高精度位置環(huán)系統(tǒng)

揚州市723研究所 殷程

摘要：本文簡要敘述了高精度位置環(huán)系統(tǒng)的組成方法，詳細闡述了光電編碼器在位置環(huán)中的應(yīng)用原理和速度修正方法。概述了單片機及串行D/A的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：光電編碼器，位置控制，測速發(fā)電機，恒速控制。

0 引言：

我們在為某單位開發(fā)一種高精度恒速泵產(chǎn)品時，需要一種速度調(diào)節(jié)范圍達1：100000以上﹑穩(wěn)定精度≤0.3%調(diào)速系統(tǒng)。我們查閱了國內(nèi)有關(guān)生產(chǎn)伺服控制系統(tǒng)廠家的產(chǎn)品，幾乎沒有一家能滿足要求。為了研制該產(chǎn)品，我們經(jīng)過認真分析，仔細論證后，決定采用光電編碼器作反饋元件，用單片機測出光電編碼器每分鐘脈沖輸出個數(shù)，與給定的速度量進行比較然后改變D/A輸出電壓幅度，送給伺服系統(tǒng)調(diào)整電機轉(zhuǎn)速，最終將電機速度控制在±0.3%以內(nèi)。試驗證明該方案是可行的。

現(xiàn)將該系統(tǒng)的組成原理及實現(xiàn)方法作一個簡單的介紹。

1 實現(xiàn)原理：

圖1中的系統(tǒng)是傳統(tǒng)的帶PID調(diào)節(jié)的直流伺服速度控制系統(tǒng)。對于控制精度較低的產(chǎn)品雖能滿足要求。但對于精度要求高的場合就不能適應(yīng)了。這是因為：當電機運轉(zhuǎn)一段時間后，電機溫度隨著工作時間加長而不斷上升，而反饋元件（測速發(fā)電機）與伺服電機同軸連接，故測速發(fā)電機的溫度也隨之升高。因為測速發(fā)電機是用永磁磁缸制成，其轉(zhuǎn)子線圈切割磁力線而產(chǎn)生電勢，其值為： Ea=εa　∝ N
式中　Ea為測速機輸出電勢
εa為測速機電勢常數(shù)
N為電機轉(zhuǎn)速

一般情況下，εa是個常數(shù)，測速發(fā)電機產(chǎn)生的電勢Ea正比于轉(zhuǎn)速N。而實際上電機溫度上升后εa已經(jīng)發(fā)生了變化，通常情況下是下降的，εa變小，故Ea也變小。而此時電機轉(zhuǎn)速并未下降，反饋到速度環(huán)的電壓Δu隨之上升，促使電機轉(zhuǎn)速上升，迫使Ea上升，從而達到Δu維持不變。這樣，隨著電機溫度上升，電機的速度也慢慢上升，而給定值并未改變，這就引起電機轉(zhuǎn)速的誤差增大。根據(jù)實際測量一般電機溫度每上升100℃，電機轉(zhuǎn)速的誤差會增大1－3%左右。電機轉(zhuǎn)速越低，相對誤差越大。

為了糾正電機轉(zhuǎn)速的偏差，采用600線/轉(zhuǎn)的光電編碼器作反饋元件，與電機同軸安裝，就可以準確測出電機的轉(zhuǎn)速。因為光電編碼器是由激光照射光珊發(fā)出脈沖的，而光珊安裝在光電編碼器的轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)一周（3600）編碼器就產(chǎn)生600個脈沖，該脈沖只與轉(zhuǎn)軸速度有關(guān)，而與溫度無關(guān)。因此，只要準確測出光電編碼器的脈沖個數(shù)，就可確切知道電機的轉(zhuǎn)速。

例如，當電機的轉(zhuǎn)速ND=1000轉(zhuǎn)/分，則每秒鐘光電編碼器的脈沖個數(shù)應(yīng)為
n光=1000*600/60
=10000（個脈沖）
若
ND=1轉(zhuǎn)/分
n光=1*600/60 =10（個）
如果實際測量值與上述理論計算值有偏差，則可以通過調(diào)節(jié)D/A輸出電壓調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速，最終使
Δn=ND測-ND理
這樣就可以將電機的轉(zhuǎn)速控制在我們所希望的誤差范圍內(nèi)。

