全數字伺服系統中位置環(huán)與電子齒輪的設計

3 電子齒輪的設計

3.1 電子齒輪的原理

為了使指令脈沖當量與反饋脈沖當量一致，在伺服系統的實(shí)際應用中，需要采用電子齒輪來(lái)進(jìn)行調節。這里設電機轉過(guò)一圈對應的機械位移是ΔL，則反饋脈沖當量可以計算如下：

ΔPf=ΔL/(4×2500)(5)

這里考慮采用2500脈沖/圈的增量式光電編碼盤(pán)，并且經(jīng)4倍頻電路使用。

當指令脈沖當量ΔPg與反饋脈沖當量ΔPf不匹配時(shí)，必須采用電子齒輪系數Kg來(lái)使兩者匹配。其公式如下：

ΔPgKg=ΔPf(6)

從圖2可以看出，電子齒輪Kg在位置環(huán)的外面，因此改變Kg的值不會(huì )影響位置環(huán)的性能。在目前的伺服應用中，電子齒輪Kg的取值范圍為0.01=Kg=100。

通常在采用軟件實(shí)現電子齒輪時(shí)可以設置兩個(gè)比例系數，即

Kg=spdt1/spdt2(7)

則式(6)變?yōu)?/p>

ΔPgspdt1=ΔPfspdt2(8)

式中：spdt1可以看作是指令脈沖的電子齒輪系數，而spdt2可看作是反饋脈沖的電子齒輪系數。

為了更加詳細地說(shuō)明電子齒輪的用途，下面將分兩種情況來(lái)分析。

3.1.1 對指令脈沖頻率的跟蹤

此時(shí)電機的速度由指令脈沖的頻率決定，其轉速v(r/min)與輸入脈沖頻率fin(Hz)的關(guān)系如下：

v=

(9)

通過(guò)設置兩個(gè)電子齒輪系數，可以在同一個(gè)輸入脈沖頻率下獲得不同的電機穩定轉速。另外，輸入的最高脈沖頻率不能超過(guò)DSP識別的范圍，這里考慮DSP在讀取電平值時(shí)，該電平至少需要維持2個(gè)機器周期的時(shí)間，因此最大的輸入脈沖頻率為

finmax=

MHz=5MHz

在伺服系統的一般應用中，輸入脈沖頻率一般在幾十到幾百kHz。這種情況下如果電機處于速度控制模式下，可以通過(guò)調節指令脈沖頻率來(lái)實(shí)現電機的調速;如果電機位于位置控制模式下，則需要對指令脈沖和反饋脈沖的脈沖誤差進(jìn)行累計，最終全部輸出，這一步可以通過(guò)位置環(huán)的脈沖誤差累加器ΔS來(lái)實(shí)現。

3.1.2 對指令脈沖個(gè)數的跟蹤

這種情況下輸入的脈沖個(gè)數決定于電機連接的機械軸的實(shí)際位移量。其機械總位移L與輸入脈沖的個(gè)數S有如下關(guān)系：

L=SΔPg(10)

結合式(5)和式(6)，可得

L=

(11)

通過(guò)設定spdt1和spdt2，可以在相同的脈沖輸入個(gè)數下獲得不同的機械軸位移。另外，在這種情況下，當輸入脈沖的頻率高于電機在額定轉速時(shí)對應的輸入脈沖頻率時(shí)，就會(huì )出現滯留脈沖的情況。與第一種情況類(lèi)似，可以通過(guò)脈沖誤差累加器ΔS來(lái)保存滯留脈沖，并最終輸出，從而實(shí)現電機定位時(shí)的無(wú)誤差。