全数字伺服系统中位置环和电子齿轮的设计

全数字伺服系统中位置环和电子齿轮的设计

关键词：伺服系统；位置环；电子齿轮

0 引言

随着电力电子和数字操纵技术的进展，越来越多的操纵系统采纳数字化的操纵方式。在目前广泛应用于数控车床、纺织机械领域的伺服系统中，采纳全数字化的操纵方式已是大势所趋。数字化操纵与模拟操纵相比不仅具有操纵方便，性能稳固，成本低廉等优点，同时也为伺服系统实现网络化，智能化操纵开创了进展空间。全数字操纵的伺服系统不仅能够方便地实现电机操纵，同时通过软件的编程能够实现多种附加功能，使得伺服系统更为人性化，智能化，这也正是模拟操纵所不能达到的。

目前，伺服系统要紧用于位置操纵，诸如数控车床、电梯等领域，在这些应用场合中，无法通过速度操纵来实现系统的精确定位，因此必须引入位置操纵方式。在伺服系统中一样采纳光电码盘作为位置反馈信号，依照光电码盘在电机转过一圈时产生的脉冲数来对电机进行精确的定位。在实际应用中，电机与其它机械?置采纳齿轮的连接方式，一旦固定连接后，电机每转一圈产生的机械轴位移量一定。同时，在伺服操纵系统中，位置操纵通常由上位操纵器产生一定频率和个数的脉冲来决定电机的转速和转过的角度，当指令脉冲当量和位置反馈脉冲当量不一致时，就必须采纳电子齿轮的方法来进行调剂。本文针对永磁同步电机的伺服系统，对其位置环和电子齿轮功能进行了数字化设计，最后通过定位实验证明设计的合理性。

1 位置环的设计

作为伺服定位系统，在定位操纵时，必须满足以下3方面的要求：

——定位精度，要求系统稳态误差为零；

——定位速度，要求系统有尽可能高的动态响应速度；

——要求系统位置响应无超调。

在实际应用中位置环通常设计成比例操纵环节，通过调剂比例增益，能够保证系统对位置响应的无超调，但通常如此会降低系统的动态响应速度。另外，为了使伺服系统获得高的定位精度，通常要求上位操纵器对给定位置和实际位置进行误差的累计，同时要求以一定的操纵算法进行补偿。另外一种方法是把位置环设计成比例积分环节，通过对位置误差的积分来保证系统的定位精度，这使上位操纵器免除了对位置误差的累计，降低了操纵复杂度。但这和采纳比例调剂的位置操纵器一样，在位置响应无超调的同时，降低了系统的动态响应性能。本文把位置环设计成比例操纵器，同时通过一个误差累加器对位置误差进行累计，从而保证定位精度，同时通过分析位置环的闭环传递函数来说明比例系数的取值。

图1是位置伺服系统的操纵框图，图中R（s）代表相应的指令脉冲输入，C(s)代表电机相应转过的位置。其中当速度调剂器采纳PI操纵时，在位置环的截止频率远小于速度环的截至频率时，速度环的闭环传递函数能够等效为一个惯性环节，即G2(s)=Kv/(Tvs＋1)，电机等效为一个积分环节，即G3(s)=Km/s。下面先来分析位置环设计成比例操纵时的情形，现在G1(s)=Kc，则系统的闭环传递函数为

H(s)=（1）

式中：K=KcKvKm。

图1 位置伺服系统操纵框图

从开环传递函数看，系统属于I型系统，对斜坡函数和抛物线函数的输入都存在稳态误差，而目前在伺服系统中应用最为广泛的指数函数，能够近似等效为斜坡函数，因此也存在一定的稳态误差。这时要获得较高的定位精度，通常需要上位操纵器不断地对位置误差信号进行累计，并以一定的操纵算法去进行补偿。另外，由于系统要求位置响应无超调，因此要求阻尼比ξ>=1，现在有

