全數(shù)字伺服系統(tǒng)中位置環(huán)和電子齒輪的設(shè)計(jì)

3 電子齒輪的設(shè)計(jì)

3.1 電子齒輪的原理

為了使指令脈沖當(dāng)量與反饋脈沖當(dāng)量一致，在伺服系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，需要采用電子齒輪來進(jìn)行調(diào)節(jié)。這里設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)過一圈對(duì)應(yīng)的機(jī)械位移是ΔL，則反饋脈沖當(dāng)量可以計(jì)算如下：

ΔP_f=ΔL/(4×2500)（5）

這里考慮采用2500脈沖/圈的增量式光電編碼盤，并且經(jīng)4倍頻電路使用。

當(dāng)指令脈沖當(dāng)量ΔPg與反饋脈沖當(dāng)量ΔPf不匹配時(shí)，必須采用電子齒輪系數(shù)Kg來使兩者匹配。其公式如下：

ΔP_gK_g=ΔP_f（6）

從圖2可以看出，電子齒輪Kg在位置環(huán)的外面，因此改變K_g的值不會(huì)影響位置環(huán)的性能。在目前的伺服應(yīng)用中，電子齒輪K_g的取值范圍為0.01=K_g=100。

通常在采用軟件實(shí)現(xiàn)電子齒輪時(shí)可以設(shè)置兩個(gè)比例系數(shù)，即

K_g=spdt₁/spdt₂（7）

則式（6）變?yōu)?

ΔP_gspdt₁=ΔP_fspdt₂（8）

式中：spdt₁可以看作是指令脈沖的電子齒輪系數(shù)，而spdt₂可看作是反饋脈沖的電子齒輪系數(shù)。

為了更加詳細(xì)地說明電子齒輪的用途，下面將分兩種情況來分析。

3.1.1 對(duì)指令脈沖頻率的跟蹤

此時(shí)電機(jī)的速度由指令脈沖的頻率決定，其轉(zhuǎn)速v(r/min)與輸入脈沖頻率f_in(Hz)的關(guān)系如下：

v=（9）

通過設(shè)置兩個(gè)電子齒輪系數(shù)，可以在同一個(gè)輸入脈沖頻率下獲得不同的電機(jī)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。另外，輸入的最高脈沖頻率不能超過DSP識(shí)別的范圍，這里考慮DSP在讀取電平值時(shí)，該電平至少需要維持2個(gè)機(jī)器周期的時(shí)間，因此最大的輸入脈沖頻率為

f_inmax=MHz=5MHz

在伺服系統(tǒng)的一般應(yīng)用中，輸入脈沖頻率一般在幾十到幾百kHz。這種情況下如果電機(jī)處于速度控制模式下，可以通過調(diào)節(jié)指令脈沖頻率來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速；如果電機(jī)位于位置控制模式下，則需要對(duì)指令脈沖和反饋脈沖的脈沖誤差進(jìn)行累計(jì)，最終全部輸出，這一步可以通過位置環(huán)的脈沖誤差累加器ΔS來實(shí)現(xiàn)。

3.1.2 對(duì)指令脈沖個(gè)數(shù)的跟蹤

這種情況下輸入的脈沖個(gè)數(shù)決定于電機(jī)連接的機(jī)械軸的實(shí)際位移量。其機(jī)械總位移L與輸入脈沖的個(gè)數(shù)S有如下關(guān)系：

L=SΔP_g（10）

結(jié)合式（5）和式（6），可得

L=（11）

通過設(shè)定spdt₁和spdt₂，可以在相同的脈沖輸入個(gè)數(shù)下獲得不同的機(jī)械軸位移。另外，在這種情況下，當(dāng)輸入脈沖的頻率高于電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入脈沖頻率時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)滯留脈沖的情況。與第一種情況類似，可以通過脈沖誤差累加器ΔS來保存滯留脈沖，并最終輸出，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)定位時(shí)的無誤差。