【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 機(jī)械能 ,驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象工作 .機(jī)電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行元件一般指各種電機(jī)或液壓 ,氣動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)等 。 4． 被控對(duì)象 ： 機(jī)械參數(shù)量包括位移，速度，加速度，力，和 力矩 為被控對(duì)象。 5． 檢測(cè)環(huán)節(jié) :是指能夠?qū)敵鲞M(jìn)行測(cè)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(dòng)控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)包括兩個(gè)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(dòng)系統(tǒng)的控制要求 1． 系統(tǒng)精度 隨動(dòng) 系統(tǒng)精度指的是輸出量復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)要求的精確程度 ,以誤差的形式表現(xiàn) ,可概括為動(dòng)態(tài)誤差 ,穩(wěn)態(tài)誤差和靜態(tài)誤差三個(gè)方面組成 。 2． 穩(wěn)定性 隨動(dòng) 系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指當(dāng)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(lái)穩(wěn)定狀態(tài)的能力 ； 或者當(dāng)給系統(tǒng)一個(gè)新的輸入指令后 ， 系統(tǒng)達(dá)到新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的能力 。隨動(dòng)系統(tǒng)正常運(yùn)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(biāo) 都是毫無(wú)意義的。隨動(dòng)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(dòng) 伺服電機(jī) 傳動(dòng)裝置速度檢測(cè)裝置位置檢測(cè)裝置給定 12 是系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，或者說(shuō)系統(tǒng)震蕩的程度，指系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性。例如，一個(gè)系統(tǒng)雖然是穩(wěn)定的，但在收到擾動(dòng)作用后，震蕩傾向很強(qiáng)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(dòng)信號(hào)無(wú)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(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度 ,運(yùn)動(dòng)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(hào)的頻率范圍 。 當(dāng)工作頻率信號(hào)輸入時(shí) ， 系 統(tǒng)能夠按技術(shù)要求正常工作 ； 而其它頻率信號(hào)輸入時(shí) ， 系統(tǒng)不能正常工作。 應(yīng)用隨動(dòng)系統(tǒng)的目的 采用 隨動(dòng) 系統(tǒng)主要是為了達(dá)到下面幾個(gè)目的： 1． 以小功率指令信號(hào)去控制大功率負(fù)載?；鹋诳刂坪痛婵刂凭褪堑湫偷睦?。 2． 在沒(méi)有機(jī)械連接的情況下，由輸入軸控制位于遠(yuǎn)處的輸出軸，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距同步傳動(dòng)。 3． 使輸出機(jī)械位移精確地跟蹤電信號(hào)，如記錄和指示儀表等。 3 總體設(shè)計(jì)方案及論證 設(shè)計(jì)任務(wù)及基本要求 采 用數(shù)字系統(tǒng) 裝置能進(jìn)行單環(huán)、閉環(huán)和隨動(dòng)系統(tǒng)演示實(shí)驗(yàn) 執(zhí)行對(duì)象是力矩電機(jī) 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(jì)總體方案 總體方案的確定是進(jìn)行微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)最重要、最關(guān)鍵的一步，因?yàn)榭傮w方案直接關(guān)系到整個(gè)控制系統(tǒng)的運(yùn)行、調(diào)節(jié)性能以及實(shí)施的細(xì)節(jié)。 13 由于位置隨動(dòng)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(hào)和位置反饋信號(hào)及兩個(gè)信號(hào)的綜合比較上。因此，可根據(jù)這個(gè)特征將它劃分為兩個(gè)類型：一類是模擬式隨動(dòng)系統(tǒng)，一類是數(shù)字式隨動(dòng)系統(tǒng)。但是由于模 擬式隨動(dòng)系統(tǒng)的檢測(cè)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(gè)模擬式隨動(dòng)系統(tǒng)的精度。若生產(chǎn)機(jī)械要求進(jìn)一步提高，則必須采用數(shù)字式檢測(cè)裝置來(lái)組成數(shù)字式隨動(dòng)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(lái)說(shuō)，雙閉環(huán)系統(tǒng)具有比較滿意的動(dòng)態(tài)性能： 動(dòng)態(tài)跟隨性能 雙閉環(huán)系統(tǒng)在啟動(dòng)和升速過(guò)程中，能夠在電流受到電機(jī)過(guò)載能力約束條件下，表現(xiàn)出很快的動(dòng)態(tài)跟隨性能。只要指定位置參數(shù)，它便迅速控制電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，以達(dá)到指定的目的。 動(dòng)態(tài)抗擾性能 當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作時(shí)，出現(xiàn)不正常的擾動(dòng)干擾時(shí)， 位置反饋系統(tǒng)便把位置信號(hào)反饋回主控制系統(tǒng)，之后，便會(huì)調(diào)節(jié)電機(jī)，使其轉(zhuǎn)速提高或下降，最終達(dá)到控制穩(wěn)定的目的。