全数字伺服系统中位置环和电子齿轮的设计

这种情况下输入的脉冲个数决定于电机连接的机械轴的实际位移量。其机械总位移L与输入脉冲的个数S有如下关系：

L=SΔPg    （10）

结合式（5）和式（6），可得

L=(SLspdt2/10 000spdt2)   （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，在这种情况下，当输入脉冲的频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情况。与第一种情况类似，可以通过脉冲误差累加器ΔS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

这里使用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配合DSP内部的QEP电路使用，接受光电编码盘的反馈信号并4倍频使用。T3计数器工作方式定义为外部时钟，并采用双向可逆计数。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情况下，电机的转速应为

v=(1000DT3spdt2/6spdt1T)   （12）

其中误差累加器ΔS的值为

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当电机在固定输入频率下稳速运行时，其动态平衡方程为

DT3(iT)spdt2－DT2(iT)spdt1=0    （14）

此时ΔS内的值即为滞留脉冲，需要全部输出。

3.3指令脉冲输入的硬件接口电路

指令脉冲由上位控制器产生，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，因此在设计中采用差分输入的形式，其差分驱动芯片选用AM26LS31。另外，由于整个控制电路采用DSP芯片实现，因此必须考虑控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驱动芯片AM26LS31，生成互补的两个脉冲信号，然后通过光耦与DSP控制芯片隔离。该设计同时满足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。
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4 实验

本文的伺服系统采用交流永磁同步伺服电机，其额定功率2.5kW，额定电流10A，额定转速2000r/min，额定转矩6N·m，定子电感8.5mH，定子电阻2.8Ω。实验中功率模块采用三菱公司的PM30RSF060智能模块，输入电压AC220V，开关频率15kHz，位置环采样周期T=333μs，角度反馈采用2500脉冲/转的光电码盘，4倍频使用。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决定。通过串口通信获得，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，满足实际的应用要求。

5 结语

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，给出了电子齿轮的设计方法以及硬件接口电路。实验结果表明，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，该设计方法适用于高性能伺服定位系统中。