伺服系统的工作原理及伺服电机模拟器的设计
机床数控产品在调试时需要搭建现场的环境, 将控制终端连接到数控机床的伺服电机控制器和脉冲编码器上, 实现对机床的控制, 用于测试数控产品。但是数控机床类型复杂, 而且价格昂贵, 设备庞大, 不利于调试环境的搭建, 并且只支持空载测试, 同一时间内一套伺服系统只能对一台数控系统进行测试。为了提高测试效率、合理利用空间、节省生产成本, 提出了采用伺服电机模拟器来模拟真实现场环境实现对数控产品的测试。该伺服电机模拟器可以模拟带负载电机的运动特性, 并且可以实现长时间调试, 显示的速度曲线可以形象地表示出速度的变化情况, 提供了友好的人机界面。
2 伺服系统工作原理
伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标的任意变化而变化的自动控制系统, 即伺服系统是具有反馈的闭环自动控制系统[1,2]。它由计算机数字控制系统、伺服驱动器、伺服电动机、速度和位置传感器等组成。计算机数字控制系统用来存储零件加工程序, 根据编码器反馈回来的信息进行各种插补运算和软件实时控制, 向各坐标轴的伺服驱动系统发出各种控制命令[3,4]。伺服驱动器和伺服电动机接收到计算机数字控制系统的控制命令后, 对功率进行放大、变换与调控等处理, 能够快速平滑调节运动速度, 并能够精确地进行位置控制。
3 伺服电机模拟器系统设计
伺服电机模拟器分为两部分: 硬件板和软件模型。硬件板主要由 fpga和 ad器件构成, 接口为 isa总线, 此硬件板要插在计算机的 isa总线插槽上, 和计算机中运行的软件模型相配合工作。其主要功能为完成 a/d采样和脉冲频率的输出。软件模型运行在计算机中, 主要完成对伺服电机在各种情况下的模拟。
3.1 硬件设计
3.1.1 硬件接口
( 1)模拟量输入: 共 16 路。为正负 10v直流电压, 由数控产品输出, 用于控制伺服电机转速和转动方向;
( 2)数字量输出: 共 16 路, 48 个输出点。一个直流量输入对应三个数字量输出: a、 b和 z相的脉冲输出。这些输出用于模拟脉冲编码器的输出, a、 b相脉冲频率=编码器的线数× 转速, a相超前 b相 90 度表示转动为正向, a相落后 b相 90 度表示转动为反向, z相频率=转速;
( 3) isa总线接口: 完成硬件板和计算机的互联, 使计算机中运行模型的数据能够通过硬件板输出。 硬件板提供 ram和寄存器。
3.1.2 硬件功能分块
硬件板上 fpga根据功能设计分为四个模块。分别是 isa接口模块、 ad采样状态机模块、 ram模块和脉冲编码器模块。
( 1) isa接口模块: 完成 isa总线时序。
( 2)ad采样状态机模块: 完成 ad采样控制, 将采到的数据存入 ram中。状态机的一个采样周期设计为五个状态:
①init 状态: 打开相应的选路通道; ad读禁止; ram禁止;
②start 状态: 启动 ad转换数据; ad读禁止; ram禁止;
③waiting状态: 等待转换结束信号, 若结束转到 finish 状态, 没结束, 则继续在本状态;
④finish 状态: 关闭 ad数据转换; ad读允许; ram禁止;
⑤write 状态: 关闭 ad数据转换; ad读允许; ram选通。
( 3) ram模块: 存储 ad采到的数据。ram为 16 位× 16 个, 用于存储 a/d采样后的 16 路直流量数据。寄存器有两类: 线数寄存器用于写线数值; 转速寄存器用于写转速值。
( 4)脉冲编码器模块: 根据线数寄存器和转速寄存器中的值产生相应的 a、 b和 z相脉冲。
3.2 软件的设计与实现
3.2.1 软件的设计
伺服电机模拟器软件平台由 linux- 2.4.19+minigui- 1.3 组成。伺服模拟卡接收来自 cnc的模拟控制信号, 通过功率放大、 变换、 调控后将其转换成数字信号, 工业主板接收从伺服模拟卡来的参数, 代入模型进行计算。伺服模拟卡接收来自工业主板的参数电机转速、 电机线速、 位置等信息, 由伺服模拟卡将这些信息转换成 a、 b、 z向编码器反馈脉冲给 cnc[5,6]。伺服电机模拟器能够对伺服电机的运转状态提供逼真的仿真, 模拟真实的现场环境。现已用于蓝天数控系统 nc系列产品的检测工作。
3.2.2 伺服电机模拟器的建模
建模是指从非数学领域, 如来自日常生活、 经济、 工程等学科中的问题, 通过对问题进行适当的假设, 研究其内在关系, 终将问题抽象、 转化成一个相应的数学问题[7] [8]。建模的意义就在于通过建模, 可以准确给出各个因素对问题的影响程度, 得到的解决办法。伺服电机模拟器建模的提出, 主要是为了解决数控系统对伺服系统高速度运动、 高精度加工的要求。通过伺服电机模拟器的建模, 得出加减速因子和转动速度以达到高速和高精的平衡。问题假设: 忽略伺服控制器信号延迟; 伺服电机中的负载, 相电感, 涡损, 磁损; 反电动势是正弦。
由转子参考坐标电压方程; 磁链方程为; 电磁转矩方程; 电机运动方程; 机械角速度与电角速度的关系公式可推出:
4 结束语
伺服模拟器的各个参数是从各种不同种类的伺服电参数中抽取出来的, 这一特性实现了对各种不同型号的伺电机的模拟。除此之外, 伺服模拟器还可以对系统情下临界值进行测试, 解决了真实伺服电机测试临界值的题。其中在伺服电机的控制性能方面, 模拟器的随动误差真实电机相当。伺服模拟器实现了对伺服电机的真实模数控系统在控制伺服模拟器时无法分辨连接的是模拟器是伺服电机。
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( 1)模拟量输入: 共 16 路。为正负 10v直流电压, 由数控产品输出, 用于控制伺服电机转速和转动方向;
( 2)数字量输出: 共 16 路, 48 个输出点。一个直流量输入对应三个数字量输出: a、 b和 z相的脉冲输出。这些输出用于模拟脉冲编码器的输出, a、 b相脉冲频率=编码器的线数× 转速, a相超前 b相 90 度表示转动为正向, a相落后 b相 90 度表示转动为反向, z相频率=转速;
( 3) isa总线接口: 完成硬件板和计算机的互联, 使计算机中运行模型的数据能够通过硬件板输出。 硬件板提供 ram和寄存器。
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④finish 状态: 关闭 ad数据转换; ad读允许; ram禁止;
⑤write 状态: 关闭 ad数据转换; ad读允许; ram选通。
( 3) ram模块: 存储 ad采到的数据。ram为 16 位× 16 个, 用于存储 a/d采样后的 16 路直流量数据。寄存器有两类: 线数寄存器用于写线数值; 转速寄存器用于写转速值。
( 4)脉冲编码器模块: 根据线数寄存器和转速寄存器中的值产生相应的 a、 b和 z相脉冲。
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