【正文】 sm）， 1944 年世界上第一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)由麻省理工學(xué)院成功研制，隨著自動(dòng)控制理論的發(fā)展，到 20 世紀(jì)中期，數(shù)字隨動(dòng)系統(tǒng)的理論和實(shí)踐均趨于成熟。 它的發(fā)展初期是以反饋理論為基礎(chǔ)的自動(dòng)調(diào)節(jié)原理，隨著工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已發(fā)展成為一門獨(dú)立的學(xué)科 ——控制論。隨動(dòng)系統(tǒng)作為自動(dòng)化系統(tǒng)的一種，其研究和應(yīng)用已較為廣泛。雖然新的控制結(jié)構(gòu)和控制器不斷出現(xiàn)，同時(shí)像自適應(yīng)控制、最優(yōu)控制、模糊控制、智能控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等新算法也不斷涌現(xiàn)。實(shí)時(shí)控制應(yīng)用是計(jì)算機(jī)應(yīng)用的一個(gè)重要而極富潛力的方面。嵌入式實(shí)時(shí)應(yīng)用是目前國內(nèi)外蓬勃發(fā)展的方向之一，正被越來越多的研究和應(yīng)用。 自 20 世紀(jì) 70 年代以來，由于發(fā)展了 力矩電機(jī) 及高靈 敏度測(cè)速機(jī)，使數(shù)字隨動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了直接驅(qū)動(dòng)，革除或減小了齒隙和彈性變形等 非線性 因素，使帶寬達(dá)到 50 赫，并成功應(yīng)用在 遠(yuǎn)程導(dǎo)彈 、 人造衛(wèi)星 、精密指揮儀等場(chǎng)所。模塊化、數(shù)字化、高精度、長(zhǎng)壽命的器件每隔 3～ 5 年就有更新?lián)Q代的產(chǎn)品面市。步進(jìn)電機(jī)一般為開環(huán)控制而無法準(zhǔn)確定位，電動(dòng)機(jī)本身還有速度諧振區(qū)， PWM 調(diào)速系統(tǒng)對(duì)位置跟蹤性能較差，變頻調(diào)速較簡(jiǎn)單但精度有時(shí)不夠，直流電機(jī)伺服系統(tǒng)以其優(yōu)良的性能被廣泛的應(yīng)用于位置隨動(dòng)系統(tǒng)中，但其也有缺點(diǎn)，例如結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在超低速時(shí)死區(qū)矛盾突出，并且換向刷會(huì)帶來噪聲和維護(hù)保養(yǎng)問題。 【 2】 隨動(dòng) 系統(tǒng)將向兩個(gè)方向發(fā)展 ： 一個(gè)是滿足一般工業(yè)應(yīng)用要求，對(duì)性能指標(biāo)要求不高的應(yīng)用場(chǎng)合，追求低成本、少維護(hù)、使用簡(jiǎn)單等特點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，如變頻電機(jī)、變頻器等。 數(shù)字隨動(dòng) 系統(tǒng)是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)（或給定值）的任意變化的自動(dòng)控制系統(tǒng)。 2 隨動(dòng)控制系統(tǒng) 隨動(dòng)系統(tǒng)的分類 伺服系統(tǒng)根據(jù)其處理信號(hào)的方式不同，可以分為模擬式伺服、數(shù)字模擬混合式 、伺服和全數(shù)字式伺服；如果按照使用的伺服電動(dòng)機(jī)的種類不同，又可分為兩種：一種是用永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)構(gòu)成的伺服系統(tǒng)，包括方波永磁同步電動(dòng)機(jī)（無刷直流機(jī)）伺服系統(tǒng)和正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)；另一種是用鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)構(gòu)成的伺服系統(tǒng)。若采用微處理器軟件實(shí)現(xiàn)伺服控制，可以使永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)和鼠籠型異步伺服電動(dòng)機(jī)使用同一套伺服放大器 。而從機(jī)床返回的是與NC 系統(tǒng)匹配的軸運(yùn)動(dòng)位置檢測(cè)信號(hào)（例如編碼器，感應(yīng)同步器等輸出信號(hào)）。 10 2．串行數(shù)據(jù)傳輸型伺服控制單元 其特點(diǎn)是 NC 系 統(tǒng)與伺服控制單元之間的數(shù)據(jù)傳送是雙向。 3． 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸型伺服控制單元 其特點(diǎn)是控制單元密集安裝在一起，由一個(gè)公用的 DC 電源單元供電。各個(gè)軸的位置編碼器與控制單元之間是通過二根高速通信線連接，反饋的信息有位置和相關(guān)的狀態(tài)信息。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸型伺服控制單元在相應(yīng)的控制軟件配合下，具有實(shí)時(shí)的調(diào)整能力，例如在定位加減速功能中，可以根據(jù)電機(jī)的速度和扭矩特性求應(yīng)的函數(shù)，再以其函數(shù)控制高速定位時(shí)的加減速度，從而抑制高速定位時(shí)可能引起的振動(dòng)。 采用高速微處理器和專用數(shù)字信號(hào)處理機(jī)（ DSP）的全數(shù)字化交流伺服系統(tǒng)出現(xiàn)后，硬件伺服控制變?yōu)檐浖欧刂?，一些現(xiàn)代控制理論的先進(jìn)算法得到實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而大大地提高了伺服系統(tǒng) 的控制性能。