【文章內(nèi)容簡介】 行元件一般指各種電機或液壓 ,氣動伺服機構(gòu)等 。 4． 被控對象 ： 機械參數(shù)量包括位移，速度，加速度，力，和 力矩 為被控對象。 5． 檢測環(huán)節(jié) :是指能夠?qū)敵鲞M行測量并轉(zhuǎn)換成比較環(huán)節(jié)所需要的量綱的裝置 ,一般包括 傳感器 和轉(zhuǎn)換電路 [10]。 綜上所述，本 系統(tǒng)采用數(shù)字式編碼隨動控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)包括兩個環(huán)節(jié)：位置反饋環(huán)節(jié)和速度反饋環(huán)節(jié)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 32 所示。 圖 21 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 Fig21 System structure 隨動系統(tǒng)的控制要求 1． 系統(tǒng)精度 隨動 系統(tǒng)精度指的是輸出量復(fù)現(xiàn)輸入信號要求的精確程度 ,以誤差的形式表現(xiàn) ,可概括為動態(tài)誤差 ,穩(wěn)態(tài)誤差和靜態(tài)誤差三個方面組成 。 2． 穩(wěn)定性 隨動 系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指當作用在系統(tǒng)上的干擾消失以后 ， 系統(tǒng)能夠恢復(fù)到原來穩(wěn)定狀態(tài)的能力 ； 或者當給系統(tǒng)一個新的輸入指令后 ， 系統(tǒng)達到新的穩(wěn)定運 行狀態(tài)的能力 。隨動系統(tǒng)正常運行的最基本條件是系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的，否則其他性能指標都是毫無意義的。隨動系統(tǒng)的穩(wěn)定性包括兩方面的含義：一是通常意義的穩(wěn)定性；另一方面位置調(diào)節(jié) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié) 伺服驅(qū)動 伺服電機 傳動裝置速度檢測裝置位置檢測裝置給定 12 是系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，或者說系統(tǒng)震蕩的程度，指系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。例如，一個系統(tǒng)雖然是穩(wěn)定的，但在收到擾動作用后，震蕩傾向很強烈，而震蕩的衰減卻很慢，這種系統(tǒng)的穩(wěn)定度就很差。必須注意的是，穩(wěn)定性只表示系統(tǒng)本身的一種特性，它決定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與元件參數(shù)，與外部輸入指令或擾動信號無關(guān)。 3． 響應(yīng)特性 響應(yīng)特性指的是輸出量跟隨輸入指令變化的反應(yīng)速度 ,決定了系統(tǒng)的工作效率 .響應(yīng)速度與許多因素有關(guān) ， 如計算機的運行速度 ,運動系統(tǒng) 的 阻尼 和質(zhì)量等 。 4． 工作頻率 工作頻率通常是指系統(tǒng)允許輸入信號的頻率范圍 。 當工作頻率信號輸入時 ， 系 統(tǒng)能夠按技術(shù)要求正常工作 ； 而其它頻率信號輸入時 ， 系統(tǒng)不能正常工作。 應(yīng)用隨動系統(tǒng)的目的 采用 隨動 系統(tǒng)主要是為了達到下面幾個目的： 1． 以小功率指令信號去控制大功率負載?；鹋诳刂坪痛婵刂凭褪堑湫偷睦?。 2． 在沒有機械連接的情況下，由輸入軸控制位于遠處的輸出軸，實現(xiàn)遠距同步傳動。 3． 使輸出機械位移精確地跟蹤電信號，如記 錄和指示儀表等。 3 總體設(shè)計方案及論證 設(shè)計任務(wù)及基本要求 采用數(shù)字系統(tǒng) 裝置能進行單環(huán)、閉環(huán)和隨動系統(tǒng)演示實驗 執(zhí)行對象是力矩電機 調(diào)速范圍 ～ 300 轉(zhuǎn) /分 跟蹤角度不小于 177。 160 度 電源交流 220V、直流 24/12V 設(shè)計總體方案 總體方案的確定是進行微機控制系統(tǒng)設(shè)計時最重要、最關(guān)鍵的一步，因為總體方案直接關(guān)系到整個控制系統(tǒng)的運行、調(diào)節(jié)性能以及實施的細節(jié)。 13 由于位置隨動系統(tǒng)的 基本特征體現(xiàn)在位置環(huán)上，體現(xiàn)在位置給定信號和位置反饋信號及兩個信號的綜合比較上。