伺服系统中位置环和电子齿轮的设计.docx

伺服系统中位置环和电子齿轮的设计浙江高校电力电子国家专业试验室胡庆波吕将20()5-1-15电源技术应用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，最终通过定位试验证明设计的合理性。引言随着电力电子和数字限制技术的发展，越来越多的限制系统采纳数字化的限制方式.在目前广泛应用丁数控车床、纺织机械领域的伺服系统中，采纳全数字化的限制方式已是大势所趋.数字化限制与模拟限制相比不仅具有限制便利，性能稳定，成本低廉等优点，同时也为伺服系统实现网络化，智能化限制开拓了发展空间。全数字限制的伺服系统不仅可以便利地实现电机限制，同时通过软件的编程可以实现多种附加功能，使得伺服系统更为人性化，智能化，这也正是模拟限制所不能达到的。目前，伺服系统主要用丁位置限制，诸如数控车床、电梯等领域，在这些应用场合中，无法通过速度限制来实现系统的精确定位，因此必需引入位置限制方式,在伺服系统中殷采纳光电码盘作为位置反馈信号,依据光电码盘在电机转过圈时产生的脉冲数来时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，旦固定连接扇.电机句转圈产生的机械轴位移盘肯定.并”,花伺眼限制系统中，位W限制通常由上位限制器产生订定频率和个数的脉冲来确定电机的转速和转过的角度，当指令脉冲当母和位巴反馈脉冲WIhr不样时，就必需采纳电子齿轮的方法来进行调整,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，最终通过定位试验证明设计的合理性。图1位置伺服系统控制框图1、位置环的设计作为伺服定位系统，在定位限制时，必需满意以下3方面的要求：定位精度，要求系统稳态误差为零：一一定位速度，要求系统有尽可能高的动态响应速度：一一要求系统位置响应无超调。在实际应用中位出环通常设计成比例限制环节，通过阔整比例增益，可以保证系统对位置响应的无超调，但通常这样会借低系统的动态响应速亥。另外，为了使何服系统获得高的定位粘%通常要:求I.位限制器由给定位置和实际位律进行误差的累讣，并I1.要求以订定由限M立法进(f卜优。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，这使上位限制器免除了对位置误差的累计，降低了限制困难度。但这和采纳比例调整的位置限制器一样，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限制器，并I1.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I是位置伺服系统的限制框图，图中R(三)代表相应的指令脉冲输入，C(三)代表电机相应转过的位置，其中当速度调整器采纳P1.限制时，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可以等效为一个惯性环节，即G2(三)=Kv/(TVS+1)，电机等效为一个积分环节，即G3(三)=Kms°下面先来分析位置环设计成比例限制时的状况，此时G1.(三)=Kc,则系统的闭环传递函数为H(三)=d+s+k式中：K=KcKvKmo从开环传递函数看，系统属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，可以近似等效为斜坡函数，因此也存在肯定的稳态误差。这时要获得较高的定位精度,通常须要上位限制器不断地对位置误差信号进行累计，并以肯定的限制算法去进行补偿。另外，由于系统要求位置响应无超调，因此要求阻尼比821,此时有Kc1.(4TvKvKm)(2)因此在满意位置无超调的调整下，为r获得尽可能快的动态响应，位置环比例系数应尽可能大.输入脉冲电子内轮比例调节器_rM1.1.e¾馈脉冲HS,f½WF反馈速度速度限幅速度调节器图2伺服位置环的控制框图2、位置环的软件实现本文中伺服系统的位置信号由上位限制器的指令脉冲确定，其格式为脉冲斤列I方向信号。DSP限制系统通过推断方向信号来获得电机的给定转向，脉冲序列中的脉冲频率确定电机的转速.累计的脓冲个数确定电机转过的角度因此在位置环的软件实现时，须要对输出脉冲和反馈脉冲的误差进行累计。MJ1.1.rDSP卞氏的侬制，力指令脉冲频率较大I,电机响应速度跟不上时，须要考虑送走脉冲的溢出状况。图2是整个伺服系统位置环的限制框图。位置调整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：KR(KT)=K,AS=Kt£DTAiT)KK-OT2(iT)<三1.(3)式中：AS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2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。溢出脉冲限制器对误差AS进行溢出推断，达TT比利DSP'/匕的差8(7匕为16位)，当误差侑AS>2I4时即为溢出，此时应设定相应的滞留脉冲限制器，一旦出现脓冲溢出现象，便限制位置环输出最大值，即给定最而转速。位汽环的输出经过速度限幅后进入速度限制器。当伺服系统的跟踪速度由输入脉冲的频率确定时，误差AS的值为肯定值，此时输入脉冲和反馈脉冲的动态平衡方程如下:DT3(KT)K*=DT2(KT)(4)当输入脉冲的频率不断变更时,则伺服系统的跟踪速度不断变换，此时误差AS的值不断变更，并11最终把误差AS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 电子出轮的原理为r便指令脉冲当址与反馈脉冲当量一样，在伺服系统的实际应用中，须要采纳电子齿轮来进行调整。