因此，本系統(tǒng)具有極強(qiáng)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?yàn)橥猸h(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(dòng)系統(tǒng)。對(duì)于這樣的一個(gè)三環(huán)系統(tǒng)，工程設(shè)計(jì)方法是由內(nèi)環(huán)到外環(huán)逐一設(shè)計(jì)，則系統(tǒng)穩(wěn)定性是有了保證的。當(dāng)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(dòng)時(shí)，電流反饋或速度反饋能對(duì)它們起到有效的抑制作用，因而，對(duì)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(diǎn)，對(duì)控制作用的響應(yīng)較慢，這是因?yàn)槊看斡蓛?nèi)環(huán)設(shè)計(jì)到外環(huán)時(shí)，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(yuǎn)遠(yuǎn)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(dòng)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(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu) 該系列微處理器在控制系統(tǒng)中的特點(diǎn)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(kuò)展，很容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)，控制功能強(qiáng) 4．可以很方便地實(shí)現(xiàn)多機(jī)和分布式控制 [3] DSP 系列微處理器 DSP 是數(shù)字信號(hào)處理器（ Digital Signal Processor）的縮寫，是一種特別適合與進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器，主要用于實(shí)時(shí)快速實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理的運(yùn)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(dòng)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(tái)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(diǎn)： 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(qiáng) 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(yùn)算的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境 下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)算和算術(shù)運(yùn)算等操作指令，并通過(guò)數(shù)字式、模擬式的輸入或輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。 PLC 和計(jì)算機(jī)有基本類似的結(jié)構(gòu)，但按其作用，它有自己的特點(diǎn)，其主要特點(diǎn)如下： 1．編程簡(jiǎn)單，使用面向控制操作的控制邏輯語(yǔ)言。 2．可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，適于在惡劣的生產(chǎn)環(huán)境下運(yùn)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(jì)的緊湊、 15 堅(jiān)固、小體積，在加上它的可靠性， PLC 易于裝入機(jī) 械設(shè)備內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化。 5．線對(duì)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(qiáng)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(dòng)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(dòng)化控制系統(tǒng)，其信號(hào)處理類型也屬于數(shù)字信號(hào)，但是，由于其外部擴(kuò)展芯片可以進(jìn)行 A/D、D/A 轉(zhuǎn)換，因此，也可以對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行處理。單片機(jī)的編程語(yǔ)言是比較低級(jí)的匯編語(yǔ)言，該語(yǔ)言比 C 語(yǔ)言好掌握，且在掌握得情況下易于編程，同時(shí)在程序出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，易于修改。 DSP 芯 片集成度高，運(yùn)算速度快，但是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，而且它主要用于對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理，再加上 DSP 在編程時(shí)使用的是類似于 C 語(yǔ)言的高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行編程，程序編寫時(shí)較 PLC 的梯形圖程序和單片機(jī)的匯編語(yǔ)言復(fù)雜，容易出錯(cuò)，且修改比較麻煩。 PLC 的 CPU 模塊在工業(yè)自動(dòng)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(dòng)化控制系統(tǒng)中，因?yàn)椋?PLC 系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)較 DSP 系統(tǒng)簡(jiǎn)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(shí)主要使用梯形圖程序進(jìn)行編程，雖然易于編程和修改，但是價(jià)格比較昂貴。 綜上所述，選用一種單片機(jī)芯片，針對(duì)具體控制任務(wù)，自行設(shè)計(jì)一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)，起優(yōu)點(diǎn)是針對(duì)性強(qiáng)，靈活方便，所以元器件最少，投資少等。缺點(diǎn)是硬件和軟件都由擁護(hù)從頭設(shè)計(jì)，工作量大，且周期長(zhǎng)。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(jī)芯片自行設(shè)計(jì)與其他的方法相比，具有如下的優(yōu)點(diǎn)： 1．