概述
現在的位置伺服係統一般采用所謂的“軟伺服”xitong，shiweizhizengyibuhenda，zheyangxitongrongyiwending，bingqiezengjiayigebihuantiaosudanyuan，suduhuandezengyihenda。yinci，henxiaodeweizhipianchajiunengchanshenghenmingxiandesudupiancha，suduhuanjiuyihengaodezengyixiuzheng，congershixitongdedaohengaodeweizhifenbianlv［1］。作者在研製一種數控刨齒機時，設計並完成了單軸位置伺服係統，該係統采用半閉環結構，框圖如圖1所示。本文將結合該係統，闡述位置伺服係統的組成及硬件實現。
圖1 單軸位置控製係統的框圖
2位置伺服係統的組成
在圖1中，位置控製器和速度控製器均由486個人微機編程實現。電機采用北京數控設備廠的FANUC-BESK(15型)直流伺服電機，並采用該廠的A06B-6054-H005作為功率驅動模塊。由於該速度控製單元是模擬係統，因此采用12位D/A轉zhuan換huan器qi，把ba微wei機ji根gen據ju控kong製zhi算suan法fa輸shu出chu的de數shu字zi量liang轉zhuan換huan為wei合he適shi的de模mo擬ni電dian壓ya，控kong製zhi電dian機ji向xiang減jian小xiao位wei置zhi偏pian差cha的de方fang向xiang轉zhuan動dong。位wei置zhi反fan饋kui采cai用yong光guang電dian編bian碼ma器qi，分fen辨bian率lv為wei4000線/轉，經四倍頻電路，由可編程計數器8254記錄位置脈衝數，位置控製器則根據此脈衝數和指令脈衝數計算出速度指令電壓，再輸出到一個12位D/A轉zhuan換huan器qi，即ji得de到dao模mo擬ni的de速su度du指zhi令ling電dian壓ya。速su度du反fan饋kui也ye利li用yong同tong一yi個ge光guang電dian編bian碼ma器qi和he計ji數shu電dian路lu，速su度du控kong製zhi器qi通tong過guo對dui位wei置zhi求qiu一yi階jie差cha分fen計ji算suan出chu實shi際ji轉zhuan速su，然ran後hou輸shu出chu到dao另ling一yi個ge12位D/A轉換器，將得到的模擬電壓反饋至速度控製單元的速度反饋輸入端。實際轉速ω按ω＝ΔN/Ts式求取，其中ΔN為在采樣周期內的位置脈衝增量，Ts為采樣周期，該係統取8毫秒。
作者編寫的CNC控製程序采用前、後台軟件結構，前台程序是一個中斷服務程序，由硬件實現8毫秒定時中斷，主要完成精插補和位置控製功能；後台程序是一個循環運行程序，主要完成數據輸入、粗插補及其它輔助功能。
3伺服係統的實現
數模轉換采用芯片DAC1210，為了不降低分辨率，用一個電子開關CD4052處理正負號，使數模轉換達到雙極性12位，為了提高驅動能力和抑製幹擾，輸出采用集成運放OP07做成射極跟隨器的形式，電路如圖2所示。
圖2 雙極性12位D/A轉換
3.1四倍頻器
四倍頻器［2，3］采用微分電路來實現，其抗幹擾能力較差。作者設計了一種四倍頻器，采用積分型單穩態電路，如圖3所示。電路的工作原理：A、B兩路相位差90°的方波脈衝，電機正向轉動時，A領先B；電機反向轉動時，B領先A。該電路在A及A的反相-A和B及B的反相-B各接了一個積分型單穩態電路［4］，在A的上升沿、下降沿分別產生一個短脈衝A′和-A′，在B的上升沿、下降沿分別產生一個短脈衝B′和-B′。當A為低電平時，Va為高電平，G2輸出為低電平；當A上升沿來到後，G1輸出為低電平，但由於電容兩端的電壓不能突變，所以在一段時間裏Va仍在閾值電平之上，G2輸出為高電平，電路進入暫穩態。隨著電容的放電，Va不斷下降，當Va低於閾值電平時，G2輸出為低電平，待A回到低電平後，G1輸出為高電平，電容又開始充電，當Va恢複為高電平時，電路又達到穩態，為下一次上升沿的到來作好準備。由以上分析可知，A′的脈衝寬度TW等於電容開始放電到Va下降至閾值電平所經曆的時間，根據對RC電路暫態過程的分析，可知電容上的電壓Va放電時間由下式決定［4］：
式中R′――RC電路放電回路的電阻
C′――RC電路放電回路的電容
VC（∞）――電容電壓的穩態值
VC（0）――電容電壓的初值
VC（t）――經過t時間放電後的電容電壓值
設LSTTL電路的輸出高電平為VOH，輸出低電平為VOL，VTH為閾值電平，R0為G1輸出低電平時的輸出電阻，將R′＝R0＋R、C′＝C、VC（∞）＝VOL、VC（0）＝VOH、
VC（t）＝VTH代入式(1)可得脈衝寬度TW為：
考慮到電路恢複時間，應使方波脈衝序列的周期為TW的7～8倍，這樣電路才能可靠地工作。可以據此選擇合適的電阻和電容。將得到的四個短脈衝序列A′、－A′、B′、－B′按圖3所示進行與或非的邏輯組合，在U1、U2的輸出端將產生表示正轉和反轉的四倍頻脈衝序列，如圖4所示。該電路有較好的抗幹擾性能，因為高頻時容抗很小，而且脈衝經過二級與門的選擇。
