全數字伺服系統中位置環(huán)與電子齒輪的設計

3.2 電子齒輪的軟件實(shí)現

這里使用F240DSP內部的兩個(gè)可逆計數器來(lái)完成對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)計數器，其中T1用作周期定時(shí)器，T2作為反饋脈沖計數器，T3作為指令脈沖計數器。其中T2配合DSP內部的QEP電路使用，接受光電編碼盤(pán)的反饋信號并4倍頻使用。T3計數器工作方式定義為外部時(shí)鐘，并采用雙向可逆計數。程序中，通過(guò)每個(gè)采樣周期對T2和T3的計數寄存器的讀取來(lái)獲得指令脈沖和反饋脈沖個(gè)數。在每個(gè)采樣周期T內，通過(guò)讀取反饋信號獲得的脈沖個(gè)數記為DT2，通過(guò)讀取指令信號獲得的脈沖個(gè)數記為DT3。因此在電機跟蹤輸入脈沖頻率的情況下，電機的轉速應為

v=

(12)

其中誤差累加器ΔS的值為

ΔS=

[DT3(iT)spdt2-DT2(iT)spdt1](13)

當電機在固定輸入頻率下穩速運行時(shí)，其動(dòng)態(tài)平衡方程為

DT3(iT)spdt2-DT2(iT)spdt1=0(14)

此時(shí)ΔS內的值即為滯留脈沖，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。在設計硬件接口電路時(shí)，首先考慮電路的抗干擾性，因此在設計中采用差分輸入的形式，其差分驅動(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，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(lái)實(shí)現電氣隔離。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(guò)差動(dòng)驅動(dòng)芯片AM26LS31，生成互補的兩個(gè)脈沖信號，然后通過(guò)光耦與DSP控制芯片隔離。該設計同時(shí)滿(mǎn)足電路的抗干擾性和隔離性。方向信號輸入的接口電路與圖3類(lèi)似。

4 實(shí)驗

本文的伺服系統采用交流永磁同步伺服電機，其額定功率2.5kW，額定電流10A，額定轉速2000r/min，額定轉矩6N·m，定子電感8.5mH，定子電阻2.8Ω。實(shí)驗中功率模塊采用三菱公司的PM30RSF060智能模塊，輸入電壓AC220V，開(kāi)關(guān)頻率15kHz，位置環(huán)采樣周期T=333μs，角度反饋采用2500脈沖/轉的光電碼盤(pán)，4倍頻使用。圖4所示的是伺服系統在空載條件下的定位過(guò)程，其中電機轉過(guò)的角度由給定脈沖個(gè)數決定。通過(guò)串口通信獲得，圖4中橫坐標代表時(shí)間軸，數值代表點(diǎn)數，兩個(gè)點(diǎn)的間距為2ms，縱坐標代表電機的位置標度。從圖中可以看出，電機在定位過(guò)程中沒(méi)有位置超調，而且完成整個(gè)定位過(guò)程大約為50ms，滿(mǎn)足實(shí)際的應用要求。

圖4 伺服系統的定位過(guò)程

5 結語(yǔ)

本文通過(guò)對伺服系統位置環(huán)結構的分析，給出了軟件實(shí)現位置環(huán)的方法。同時(shí)通過(guò)對電子齒輪原理的分析，給出了電子齒輪的設計方法以及硬件接口電路。實(shí)驗結果表明，設計的位置環(huán)和電子齒輪在完成定位過(guò)程中具有無(wú)超調，精確定位的特性，同時(shí)具備了較高的定位速度。因此，該設計方法適用于高性能伺服定位系統中。