伺服系統(tǒng)的工作原理及伺服電機(jī)模擬器的設(shè)計(jì)
機(jī)床精工產(chǎn)品在調(diào)試時(shí)需要搭建現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境, 將控制終端連接到精工機(jī)床的伺服電機(jī)控制器和脈沖編碼器上, 實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床的控制, 用于測(cè)試精工產(chǎn)品。但是精工機(jī)床類型復(fù)雜, 而且價(jià)格昂貴, 設(shè)備龐大, 不利于調(diào)試環(huán)境的搭建, 并且只支持空載測(cè)試, 同一時(shí)間內(nèi)一套伺服系統(tǒng)只能對(duì)一臺(tái)精工系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。為了提高測(cè)試效率、合理利用空間、節(jié)省生產(chǎn)成本, 提出了采用伺服電機(jī)模擬器來(lái)模擬真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境實(shí)現(xiàn)對(duì)精工產(chǎn)品的測(cè)試。該伺服電機(jī)模擬器可以模擬帶負(fù)載電機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性, 并且可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間調(diào)試, 顯示的速度曲線可以形象地表示出速度的變化情況, 提供了友好的人機(jī)界面。2 伺服系統(tǒng)工作原理伺服系統(tǒng)是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)的任意變化而變化的自動(dòng)控制系統(tǒng), 即伺服系統(tǒng)是具有反饋的閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)[1,2]。它由計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電動(dòng)機(jī)、速度和位置傳感器等組成。計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)用來(lái)存儲(chǔ)零件加工程序, 根據(jù)編碼器反饋回來(lái)的信息進(jìn)行各種插補(bǔ)運(yùn)算和軟件實(shí)時(shí)控制, 向各坐標(biāo)軸的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出各種控制命令[3,4]。伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電動(dòng)機(jī)接收到計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的控制命令后, 對(duì)功率進(jìn)行放大、變換與調(diào)控等處理, 能夠快速平滑調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)速度, 并能夠精確地進(jìn)行位置控制。3 伺服電機(jī)模擬器系統(tǒng)設(shè)計(jì)伺服電機(jī)模擬器分為兩部分: 硬件板和軟件模型。硬件板主要由 FPGA和 AD器件構(gòu)成, 接口為 ISA總線, 此硬件板要插在計(jì)算機(jī)的 ISA總線插槽上, 和計(jì)算機(jī)中運(yùn)行的軟件模型相配合工作。其主要功能為完成 A/D采樣和脈沖頻率的輸出。軟件模型運(yùn)行在計(jì)算機(jī)中, 主要完成對(duì)伺服電機(jī)在各種情況下的模擬。3.1 硬件設(shè)計(jì)3.1.1 硬件接口( 1)模擬量輸入: 共 16 路。為正負(fù) 10V直流電壓, 由精工產(chǎn)品輸出, 用于控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)方向;( 2)數(shù)字量輸出: 共 16 路, 48 個(gè)輸出點(diǎn)。一個(gè)直流量輸入對(duì)應(yīng)三個(gè)數(shù)字量輸出: A、 B和 Z相的脈沖輸出。這些輸出用于模擬脈沖編碼器的輸出, A、 B相脈沖頻率=編碼器的線數(shù)× 轉(zhuǎn)速, A相超前 B相 90 度表示轉(zhuǎn)動(dòng)為正向, A相落后 B相 90 度表示轉(zhuǎn)動(dòng)為反向, Z相頻率=轉(zhuǎn)速;( 3) ISA總線接口: 完成硬件板和計(jì)算機(jī)的互聯(lián), 使計(jì)算機(jī)中運(yùn)行模型的數(shù)據(jù)能夠通過(guò)硬件板輸出。 硬件板提供 RAM和寄存器。3.1.2 硬件功能分塊硬件板上 FPGA根據(jù)功能設(shè)計(jì)分為四個(gè)模塊。分別是 ISA接口模塊、 AD采樣狀態(tài)機(jī)模塊、 RAM模塊和脈沖編碼器模塊。( 1) ISA接口模塊: 完成 ISA總線時(shí)序。( 2)AD采樣狀態(tài)機(jī)模塊: 完成 AD采樣控制, 將采到的數(shù)據(jù)存入 RAM中。