以旋转变压器为测量元件的7M CNC伺服系统

1．软件部分

与7360系统的伺服控制一样，7M系统也是采用实时中断实现伺服控制的。与7360系统不同的是，7M系统的差补计算部分每8ms进行一次，计算出8ms内工作台的进给量ΔD_ci，而位置控制部分则每4ms计算一次，将计算结果作为一个4ms的进给指令，经过计算机接口输出。位置控制部分的计算过程为：

（1）跟随误差的计算。设上一个4ms开始时工作台的实际位置为D_Fi-1，从位置检测组件获得的上一个4ms内工作台实际位置增量为ΔDFi，那么本次4ms周期开始时工作台的实际位置为

     （5—14）

设上一个4 ms结束时指令位置为D_ci-1，那么，本次4 ms的指令位置为

     （5—15）

因此，本周期的伺服系统跟随误差，或称位置偏差为

        (5—16)

(2) 进给速度指令的计算。与7360系统相同，为了控制的需要，要将跟随误差转化为进给速度指令，即根据E值的大小，按下式求出进给速度指令v_DA值，即

        (5—17)

此外，由于位置控制系统特别是速度控制装置的零点有误差，在给定的速度指令电压为零时，速度控制装置的输出电压不为零，使直流伺服电机(执行元件)仍以慢速旋转。因此，需在软件中补加一个零点偏移补偿量ΔS，使补偿后的直流伺服电机停止旋转。所以，实际的速度指令值的计算应为

        (5—18)

2．硬件部分

(1) 位置控制输出组件。位置控制输出组件线路如图5-55所示，速度指令寄存器寄存从工业处理机来的速度指令值v_DA,其0~12二进制位存放速度值，第14位是符号位，*大指令值为 +8191，*小指令值为 -8191。数模转换器由可预置数的减法计数器组成，定时向计数器置入速度指令值，然后以一定的速率减到零，可将数字量的速度指令值转换为调宽脉冲M_P，脉冲周期等于置数周期，脉冲宽度τ与v_DA成正比。在7M系统中，为了减少电路误差对精度的影响，将数模转换器的减法计数器分成粗计数器(9~12位)和精计数器(0~8位)两部分。两个计数器的置数周期T均为128μs，粗计数器的计数时钟为125 kHz，*大计数值为15；精计数器的计数时钟为4 kHz，*大计数值为511。

调宽脉冲是不带符号的，为此，需将M_P变换成可表示正负值的调宽脉冲N_P。此外，为了输出电平稳定**，还需将脉冲变换成标准幅值，完成这一功能的电 路是模拟开关。关于模拟开关电路参见鉴幅式伺服系统一节的检波器线路。

滤波放大器由运算放大器T₁和T₂等组成，如图5-55所示。T₁是放大倍数为1的高输入阻抗电路，T₂将粗精调宽脉冲N_PC和N_PF按16倍的比例混合，并且滤掉脉冲成分，将直流成分放大到所需的电压V_P。

图5-55 位置控制输出组件线路图

按图5-55的滤波放大电路，可写出V_P的计算公式：

        (5—19)

当V_NPC和V_NPF均为2.5 V(相当于v_DA=0)时，V_P应为零，将各电阻值代入上式，可求得标准电压V_RD为2.023 8 V。那么，V_P就可表示为

          (5—20)

根据选用的执行元件不同，V_P还要转换成驱动这些执行元件所需的形式，即 还要经驱动放大环节，如伺服阀放大器、可控硅驱动线路等。

(2) 位置检测组件。位置检测组件由检波器、电压频率转换器和sin/cos发生器、实际位置计数器等电路组成，其方框图如图5-56所示。

图5-56 位置检测装置方框图

由sin/cos发生器产生的8 kHz的正弦余弦电压被送到旋转变压器的定子绕组(或感应同步器的滑尺)，在旋转变压器的转子绕组(或感应同步器的定尺)上感应出电压信号V_C。V_C作为输入信号送到检测装置，先经过10 kHz低通滤波器滤去信号的高次谐波成分和干扰信号。滤波器的输出被送到检波器，把交流信号变换为直流信号V_E。再经过6 kHz低通滤波器滤去8 kHz的脉动成分，输出平滑的直流电压V_F，V_F送到电压频率转换电路，转换为频率与V_F成正比的脉冲CVFC, V_F还被送到符号检测电路，检出V_F的符号SIGN。CVFC和SIGN经同步电路后，被送到sin/cos发生器和实际位置计数器，以控制旋转变压器激磁信号中电气角α的变化，并根据α角产生脉宽调制的正弦余弦电压，同时，使计数器计数，计出的数字表示一段时间内坐标位置的移动量D_Fi。

电压频率转换电路和低通滤波器、检波器线路参考鉴幅式伺服系统。

图5-57 脉宽调制式的sin/cos发生器的方框图

脉宽调制式的sin/cos发生器的方框图如图5-57所示。它由混合电路、两套分频比为1000的计数器和正弦余弦波形组合门电路以及驱动器等组成 。混合电路的作用是根据脉冲CVFC及其符号SIGN ，使计数器1多计脉冲CVFC所表示的数和使计数器2少计CVFC所表示的数；或使计数器1少计CVFC所表示的数和使计数器2多计CVFC所表示的数  。在混合电路中有一只J-K触发器作为计数器，所以sin/cos发生器总分频比为2000  。当计数器的计数脉冲是16 MHz时，计数器输出频率为8 KHz的方波，相当于2π rad的脉冲数为2 000，每个脉冲为π/1 000 rad。脉宽调制式的正弦余弦波形可用波形合成的方法产生。如果计数器的输出波形A滞后α角，计数器1的另一端输出B比A滞后90°；计数器2的输出C导前α角，计数器2的另一个输出D比C滞后90°。再把A，B，C，D四个波形加到组合门电路，合成E，F，G，H的工作波形，其逻辑关系为

此组合电压经驱动电路加到旋转变压器（或感应同步器）的激励绕组两端，激励绕组上实际承受的电压是两端电压的偏差值，即

此V₁和V₂就是所要求的余弦和正弦调宽脉冲的波形，各工作波形如图5—58所示。图中α为脉冲宽度的相角，可在0~360°范围内变化。用傅里叶级数分析，可得出sin和cos函数的基本成分为

        (5—21)

        (5—22)

式中为ω角频率，ω＝2πf，此处，f是正弦和余弦波形的频率，本系统中采用8kHz。

图5-58 sin/cos发生器工作波形

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