相對(duì)來說，伺服部件的故障率也較高，約占電氣故障的 70%以上，所以選配伺服控制單元十分重要。例如環(huán)境溫度過高，易引起器件過熱而損壞；防護(hù)不嚴(yán)可能引起電機(jī)進(jìn)水，造成短路；導(dǎo)軌和絲杠潤滑不好或切削負(fù)荷過重會(huì)引起電機(jī)過流。 隨動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成 機(jī)電一體化 的 隨動(dòng) 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) ,類型繁多 ,但從 自動(dòng)控制理論 的角度來分析 ,伺服控制系統(tǒng)一般包括控制器 ,被控對(duì)象 ,執(zhí)行環(huán)節(jié) ,檢測(cè)環(huán)節(jié) ,比較環(huán)節(jié)等五部分 。 2． 控制器 :通常是計(jì)算機(jī)或 PID 控制電路 ,其主要任務(wù)是對(duì)比較元件輸出的偏 差信號(hào)進(jìn)行變換處理 ,以控制執(zhí)行元件按要求動(dòng)作 。 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。 綜上所述，本 系統(tǒng)采用數(shù)字式編碼隨動(dòng)控制系統(tǒng)。 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 。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)都是毫無意義的。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。 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 。 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?；鹋诳刂坪痛婵刂凭褪堑湫偷睦?。 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。 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)。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)。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)裝置來組成數(shù)字式隨動(dòng)系統(tǒng)。一般來說，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)和升速過程中，能夠在電流受到電機(jī)過載能力約束條件下，表現(xiàn)出很快的動(dòng)態(tài)跟隨性能。 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。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。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。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。 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。目前， DSP 芯片的發(fā)展非常迅速。 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。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(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)過程。 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。 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。 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。 DSP 芯片集成度高，運(yùn)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(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 語言的高級(jí)語言進(jìn)行編程，程序編寫時(shí)較 PLC 的梯形圖程序和單片機(jī)的匯編語言復(fù)雜，容易出錯(cuò)，且修改比較麻煩。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。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)。 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)?硬件功能的要求。 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)。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。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)。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。本設(shè)計(jì) 采用8051 型號(hào)的單片機(jī)作為微處理器。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。 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。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)。力矩式自整角機(jī)的工作原理可以由圖 31 來說明。