因此，可根據(jù)這個 特征將它劃分為兩個類型：一類是模擬式隨動系統(tǒng)，一類是數(shù)字式隨動系統(tǒng)。但是由于模擬式隨動系統(tǒng)的檢測裝置的精度受到制造上的限制，不可能作的很高，從而影響了整個模擬式隨動系統(tǒng)的精度。若生產(chǎn)機械要求進一步提高，則必須采用數(shù)字式檢測裝置來組成數(shù)字式隨動系統(tǒng)。 其中在里面的反饋環(huán)是速度環(huán)，在外面的反饋環(huán)是位置環(huán)。一般來說，雙閉環(huán)系統(tǒng)具有比較滿意的動態(tài)性能： 動態(tài)跟隨性能 雙閉環(huán)系統(tǒng)在啟動和升速過程中，能夠在電流受到電機過載能力約束條件下，表現(xiàn)出很快的動態(tài)跟隨性能。只要指定位置參數(shù)，它便迅速控制電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，以達到 指定的目的。 動態(tài)抗擾性能 當系統(tǒng)處于正常工作時，出現(xiàn)不正常的擾動干擾時，位置反饋系統(tǒng)便把位置信號反饋回主控制系統(tǒng)，之后，便會調(diào)節(jié)電機，使其轉(zhuǎn)速提高或下降，最終達到控制穩(wěn)定的目的。因此，本系統(tǒng)具有極強的抗干擾性能。為了提高系統(tǒng)快速跟隨能力，要求外環(huán)即位置環(huán)有較高的截止頻率，因為外環(huán)的截止頻率表征了系統(tǒng)的快速性。 如果在本系統(tǒng)基礎(chǔ)上外加電流反饋，組成三環(huán)隨動系統(tǒng)。對于這樣的一個三環(huán)系統(tǒng)，工程設(shè)計方法是由內(nèi)環(huán)到外環(huán)逐一設(shè)計，則系統(tǒng)穩(wěn)定性是有了保證的。當速度環(huán)與電流環(huán)的某些參數(shù)發(fā)生了變化或受到擾動時，電流反饋 或速度反饋能對它們起到有效的抑制作用，因而，對位置環(huán)的工作影響很小，但這種三環(huán)系統(tǒng)有明顯的缺點，對控制作用的響應(yīng)較慢，這是因為每次由內(nèi)環(huán)設(shè)計到外環(huán)時，都要采用內(nèi)環(huán)等效環(huán)節(jié)。而這種等效環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)之所以能夠成立，是以外環(huán)的截止頻率遠遠低于內(nèi)環(huán)為先決條件的。但系統(tǒng)的位置環(huán)的截止頻率被限制的太低，從而影響了快速性。 微處理器選擇 控制器的總類有很多，在自動化控制系統(tǒng)中較為常用的主要可分為 MCS52 系列及其衍生系列微處理器、 DSP 系列微處理器、 PLC 系列微處理器。 MCS— 52 系列單片機內(nèi) 部結(jié)構(gòu) 該系列微處理器在控制系統(tǒng)中的特點如下： 1．小巧靈活、成本低、易于產(chǎn)品化 14 2．可靠性好，適應(yīng)溫度范圍寬 3．易擴展，很容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)，控制功能強 4．可以很方便地實現(xiàn)多機和分布式控制 [3] DSP 系列微處理器 DSP 是數(shù)字信號處理器（ Digital Signal Processor）的縮寫，是一種特別適合與進行數(shù)字信號處理運算的微處理器，主要用于實時快速實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理的運算。目前， DSP 芯片的發(fā)展非常迅速。硬件結(jié)構(gòu)方面主要是向多處理器的并行處理結(jié)構(gòu)、便于外部數(shù)據(jù)交換的 串行總線傳輸、大容量片上 RAM 和 ROM、程序加密、增加 I/O驅(qū)動能力、外圍電路內(nèi)裝化、低功耗等方面發(fā)展。 軟件方面主要是綜合開發(fā)平臺的完善，使 DSP 的應(yīng)用開發(fā)更加靈活方便。 DSP在數(shù)字處理方面有以下特點： 1．采用哈佛結(jié)構(gòu) 2．采用多總線結(jié)構(gòu) 3．采用流水線結(jié)構(gòu) 4．配有專用的硬件懲罰 累加器 5．具有特殊的 DSP 指令 6．擁有快速的指令周期 7．硬件配置強 8．支持多處理器結(jié)構(gòu) 9．省電管理和低功耗 [4] PLC 可編程控制器 PLC 是可編程序邏輯控制器（ Programmable Logical Controller）的縮寫，它是一種數(shù)字運算的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的。