这里设电机转过一圈对应的机械位移是A1.,则反馈脉冲当量可以计算如下:APUA1.J(4X2500)(5)这里考虑采纳25脉冲/圈的增量式光电编码盘，并且经4倍频电路运用。当指令脉冲当量八Pg与反馈脉冲当好APf不匹配时，必需采纳电子齿轮系数Kg来使两者匹配。其公式如下：PgKg=Pf(6)从图2可以看出，电子齿轮Kg在位置环的外面，因此变更Kg的值不会影响位置环的性能。在目前的伺服应用中，电子齿轮Kg的取值范围为0.01Kg100。通常在采纳软件实现电子齿轮时可以设理两个比例系数，即Kg=spdtIs,xit2(7)则式(6)变为APgspdtI=APfsp<1.t2(8)式中：SPdt1.可以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。为了更加具体地说明电子齿轮的用途，下面将分两种状况来分析。3.1.1 对指令脉冲频率的跟踪此时电机的速度由指令脉冲的频率确定,其转速v(rmin)与输入脉冲频率Iin(Hz)的关系如下：V=100ofinXPd1.2,6Spdt1.(9)通过设置两个电了齿轮系数，可以在同个输入脉冲频率下获得不同的电机稳定转速。另外，输入的最高脉冲筑率不能超过DSP识别的范围，这里考虑DSP在读取电平值时，该电平至少须要维持2个机器周期的时间，因此最大的输入脉冲频率为finnax=(204)MHz=5MHz在伺服系统的一般应用中，输入脉冲频率一般在儿卜到几百kHz,这种状况下假如电机处于速度限制模式下，可以通过调整指令脉冲频率来实现电机的调速：假如电机位于位置限制模式下，则须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，这一步可以通过位巴环的脉冲误差累加器AS来实现。图3指令脉冲的硬件接口电路3.1.2 对指令脉冲个数的跟踪这种状况下输入的脉冲个数确定于电机连接的机械轴的实际位移量,其机械总位移1.与输入脉冲的个数S有如下关系：1.=SPg(10)结合式(5)和式(6),可得1尸(SISP<112/10OOOspd<11)通过设定SPdt1.和Spdt2,可以在相同的脉冲输入个数下获得不同的机械轴位移。另外,在这种状况下,当输入脉冲的须率高于电机在额定转速时对应的输入脉冲频率时.就会出现滞留脉冲的状况。与第种状况类似,可以通过脉冲误差累加器AS来保存滞留脉冲，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这里运用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协作DSP内部的QEP电路运用,接受光电编码盘的反馈信号并4倍频运用.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状况3电机的转速应为v=(I(X)0DT3spdt26sdt1T)(12)其中误差累加器AS的值为AS=£八(iT)SPdh-OT2(IT)spdh1.(13)当电机在固定输入频率下稔速运行时，其动态平衡方程为DT3(iT)spdt2-D1.'2(iT)spdt1.=0(14)此时AS内的值即为滞留脉冲，须要全部输出。3.3 指令脉冲输入的硬件接口电路指令脉冲由上位限制罂产生，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,首先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AM261.S31.另外，由于整个限制电路采纳DSP芯片实现，因此必需考虑限制电路和其他接口电路的电气隔离.这里选用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中，脉冲序列先通过差动骈动芯片AM261.S3I,生成互补的两个脉冲信号，然后通过光利与DSP限制芯片隔离。该设计同时满意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。图4伺服系统的定位过程4、试验本文的伺服系统采纳沟通永磁同步伺服电机，其额定功率25kW,额定电流10,额定转速2000rmin,额定转矩6Nm,定子电感8.5mH,定子电阻2.8Q0试验中功率模块采纳：.菱公司的PM3ORSFO6O智能模块，辘入电压AC220V.开关频率15kHz,位置环采样周期T=333s.角度反馈采纳2500脉冲/转的光电码盘，4倍频运用.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确定.通过出口通信获得，图4中横坐标代表时间轴，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。从图中可以看出，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,满意实际的应用要求。S、靖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J'电子齿轮的设计方法以及硬件接口电路.试瞪结果表明，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，该设计方法适用于将性能伺服定位系统中。