圖3 積分型四倍頻計數電路
圖4 正、反轉四倍頻器脈衝波形(左：正轉右：反轉)
3.2脈衝計數電路與初值跳動
8254是與微機接口非常方便的可編程計數器，在方式2下xia計ji數shu器qi可ke自zi動dong重zhong複fu計ji數shu，利li用yong它ta的de兩liang個ge計ji數shu通tong道dao分fen別bie記ji錄lu正zheng轉zhuan和he反fan轉zhuan脈mai衝chong，在zai程cheng序xu裏li讀du入ru計ji數shu值zhi並bing使shi二er者zhe相xiang減jian，便bian可ke得de到dao在zai采cai樣yang周zhou期qi內nei的de位wei置zhi脈mai衝chong增zeng量liang，給gei後hou續xu程cheng序xu作zuo進jin一yi步bu處chu理li。作zuo者zhe在zai應ying用yong中zhong發fa現xian8254有一個缺陷：duitajinxingchushihuahou，shuchusuocunqicanliuyousuijishu，zheshichengxudushujiuhuidudaozhegesuijishu，suoyidangdiyigejishumaichongdaolaihou，jishuqikaishicongbianchengchuzhijianyijishu。dangshijiweizhimaichongmeiyoulaidaoshi，chengxulidudaodeweizhimaichongzhiweiyisuijishu，dangyoushijiweizhimaichongshurudaojishuqihou，caiyangchengxududaodeshizhengchangdeweizhimaichongzhi，suoyicaiyangchengxudiyicijisuanchudezhengzhuanhuofanzhuanmaichongshushibuzhengquede，ersuihoujishucaijinruzhengchangzhuangtai。diyicidushudezheyisuijixingjiangyinqixitongdejulietiaodong，chengzhiwei“初值跳動”。這種跳動對數控機床來說是不可接受的，必須予以消除。
作者通過程序處理解決了這一問題，其方法：chushihuahouxianjiluxiashuchusuocunqideqishineirong，zaicaiyangchengxulibadurushuchusuocunqideneirongyuciqishishuzhibijiao，ruoshuzhibubian，shuomingmeiyoujishumaichong，weizhizengliangweiling；若數值發生變化，說明已有計數脈衝到來，經過程序計算得到第一次的位置增量。此後不再判別“初值跳動”，進行正常計數。解決“初值跳動”的程序如下(用Turbo C語言實現)：
實時采樣程序：
……
unsigned char cl,ch;
unsigned int clk0;
outportb(P8254+3,0xd6);
cl=inportb(P8254);
ch=inportb(p8254);
clk0=cl｜(ch<<8);
if(clk0!=Old－clk0)first=1;
if(first)
｛……
dsp0=……；
……
｝
else
dsp0=0;
……
初始化程序：
……
unsigned char ch,cl;
cl=inportb(P8254);
ch=inportb(P8254);
Old－clk0=cl｜(ch<<8);
……
有關變量的說明：
Old－clk0：輸出鎖存器的起始初值
clk0:輸出鎖存器的讀數值
first:判斷是否有第一個脈衝到來的邏輯變量
dsp0:位置增量
P8254:8254的片選地址
8254的第三個計數通道用來產生8毫秒的定時中斷，用來觸發中斷服務程序。
4實驗與結論
該伺服係統采用4000線/轉的光電編碼器，再經過四倍頻電路，脈衝當量為δ＝360°／（4000×4）＝0．0225°／脈衝，位置控製算法采用前向差分控製算法，調整速度反饋的D／A轉換，使輸出滿足速度控製單元A06B-6054-H005的要求：3V／1000r／min，速度環反饋係數調節為1.2，電機能在不同的恒值速度指令電壓下平穩運轉，線性度為2000r／min/7V。
經過實驗，調整位置增益為2，電機定位誤差為±8脈衝，即±0.18°。在不同的進給速度指令下，測得的穩態跟蹤誤差見下表。電機到工作台有150∶1的減速比，上述性能指標已能滿足實際的加工要求。另外，經過軟件處理，係統徹底消除了“初值跳動”的現象。
表不同速度下的穩態跟蹤誤差
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