它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計算和算術(shù)運算等操作指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入或輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。 PLC 和計算機有基本類似的結(jié)構(gòu)，但按其作用，它有自己的特點，其主要特點如下： 1．編程簡單，使用面向控制操作的控制邏輯語言。 2．可靠性高，抗干擾能力強，適于在惡劣的生產(chǎn)環(huán)境下運行。 3．系統(tǒng)采用了分散的模塊化結(jié)構(gòu)。 4．由于 PLC 采用了大規(guī)模集成電路技術(shù)和微處 理器技術(shù)，故可將其設(shè)計的緊湊、 15 堅固、小體積，在加上它的可靠性， PLC 易于裝入機械設(shè)備內(nèi)部，實現(xiàn)機電一體化。 5．線對于繼電器邏輯控制而言， PLC 可節(jié)省大量繼電器，故降低成本且提高了可靠性。 6．中、高檔 PLC 均具有極強的聯(lián)網(wǎng)通訊能力 MCS51 系列及其衍生系列的微處理器在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用也比較廣泛，其適合與各種類型的工業(yè)自動化控制系統(tǒng)，其信號處理類型也屬于數(shù)字信號，但是，由于其外部擴展芯片可以進行 A/D、D/A 轉(zhuǎn)換，因此，也可以對模擬信號進行處理。單片機的編程語言是比較低級的匯編語言，該語言比 C 語 言好掌握，且在掌握得情況下易于編程，同時在程序出現(xiàn)錯誤時，易于修改。 DSP 芯片集成度高，運算速度快，但是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，而且它主要用于對數(shù)字信號的處理，再加上 DSP 在編程時使用的是類似于 C 語言的高級語言進行編程，程序編寫時較 PLC 的梯形圖程序和單片機的匯編語言復(fù)雜，容易出錯，且修改比較麻煩。 PLC 的 CPU 模塊在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中應(yīng)用的范圍比較廣泛，但是其只適合與應(yīng)用在大型的工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中，因為， PLC 系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)較 DSP 系統(tǒng)簡單，但是其整體的體積較大，在某些特定環(huán)境中不適合與應(yīng)用。再者， PLC 在編程時主要使用梯形圖程序進行編程，雖然易于編程和修改，但是價格比較昂貴。 綜上所述，選用一種單片機芯片，針對具體控制任務(wù)，自行設(shè)計一個單片機系統(tǒng)，起優(yōu)點是針對性強，靈活方便，所以元器件最少，投資少等。缺點是硬件和軟件都由擁護從頭設(shè)計，工作量大，且周期長。通常在智能儀器、儀表及小型控制系統(tǒng)中采用這種方案。 選用單片機芯片自行設(shè)計與其他的方法相比，具有如下的優(yōu)點： 1．集程度高，體積小 在一塊芯片上集成了構(gòu)成一臺微型機算機所需的 CPU、 ROM， RAM， I/O 接口以及定時、計數(shù)器等不見，能夠滿足很多應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?硬件功能的要求。因而，單片 機組成的應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，體積小。 2．面向控制，功能強 單片機面向控制，它的實時控制功能特別強， CPU可以直接對 I/O 接口進行各種操作，能針對性的完成從簡單到復(fù)雜的各類控制任務(wù)。 3．抗干擾能力強， 16 單片機內(nèi) CPU訪問存儲器、 I/O 接口的信息傳輸線（即總線）大多數(shù)在芯片內(nèi)，因而，不易受到外界的干擾。另外，由于單片機體積小，適應(yīng)溫度范圍寬，在應(yīng)用環(huán)境比較差的情況下，容易采取對系統(tǒng)進行電磁屏蔽等措施。在各種惡劣的環(huán)境下，都能可靠地工作。所以，單片機應(yīng)用系統(tǒng)可靠性高于一般的微機系統(tǒng)。 4．使用方便 由于單片機內(nèi)部功能強，系統(tǒng)擴展方便，因而應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)計非常簡單，再加上國內(nèi)外提供了多種多樣的單片機開發(fā)工具，它們具有很強的軟件調(diào)試的功能和輔助設(shè)計的手段。