以旋轉(zhuǎn)變壓器為測(cè)量元件的7M CNC伺服系統(tǒng)

與7360系統(tǒng)的伺服控制一樣，7M系統(tǒng)也是采用實(shí)時(shí)中斷實(shí)現(xiàn)伺服控制的。與7360系統(tǒng)不同的是，7M系統(tǒng)的差補(bǔ)計(jì)算部分每8ms進(jìn)行一次，計(jì)算出8ms內(nèi)工作臺(tái)的進(jìn)給量ΔDci，而位置控制部分則每4ms計(jì)算一次，將計(jì)算結(jié)果作為一個(gè)4ms的進(jìn)給指令，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)接口輸出。位置控制部分的計(jì)算過(guò)程為：

（1）跟隨誤差的計(jì)算。設(shè)上一個(gè)4ms開(kāi)始時(shí)工作臺(tái)的實(shí)際位置為DFi-1，從位置檢測(cè)組件獲得的上一個(gè)4ms內(nèi)工作臺(tái)實(shí)際位置增量為ΔDFi，那么本次4ms周期開(kāi)始時(shí)工作臺(tái)的實(shí)際位置為

（5—14）

設(shè)上一個(gè)4 ms結(jié)束時(shí)指令位置為Dci-1，那么，本次4 ms的指令位置為

（5—15）

因此，本周期的伺服系統(tǒng)跟隨誤差，或稱(chēng)位置偏差為

(5—16)

(2) 進(jìn)給速度指令的計(jì)算。與7360系統(tǒng)相同，為了控制的需要，要將跟隨誤差轉(zhuǎn)化為進(jìn)給速度指令，即根據(jù)E值的大小，按下式求出進(jìn)給速度指令vDA值，即

(5—17)

此外，由于位置控制系統(tǒng)特別是速度控制裝置的零點(diǎn)有誤差，在給定的速度指令電壓為零時(shí)，速度控制裝置的輸出電壓不為零，使直流伺服電機(jī)(執(zhí)行元件)仍以慢速旋轉(zhuǎn)。因此，需在軟件中補(bǔ)加一個(gè)零點(diǎn)偏移補(bǔ)償量ΔS，使補(bǔ)償后的直流伺服電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)。所以，實(shí)際的速度指令值的計(jì)算應(yīng)為

(5—18)

2．硬件部分

(1) 位置控制輸出組件。位置控制輸出組件線(xiàn)路如圖5-55所示，速度指令寄存器寄存從工業(yè)處理機(jī)來(lái)的速度指令值vDA,其0~12二進(jìn)制位存放速度值，第14位是符號(hào)位，最大指令值為 +8191，最小指令值為 -8191。數(shù)模轉(zhuǎn)換器由可預(yù)置數(shù)的減法計(jì)數(shù)器組成，定時(shí)向計(jì)數(shù)器置入速度指令值，然后以一定的速率減到零，可將數(shù)字量的速度指令值轉(zhuǎn)換為調(diào)寬脈沖MP，脈沖周期等于置數(shù)周期，脈沖寬度τ與vDA成正比。在7M系統(tǒng)中，為了減少電路誤差對(duì)精度的影響，將數(shù)模轉(zhuǎn)換器的減法計(jì)數(shù)器分成粗計(jì)數(shù)器(9~12位)和精計(jì)數(shù)器(0~8位)兩部分。兩個(gè)計(jì)數(shù)器的置數(shù)周期T均為128μs，粗計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)時(shí)鐘為125 kHz，最大計(jì)數(shù)值為15；精計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)時(shí)鐘為4 kHz，最大計(jì)數(shù)值為511。

調(diào)寬脈沖是不帶符號(hào)的，為此，需將MP變換成可表示正負(fù)值的調(diào)寬脈沖NP。此外，為了輸出電平穩(wěn)定精確，還需將脈沖變換成標(biāo)準(zhǔn)幅值，完成這一功能的電 路是模擬開(kāi)關(guān)。關(guān)于模擬開(kāi)關(guān)電路參見(jiàn)鑒幅式伺服系統(tǒng)一節(jié)的檢波器線(xiàn)路。

濾波放大器由運(yùn)算放大器T1和T2等組成，如圖5-55所示。T1是放大倍數(shù)為1的高輸入阻抗電路，T2將粗精調(diào)寬脈沖NPC和NPF按16倍的比例混合，并且濾掉脈沖成分，將直流成分放大到所需的電壓VP。

圖5-55 位置控制輸出組件線(xiàn)路圖

按圖5-55的濾波放大電路，可寫(xiě)出VP的計(jì)算公式：

(5—19)

當(dāng)VNPC和VNPF均為2.5 V(相當(dāng)于vDA=0)時(shí)，VP應(yīng)為零，將各電阻值代入上式，可求得標(biāo)準(zhǔn)電壓VRD為2.023 8 V。那么，VP就可表示為

