概述
現在的位置伺服系統一般采用所謂的“軟伺服”系統，使位置增益不很大，這樣系統容易穩定，并且增加一個閉環調速單元，速度環的增益很大。因此，很小的位置偏差就能產生很明顯的速度偏差，速度環就以很高的增益修正，從而使系統得到很高的位置分辨率［1］。作者在研制一種數控刨齒機時，設計并完成了單軸位置伺服系統，該系統采用半閉環結構，框圖如圖1所示。本文將結合該系統，闡述位置伺服系統的組成及硬件實現。
圖1 單軸位置控制系統的框圖
2位置伺服系統的組成
在圖1中，位置控制器和速度控制器均由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，并采用該廠的A06B-6054-H005作為功率驅動模塊。由于該速度控制單元是模擬系統，因此采用12位D/A轉換器，把微機根據控制算法輸出的數字量轉換為合適的模擬電壓，控制電機向減小位置偏差的方向轉動。位置反饋采用光電編碼器，分辨率為4000線/轉，經四倍頻電路，由可編程計數器8254記錄位置脈沖數，位置控制器則根據此脈沖數和指令脈沖數計算出速度指令電壓，再輸出到一個12位D/A轉換器，即得到模擬的速度指令電壓。速度反饋也利用同一個光電編碼器和計數電路，速度控制器通過對位置求一階差分計算出實際轉速，然后輸出到另一個12位D/A轉換器，將得到的模擬電壓反饋至速度控制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沖增量，Ts為采樣周期，該系統取8毫秒。
作者編寫的CNC控制程序采用前、后臺軟件結構，前臺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制功能；后臺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伺服系統的實現
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制干擾，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，其抗干擾能力較差。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°的方波脈沖，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沖A′和-A′，在B的上升沿、下降沿分別產生一個短脈沖B′和-B′。當A為低電平時，Va為高電平，G2輸出為低電平；當A上升沿來到后，G1輸出為低電平，但由于電容兩端的電壓不能突變，所以在一段時間里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低于閾值電平時，G2輸出為低電平，待A回到低電平后，G1輸出為高電平，電容又開始充電，當Va恢復為高電平時，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′的脈沖寬度TW等于電容開始放電到Va下降至閾值電平所經歷的時間，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時間放電后的電容電壓值
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)可得脈沖寬度TW為：
考慮到電路恢復時間，應使方波脈沖序列的周期為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。將得到的四個短脈沖序列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沖序列，如圖4所示。該電路有較好的抗干擾性能，因為高頻時容抗很小，而且脈沖經過二級與門的選擇。
圖3 積分型四倍頻計數電路
圖4 正、反轉四倍頻器脈沖波形(左：正轉右：反轉)
3.2脈沖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下計數器可自動重復計數，利用它的兩個計數通道分別記錄正轉和反轉脈沖，在程序里讀入計數值并使二者相減，便可得到在采樣周期內的位置脈沖增量，給后續程序作進一步處理。作者在應用中發現8254有一個缺陷：對它進行初始化后，輸出鎖存器殘留有隨機數，這時程序讀數就會讀到這個隨機數，所以當第一個計數脈沖到來后，計數器開始從編程初值減一計數。當實際位置脈沖沒有來到時，程序里讀到的位置脈沖值為一隨機數，當有實際位置脈沖輸入到計數器后，采樣程序讀到的是正常的位置脈沖值，所以采樣程序第一次計算出的正轉或反轉脈沖數是不正確的，而隨后計數才進入正常狀態。第一次讀數的這一隨機性將引起系統的劇烈跳動，稱之為“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：初始化后先記錄下輸出鎖存器的起始內容，在采樣程序里把讀入輸出鎖存器的內容與此起始數值比較，若數值不變，說明沒有計數脈沖，位置增量為零；若數值發生變化，說明已有計數脈沖到來，經過程序計算得到第一次的位置增量。此后不再判別“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沖到來的邏輯變量
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
該伺服系統采用4000線/轉的光電編碼器，再經過四倍頻電路，脈沖當量為δ＝360°／（4000×4）＝0．0225°／脈沖，位置控制算法采用前向差分控制算法，調整速度反饋的D／A轉換，使輸出滿足速度控制單元A06B-6054-H005的要求：3V／1000r／min，速度環反饋系數調節為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脈沖，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。電機到工作臺有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，系統徹底消除了“初值跳動”的現象。
表不同速度下的穩態跟蹤誤差
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