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機床數控產品在調試時需要搭建現場的環境, 將控制終端連接到數控機床的伺服電機控制器和脈沖編碼器上, 實現對機床的控制, 用于測試數控產品。但是數控機床類型復雜, 而且價格昂貴, 設備龐大, 不利于調試環境的搭建, 并且只支持空載測試, 同一時間內一套伺服系統只能對一臺數控系統進行測試。為了提高測試效率、合理利用空間、節省生產成本, 提出了采用伺服電機模擬器來模擬真實現場環境實現對數控產品的測試。該伺服電機模擬器可以模擬帶負載電機的運動特性, 并且可以實現長時間調試, 顯示的速度曲線可以形象地表示出速度的變化情況, 提供了友好的人機界面。

2 伺服系統工作原理

伺服系統是使物體的位置、方位、狀態等輸出被控量能夠跟隨輸入目標的任意變化而變化的自動控制系統, 即伺服系統是具有反饋的閉環自動控制系統[1,2]。它由計算機數字控制系統、伺服驅動器、伺服電動機、速度和位置傳感器等組成。計算機數字控制系統用來存儲零件加工程序, 根據編碼器反饋回來的信息進行各種插補運算和軟件實時控制, 向各坐標軸的伺服驅動系統發出各種控制命令[3,4]。伺服驅動器和伺服電動機接收到計算機數字控制系統的控制命令后, 對功率進行放大、變換與調控等處理, 能夠快速平滑調節運動速度, 并能夠精確地進行位置控制。

3 伺服電機模擬器系統設計

伺服電機模擬器分為兩部分: 硬件板和軟件模型。硬件板主要由 FPGA和 AD器件構成, 接口為 ISA總線, 此硬件板要插在計算機的 ISA總線插槽上, 和計算機中運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。軟件模型運行在計算機中, 主要完成對伺服電機在各種情況下的模擬。

3.1 硬件設計

3.1.1 硬件接口

( 1)模擬量輸入: 共 16 路。為正負 10V直流電壓, 由數控產品輸出, 用于控制伺服電機轉速和轉動方向;

( 2)數字量輸出: 共 16 路, 48 個輸出點。一個直流量輸入對應三個數字量輸出: 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× 轉速, A相超前 B相 90 度表示轉動為正向, A相落后 B相 90 度表示轉動為反向, Z相頻率=轉速;

( 3) ISA總線接口: 完成硬件板和計算機的互聯, 使計算機中運行模型的數據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根據功能設計分為四個模塊。分別是 ISA接口模塊、 AD采樣狀態機模塊、 RAM模塊和脈沖編碼器模塊。

( 1) ISA接口模塊: 完成 ISA總線時序。

( 2)AD采樣狀態機模塊: 完成 AD采樣控制, 將采到的數據存入 RAM中。狀態機的一個采樣周期設計為五個狀態:

①Init 狀態: 打開相應的選路通道; AD讀禁止; RAM禁止;

②Start 狀態: 啟動 AD轉換數據; AD讀禁止; RAM禁止;

③Waiting狀態: 等待轉換結束信號, 若結束轉到 Finish 狀態, 沒結束, 則繼續在本狀態;

④Finish 狀態: 關閉 AD數據轉換; AD讀允許; RAM禁止;

⑤Write 狀態: 關閉 AD數據轉換; AD讀允許; RAM選通。

( 3) RAM模塊: 存儲 AD采到的數據。RAM為 16 位× 16 個, 用于存儲 A/D采樣后的 16 路直流量數據。寄存器有兩類: 線數寄存器用于寫線數值; 轉速寄存器用于寫轉速值。

( 4)脈沖編碼器模塊: 根據線數寄存器和轉速寄存器中的值產生相應的 A、 B和 Z相脈沖。

3.2 軟件的設計與實現

3.2.1 軟件的設計

伺服電機模擬器軟件平臺由 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, 通過功率放大、 變換、 調控后將其轉換成數字信號, 工業主板接收從伺服模擬卡來的參數, 代入模型進行計算。伺服模擬卡接收來自工業主板的參數電機轉速、 電機線速、 位置等信息, 由伺服模擬卡將這些信息轉換成 A、 B、 Z向編碼器反饋脈沖給 CNC[5,6]。伺服電機模擬器能夠對伺服電機的運轉狀態提供逼真的仿真, 模擬真實的現場環境?，F已用于藍天數控系統 NC系列產品的檢測工作。

3.2.2 伺服電機模擬器的建模

建模是指從非數學領域, 如來自日常生活、 經濟、 工程等學科中的問題, 通過對問題進行適當的假設, 研究其內在關系, 終將問題抽象、 轉化成一個相應的數學問題[7] [8]。建模的意義就在于通過建模, 可以準確給出各個因素對問題的影響程度, 得到的解決辦法。伺服電機模擬器建模的提出, 主要是為了解決數控系統對伺服系統高速度運動、 高精度加工的要求。通過伺服電機模擬器的建模, 得出加減速因子和轉動速度以達到高速和高精的平衡。問題假設: 忽略伺服控制器信號延遲; 伺服電機中的負載, 相電感, 渦損, 磁損; 反電動勢是正弦。

由轉子參考坐標電壓方程; 磁鏈方程為; 電磁轉矩方程; 電機運動方程; 機械角速度與電角速度的關系公式可推出:

4 結束語

伺服模擬器的各個參數是從各種不同種類的伺服電參數中抽取出來的, 這一特性實現了對各種不同型號的伺電機的模擬。除此之外, 伺服模擬器還可以對系統情下臨界值進行測試, 解決了真實伺服電機測試臨界值的題。其中在伺服電機的控制性能方面, 模擬器的隨動誤差真實電機相當。伺服模擬器實現了對伺服電機的真實模數控系統在控制伺服模擬器時無法分辨連接的是模擬器是伺服電機。

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