电子齿轮

2012-08-29 17:45:13 作者:mememama 来源: 浏览次数:0

1 概述
  全数字交流伺服系统具有以往的模拟式伺服系统所无法具有的一系列新的功能,如电子齿轮功能,自动辨识电机参数的功能,自动整定调节器控制参数功能,自动诊断故障的功能等。
正是由于具有这一系列新的功能,用户灵活掌握和调整的余地更大了,使用更为便利,同时也提高了性能,因而使全数字交流伺服系统得到了迅速的推广应用。
从1997年以来,我们一直从事全数字交流伺服系统的研制工作,目前已取得了阶段性成功。本文将介绍全数字交流伺服系统中电子齿轮的原理及实现方法。

2 电子齿轮的原理
  数字交流伺服系统具有位置控制的功能,上位控制机向伺服系统发出位置指令脉冲。位置指令脉冲具有3种形式:①方向信号+脉冲序列;②CCW脉冲序列+CW脉冲序列;③正交二相脉冲序列。如图1所示。


图l 位置指令脉冲

  指令脉冲序列包含了两方面的信息,一是指明电机运行的位移,二是指明电机运行的方向。通常指令脉冲单位是0.001 mm或0.01 mm等,而伺服系统的位置反馈脉冲当量由检测器(如光电脉冲编码器等)的分辨率,以及电机每转对应的机械位移量等决定。当指令脉冲单位与位置反馈脉冲当量二者不一致时,就可使用电子齿轮使二者完全匹配。使用了电子齿轮功能,可以任意决定一个输入脉冲所相当的电机位移量。发出指令脉冲的上位控制装置无须关注机械减速比和编码器脉冲数就可以进行控制。图2是具有电子齿轮功能的伺服系统结构。
 


图2 伺服系统结构图

  在图2中,机械传动机构的螺距为W,指令脉冲当量为ΔL,光电脉冲编码器每转脉冲数为P,一般电机轴与传动丝杠是直接相连的,这样就可以确定位置反馈脉冲当量ΔM。
ΔM=W/(4P) (1)
  式(1)中的4P是考虑到一般在采用光电脉冲编码器作为位置反馈元件时,都对其输出脉冲进行4倍频处理。
  从上面的分析可以知道,指令脉冲当量ΔL,与反馈脉冲当量ΔM不一定相等,这就需要通过指令脉冲的倍率系数A/B来建立二者的对应关系。具体的计算公式为
ΔL=ΔM×A/B (2)
  根据一个指令脉冲的位置当量和反馈脉冲的位置当量,可以确定电子齿轮的倍率系数。在式(2)中A和B必须为整数,A/B称为电子齿轮的齿数比。其中A和B都可以单独设置,其范围一般在l-65535之间。就目前的全数字伺服系统而言,齿数比要满足下面的限制条件
0.01≤A/B≤100 (3)

3 电子齿轮功能的实现
  在我们研制的全数字交流伺服系统中,电子齿轮是在一个单独的微处理器控制下工作的,电子齿轮的工作原理可以由图3简单地表示。
 


图3 电子齿轮工作原理图

4 电子齿轮环节的控制精度和跟随误差分析
  如前面所述可知,电子齿轮控制环节是1个微处理器控制的闭环控制环节。但只要微处理器的采样频率足够高,用分析连续系统的方法来分析电子齿轮控制环节就是合理的,图5是电子齿轮环节的动态结构。图5中的积分环节表示可逆计数器对输入频率和反馈频率的累积作用。如果采用比例控制,电子齿轮环节是1个I型环节;如果采用比例积分控制,电子齿轮环节就是1个Ⅱ型环节。下面讨论电子齿轮输出脉冲信号对输入指令脉冲的跟随性能。


图5 电子齿轮环节动态结构图


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