計(jì)算機(jī)控制的位置伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李傳友

摘要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)控制技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域在逐漸增大，計(jì)算機(jī)控制位置伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)受到較為廣泛地關(guān)注。針對(duì)計(jì)算機(jī)控制工作臺(tái)位置伺服系統(tǒng)問題進(jìn)行研究，主要提出了關(guān)于 PID 控制計(jì)算機(jī)控制伺服系統(tǒng)，對(duì)相應(yīng)的硬件、接口原理以及控制軟件工作機(jī)制進(jìn)行相關(guān)研究和分析。

關(guān)鍵詞：光電編碼器；工作臺(tái)；線形功率放大器；可逆計(jì)數(shù)器

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）20-0215-02

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)的需求也日益變化，計(jì)算機(jī)控制的位置伺服器系統(tǒng)在工作中發(fā)揮了很大的作用。本文研究一種計(jì)算機(jī)控制的位置伺服系統(tǒng)，根據(jù)PID控制技術(shù)，設(shè)計(jì)適合實(shí)際情況的伺服器系統(tǒng)。本系統(tǒng)通過建立模型，運(yùn)用計(jì)算機(jī)相關(guān)技術(shù)，對(duì)原有的PID技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，建立具有數(shù)字化的PID計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，通過系統(tǒng)模型和數(shù)據(jù)檢測(cè)，挖掘出設(shè)計(jì)中存在問題，并能夠及時(shí)改正，為今后實(shí)際問題的應(yīng)用提供了技術(shù)支持。

1 系統(tǒng)組成

計(jì)算機(jī)控制的位置伺服系統(tǒng)方框圖如圖1所示，采用ISA總線工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換送給伺服功率放大器，驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)，同軸安裝光電編碼器，經(jīng)24位可逆計(jì)數(shù)卡，把編碼器的角度信號(hào)送入計(jì)算機(jī)，組成位置反饋。

2 部件選擇

2.1 D/A卡

控制量的輸出采用ADLINK公司的ACL-6128具有光電隔離的12位D/A模擬量輸出卡，其輸出為九芯D型插頭，通道1端口為212H（高4位）和213（低8位），在DEBUG調(diào)試程序中，其驅(qū)動(dòng)程序簡單。

2.2 功率放大器

為驅(qū)動(dòng)直流伺服電動(dòng)機(jī)，可采用線性功率放大器，也可采用PWM功率放大器。此工作臺(tái)采用線性功率放大器，其原理圖如圖2所示。線性功率放大器用BB公司的OPA541芯片，輸出端使用OUT1與地接電動(dòng)機(jī)，此時(shí)，放大倍數(shù)為3。如果把電動(dòng)機(jī)的兩個(gè)端子接到OUT1與OUT2，這樣兩端的電壓Ua=6Uin，最大輸出電壓±30V。

2.3 電動(dòng)機(jī)選擇

2.4 工作臺(tái)設(shè)計(jì)

直線工作臺(tái)，絲桿螺距1mm，聯(lián)軸節(jié)采用電磁離合器，驅(qū)動(dòng)電壓為24V。工作臺(tái)尺寸為40×100，采用鋁合金材料，重量0.11kg。

2.6 定時(shí)器卡

外接定時(shí)器采用ACL-8454，板上有2個(gè)8254芯片，可組成6個(gè)通道的計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，用IRQ3引起定時(shí)中斷，基地址是200H。

2.7 F/V電路

此電路是把光電編碼器的頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電壓，當(dāng)正轉(zhuǎn)時(shí)其輸出為正電壓，反轉(zhuǎn)時(shí)輸出電壓為負(fù)，并且輸出電壓的幅值與光電編碼器頻率即電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比。所以不能采用單電源的頻率，像電壓轉(zhuǎn)換（f/v）電路，而是專門制作的電路，這樣就可以組成模擬的速度環(huán)。

3 系統(tǒng)建模

3.1 速度環(huán)

