在某些傳動領(lǐng)域內(nèi)，需要對被控對象實(shí)現(xiàn)高精度的位置控制，而實(shí)現(xiàn)位置控制的一個(gè)基本條件是需要有高精度的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)脈沖當(dāng)量和進(jìn)給速度都要求太高時(shí)，傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)或直流伺服電機(jī)將面臨一系列問題，且實(shí)現(xiàn)起來難度大，成本較高。而近些年興起的交流伺服電機(jī)傳動技術(shù)卻能以較低的成本獲取*的位置控制精度，世界上許多電機(jī)制造商如松下，三洋，西門子等公司紛紛推出自己的交流伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動器。日本松下公司的ＭＩＮＡＳ Ａ系列為比較典型的一種。結(jié)合筆者使用該伺服電機(jī)驅(qū)動器的體會，將對該伺服電機(jī)驅(qū)動器作簡要介紹。
１ 位置控制及伺服驅(qū)動方框圖
在位置控制方式下，伺服驅(qū)動器接收數(shù)控主機(jī)發(fā)出的位置指令信號脈沖／方向，送入脈沖列形態(tài)，經(jīng)電子齒輪分倍頻后，在偏差可逆計(jì)數(shù)器中與反饋脈沖信號比較后形成偏差信號。反饋脈沖是由光電編碼器檢測到電機(jī)實(shí)際所產(chǎn)生的脈沖數(shù)，經(jīng)四倍頻后產(chǎn)生的。位置偏差信號經(jīng)位置環(huán)的復(fù)合前饋控制器調(diào)節(jié)后，形成速度指令信號。速度指令信號與速度反饋信號與位置檢測裝置相同比較后的偏差信號經(jīng)速度環(huán)比例積分控制器調(diào)節(jié)后產(chǎn)生電流指令信號，在電流環(huán)中經(jīng)矢量變換后，由ＳＰＷＭ輸出轉(zhuǎn)矩電流，控制交流伺服電機(jī)的運(yùn)行。位置控制精度由光電編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生的脈沖數(shù)控制。它分增量式光電編碼器和式光電編碼器。增量式編碼器構(gòu)造簡單，易于掌握，平均壽命長，分辨率高，實(shí)際應(yīng)用較多。本系統(tǒng)采用的是增量式光電編碼器。式光電編碼器按二進(jìn)制編碼輸出，信號線多，由于精度取決于位數(shù)，所以高分辨率不易得到。但是這種編碼器即使不動時(shí)也能輸出角度信息，主要用于全閉環(huán)數(shù)控機(jī)床中。增量式光電編碼器伺服電機(jī)驅(qū)動器方框圖如圖１所示：
２ 基于ＭＩＮＡＳ Ａ的位置控制傳動系統(tǒng)
激光內(nèi)雕機(jī)控制系統(tǒng)是一個(gè)典型的位置控制系統(tǒng)。它的工作原理為：伺服電機(jī)在數(shù)控主機(jī)控制下，帶動三維工作臺在空間內(nèi)作軌跡運(yùn)動，將出頭光固定在三維工作臺上，通過數(shù)控主機(jī)控制激光設(shè)備出光。將工件固定在工作臺打標(biāo)范圍內(nèi)。這樣，在數(shù)控主機(jī)控制下，可在水晶等玻璃制品工件內(nèi)打印出各種立體文字、圖形、圖像等標(biāo)記。系統(tǒng)原理框圖如圖２所示：
采用ＰＣ機(jī)作為數(shù)控主機(jī)，通過研華公司ＰＣＬ－７２０多功能卡構(gòu)成計(jì)算機(jī)并行數(shù)據(jù)輸出方式，它的內(nèi)部具有三個(gè)設(shè)備端口：數(shù)據(jù)寄存器，控制寄存器和狀態(tài)寄存器。ＣＰＵ通過對它們的訪問，可實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的各種操作。接口模板將計(jì)算機(jī)與系統(tǒng)相連，其結(jié)構(gòu)如圖３所示：
由計(jì)算機(jī)輸出的六位數(shù)據(jù)信號經(jīng)緩沖器，光電隔離后送入伺服驅(qū)動器中。它們分別是Ｘ軸脈沖信號，Ｘ軸方向信號。Ｙ軸脈沖信號，Ｙ軸方向信號。Ｚ軸脈沖信號，Ｚ軸方向信號。其中，脈沖信號控制電機(jī)所走的步數(shù)，方向信號控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，以完成各軸的位置控制。Ｘ軸到位信號檢測，Ｙ軸到位信號檢測，Ｚ軸到位信號檢測是三組機(jī)械開關(guān)，通過開關(guān)的閉合，可使系統(tǒng)每次復(fù)位時(shí)進(jìn)入?yún)⒖甲鴺?biāo)原點(diǎn)。三位狀態(tài)信號經(jīng)邏輯電平整形電路，光電信號隔離電路后送入計(jì)算機(jī)狀態(tài)寄存器中，由ＣＰＵ隨時(shí)讀出。ＧＡＬ邏輯電路由可編程邏輯器件構(gòu)成，該邏輯電路生成ＲＳ鎖存器，計(jì)算機(jī)通過ＲＳ鎖存器，光電隔離電路控制激光電源產(chǎn)生高壓脈沖串，由高壓脈沖串控制光路形成激光束，從而使打標(biāo)頭出光。三組線性電源中，二組用來對光電隔離前、后芯片供電，另一組線性電源供伺服電機(jī)處于激磁狀態(tài)，以便伺服電機(jī)接收到指令脈沖就能運(yùn)行。由于模板采用了隔離措施，這樣，既隔離了外界對數(shù)字信號的干擾，又能有效地防止過電壓、過電流等外界突發(fā)事件對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的損壞，大大提高了系統(tǒng)的控制精度和可靠性。