這樣使單片機的應(yīng)用極為方便，大大的縮短了系統(tǒng)研制的周期，還可方便的實現(xiàn)多機和分布式控制，使整個控制系統(tǒng)的效率和可靠性大為提高。 5．性能價格比高 由于單片機功能強，價格便宜，其應(yīng)用系統(tǒng)的印板小，接、插件少，安裝調(diào)試簡單等一系列原因，使單片機應(yīng)用系統(tǒng)的性能價格比高于一般的微機系統(tǒng)。本設(shè)計 采用8051 型號的單片機作為微處理器。 檢 測環(huán)節(jié)的方案論證 位置測量元件是閉環(huán)控制系統(tǒng)中的重要部件之一，它的作用是檢測位移（角位移或線位移）并發(fā)出反饋信號，起著相當于人眼睛的作用。一個設(shè)計完善的閉環(huán)伺服系統(tǒng)，其定位精度合測量精度主要由檢測元件決定，因此高精度的伺服系統(tǒng)對測量元件的質(zhì)量要求上相當高的。為了適應(yīng)高精度的及大中型數(shù)控系統(tǒng)必須有性能優(yōu)良的測量元件 于 PWM 系統(tǒng) 配套。 位置隨動系統(tǒng)中常用的檢測裝置有自整角機、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、光電編碼盤等。 自整角機是位移傳感器，在隨動系統(tǒng)中總是成對應(yīng)用的。與指令軸相連的稱為發(fā)送機，與執(zhí)行軸相連的稱為接收 機。 按用途可分為力矩式和控制式兩類。力矩式自整角機的工作原理可以由圖 31 來說明。圖中，由結(jié)構(gòu)、參數(shù)均相同的兩臺自整角機構(gòu)成自整角機組，一臺用來發(fā)送轉(zhuǎn)角信號，稱自整角發(fā)送機，用 ZLF 表示；另一臺用來接收轉(zhuǎn)角信號，稱為自整角接收機，用 ZLJ 表示。兩 臺自整角機中的整步繞組均接成星形，三對相序相同的相繞組分別連接成回路。兩臺自整角機轉(zhuǎn)子中的勵磁繞組接在同一個單相交流電源上 [12]。 17 圖 31 力矩式自整角機的原理圖 Fig31 The torque type selsyn schematic 旋轉(zhuǎn)變壓器實際上是一種特制的兩相旋轉(zhuǎn)電機，它有定子和轉(zhuǎn)子兩部分，在定子和轉(zhuǎn)子上各有兩套在空間上完全正交的繞組。當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，定、轉(zhuǎn)子繞組間的相對位置隨之變化，使輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角呈一定的函數(shù)關(guān)系。其在隨動系統(tǒng)中的主要用作角度傳感器。其精度主要又函數(shù)誤差和零位誤差來衡量。 由于旋轉(zhuǎn)變壓器在結(jié)構(gòu)上保證了其定子和轉(zhuǎn)子 (旋轉(zhuǎn)一周 )之間空氣間隙內(nèi)磁通分布符合正弦規(guī)律，因此，當激磁電壓加到定子繞組時，通過電磁耦合，轉(zhuǎn)子繞組 便產(chǎn)生感應(yīng)電勢。圖 32 為兩極旋轉(zhuǎn)變壓器電氣工作原理圖。圖中 Z 為阻抗。設(shè)加在定子繞組 1S 2S 的激磁電壓為 tSinVV ms ??? (式 3— 1) 18 圖 32 兩極旋轉(zhuǎn)變壓器 Fig32 Poles resolver 根據(jù)電磁學原理，轉(zhuǎn)子繞組 1B 、 2B 中的感應(yīng)電勢則為 tS i nS i nKVS inKVV MSB ??? ????? （式 3— 2） 式中 K—— 旋轉(zhuǎn)變壓器的變化； θ —— 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角，當轉(zhuǎn)子和定子的磁軸垂直時，θ = 0 時。如果轉(zhuǎn)子安裝在機床絲杠上，定子安裝在機床底座上，則 θ 角代表的是絲杠轉(zhuǎn)過的角度，它間接反映了機床工作臺的位移。 由式 3－ 2 可知，轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電 勢 BV 為以角速度 ω 隨時間 t 變化的交變電壓信號。 其幅值 K mV sin? 隨轉(zhuǎn)子和定子的相對角位移以正弦函數(shù)變化。因此，只要測量出轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電勢的幅值，便可間接地得到轉(zhuǎn)子相對于定子的位置，即θ 角的大小。 自整角機與旋轉(zhuǎn)變壓器雖然測量角度精度較高，但對于高精度隨動系統(tǒng)來說，它們的制造 誤差往往超過了系統(tǒng)所允許的誤差范圍，因此不能滿足要求。 感應(yīng)同步器具有兩種結(jié)構(gòu)形式，一