Kc<=（2）

因此在满足位置无超调的调剂下，为了获得尽可能快的动态响应，位置环比例系数应尽可能大。

2 位置环的软件实现

本文中伺服系统的位置信号由上位操纵器的指令脉冲决定，其格式为脉冲序列＋方向信号。DSP操纵系统通过判定方向信号来获得电机的给定转向，脉冲序列中的脉冲频率决定电机的转速，累计的脉冲个数决定电机转过的角度。因此在位置环的软件实现时，需要对输出脉冲和反馈脉冲的误差进行累计。同时由于DSP字长的限制，当指令脉冲频率较大且电机响应速度跟不上时，需要考虑误差脉冲的溢出情形。图2是整个伺服系统位置环的操纵框图。

图2 伺服位置环的操纵框图

位置调剂器相当于一个带比例增益的累加器，对输出脉冲的误差进行累加，具体的算法如下：

R(KT)=KcΔS=Kc〔DT3(iT)Kg－DT2(iT)〕(3）

式中：ΔS为累计的误差脉冲个数；

T为采样周期；

DT3为每个采样周期内获得的指令脉冲个数；

Kg为电子齿轮系数；

DT2为每个采样周期内反馈脉冲的个数。

溢出脉冲操纵器对误差ΔS进行溢出判定，那个地点考虑到DSP字长的位数（字长为16位），当误差值ΔS>214时即为溢出，现在应设定相应的滞留脉冲操纵器，一旦显现脉冲溢显现象，便操纵位置环输出最大值，即给定最高转速。位置环的输出通过速度限幅后进入速度操纵器。

当伺服系统的跟踪速度由输入脉冲的频率决定时，误差ΔS的值为一定值，现在输入脉冲和反馈脉冲的动态平稳方程如下：

DT3(KT)Kg=DT2(KT)（4）

当输入脉冲的频率不断变化时，则伺服系统的跟踪速度不断变换，现在误差ΔS的值不断变化，同时最后把误差ΔS里的滞留脉冲全部输出，从而实现无误差定位。

3 电子齿轮的设计

3.1 电子齿轮的原理

为了使指令脉冲当量与反馈脉冲当量一致，在伺服系统的实际应用中，需要采纳电子齿轮来进行调剂。那个地点设电机转过一圈对应的机械位移是ΔL，则反馈脉冲当量能够运算如下：

ΔPf=ΔL/(4×2500)（5）

那个地点考虑采纳2500脉冲/圈的增量式光电编码盘，同时经4倍频电路使用。

当指令脉冲当量ΔPg与反馈脉冲当量ΔPf不匹配时，必须采纳电子齿轮系数Kg来使两者匹配。其公式如下：

ΔPgKg=ΔPf（6）

从图2能够看出，电子齿轮Kg在位置环的别处，因此改变Kg的值可不能阻碍位置环

的性能。在目前的伺服应用中，电子齿轮Kg的取值范畴为0.01<=Kg<=100。

通常在采纳软件实现电子齿轮时能够设置两个比例系数，即

Kg=spdt1/spdt2（7）

则式（6）变为

ΔPgspdt1=ΔPfspdt2（8）

式中：spdt1能够看作是指令脉冲的电子齿轮系数，而spdt2可看作是反馈脉冲的电子齿轮系数。

为了更加详细地说明电子齿轮的用途，下面将分两种情形来分析。

3.1.1 对指令脉冲频率的跟踪

现在电机的速度由指令脉冲的频率决定，其转速v(r/min)与输入脉冲频率fin(Hz)的关系如下：

v=（9）

通过设置两个电子齿轮系数，能够在同一个输入脉冲频率下获得不同的电机稳固转速。另外，输入的最高脉冲频率不能超过DSP识别的范畴，那个地点考虑DSP在读取电平值时，该电平至少需要坚持2个机器周期的时刻，因此最大的输入脉冲频率为

finmax=MHz=5MHz

在伺服系统的一样应用中，输入脉冲频率一样在几十到几百kHz。这种情形下假如电机处于速度操纵模式下，能够通过调剂指令脉冲频率来实现电机的调速；假如电机位于位置操纵模式下，则需要对指令脉冲和反馈脉冲的脉冲误差进行累计，最终全部输出，这一步能够通过位置环的脉冲误差累加器ΔS来实现。

