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機(jī)床數(shù)控產(chǎn)品在調(diào)試時(shí)需要搭建現(xiàn)場的環(huán)境, 將控制終端連接到數(shù)控機(jī)床的伺服電機(jī)控制器和脈沖編碼器上, 實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床的控制, 用于測試數(shù)控產(chǎn)品。但是數(shù)控機(jī)床類型復(fù)雜, 而且價(jià)格昂貴, 設(shè)備龐大, 不利于調(diào)試環(huán)境的搭建, 并且只支持空載測試, 同一時(shí)間內(nèi)一套伺服系統(tǒng)只能對(duì)一臺(tái)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行測試。為了提高測試效率、合理利用空間、節(jié)省生產(chǎn)成本, 提出了采用伺服電機(jī)模擬器來模擬真實(shí)現(xiàn)場環(huán)境實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控產(chǎn)品的測試。該伺服電機(jī)模擬器可以模擬帶負(fù)載電機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性, 并且可以實(shí)現(xiàn)長時(shí)間調(diào)試, 顯示的速度曲線可以形象地表示出速度的變化情況, 提供了友好的人機(jī)界面。

2 伺服系統(tǒng)工作原理

伺服系統(tǒng)是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)的任意變化而變化的自動(dòng)控制系統(tǒng), 即伺服系統(tǒng)是具有反饋的閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)[1,2]。它由計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電動(dòng)機(jī)、速度和位置傳感器等組成。計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)用來存儲(chǔ)零件加工程序, 根據(jù)編碼器反饋回來的信息進(jìn)行各種插補(bǔ)運(yùn)算和軟件實(shí)時(shí)控制, 向各坐標(biāo)軸的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出各種控制命令[3,4]。伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電動(dòng)機(jī)接收到計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的控制命令后, 對(duì)功率進(jìn)行放大、變換與調(diào)控等處理, 能夠快速平滑調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)速度, 并能夠精確地進(jìn)行位置控制。

3 伺服電機(jī)模擬器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

伺服電機(jī)模擬器分為兩部分: 硬件板和軟件模型。硬件板主要由 FPGA和 AD器件構(gòu)成, 接口為 ISA總線, 此硬件板要插在計(jì)算機(jī)的 ISA總線插槽上, 和計(jì)算機(jī)中運(yùn)行的軟件模型相配合工作。其主要功能為完成 A/D采樣和脈沖頻率的輸出。軟件模型運(yùn)行在計(jì)算機(jī)中, 主要完成對(duì)伺服電機(jī)在各種情況下的模擬。

3.1 硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 硬件接口

( 1)模擬量輸入: 共 16 路。為正負(fù) 10V直流電壓, 由數(shù)控產(chǎn)品輸出, 用于控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)方向;

( 2)數(shù)字量輸出: 共 16 路, 48 個(gè)輸出點(diǎn)。一個(gè)直流量輸入對(duì)應(yīng)三個(gè)數(shù)字量輸出: A、 B和 Z相的脈沖輸出。這些輸出用于模擬脈沖編碼器的輸出, A、 B相脈沖頻率=編碼器的線數(shù)× 轉(zhuǎn)速, A相超前 B相 90 度表示轉(zhuǎn)動(dòng)為正向, A相落后 B相 90 度表示轉(zhuǎn)動(dòng)為反向, Z相頻率=轉(zhuǎn)速;

( 3) ISA總線接口: 完成硬件板和計(jì)算機(jī)的互聯(lián), 使計(jì)算機(jī)中運(yùn)行模型的數(shù)據(jù)能夠通過硬件板輸出。硬件板提供 RAM和寄存器。

3.1.2 硬件功能分塊

硬件板上 FPGA根據(jù)功能設(shè)計(jì)分為四個(gè)模塊。分別是 ISA接口模塊、 AD采樣狀態(tài)機(jī)模塊、 RAM模塊和脈沖編碼器模塊。

( 1) ISA接口模塊: 完成 ISA總線時(shí)序。

( 2)AD采樣狀態(tài)機(jī)模塊: 完成 AD采樣控制, 將采到的數(shù)據(jù)存入 RAM中。狀態(tài)機(jī)的一個(gè)采樣周期設(shè)計(jì)為五個(gè)狀態(tài):

①Init 狀態(tài): 打開相應(yīng)的選路通道; AD讀禁止; RAM禁止;

