在某些傳動(dòng)領(lǐng)域內(nèi)，需要對(duì)被控對(duì)象實(shí)現(xiàn)高精度的位置控制，而實(shí)現(xiàn)精確位置控制的一個(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(wèn)題，且實(shí)現(xiàn)起來(lái)難度大，成本較高。而近些年興起的交流伺服電機(jī)傳動(dòng)技術(shù)卻能以較低的成本獲取極高的位置控制精度，世界上許多知名電機(jī)制造商如松下，三洋，西門(mén)子等公司紛紛推出自己的交流伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)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(dòng)器的體會(huì)，將對(duì)該伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器作簡(jiǎn)要介紹。
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１ 位置控制及伺服驅(qū)動(dòng)方框圖
在位置控制方式下，伺服驅(qū)動(dòng)器接收數(shù)控主機(jī)發(fā)出的位置指令信號(hào)?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(hào)比較后形成偏差信號(hào)。反饋脈沖是由光電編碼器檢測(cè)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(hào)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(hào)。速度指令信號(hào)與速度反饋信號(hào)?與位置檢測(cè)裝置相同　比較后的偏差信號(hào)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(hào)，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絕對(duì)式光電編碼器。增量式編碼器構(gòu)造簡(jiǎn)單，易于掌握，平均壽命長(zhǎng)，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。絕對(duì)式光電編碼器按二進(jìn)制編碼輸出，信號(hào)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(dòng)時(shí)也能輸出絕對(duì)角度信息，主要用于全閉環(huán)高級(jí)數(shù)控機(jī)床中。增量式光電編碼器伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器方框圖如圖１所示：
２ 基于ＭＩＮＡＳ Ａ的位置控制傳動(dòng)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(dòng)三維工作臺(tái)在空間內(nèi)作軌跡運(yùn)動(dòng)，將出頭光固定在三維工作臺(tái)上，通過(guò)數(shù)控主機(jī)控制激光設(shè)備出光。將工件固定在工作臺(tái)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(guò)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(guò)對(duì)它們的訪問(wèn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)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(hào)經(jīng)緩沖器，光電隔離后送入伺服驅(qū)動(dòng)器中。它們分別是Ｘ軸脈沖信號(hào)，Ｘ軸方向信號(hào)。Ｙ軸脈沖信號(hào)，Ｙ軸方向信號(hào)。Ｚ軸脈沖信號(hào)，Ｚ軸方向信號(hào)。其中，脈沖信號(hào)控制電機(jī)所走的步數(shù)，方向信號(hào)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(hào)檢測(cè)，Ｙ軸到位信號(hào)檢測(cè)，Ｚ軸到位信號(hào)檢測(cè)是三組機(jī)械開(kāi)關(guān)，通過(guò)開(kāi)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(hào)經(jīng)邏輯電平整形電路，光電信號(hào)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(guò)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(lái)對(duì)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(duì)數(shù)字信號(hào)的干擾，又能有效地防止過(guò)電壓、過(guò)電流等外界突發(fā)事件對(duì)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(dòng)器中，ＰＵＬＳ１與接口板脈沖信號(hào)相連，ＰＵＬＳ２接＋５Ｖ信號(hào)，ＳＩＧＮ１接方向信號(hào)，ＳＩＧＮ２接＋５Ｖ信號(hào)，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(guò)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(wú)效，驅(qū)動(dòng)禁止置為輸入無(wú)效，指令脈沖輸入方式選擇置為脈沖／符號(hào)方式，指令脈沖禁止置為輸入無(wú)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(guò)聯(lián)軸器與工作臺(tái)的滾株絲杠相連，機(jī)械剛性高，將自動(dòng)增益調(diào)整時(shí)，機(jī)械剛性置為９。增益參數(shù)采用自動(dòng)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(dòng)地決定適當(dāng)?shù)脑鲆妗Ｆ渌鼌?shù)按出廠時(shí)的缺省設(shè)置。由于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用了半閉環(huán)交流伺服驅(qū)動(dòng)，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(guò)插補(bǔ)計(jì)算，不斷地向伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供位置指令。數(shù)控系統(tǒng)采用２．５軸聯(lián)動(dòng)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(dòng)。Ｚ軸采用點(diǎn)位控制，以形成空間曲線運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)值Ｘ存入被積函數(shù)寄存器ＪＶＹ中，而動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)值Ｙ存入被積函數(shù)寄存器ＪＶＸ中。在插補(bǔ)過(guò)程中，根據(jù)動(dòng)點(diǎn)位置的變化來(lái)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(guò)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。
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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