全數(shù)字伺服系統(tǒng)中位置環(huán)與電子齒輪的分析與設(shè)計

摘要：分析了伺服系統(tǒng)中位置環(huán)和電子齒輪的工作原理，同時介紹了一種位置環(huán)和電子齒輪的數(shù)字實現(xiàn)方法。最后通過實驗驗證了該設(shè)計的可行性。

關(guān)鍵詞：伺服系統(tǒng);位置環(huán);電子齒輪

0 引言

隨著電力電子和數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，越來越多的控制系統(tǒng)采用數(shù)字化的控制方式。在目前廣泛應(yīng)用于數(shù)控車床、紡織機械領(lǐng)域的伺服系統(tǒng)中，采用全數(shù)字化的控制方式已是大勢所趨。數(shù)字化控制與模擬控制相比不僅具有控制方便，性能穩(wěn)定，成本低廉等優(yōu)點，同時也為伺服系統(tǒng)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，智能化控制開辟了發(fā)展空間。全數(shù)字控制的伺服系統(tǒng)不僅可以方便地實現(xiàn)電機控制，同時通過軟件的編程可以實現(xiàn)多種附加功能，使得伺服系統(tǒng)更為人性化，智能化，這也正是模擬控制所不能達到的。

目前，伺服系統(tǒng)主要用于位置控制，諸如數(shù)控車床、電梯等領(lǐng)域，在這些應(yīng)用場合中，無法通過速度控制來實現(xiàn)系統(tǒng)的精確定位，因此必須引入位置控制方式。在伺服系統(tǒng)中一般采用光電碼盤作為位置反饋信號，根據(jù)光電碼盤在電機轉(zhuǎn)過一圈時產(chǎn)生的脈沖數(shù)來對電機進行精確的定位。在實際應(yīng)用中，電機與其它機械?置采用齒輪的連接方式，一旦固定連接后，電機每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生的機械軸位移量一定。并且，在伺服控制系統(tǒng)中，位置控制通常由上位控制器產(chǎn)生一定頻率和個數(shù)的脈沖來決定電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)過的角度，當指令脈沖當量和位置反饋脈沖當量不一致時，就必須采用電子齒輪的方法來進行調(diào)節(jié)。本文針對永磁同步電機的伺服系統(tǒng)，對其位置環(huán)和電子齒輪功能進行了數(shù)字化設(shè)計，最后通過定位實驗證明設(shè)計的合理性。

1 位置環(huán)的設(shè)計

作為伺服定位系統(tǒng)，在定位控制時，必須滿足以下3方面的要求：

——定位精度，要求系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差為零;

——定位速度，要求系統(tǒng)有盡可能高的動態(tài)響應(yīng)速度;

——要求系統(tǒng)位置響應(yīng)無超調(diào)。

在實際應(yīng)用中位置環(huán)通常設(shè)計成比例控制環(huán)節(jié)，通過調(diào)節(jié)比例增益，可以保證系統(tǒng)對位置響應(yīng)的無超調(diào)，但通常這樣會降低系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度。另外，為了使伺服系統(tǒng)獲得高的定位精度，通常要求上位控制器對給定位置和實際位置進行誤差的累計，并且要求以一定的控制算法進行補償。另外一種方法是把位置環(huán)設(shè)計成比例積分環(huán)節(jié)，通過對位置誤差的積分來保證系統(tǒng)的定位精度，這使上位控制器免除了對位置誤差的累計，降低了控制復(fù)雜度。但這和采用比例調(diào)節(jié)的位置控制器一樣，在位置響應(yīng)無超調(diào)的同時，降低了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能。本文把位置環(huán)設(shè)計成比例控制器，并且通過一個誤差累加器對位置誤差進行累計，從而保證定位精度，同時通過分析位置環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)來說明比例系數(shù)的取值。

