【正文】 伺服機構（ Servomechanism）， 1944 年世界上第一個隨動系統(tǒng)由麻省理工學院成功研制，隨著自動控制理論的發(fā)展，到 20 世紀中期，數(shù)字隨動系統(tǒng)的理論和實踐均趨于成熟。 它的發(fā)展初期是以反饋理論為基礎的自動調(diào)節(jié)原理，隨著工業(yè)生產(chǎn)和科學 技術的發(fā)展，現(xiàn)在已發(fā)展成為一門獨立的學科 ——控制論。隨動系統(tǒng)作為自動化系統(tǒng)的一種，其研究和應用已較為廣泛。雖然新的控制結構和控制器不斷出現(xiàn)，同時像自適應控制、最優(yōu)控制、模糊控制、智能控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制等新算法也不斷涌現(xiàn)。實時控制應用是計算機應用的一個重要而極富潛力的方面。嵌入式實時應用是目前國內(nèi)外蓬勃發(fā)展的方向之一，正被越來越多的研究和應用。 自 20 世紀 70 年代以來，由于發(fā)展了 力矩電機 及高靈敏度測速機，使數(shù)字隨動系統(tǒng)實現(xiàn)了直接驅動，革除或減小了齒隙和彈性變形等 非線性 因素，使帶寬達到 50 赫，并成功應用在 遠程導彈 、 人造衛(wèi)星 、精密指揮儀等場所。模塊化、數(shù)字化、高精度、長壽命的器 件每隔 3～ 5 年就有更新?lián)Q代的產(chǎn)品面市。步進電機一般為開環(huán)控制而無法準確定位，電動機本身還有速度諧振區(qū)， PWM 調(diào)速系統(tǒng)對位置跟蹤性能較差，變頻調(diào)速較簡單但精度有時不夠，直流電機伺服系統(tǒng)以其優(yōu)良的性能被廣泛的應用于位置隨動系統(tǒng)中，但其也有缺點，例如結構復雜，在超低速時死區(qū)矛盾突出，并且換向刷會帶來噪聲和維護保養(yǎng)問題。 【 2】 隨動 系統(tǒng)將向兩個 方向發(fā)展 ： 一個是滿足一般工業(yè)應用要求，對性能指標要求不高的應用場合，追求低成本、少維護、使用簡單等特點的驅動產(chǎn)品，如變頻電機、變頻器等。 數(shù)字隨動 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（或給定值）的任意變化的自動控制系統(tǒng)。 2 隨動控制系統(tǒng) 隨動系統(tǒng)的分類 伺服系統(tǒng)根據(jù)其處理信號的方式不同，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機的種類不同，又可分為兩種：一種是用永磁同步伺服電動機構成的伺服系統(tǒng)，包括方波永磁同步電動機（無刷直流機）伺服系統(tǒng)和正弦波永磁同步電動機伺服系統(tǒng)；另一種是用鼠籠型異步電動機構成的伺服系統(tǒng)。若采用微處理器軟件實現(xiàn)伺服控制，可以使永磁同步伺服電動機和鼠 籠型異步伺服電動機使用同一套伺服放大器 。而從機床返回的是與NC 系統(tǒng)匹配的軸運動位置檢測信號（例如編碼器，感應同步器等輸出信號）。 10 2．串行數(shù)據(jù)傳輸型伺服控制單元 其特點是 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)絡數(shù)據(jù)傳輸型伺服控制單元 其特點是控制單元密集安裝在一起，由一個公用的 DC 電源單元供電。各個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的狀態(tài)信息。網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸型伺服控制單元在相應的控制軟件配合下，具有實時的調(diào)整能力，例如在定位加減速功能中，可以根據(jù)電機的速度和扭矩特性求應的函數(shù)，再以其函數(shù)控制高速定位時的加減速度，從而抑制高速定位時可能引起的振動。 采用高速微處理器和專用數(shù)字信號處理機（ 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)代控制理論的先進算法得到實現(xiàn)，進而大大地提高了伺服系統(tǒng)的控制性能。相對來說，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；防護不嚴可能引起電機進水，造成短路；導軌和絲杠潤滑不好或切削負荷過重會引起電機過流。 隨動 系統(tǒng)的結構組成 機電一體化 的 隨動 控制系統(tǒng)的結構 ,類型繁多 ,但從 自動控制理論 的角度來分析 ,伺服控制系統(tǒng)一般包括控制器 ,被控對象 ,執(zhí)行環(huán)節(jié) ,檢測環(huán)節(jié) ,比較環(huán)節(jié)等五部分 。 2． 控制器 :通常是計算機或 PID 控制電路 ,其主要任務是對比較元件輸出的偏 差信號進行變換處理 ,以控制執(zhí)行元件按要求動作 。 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。 綜上所述，本系統(tǒng)采用數(shù)字式編碼隨動控制系統(tǒng)。 圖 21 系統(tǒng)結構圖 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 。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。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。 3． 響應特性 響應特性指的是輸出量跟隨輸入指令變化的反應速度 ,決定了系統(tǒng)的工作效率 .響應速度與許多因素有關 ， 如計算機的運行速度 ,運動系統(tǒng) 的 阻尼 和質(zhì)量等 。 當工作頻率信號輸入時 ， 系 統(tǒng)能夠按技術要求正常工作 ； 而其它頻率信號輸入時 ， 系統(tǒng)不能正常工作。火炮控制和船舵控制就是典型的例子。 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。 160 度 電源交流 220V、直流 24/12V 設計總體方案 總體方案的確定是進行微機控制系統(tǒng)設計時最重要、最關鍵的一步，因為總體方案直接關系到整個控制系統(tǒng)的運行、調(diào)節(jié)性能以及實施的細節(jié)。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)。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)。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。 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，使其轉速提高或下降，最終達到控制穩(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，因為外環(huán)的截止頻率表征了系統(tǒng)的快速性。