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。 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。其在隨動(dòng)系統(tǒng)中的主要用作角度傳感器。 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)，通過電磁耦合，轉(zhuǎn)子繞組 便產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。圖中 Z 為阻抗。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)過的角度，它間接反映了機(jī)床工作臺(tái)的位移。 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。 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。由這兩種工作狀態(tài)所構(gòu)成的隨動(dòng)系統(tǒng)都能得到很高的精度。感應(yīng)電勢(shì)的大小取決于滑尺相對(duì)于定尺的位置。圖中 A 點(diǎn)表示滑尺繞組與定尺繞組重 19 合，這時(shí)定尺繞組中的感應(yīng)電勢(shì)最大；如果滑尺相對(duì)于定尺從 A 點(diǎn)逐漸向左 (或右 )平行移動(dòng)，感應(yīng)電勢(shì)就隨之逐漸減小，在兩繞組剛好錯(cuò)開 1／ 4 節(jié)距的位置 B 點(diǎn)，感應(yīng)電勢(shì)減為零；若再繼續(xù)移動(dòng)，移到 1／ 2 節(jié)距的 C 點(diǎn)，感應(yīng)電勢(shì)相應(yīng)地變?yōu)榕c A 位置相同，但極性相反，到達(dá) 3／ 4 節(jié)距的 D 點(diǎn)時(shí)，感應(yīng)電勢(shì)再一次變?yōu)榱?；其后，移?dòng)了一個(gè)節(jié)距到達(dá) E 點(diǎn)，情況就又與 A 點(diǎn)相同了，相當(dāng)于又回到了 A 點(diǎn)。 由上述及電磁學(xué)原理，定尺繞組上的感應(yīng)電勢(shì)為 tS i nC o sKVC o sKVV msB ??? ????? （式 3— 3） 式中： K—— 耦合系數(shù)； θ —— 反映的是定尺和滑尺的相對(duì)移動(dòng)的距離 X； X)/( ???? （式 3— 4） 由 式 33 和式 34 可知，感應(yīng)同步器的工作原理與兩極式旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理一樣，只要測(cè)量出 Sinθ 的值，便可求出 θ 角， 進(jìn)而求得滑尺相對(duì)于定尺移動(dòng)的距離 X。 光電編碼器是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。其 中兩根為電源線，三根為脈沖線 (A 相、 B 相、 Z)。光電編碼器是由光柵盤和光電檢測(cè)裝置組成。由于光電碼盤與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)，其原理示意圖如下圖33 所示；通過計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。的兩路脈沖信號(hào)。如果 A 相脈沖比 B相脈沖超前則光電編碼器為正轉(zhuǎn) ,否則為反轉(zhuǎn) .Z 線為零脈沖線 ,光電編碼器每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生一個(gè)脈沖 .主要用作計(jì)數(shù)。光電編碼器能將測(cè)到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為微處理器所需要的編碼。于是在本設(shè)計(jì)中所用到的檢測(cè)裝置為光電編碼盤。如果沒有外圍電路的顯示、適時(shí)保護(hù)，隨之報(bào)警等一系列的完善，那么要達(dá)到控制精度是非常困難的。 鍵盤在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中能實(shí)現(xiàn)向單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)、傳送命令等功能，是人工干預(yù)單片機(jī)的主要手段。 由于本設(shè)計(jì)為位置隨動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置，為了避免在實(shí)驗(yàn)過程中，由于出現(xiàn)的接線錯(cuò)誤等問題導(dǎo)致?lián)p壞電路，所以設(shè)置保護(hù)電路十分必要。同時(shí)在本系統(tǒng)中不需要手動(dòng)的數(shù)據(jù)的給定，所以就不需要擴(kuò)展鍵盤。 【 3】 【 4】 因此我們選用目前市場(chǎng)上用到比較多的、且可以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 的 51 單片機(jī)。對(duì)于STC89C52 的單片機(jī)而言，程序不需要專門的編程器或者仿真器去下載程序，而只是使用串口通訊的兩個(gè)引腳就可以把程序燒寫到程序里，十分方便簡(jiǎn)潔，并且有相關(guān)配套的官方軟件，使用起 來也十分方便。采用最新的加密技術(shù)解決了全球 89 系列單片機(jī)都被解密的困惑。因此我們選用 STC89C52 單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控芯片。復(fù)位電路可以分為上電復(fù)位和手動(dòng)按鍵復(fù)位兩種。手動(dòng)按鍵復(fù)位的原理是，在系統(tǒng)正常工作的過程中可以手動(dòng)觸動(dòng)按鍵使單片機(jī)復(fù)位。對(duì)于單片機(jī)系統(tǒng)而言，晶振電路是一個(gè)跳動(dòng)的動(dòng)力來源， 18,19 號(hào)引腳接的是 的 晶振?？赡鍼W