(5—20)

根據(jù)選用的執(zhí)行元件不同，VP還要轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)這些執(zhí)行元件所需的形式，即 還要經(jīng)驅(qū)動(dòng)放大環(huán)節(jié)，如伺服閥放大器、可控硅驅(qū)動(dòng)線(xiàn)路等。

(2) 位置檢測(cè)組件。位置檢測(cè)組件由檢波器、電壓頻率轉(zhuǎn)換器和sin/cos發(fā)生器、實(shí)際位置計(jì)數(shù)器等電路組成，其方框圖如圖5-56所示。

由sin/cos發(fā)生器產(chǎn)生的8 kHz的正弦余弦電壓被送到旋轉(zhuǎn)變壓器的定子繞組(或感應(yīng)同步器的滑尺)，在旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子繞組(或感應(yīng)同步器的定尺)上感應(yīng)出電壓信號(hào)VC。VC作為輸入信號(hào)送到檢測(cè)裝置，先經(jīng)過(guò)10 kHz低通濾波器濾去信號(hào)的高次諧波成分和干擾信號(hào)。濾波器的輸出被送到檢波器，把交流信號(hào)變換為直流信號(hào)VE。再經(jīng)過(guò)6 kHz低通濾波器濾去8 kHz的脈動(dòng)成分，輸出平滑的直流電壓VF，VF送到電壓頻率轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換為頻率與VF成正比的脈沖CVFC, VF還被送到符號(hào)檢測(cè)電路，檢出VF的符號(hào)SIGN。CVFC和SIGN經(jīng)同步電路后，被送到sin/cos發(fā)生器和實(shí)際位置計(jì)數(shù)器，以控制旋轉(zhuǎn)變壓器激磁信號(hào)中電氣角α的變化，并根據(jù)α角產(chǎn)生脈寬調(diào)制的正弦余弦電壓，同時(shí)，使計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，計(jì)出的數(shù)字表示一段時(shí)間內(nèi)坐標(biāo)位置的移動(dòng)量DFi。

電壓頻率轉(zhuǎn)換電路和低通濾波器、檢波器線(xiàn)路參考鑒幅式伺服系統(tǒng)。

圖5-57 脈寬調(diào)制式的sin/cos發(fā)生器的方框圖

脈寬調(diào)制式的sin/cos發(fā)生器的方框圖如圖5-57所示。它由混合電路、兩套分頻比為1000的計(jì)數(shù)器和正弦余弦波形組合門(mén)電路以及驅(qū)動(dòng)器等組成 ?；旌想娐返淖饔檬歉鶕?jù)脈沖CVFC及其符號(hào)SIGN ，使計(jì)數(shù)器1多計(jì)脈沖CVFC所表示的數(shù)和使計(jì)數(shù)器2少計(jì)CVFC所表示的數(shù)；或使計(jì)數(shù)器1少計(jì)CVFC所表示的數(shù)和使計(jì)數(shù)器2多計(jì)CVFC所表示的數(shù) 。在混合電路中有一只J-K觸發(fā)器作為計(jì)數(shù)器，所以sin/cos發(fā)生器總分頻比為2000 。當(dāng)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖是16 MHz時(shí)，計(jì)數(shù)器輸出頻率為8 KHz的方波，相當(dāng)于2π rad的脈沖數(shù)為2 000，每個(gè)脈沖為π/1 000 rad。脈寬調(diào)制式的正弦余弦波形可用波形合成的方法產(chǎn)生。如果計(jì)數(shù)器的輸出波形A滯后α角，計(jì)數(shù)器1的另一端輸出B比A滯后90°；計(jì)數(shù)器2的輸出C導(dǎo)前α角，計(jì)數(shù)器2的另一個(gè)輸出D比C滯后90°。再把A，B，C，D四個(gè)波形加到組合門(mén)電路，合成E，F(xiàn)，G，H的工作波形，其邏輯關(guān)系為

此組合電壓經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路加到旋轉(zhuǎn)變壓器（或感應(yīng)同步器）的激勵(lì)繞組兩端，激勵(lì)繞組上實(shí)際承受的電壓是兩端電壓的偏差值，即

此V1和V2就是所要求的余弦和正弦調(diào)寬脈沖的波形，各工作波形如圖5—58所示。圖中α為脈沖寬度的相角，可在0~360°范圍內(nèi)變化。用傅里葉級(jí)數(shù)分析，可得出sin和cos函數(shù)的基本成分為

(5—21)

(5—22)

式中為ω角頻率，ω＝2πf，此處，f是正弦和余弦波形的頻率，本系統(tǒng)中采用8kHz。

圖5-58 sin/cos發(fā)生器工作波形