在伺服驅(qū)動器中，ＰＵＬＳ１與接口板脈沖信號相連，ＰＵＬＳ２接＋５Ｖ信號，ＳＩＧＮ１接方向信號，ＳＩＧＮ２接＋５Ｖ信號，ＣＯＭ＋，ＣＯＭ－分別接＋１５Ｖ電源正負(fù)端。ＳＲＶ－ＯＮ與ＣＯＭ－相連。這樣，就完成了位置控制模式下的基本連線。其它連線可根據(jù)系統(tǒng)的需要進(jìn)行適當(dāng)連接。參數(shù)設(shè)置通過觸摸面板進(jìn)行，控制方式選擇置為位置控制，轉(zhuǎn)矩限制置為輸入無效，驅(qū)動禁止置為輸入無效，指令脈沖輸入方式選擇置為脈沖／符號方式，指令脈沖禁止置為輸入無效。每轉(zhuǎn)輸出脈沖數(shù)置為２５００。電子齒輪比可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)置。由于伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器與工作臺的滾株絲杠相連，機(jī)械剛性高，將自動增益調(diào)整時(shí)，機(jī)械剛性置為９。增益參數(shù)采用自動調(diào)整方式：按照預(yù)定內(nèi)部設(shè)定的模式使電機(jī)加速和減速，從所需轉(zhuǎn)矩計(jì)算負(fù)荷的慣量，然后根據(jù)慣量，自動地決定適當(dāng)?shù)脑鲆?。其它參?shù)按出廠時(shí)的缺省設(shè)置。由于傳動機(jī)構(gòu)采用了半閉環(huán)交流伺服驅(qū)動，控制精度和運(yùn)行速度得到極大的提高，大大提高了產(chǎn)品的性價(jià)比。
３ 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)
軟件是控制系統(tǒng)的核心，在計(jì)算機(jī)中用軟件實(shí)現(xiàn)各種插補(bǔ)運(yùn)算是很方便的。軟件采用面向?qū)ο缶幊谭绞剑唧w編程環(huán)境為ＶＣ＋＋６．０。
計(jì)算機(jī)通過插補(bǔ)計(jì)算，不斷地向伺服驅(qū)動系統(tǒng)提供位置指令。數(shù)控系統(tǒng)采用２．５軸聯(lián)動方式。其中Ｘ，Ｙ軸采用數(shù)字積分法ＤＤＡ實(shí)現(xiàn)二軸聯(lián)動。Ｚ軸采用點(diǎn)位控制，以形成空間曲線運(yùn)動軌跡。數(shù)字積分法具有運(yùn)算速度快、脈沖分配均勻，易于實(shí)現(xiàn)多坐標(biāo)軸聯(lián)動及描繪平面各種函數(shù)曲線的特點(diǎn)，應(yīng)用比較廣泛。本系統(tǒng)采用ＤＤＡ圓弧插補(bǔ)器：平面圓弧插補(bǔ)器由兩個(gè)數(shù)字積分器組成，每個(gè)坐標(biāo)的積分器由累加器和被積函數(shù)寄存器所組成。ＪＲＸ，ＪＲＹ為累加寄存器寄存余數(shù)。動點(diǎn)坐標(biāo)值Ｘ存入被積函數(shù)寄存器ＪＶＹ中，而動點(diǎn)坐標(biāo)值Ｙ存入被積函數(shù)寄存器ＪＶＸ中。在插補(bǔ)過程中，根據(jù)動點(diǎn)位置的變化來改變ＪＶＸ和ＪＶＹ中的內(nèi)容。在起點(diǎn)時(shí)，ＪＶＸ，ＪＶＹ分別寄存起點(diǎn)坐標(biāo)值ｙ０ｘ０；在插補(bǔ)過程中，如果是進(jìn)行逆時(shí)針圓弧插補(bǔ)，則ＪＲＹ每溢出一個(gè)Δｙ脈沖，ＪＶＸ加１，ＪＲＸ每溢出一個(gè)Δｘ脈沖，ＪＶＹ減１。如果是進(jìn)行順時(shí)針圓弧插補(bǔ)，則ＪＲＹ每溢出一個(gè)Δｙ脈沖，ＪＶＸ減１，ＪＲＸ每溢出一個(gè)Δｘ脈沖，ＪＶＹ加１。ＤＤＡ圓弧插補(bǔ)方框圖如下圖４所示。
Δｔ為一個(gè)插補(bǔ)迭代脈沖。ＤＤＡ圓弧插補(bǔ)的終點(diǎn)判別采用兩個(gè)終點(diǎn)減法計(jì)數(shù)器，把Ｘ，Ｙ坐標(biāo)所需輸出的脈沖數(shù)｜ｘｅ－ｘｏ｜和｜ｙｅ－ｙ０｜分別存入這兩個(gè)計(jì)數(shù)器中，Ｘ或Ｙ積分器每輸出一個(gè)脈沖，相應(yīng)的減少法數(shù)器減１，當(dāng)某一坐標(biāo)計(jì)數(shù)器為零時(shí)，該坐標(biāo)達(dá)到終點(diǎn)，這時(shí)，該坐標(biāo)停止迭代。當(dāng)兩個(gè)計(jì)數(shù)器均為零時(shí)，圓弧插補(bǔ)結(jié)束。

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