圖1是位置伺服系統(tǒng)的控制框圖，圖中R(s)代表相應(yīng)的指令脈沖輸入，C(s)代表電機相應(yīng)轉(zhuǎn)過的位置。其中當速度調(diào)節(jié)器采用PI控制時，在位置環(huán)的截止頻率遠小于速度環(huán)的截至頻率時，速度環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)可以等效為一個慣性環(huán)節(jié)，即G2(s)=Kv/(Tvs+1)，電機等效為一個積分環(huán)節(jié)，即G3(s)=Km/s。下面先來分析位置環(huán)設(shè)計成比例控制時的情況，此時G1(s)=Kc，則系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為

H(s)=

(1)

式中：K=KcKvKm。

圖1 位置伺服系統(tǒng)控制框圖

從開環(huán)傳遞函數(shù)看，系統(tǒng)屬于I型系統(tǒng)，對斜坡函數(shù)和拋物線函數(shù)的輸入都存在穩(wěn)態(tài)誤差，而目前在伺服系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的指數(shù)函數(shù)，可以近似等效為斜坡函數(shù)，因此也存在一定的穩(wěn)態(tài)誤差。這時要獲得較高的定位精度，通常需要上位控制器不斷地對位置誤差信號進行累計，并以一定的控制算法去進行補償。另外，由于系統(tǒng)要求位置響應(yīng)無超調(diào)，因此要求阻尼比ξ>=1，此時有

Kc=

(2)

因此在滿足位置無超調(diào)的調(diào)節(jié)下，為了獲得盡可能快的動態(tài)響應(yīng)，位置環(huán)比例系數(shù)應(yīng)盡可能大。

2 位置環(huán)的軟件實現(xiàn)

本文中伺服系統(tǒng)的位置信號由上位控制器的指令脈沖決定，其格式為脈沖序列+方向信號。DSP控制系統(tǒng)通過判斷方向信號來獲得電機的給定轉(zhuǎn)向，脈沖序列中的脈沖頻率決定電機的轉(zhuǎn)速，累計的脈沖個數(shù)決定電機轉(zhuǎn)過的角度。因此在位置環(huán)的軟件實現(xiàn)時，需要對輸出脈沖和反饋脈沖的誤差進行累計。并且由于DSP字長的限制，當指令脈沖頻率較大且電機響應(yīng)速度跟不上時，需要考慮誤差脈沖的溢出情況。圖2是整個伺服系統(tǒng)位置環(huán)的控制框圖。

圖2 伺服位置環(huán)的控制框圖

位置調(diào)節(jié)器相當于一個帶比例增益的累加器，對輸出脈沖的誤差進行累加，具體的算法如下：

R(KT)=KcΔS=Kc

〔DT3(iT)Kg-DT2(iT)〕(3)

式中：ΔS為累計的誤差脈沖個數(shù);

T為采樣周期;

DT3為每個采樣周期內(nèi)獲得的指令脈沖個數(shù);

Kg為電子齒輪系數(shù);

DT2為每個采樣周期內(nèi)反饋脈沖的個數(shù)。

溢出脈沖控制器對誤差ΔS進行溢出判斷，這里考慮到DSP字長的位數(shù)(字長為16位)，當誤差值ΔS>214時即為溢出，此時應(yīng)設(shè)定相應(yīng)的滯留脈沖控制器，一旦出現(xiàn)脈沖溢出現(xiàn)象，便控制位置環(huán)輸出最大值，即給定最高轉(zhuǎn)速。位置環(huán)的輸出經(jīng)過速度限幅后進入速度控制器。

當伺服系統(tǒng)的跟蹤速度由輸入脈沖的頻率決定時，誤差ΔS的值為一定值，此時輸入脈沖和反饋脈沖的動態(tài)平衡方程如下：

DT3(KT)Kg=DT2(KT)(4)

當輸入脈沖的頻率不斷變化時，則伺服系統(tǒng)的跟蹤速度不斷變換，此時誤差ΔS的值不斷變化，并且最后把誤差ΔS里的滯留脈沖全部輸出，從而實現(xiàn)無誤差定位。