速度反饋元件仍然用光電編碼器，速度環(huán)的反饋信號(hào)是經(jīng)f/V轉(zhuǎn)換的模擬電壓。速度環(huán)仍然是模擬的反饋控制系統(tǒng)。其傳遞函數(shù)如圖3所示，因?yàn)楣怆娋幋a器經(jīng)四倍頻率后每轉(zhuǎn)產(chǎn)生2000個(gè)脈沖，所以光電編碼器轉(zhuǎn)速3600r/min時(shí)，則f/V的輸入頻率為120kHZ，f/V電路輸出為±12V，符號(hào)取決于轉(zhuǎn)向，故f/V轉(zhuǎn)換的增益是12V/3600r/min=0.032V/（rad/s）。

通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得功率放大器增益為6，電動(dòng)機(jī)電樞到轉(zhuǎn)速的增益為7.62（rad/s）/V，其時(shí)間常數(shù)為10ms，比給定的機(jī)電時(shí)間常數(shù)大一倍，原因是負(fù)載折合到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的傳動(dòng)慣量接近電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。由于電動(dòng)機(jī)功率較小，沒有采用電流反饋。可得：

3.2 位置環(huán)

位置環(huán)反饋由光電編碼器組成，因?yàn)槊哭D(zhuǎn)位2000脈沖數(shù)，故反饋系數(shù)為Kf=318.3/rad。由于采用24位可逆計(jì)數(shù)器，初值是8000H，故可記錄±4m的長度，而工作臺(tái)位移只有160mm，所以計(jì)數(shù)器不會(huì)溢出。因?yàn)镈/A轉(zhuǎn)換的數(shù)字量0H對(duì)應(yīng)模擬量輸出-10V，而數(shù)字量7FFH對(duì)應(yīng)輸出0V，數(shù)字量FFH（4095）對(duì)應(yīng)輸出+10V，故傳遞系數(shù)為0.00488V/LSB，LSB代表最低有效位，即1個(gè)數(shù)。

利用數(shù)字系統(tǒng)仿真的量化和零階保持器的圖形，可以畫出位置系統(tǒng)模型，見圖4所示，圖中在D/A轉(zhuǎn)換后面，加入零階保持器，采樣周期2ms，后面的飽和特性中其飽和值為±5V。數(shù)字PID系數(shù)暫定為1，量化器的參數(shù)為1，即最小值為1，脈沖當(dāng)量為0.00314rad。利用MATLAB仿真，當(dāng)階躍輸入100個(gè)數(shù)字量時(shí)，可得出反饋數(shù)字量的階躍響應(yīng)輸出曲線，輸出的角位置曲線。其穩(wěn)態(tài)值為0.314rad，調(diào)整時(shí)間為0.1s，得其D/A轉(zhuǎn)換輸出曲線。

如果采樣時(shí)間為50ms，系統(tǒng)發(fā)散。所以在可能的條件下，都把采樣時(shí)間取1～5ms以內(nèi)。

3.3 具有數(shù)字PID的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

數(shù)字PID的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型如圖5所示，在給定階躍100個(gè)數(shù)時(shí)，其位置反饋的曲線如圖5所示調(diào)整時(shí)間0.16s.這是在采樣周期2ms的情況下，采樣周期加長，會(huì)出現(xiàn)超調(diào)。

4 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)或PC/104總線嵌入式微機(jī)，控制程序采用C語言編寫。

程序框圖如圖7所示，采用增量算法，其控制作用為：

5 總結(jié)

通過以上的研究，不難看出，計(jì)算機(jī)控制位置伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，要立足于實(shí)際情況分析，從實(shí)際角度對(duì)問題進(jìn)行考慮。首先在進(jìn)行PID控制算法過程中，必須要對(duì)實(shí)際問題進(jìn)行分析，尤其是關(guān)于 PID 帶死區(qū)問題的有效解決，這是實(shí)現(xiàn) PID 算法符合要求的關(guān)鍵環(huán)節(jié)；其次在進(jìn)行系統(tǒng)控制研究過程中，要注重對(duì)系統(tǒng)性能的測(cè)試，需要利用實(shí)際情況，對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行檢驗(yàn)，這樣一來，能夠更好地發(fā)掘系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中存在的問題，并采取有效措施進(jìn)行解決，以滿足實(shí)際發(fā)展需求。

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