對于這樣的一個三環(huán)系統(tǒng)，工程設計方法是由內(nèi)環(huán)到外環(huán)逐一設計，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)的截止頻率遠遠低于內(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)平臺的完善，使 DSP 的應用開發(fā)更加靈活方便。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。 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。 4．由于 PLC 采用了大規(guī)模集成電路技術和微處理器技術，故可將其設計的緊湊、 15 堅固、小體積，在加上它的可靠性， PLC 易于裝入機 械設備內(nèi)部，實現(xiàn)機電一體化。 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 轉換，因此，也可以對模擬信號進行處理。 DSP 芯 片集成度高，運算速度快，但是其內(nèi)部結構過于復雜，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雜，容易出錯，且修改比較麻煩。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。缺點是硬件和軟件都由擁護從頭設計，工作量大，且周期長。 選用單片機芯片自行設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，能夠滿足很多應用領域對硬件功能的要求。 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雜的各類控制任務。另外，由于單片機體積小，適應溫度范圍寬，在應用環(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。所以，單片機應用系統(tǒng)可靠性高于一般的微機系統(tǒng)。這樣使單片機的應用極為方便，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。本設計 采用8051 型號的單片機作為微處理器。一個設計完善的閉環(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。 位置隨動系統(tǒng)中常用的檢測裝置有自整角機、旋轉變壓器、感應同步器、光電編碼盤等。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。力矩式自整角機的工作原理可以由圖 31 來說明。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。 17 圖 31 力矩式自整角機的原理圖 Fig31 The torque type selsyn schematic 旋轉變壓器實際上是一種特制的兩相旋轉電機，它有定子和轉子兩 部分，在定子和轉子上各有兩套在空間上完全正交的繞組。其在隨動系統(tǒng)中的主要用作角度傳感器。 由于旋轉變壓器在結構上保證了其定子和轉子 (旋轉一周 )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，轉子繞組 便產(chǎn)生感應電勢。圖中 Z 為阻抗。如果轉子安裝在機床絲杠上，定子安裝在機床底座上，則 θ 角代表的是絲杠轉過的角度，它間接反映了機床工作臺的位移。 其幅值 K mV sin? 隨轉子和定子的相對角位移以正弦函數(shù)變化。 自整角機與旋轉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。由這兩種工作狀態(tài)所構成的隨動系統(tǒng)都能得到很高的精度。感應電勢的 大小取決于滑尺相對于定尺的位置。圖中 A 點表示滑尺繞組與定尺繞組重 19 合，這時定尺繞組中的感應電勢最大；如果滑尺相對于定尺從 A 點逐漸向左 (或右 )平行移動，感應電勢就隨之逐漸減小，在兩繞組剛好錯開 1／ 4 節(jié)距的位置 B 點，感應電勢減為零；若再繼續(xù)移動，移到 1／ 2 節(jié)距的 C 點，感應電勢相應地變?yōu)榕c A 位置相同，但極性相反，到達 3／ 4 節(jié)距的 D 點時，感應電勢再一次變?yōu)榱悖黄浜?，移動了一個節(jié)距到達 E 點，情況就又與 A 點相同了，相當于又 回到了 A 點。 由上述及電磁學原理，定尺繞組上的感應電勢為 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移動的距離 X； X)/( ???? （式 3— 4） 由 式 33 和式 34 可知，感應同步器的工作原理與兩極式旋轉變壓器的工作原理一樣，只要測量出 Sinθ 的值，便可求出 θ 角，進而求得滑尺相對于定尺移動的距離 X。 光電編碼器是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數(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裝置組成。由于光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉時，光柵盤與電動機同速旋轉，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，其原理示意圖如下圖33 所示；通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映當前電動機的轉速。的兩路脈沖信號。如果 A 相脈沖比 B相脈沖超前則光電編碼器為正轉 ,否則為反轉 .Z 線為零脈沖線 ,光電編碼器每轉一圈產(chǎn)生一個脈沖 .主要用作計數(shù)。光電編碼器能將測到的信號轉換為微處理器所需要的編碼。于是在本設計中所用到的檢測裝置為光電編碼盤。如果沒有外圍電路的顯示、適時保護，隨之報警等一系列的完善，那么要達到控制精度是非常困難的。 鍵盤在單片機應用系統(tǒng)中能實現(xiàn)向單片機輸入數(shù)據(jù)、傳送命令等功能，是人工干預單片機的主要手段。 由于本設計為位置隨動系統(tǒng)實驗裝置，為了避免在實驗過程中，由于出現(xiàn)的接線錯誤等問題導致?lián)p壞電路，所以設置保護電路十分必要。同時在本系統(tǒng)中不需要手動的數(shù)據(jù)的給定，所以就不需要擴展鍵盤。 【 3】 【 4】 因此我們選用目 前市場上用到比較多的、且可以滿足系統(tǒng)設計要求的 51 單片機。對于STC89C52 的單片機而言，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引腳就可以把程序燒寫到程序里，十 分方便簡潔，并且有相關配套的官方軟件，使用起來也十分方便。采用最新的加密技術解決了全球 89 系列單片機都被解密的困惑。因此我們選用 STC89C52單片機作為系統(tǒng)的主控芯片。復位電路可以分為上電復位和手動按鍵復位兩種。手動按鍵復位的原理是，在系統(tǒng)正常工作的過程中可以手動觸動按鍵使單片機復位。對于單片機系統(tǒng)而言，晶振電路是一個跳動的動力來 源， 18,1