工作台的控制设计部分闭环控制的伺服系统设计(2)
2015-12-26 01:08
导读：sp; 图2.3 H型桥式PWM晶体管功率放大器的电路原理图 图中由大晶体管VT1～VT4组成H型桥式结构的开关功放电路，由续流二极管VD1～VD4构成晶体管关断时直流伺
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图2.3 H型桥式PWM晶体管功率放大器的电路原理图
图中由大晶体管VT1～VT4组成H型桥式结构的开关功放电路，由续流二极管VD1～VD4构成晶体管关断时直流伺服电动机绕组中能量的释放回路。US来自于电压-脉宽变换器的输出，-US可通过对US反相获得。当US>0时，VT1和VT4导通，US<0时，VT2和VT3导通。按照控制指令的不同情况，该功放电路及其所驱动的直流伺服电动机可有以下四种工作状态：
1）当UI=0时，US的正、负脉宽相等，直流分量为零，VT1和VT4的导通时间与VT2和VT3的导通时间相等，流过电枢绕组中的平均电流等于零，电动机不转。但在交流分量作用下，电动机在停止位置处微振，这种微振有动力润滑作用，可消除电动机启动时的静摩擦，减少启动电压。
当UI>0时，US的正脉宽大于负脉宽，直流分量大于零，VT1和VT4的导通时间长于VT2和VT3的导通时间，流过绕组中的电流平均值大于零，电动机正转，且随着UI增加，转速增加。
图2.2 PWM脉宽调制波形
3）当UI<0时，US的直流分量小于零，电枢绕组中的电流平均值也小于零，电动机反转，且反转转速随着UI减少而增加。
4） 当UI≥UTPP/2或UI≤-UTPP/2时，US为正或负的直流信号，VT1和VT4或VT2和VT3始终导通，电动机在最高转速下正转或反转。
2.3 检测系统的设计——光栅
数字传感器可直接将被测量转化成数字信号输出，即可提高检测精度，分辨率及抗干扰能力，又易于信号的运算处理存储和远距离传输 。
本设计选用的传感器是光栅。其所输出的信号是增量码形式的数字信号 。增量码信号是指信号变化的周期数与被测位移成正比的信号。 中国大学排名
传感器的输出为正弦波信号，需先经放大整形后变成数字脉冲信号。为提高分辨率，采用细分电路是传感器信号每变化个周期计一个数，其中称为细分数，辨向电路用于辨别被测电路。
2.3.1 数字信号检测系统组成
图2.4 数字信号检测系统组成
2.3.2 多路信号采集细分
光栅测量线位移时，有标尺光栅和指示光栅，其栅距相同，均为W=0.02mm。当将两块光栅靠近放置并让其刻线面平行刻线方向交成一个很小的夹角θ时，在与光栅刻线垂直的方向上可形成明暗交替的莫尔条纹，透
过莫尔条纹的光通量φ的变化如图2.5所示。
图2.6 光栅信号的四细分与辨向原理
当标尺光栅相对于指示光栅沿x方向移动时，莫尔条纹沿y方向移动。如果沿y方向仅放置一个光电元件P1，则光栅尺每相对移过一个栅距W，
P1输出的光电信号就变化一个周期；如果沿y方向在莫尔条纹宽度B的范围内等间距的放n个光电元件P1、P2……Pn，则在光栅尺相对移动时，各光电
元件将输出n个相位差依次为360/n的光电信号。在将这n个近似正弦波的光电信号整形成方波信号后，可利用其上升或下降沿发计数脉冲。于是光栅尺每相对移过一个栅距W，就可获得n个等间隔的计数脉冲，从而实现n细分。这种利用多个传感元件对同一被测量同时采集多路相位不同的信号而实现的细分方法称为多路信号采集细分。
通过图2.6所示的逻辑电路，就可以实现对光栅的四细分与辨向。
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在图2.6所示的逻辑电路，差动放大器可在对信号放大的同时去掉其中的直流分量。整形电路可将正弦波转换成相位相同的矩形波，这些矩形波又通过微分电路变成尖脉冲，以作为计数脉冲，而未经微分电路的矩形脉冲被用作后面的与门的开门控制信号。各信号经过与门后分成两组分别送入两个或门，上面的或门在标尺光栅相对于指示光栅向左移动的每个周期内输出4个计数脉冲，下面的或门在光栅向右相对动的每个周期内也输出4个计数脉冲。通过对或门输出的脉冲进行加、减计数，便可获得相对位移量及位移方向。本系统中光栅栅距W=0.02mm，则经过四细分后，每个计数脉冲代表的位移量为W/4=0.005mm，从而使检测分辨率提高4倍。
在图2.7a中，差动放大器可在对信号放大的同时去掉其中的直流分量。整形电路可将正线波换成相位相同的矩形波，这些矩形波又通过微分电路变成尖脉冲，以作为计数脉冲，而未经微分电路的矩形脉冲被用作后面与门的开门控制信号。各信号经过与门后分成两组分别送入两个或门，上面的或门在标尺光栅相对于指示光栅向左移动的每个周期内输出4个计数脉冲。上述过程中信号的波形如图2.7b所示。通过对或门输出的脉冲进行相加减计数，便可获得相对位移量及位移方向。经四细分后，由于要求每个计数脉冲代表
的位移量为W/4=0.005mm，从而使检测分辨率提高4倍。
由于VS1、VS2及电阻R的限幅作用，使得比较器的输出为uo=-(UZ+UD),如图10b所示。当ui<0时，通过与上述类似的分析可知，uo=+(UZ+UD)。
图2.7 过零比较器
2.3.3 检测信号的采集与预处理
信号的采集是按一定方式和通过适当的接口电路实现的。信号被采入计算机后往往要先进行适当的预处理，其目的是去除混杂在有用信号中的各种干扰，并对检测系统的非线性零位误差和增益误差等进行补偿和修正。
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模拟量的转换输入方式如图2.8所示，它的信号的采样/保持电路在多路开关之前，可获得同一瞬时的各路信号。模拟多路开关选用电子开关，在