②Start 狀態(tài): 啟動(dòng) AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù); AD讀禁止; RAM禁止;

③Waiting狀態(tài): 等待轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào), 若結(jié)束轉(zhuǎn)到 Finish 狀態(tài), 沒結(jié)束, 則繼續(xù)在本狀態(tài);

④Finish 狀態(tài): 關(guān)閉 AD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換; AD讀允許; RAM禁止;

⑤Write 狀態(tài): 關(guān)閉 AD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換; AD讀允許; RAM選通。

( 3) RAM模塊: 存儲(chǔ) AD采到的數(shù)據(jù)。RAM為 16 位× 16 個(gè), 用于存儲(chǔ) A/D采樣后的 16 路直流量數(shù)據(jù)。寄存器有兩類: 線數(shù)寄存器用于寫線數(shù)值; 轉(zhuǎn)速寄存器用于寫轉(zhuǎn)速值。

( 4)脈沖編碼器模塊: 根據(jù)線數(shù)寄存器和轉(zhuǎn)速寄存器中的值產(chǎn)生相應(yīng)的 A、 B和 Z相脈沖。

3.2 軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.2.1 軟件的設(shè)計(jì)

伺服電機(jī)模擬器軟件平臺(tái)由 Linux- 2.4.19+MiniGUI- 1.3 組成。伺服模擬卡接收來自 CNC的模擬控制信號(hào), 通過功率放大、變換、調(diào)控后將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào), 工業(yè)主板接收從伺服模擬卡來的參數(shù), 代入模型進(jìn)行計(jì)算。伺服模擬卡接收來自工業(yè)主板的參數(shù)電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)線速、位置等信息, 由伺服模擬卡將這些信息轉(zhuǎn)換成 A、 B、 Z向編碼器反饋脈沖給 CNC[5,6]。伺服電機(jī)模擬器能夠?qū)λ欧姍C(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)提供逼真的仿真, 模擬真實(shí)的現(xiàn)場環(huán)境。現(xiàn)已用于藍(lán)天數(shù)控系統(tǒng) NC系列產(chǎn)品的檢測工作。

3.2.2 伺服電機(jī)模擬器的建模

建模是指從非數(shù)學(xué)領(lǐng)域, 如來自日常生活、經(jīng)濟(jì)、工程等學(xué)科中的問題, 通過對(duì)問題進(jìn)行適當(dāng)?shù)募僭O(shè), 研究其內(nèi)在關(guān)系, 最終將問題抽象、轉(zhuǎn)化成一個(gè)相應(yīng)的數(shù)學(xué)問題[7] [8]。建模的意義就在于通過建模, 可以準(zhǔn)確給出各個(gè)因素對(duì)問題的影響程度, 得到最優(yōu)的解決辦法。伺服電機(jī)模擬器建模的提出, 主要是為了解決數(shù)控系統(tǒng)對(duì)伺服系統(tǒng)高速度運(yùn)動(dòng)、高精度加工的要求。通過伺服電機(jī)模擬器的建模, 得出加減速因子和轉(zhuǎn)動(dòng)速度以達(dá)到高速和高精的平衡。問題假設(shè): 忽略伺服控制器信號(hào)延遲; 伺服電機(jī)中的負(fù)載, 相電感, 渦損, 磁損; 反電動(dòng)勢(shì)是正弦。

由轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)電壓方程; 磁鏈方程為; 電磁轉(zhuǎn)矩方程; 電機(jī)運(yùn)動(dòng)方程; 機(jī)械角速度與電角速度的關(guān)系公式可推出:

4 結(jié)束語

伺服模擬器的各個(gè)參數(shù)是從各種不同種類的伺服電參數(shù)中抽取出來的, 這一特性實(shí)現(xiàn)了對(duì)各種不同型號(hào)的伺電機(jī)的模擬。除此之外, 伺服模擬器還可以對(duì)系統(tǒng)極端情下臨界值進(jìn)行測試, 解決了真實(shí)伺服電機(jī)測試臨界值的題。其中在伺服電機(jī)的控制性能方面, 模擬器的隨動(dòng)誤差真實(shí)電機(jī)相當(dāng)。伺服模擬器實(shí)現(xiàn)了對(duì)伺服電機(jī)的真實(shí)模數(shù)控系統(tǒng)在控制伺服模擬器時(shí)無法分辨連接的是模擬器是伺服電機(jī)。

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