单轴位置伺服系统的设计与实现

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1、单轴位置伺服系统的设计与实现来源：无线测温http://www.testeck.com1　概述　　现在的位置伺服系统一般采用所谓的“软伺服”系统，使位置增益不很大，这样系统容易稳定，并且增加一个闭环调速单元，速度环的增益很大。因此，很小的位置偏差就能产生很明显的速度偏差，速度环就以很高的增益修正，从而使系统得到很高的位置分辨率［1］。作者在研制一种数控刨齿机时，设计并完成了单轴位置伺服系统，该系统采用半闭环结构，框图如图1所示。本文将结合该系统，阐述位置伺服系统的组成及硬件实现。图1　单轴位置控制系统的框图2　位置伺服系统

2、的组成　　在图1中，位置控制器和速度控制器均由486个人微机编程实现。电机采用北京数控设备厂的FANUC-BESK(15型)直流伺服电机，并采用该厂的A06B-6054-H005作为功率驱动模块。由于该速度控制单元是模拟系统，因此采用12位D/A转换器，把微机根据控制算法输出的数字量转换为合适的模拟电压，控制电机向减小位置偏差的方向转动。位置反馈采用光电编码器，分辨率为4000线/转，经四倍频电路，由可编程计数器8254记录位置脉冲数，位置控制器则根据此脉冲数和指令脉冲数计算出速度指令电压，再输出到一个12位D/A转换器，

3、即得到模拟的速度指令电压。速度反馈也利用同一个光电编码器和计数电路，速度控制器通过对位置求一阶差分计算出实际转速，然后输出到另一个12位D/A转换器，将得到的模拟电压反馈至速度控制单元的速度反馈输入端。实际转速ω按ω＝ΔN/Ts式求取，其中ΔN为在采样周期内的位置脉冲增量，Ts为采样周期，该系统取8毫秒。　　作者编写的CNC控制程序采用前、后台软件结构，前台程序是一个中断服务程序，由硬件实现8毫秒定时中断，主要完成精插补和位置控制功能；后台程序是一个循环运行程序，主要完成数据输入、粗插补及其它辅助功能。3　伺服系统的实现　

4、　数模转换采用芯片DAC1210，为了不降低分辨率，用一个电子开关CD4052处理正负号，使数模转换达到双极性12位，为了提高驱动能力和抑制干扰，输出采用集成运放OP07做成射极跟随器的形式，电路如图2所示。图2　双极性12位D/A转换3.1　四倍频器　　四倍频器［2，3］采用微分电路来实现，其抗干扰能力较差。作者设计了一种四倍频器，采用积分型单稳态电路，如图3所示。电路的工作原理：A、B两路相位差90°的方波脉冲，电机正向转动时，A领先B；电机反向转动时，B领先A。该电路在A及A的反相-A和B及B的反相-B各接了一个积分

5、型单稳态电路［4］，在A的上升沿、下降沿分别产生一个短脉冲A′和-A′，在B的上升沿、下降沿分别产生一个短脉冲B′和-B′。当A为低电平时，Va为高电平，G2输出为低电平；当A上升沿来到后，G1输出为低电平，但由于电容两端的电压不能突变，所以在一段时间里Va仍在阈值电平之上，G2输出为高电平，电路进入暂稳态。随着电容的放电，Va不断下降，当Va低于阈值电平时，G2输出为低电平，待A回到低电平后，G1输出为高电平，电容又开始充电，当Va恢复为高电平时，电路又达到稳态，为下一次上升沿的到来作好准备。由以上分析可知，A′的脉冲宽

6、度TW等于电容开始放电到Va下降至阈值电平所经历的时间，根据对RC电路暂态过程的分析，可知电容上的电压Va放电时间由下式决定［4］：（1）式中　R′——RC电路放电回路的电阻　　　C′——RC电路放电回路的电容　　　VC（∞）——电容电压的稳态值　　　VC（0）——电容电压的初值　　　VC（t）——经过t时间放电后的电容电压值　　设LSTTL电路的输出高电平为VOH，输出低电平为VOL，VTH为阈值电平，R0为G1输出低电平时的输出电阻，将R′＝R0＋R、C′＝C、VC（∞）＝VOL、VC（0）＝VOH、VC（t）＝VTH

7、代入式(1)可得脉冲宽度TW为：（2）考虑到电路恢复时间，应使方波脉冲序列的周期为TW的7～8倍，这样电路才能可靠地工作。可以据此选择合适的电阻和电容。将得到的四个短脉冲序列A′、－A′、B′、－B′按图3所示进行与或非的逻辑组合，在U1、U2的输出端将产生表示正转和反转的四倍频脉冲序列，如图4所示。该电路有较好的抗干扰性能，因为高频时容抗很小，而且脉冲经过二级与门的选择。图3　积分型四倍频计数电路图4　正、反转四倍频器脉冲波形(左：正转　右：反转)3.2　脉冲计数电路与初值跳动　　8254是与微机接口非常方便的可编程计数

8、器，在方式2下计数器可自动重复计数，利用它的两个计数通道分别记录正转和反转脉冲，在程序里读入计数值并使二者相减，便可得到在采样周期内的位置脉冲增量，给后续程序作进一步处理。作者在应用中发现8254有一个缺陷：对它进行初始化后，输出锁存器残留有随机数，这时程序读数就会读到这个随机数，所以当第一个计数脉冲到