3.1.2 对指令脉冲个数的跟踪

这种情形下输入的脉冲个数决定于电机连接的机械轴的实际位移量。其机械总位移L与输入脉冲的个数S有如下关系：

L=SΔPg（10）

结合式（5）和式（6），可得

L=（11）

通过设定spdt1和spdt2，能够在相同的脉冲输入个数下获得不同的机械轴位移。另外，在这种情形下，当输入脉冲的频率高于电机在额定转速时对应的输入脉冲频率时，就会显现滞留脉冲的情形。与第一种情形类似，能够通过脉冲误差累加器ΔS来储存滞留脉冲，并最终输出，从而实现电机定位时的无误差。

3.2 电子齿轮的软件实现

那个地点使用F240DSP内部的两个可逆计数器来完成对指令脉冲和反馈脉冲的读取。

在F240芯片中共有3个定时计数器，其中T1用作周期定时器，T2作为反馈脉冲计数器，T3作为指令脉冲计数器。其中T2配合DSP内部的QEP电路使用，同意光电编码盘的反馈信号并4倍频使用。T3计数器工作方式定义为外部时钟，并采纳双向可逆计数。程序中，通过每个采样周期对T2和T3的计数寄存器的读取来获得指令脉冲和反馈脉冲个数。在每个采样周期T内，通过读取反馈信号获得的脉冲个数记为DT2，通过读取指令信号获得的脉冲个数记为DT3。因此在电机跟踪输入脉冲频率的情形下，电机的转速应为

v=（12）

其中误差累加器ΔS的值为

ΔS=[DT3(iT)spdt2－DT2(iT)spdt1]（13）

当电机在固定输入频率下稳速运行时，其动态平稳方程为

DT3(iT)spdt2－DT2(iT)spdt1=0（14）

现在ΔS内的值即为滞留脉冲，需要全部输出。

3.3 指令脉冲输入的硬件接口电路

指令脉冲由上位操纵器产生，其格式为指令脉冲序列和方向信号。在设计硬件接口电路时，第一考虑电路的抗干扰性，因此在设计中采纳差分输入的形式，其差分驱动芯片选用AM26LS31。另外，由于整个操纵电路采纳DSP芯片实现，因此必须考虑操纵电路和其他接口电路的电气隔离，那个地点选用6N137的光耦来实现电气隔离。图3是指令脉

冲和DSP的接口电路图。

图3 指令脉冲的硬件接口电路

图3中，脉冲序列先通过差动驱动芯片AM26LS31，生成互补的两个脉冲信号，然后通过光耦与DSP操纵芯片隔离。该设计同时满足电路的抗干扰性和隔离性。方向信号输入的接口电路与图3类似。

4 实验

本文的伺服系统采纳交流永磁同步伺服电机，其额定功率2.5kW，额定电流10A，额定转速2000r/min，额定转矩6N·m，定子电感8.5mH，定子电阻2.8Ω。实验中功率模块采纳三菱公司的30RSF060智能模块，输入电压AC220V，开关频率15kHz，位置环采样周期T=333μs，角度反馈采纳2500脉冲/转的光电码盘，4倍频使用。图4所示的是伺服系统在空载条件下的定位过程，其中电机转过的角度由给定脉冲个数决定。通过串口通信获得，图4中横坐标代表时刻轴，数值代表点数，两个点的间距为2ms，纵坐标代表电机的位置标度。从图中能够看出，电机在定位过程中没有位置超调，而且完成整个定位过程大约为50ms，满足实际的应用要求。

图4 伺服系统的定位过程

5 结语

本文通过对伺服系统位置环结构的分析，给出了软件实现位置环的方法。同时通过对电子齿轮原理的分析，给出了电子齿轮的设计方法以及硬件接口电路。实验结果说明，设计的位置环和电子齿轮在完成定位过程中具有无超调，精确定位的特性，同时具备了较高的定位速度。因此，该设计方法适用于高性能伺服定位系统中。