集程度高，體積小 在一塊芯片上集成了構(gòu)成一臺(tái)微型機(jī)算機(jī)所需的 CPU、 ROM， RAM， I/O 接口以及定時(shí)、計(jì)數(shù)器等不見，能夠滿足很多應(yīng)用領(lǐng)域?qū)τ布δ艿囊?。因而，單?機(jī)組成的應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小。 2．面向控制，功 能強(qiáng) 單片機(jī)面向控制，它的實(shí)時(shí)控制功能特別強(qiáng)， CPU 可以直接對(duì) I/O 接口進(jìn)行各種操作，能針對(duì)性的完成從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的各類控制任務(wù)。 3．抗干擾能力強(qiáng)， 16 單片機(jī)內(nèi) CPU 訪問(wèn)存儲(chǔ)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(jī)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)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(jī)應(yīng)用系統(tǒng)可靠性高于一般的微機(jī)系統(tǒng)。 4．使用方便 由于單片機(jī)內(nèi)部功能強(qiáng)，系統(tǒng)擴(kuò)展方便，因而應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)非常 簡(jiǎn)單，再加上國(guó)內(nèi)外提供了多種多樣的單片機(jī)開發(fā)工具，它們具有很強(qiáng)的軟件調(diào)試的功能和輔助設(shè)計(jì)的手段。這樣使單片機(jī)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(shí)現(xiàn)多機(jī)和分布式控制，使整個(gè)控制系統(tǒng)的效率和可靠性大為提高。 5．性能價(jià)格比高 由于單片機(jī)功能強(qiáng)，價(jià)格便宜，其應(yīng)用系統(tǒng)的印板小，接、插件少，安裝調(diào)試簡(jiǎn)單等一系列原因，使單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的性能價(jià)格比高于一般的微機(jī)系統(tǒng)。本設(shè)計(jì) 采用8051 型號(hào)的單片機(jī)作為微處理器。 檢測(cè)環(huán)節(jié)的方案論證 位置測(cè)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(cè)位 移（角位移或線位移）并發(fā)出反饋信號(hào)，起著相當(dāng)于人眼睛的作用。一個(gè)設(shè)計(jì)完善的閉環(huán)伺服系統(tǒng)，其定位精度合測(cè)量精度主要由檢測(cè)元件決定，因此高精度的伺服系統(tǒng)對(duì)測(cè)量元件的質(zhì)量要求上相當(dāng)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(cè)量元件 于 PWM 系統(tǒng) 配套。 位置隨動(dòng)系統(tǒng)中常用的檢測(cè)裝置有自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、光電編碼盤等。 自整角機(jī)是位移傳感器，在隨動(dòng)系統(tǒng)中總是成對(duì)應(yīng)用的。與指令軸相連的稱為發(fā)送機(jī)，與執(zhí)行軸相連的稱為接收機(jī)。 按用途可分為力矩式和控制式兩類。力矩式自整角機(jī)的工作原理可以由圖 31 來(lái)說(shuō)明。圖中，由結(jié)構(gòu)、參數(shù)均相同的兩臺(tái)自整角機(jī)構(gòu)成自整角機(jī)組，一臺(tái)用來(lái)發(fā)送轉(zhuǎn)角信號(hào)，稱自整角發(fā)送機(jī)，用 ZLF 表示；另一臺(tái)用來(lái)接收轉(zhuǎn)角信號(hào)，稱為自整角接收機(jī)，用 ZLJ 表示。兩 臺(tái)自整角機(jī)中的整步繞組均接成星形，三對(duì)相序相同的相繞組分別連接成回路。兩臺(tái)自整角機(jī)轉(zhuǎn)子中的勵(lì)磁繞組接在同一個(gè)單相交流電源上 [12]。 17 圖 31 力矩式自整角機(jī)的原理圖 Fig31 The torque type selsyn schematic 旋轉(zhuǎn)變壓器實(shí)際上是一種特制的兩相旋轉(zhuǎn)電機(jī)，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(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，定、轉(zhuǎn)子繞組間的相對(duì)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(dòng)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(lái)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(dāng)激磁電壓加到定子繞組時(shí)，通過(guò)電磁耦合，轉(zhuǎn)子繞組 便產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。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(xué)原理，轉(zhuǎn)子繞組 1B 、 2B 中的感應(yīng)電勢(shì)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(dāng)轉(zhuǎn)子和定子的磁軸垂直時(shí)，θ = 0 時(shí)。如果轉(zhuǎn)子安裝在機(jī)床絲杠上，定子安裝在機(jī)床底座上，則 θ 角代表的是絲杠轉(zhuǎn)過(guò)的角度，它間接反映了機(jī)床工作臺(tái)的位移。 由式 3－ 2 可知，轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電勢(shì) BV 為以角速度 ω 隨時(shí)間 t 變化的交變電壓信號(hào)。 其幅值 K mV sin? 隨轉(zhuǎn)子和定子的相對(duì)角位移以正弦函數(shù)變化。因此，只要測(cè)量出轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電勢(shì)的幅值，便可間接地得到轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的位置，即θ 角的大小。 自整角機(jī)與旋轉(zhuǎn)變壓器雖然測(cè)量角度精度較高，但對(duì)于高精度隨動(dòng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它們的制造誤差往往超過(guò)了系統(tǒng)所允許的誤差范