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单轴位置伺服系统的设计与实现 |
| 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ω按ω=ΔN/Ts式求取，其中ΔN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OP07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放电时间由下式决定[4]： 式中 R′——RC电路放电回路的电阻 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： 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、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。  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=……; …… ｝ else dsp0=0; …… 初始化程序： …… unsigned char ch,cl; cl=inportb（P8254）; ch=inportb（P8254）; Old-clk0=cl|（ch<<8）; …… 有关变量的说明： 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δ=360°/（4000×4）=0.0225°/脉冲，位置控制算法采用前向差分控制算法，调整速度反馈的D/A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。 表不同速度下的稳态跟踪误差  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。
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（1）
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