狀態(tài)機(jī)的一個(gè)采樣周期設(shè)計(jì)為五個(gè)狀態(tài):①Init 狀態(tài): 打開(kāi)相應(yīng)的選路通道; AD讀禁止; RAM禁止;②Start 狀態(tài): 啟動(dòng) AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù); AD讀禁止; RAM禁止;③Waiting狀態(tài): 等待轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào), 若結(jié)束轉(zhuǎn)到 Finish 狀態(tài), 沒(méi)結(jié)束, 則繼續(xù)在本狀態(tài);④Finish 狀態(tài): 關(guān)閉 AD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換; AD讀允許; RAM禁止;⑤Write 狀態(tài): 關(guān)閉 AD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換; AD讀允許; RAM選通。( 3) RAM模塊: 存儲(chǔ) AD采到的數(shù)據(jù)。RAM為 16 位× 16 個(gè), 用于存儲(chǔ) A/D采樣后的 16 路直流量數(shù)據(jù)。寄存器有兩類: 線數(shù)寄存器用于寫(xiě)線數(shù)值; 轉(zhuǎn)速寄存器用于寫(xiě)轉(zhuǎn)速值。( 4)脈沖編碼器模塊: 根據(jù)線數(shù)寄存器和轉(zhuǎn)速寄存器中的值產(chǎn)生相應(yīng)的 A、 B和 Z相脈沖。3.2 軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3.2.1 軟件的設(shè)計(jì)伺服電機(jī)模擬器軟件平臺(tái)由 Linux- 2.4.19+MiniGUI- 1.3 組成。伺服模擬卡接收來(lái)自 CNC的模擬控制信號(hào), 通過(guò)功率放大、 變換、 調(diào)控后將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào), 工業(yè)主板接收從伺服模擬卡來(lái)的參數(shù), 代入模型進(jìn)行計(jì)算。伺服模擬卡接收來(lái)自工業(yè)主板的參數(shù)電機(jī)轉(zhuǎn)速、 電機(jī)線速、 位置等信息, 由伺服模擬卡將這些信息轉(zhuǎn)換成 A、 B、 Z向編碼器反饋脈沖給 CNC[5,6]。伺服電機(jī)模擬器能夠?qū)λ欧姍C(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)提供逼真的仿真, 模擬真實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。現(xiàn)已用于藍(lán)天精工系統(tǒng) NC系列產(chǎn)品的檢測(cè)工作。3.2.2 伺服電機(jī)模擬器的建模建模是指從非數(shù)學(xué)領(lǐng)域, 如來(lái)自日常生活、 經(jīng)濟(jì)、 工程等學(xué)科中的問(wèn)題, 通過(guò)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行適當(dāng)?shù)募僭O(shè), 研究其內(nèi)在關(guān)系, 最終將問(wèn)題抽象、 轉(zhuǎn)化成一個(gè)相應(yīng)的數(shù)學(xué)問(wèn)題[7] [8]。建模的意義就在于通過(guò)建模, 可以準(zhǔn)確給出各個(gè)因素對(duì)問(wèn)題的影響程度, 得到最優(yōu)的解決辦法。伺服電機(jī)模擬器建模的提出, 主要是為了解決精工系統(tǒng)對(duì)伺服系統(tǒng)高速度運(yùn)動(dòng)、 高精度加工的要求。通過(guò)伺服電機(jī)模擬器的建模, 得出加減速因子和轉(zhuǎn)動(dòng)速度以達(dá)到高速和高精的平衡。問(wèn)題假設(shè): 忽略伺服控制器信號(hào)延遲; 伺服電機(jī)中的負(fù)載, 相電感, 渦損, 磁損; 反電動(dòng)勢(shì)是正弦。由轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)電壓方程; 磁鏈方程為; 電磁轉(zhuǎn)矩方程; 電機(jī)運(yùn)動(dòng)方程; 機(jī)械角速度與電角速度的關(guān)系公式可推出:4 結(jié)束語(yǔ)伺服模擬器的各個(gè)參數(shù)是從各種不同種類的伺服電參數(shù)中抽取出來(lái)的, 這一特性實(shí)現(xiàn)了對(duì)各種不同型號(hào)的伺電機(jī)的模擬。除此之外, 伺服模擬器還可以對(duì)系統(tǒng)極端情下臨界值進(jìn)行測(cè)試, 解決了真實(shí)伺服電機(jī)測(cè)試臨界值的題。其中在伺服電機(jī)的控制性能方面, 模擬器的隨動(dòng)誤差真實(shí)電機(jī)相當(dāng)。伺服模擬器實(shí)現(xiàn)了對(duì)伺服電機(jī)的真實(shí)模精工系統(tǒng)在控制伺服模擬器時(shí)無(wú)法分辨連接的是模擬器是伺服電機(jī)。本文由海天精工文章整理發(fā)表，文章來(lái)自網(wǎng)絡(luò)僅參考學(xué)習(xí)，本站不承擔(dān)任何法律責(zé)任。http://www.dyliao.com加工中心專業(yè)制造