列和方向信號(hào)。在設(shè)計(jì)硬件接口電路時(shí)，首先考慮電路的抗干擾性，因此在設(shè)計(jì)中采用差分輸入的形式，其差分驅(qū)動(dòng)芯片選用AM26LS31。另外，由于整個(gè)控制電路采用DSP芯片實(shí)現(xiàn)，因此必須考慮控制電路和其他接口電路的電氣隔離，這里選用6N137的光耦來實(shí)現(xiàn)電氣隔離。圖3是指令脈沖和DSP的接口電路圖。

圖3 指令脈沖的硬件接口電路

圖3中，脈沖序列先通過差動(dòng)驅(qū)動(dòng)芯片AM26LS31，生成互補(bǔ)的兩個(gè)脈沖信號(hào)，然后通過光耦與DSP控制芯片隔離。該設(shè)計(jì)同時(shí)滿足電路的抗干擾性和隔離性。方向信號(hào)輸入的接口電路與圖3類似。

4 實(shí)驗(yàn)

本文的伺服系統(tǒng)采用交流永磁同步伺服電機(jī)，其額定功率2.5kW，額定電流10A，額定轉(zhuǎn)速2000r/min，額定轉(zhuǎn)矩6N·m，定子電感8.5mH，定子電阻2.8Ω。實(shí)驗(yàn)中功率模塊采用三菱公司的PM30RSF060智能模塊，輸入電壓AC220V，開關(guān)頻率15kHz，位置環(huán)采樣周期T=333μs，角度反饋采用2500脈沖/轉(zhuǎn)的光電碼盤，4倍頻使用。圖4所示的是伺服系統(tǒng)在空載條件下的定位過程，其中電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度由給定脈沖個(gè)數(shù)決定。通過串口通信獲得，圖4中橫坐標(biāo)代表時(shí)間軸，數(shù)值代表點(diǎn)數(shù)，兩個(gè)點(diǎn)的間距為2ms，縱坐標(biāo)代表電機(jī)的位置標(biāo)度。從圖中可以看出，電機(jī)在定位過程中沒有位置超調(diào)，而且完成整個(gè)定位過程大約為50ms，滿足實(shí)際的應(yīng)用要求。

圖4 伺服系統(tǒng)的定位過程

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)伺服系統(tǒng)位置環(huán)結(jié)構(gòu)的分析，給出了軟件實(shí)現(xiàn)位置環(huán)的方法。同時(shí)通過對(duì)電子齒輪原理的分析，給出了電子齒輪的設(shè)計(jì)方法以及硬件接口電路。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的位置環(huán)和電子齒輪在完成定位過程中具有無超調(diào)，精確定位的特性，同時(shí)具備了較高的定位速度。因此，該設(shè)計(jì)方法適用于高性能伺服定位系統(tǒng)中。