数控技术：电子齿轮在数控车床伺服系统中的应用

0 引言

　　随着电力电子技术和数字控制技术的发展，越来越多的伺服系统采用数字化的控制方式。由于数字化控制方式具有模拟控制方式无法比拟的优势，数控车床伺服系统已经广泛采用数字化控制方式。电子齿轮便是数字伺服系统具有的一项新功能口。

　　在数控车床中，无法通过速度控制来实现系统的精确定位，因此进给伺服系统主要采用位置控制。在进给伺服系统中一般采用光电码盘作为位置反馈信号，根据光电码盘在电机转过一圈时产生的脉冲数来对电机进行精确的定位。进给伺服电机与滚珠丝杠采用齿轮的联接方式，一旦固定联接后，这台数控车床的脉冲当量就固定了，而脉冲当量是数控系统发出一个脉冲工作台所移动的位移，它是影响数控车床加工精度的主要指标。并且，在伺服控制系统中，位置控制通常由数控系统产生一定频率和个数的脉冲来决定电机的转速和转过的角度，当指令脉冲当量和位置反馈脉冲当量不一致时，就必须采用电子齿轮的方法来调节。

1 电子齿轮的工作原理

　　如图1所示，为数控车床进给传动系统伺服位置环的控制框图。

　　为了使指令脉冲当量与反馈脉冲当量一致，在伺服系统的实际应用中，需要采用电子齿轮来进行调节。这里设电机转过一圈对应的机械位移是址，则反馈脉冲当量可以计算如下：

　　这里考虑采用2500脉冲/圈的增量式光电编码盘，并且经4倍频电路使用。当指令脉冲当量△P_g与反馈脉冲当量△Pf不匹配时，必须采用电子齿轮系数K_g使两者匹配。其公式如下：

　　从图1可以看出，电子齿轮系数K_g在位置环的外面，因此改变Kg的值不会影响位置环的性能。在目前的伺服应用中，电子齿轮系数K_g 取值范围为100≥K_g≥0.01。通常在采用系统软件实现电子齿轮时可以设置两个比例系数，即：

　　式中：spdt₁可以看作是指令脉冲的电子齿轮系数，而spdt₂可看作是反馈脉冲的电子齿轮系数。为了更加详细地说明电子齿轮的用途，下面将分两种情况来分析。

　　1)对指令脉冲频率的跟踪此时电机的速度由指令脉冲的频率决定，其转速v(r/min)与i输入脉冲频率f_in(Hz)的关系如下：

　　通过设置两个电子齿轮系数，可以在同一个输入脉冲频率下获得不同的电机稳定转速。在伺服系统的一般应用中，输入脉冲频率一般在几十到几百kHz。这种情况下如果电机处于速度控制模式下，可以通过调节指令脉冲频率来实现电机的调速；如果电机处于位置控制模式下，则需要对指令脉冲和反馈脉冲的脉冲误差进行累计，最终全部输出，这一步可以通过位置环的脉冲误差累加器△S来实现。

　　2)对指令脉冲个数的跟踪

　　这种情况下输入的脉冲个数决定于电机联接的机械轴的实际位移量。其机械总位移L与输入脉冲的个数S有如下关系：

　　通过设定spdt₁和spdt₂，可以在相同的脉冲输入个数下获得不同的机械轴位移。另外，在这种情况下，当输入脉冲的频率高于电机在额定转速时对应的输入脉冲频率时，就会出现滞留脉冲的情况。与第一种情况类似，可以通过脉冲误差累加器△S来保存滞留脉冲，并最终输出，从而实现电机定位时的无误差。

2 数控系统电子齿轮比的计算

　　现在的数控装置和驱动装置一般都设计了内部电子齿轮及步进驱动装置的细分功能，可以方便地改变外部指令和所发位置指令的关系，从而代替传动系统的作用，使用起来非常方便。通过调节内部电子齿轮比来改变外部脉冲当量，即改变每个位置单位(脉冲信号)所对应的实际坐标轴移动的距离或旋转的角度。

　　华中世纪星系列数控装置的控制软件，具有两级电子齿轮，第一级电子齿轮调整零件程序指令与机床实际移动距离的匹配关系，称为外部电子齿轮；第二级电子齿轮调整位置指令和位置反馈的匹配关系，称为反馈电子齿轮。

　　移动轴外部脉冲当量分子的单位为微米，旋转轴外部脉冲当量分子的单位为0.001°。外部脉冲当量分母无单位。通过设置外部脉冲当量分子和外部脉冲当量分母，可实现改变电子齿轮比的目的。通过改变电子齿轮比的符号，可达到改变电机旋转方向的目的。