2 元器件的選擇；

2．1伺服系統(tǒng)（速度環(huán)）選用SＣ5HC60型直流脈寬伺服系統(tǒng)，調(diào)速范圍可達1：10000以上，速度精度為0.5%FS。

2．2電機選用稀土直流寬調(diào)速伺服測速機組,與伺服系統(tǒng)構(gòu)成速度閉環(huán)系統(tǒng)。

2．3 D/A器件選用分辨率為16位串行D/A?？刂凭€為三線串行方式，即：一根時鐘線，一根數(shù)據(jù)線，一根選通線。

2．4 光電編碼器每轉(zhuǎn)輸出600個脈沖，五線制。其中兩根為電源線，三根為脈沖線(A、B、Z)。電源的工作電壓為 +5～+24V直流電源。

工作原理:當光電編碼器的軸轉(zhuǎn)動時A、B兩根線都產(chǎn)生脈沖輸出,A、B兩相脈沖相差90 0相位角，由此可測出光電編碼器轉(zhuǎn)動方向與電機轉(zhuǎn)速。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)生一個脈沖.主要用作計數(shù)。A線用來測量脈沖個數(shù),B線與A線配合可測量出轉(zhuǎn)動方向.

2．5單片機選用89C51-24PC單片機，晶振頻率為24MHz，用一個定時器作計數(shù)器來測量光電編碼器的脈沖個數(shù)，另一個定時器精確定時，這樣可準確測出電機每秒鐘轉(zhuǎn)動的距離，同時根據(jù)設(shè)定值計算出電機每秒鐘應(yīng)轉(zhuǎn)動的理論值并與測量值進行比較,將誤差值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出到D/A芯片的輸入端，從而改變其電壓輸出，送給伺服系統(tǒng)控制電機的轉(zhuǎn)速,從而達到恒速的目的。

例如:要將電機控制在500轉(zhuǎn)/分,根據(jù)伺服系統(tǒng)的指標,當輸入為0～5V信號時,電機轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)/分,故可求得當ND=500轉(zhuǎn)/分時，光碼盤每秒鐘輸出的脈沖數(shù)為：

PD=500×600/60=5000個脈沖
對應(yīng)該轉(zhuǎn)速伺服系統(tǒng)的輸入電壓應(yīng)為：
VD=5.000×500/1500=1.6666V

當測出的脈沖個數(shù)與計算出的標準值有偏差時,可根據(jù)電壓與脈沖個數(shù)的對應(yīng)關(guān)系計算出輸出給伺服系統(tǒng)的增量電壓△U:

△U=△P×5.000/(1500×600/60)= △P/3000(V)
而輸出到D/A的數(shù)字量的增量應(yīng)為:
△D=△U×216/5.000

電機的整個工作調(diào)節(jié)過程如下:

工作前通過鍵盤設(shè)定控制轉(zhuǎn)速,計算出輸出電壓VD并將該電壓對應(yīng)的輸出到D/A的數(shù)字量V數(shù)=VD×216/5.000算出,直接送給D/A,電機開始起動運轉(zhuǎn)。當電機運轉(zhuǎn)一段時間后電機轉(zhuǎn)速不斷上升從而導致測速機磁性下降，測速機輸出電勢下降，經(jīng)速度環(huán)調(diào)整后使電機轉(zhuǎn)速上升，運行時間越長，電機轉(zhuǎn)速上升越多。這時系統(tǒng)起動位置環(huán)，通過不斷測量光電編碼器每秒鐘輸出的脈沖個數(shù)，并與標準值PD進行比較，計算出增量△P并將之轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的D/A輸出數(shù)字量，在原來輸出電壓的基礎(chǔ)上減去增量，迫使電機轉(zhuǎn)速降下來，當測出的△P近似為零時停止調(diào)節(jié)，這樣可將電機轉(zhuǎn)速始終控制在允許的范圍內(nèi)。

3 硬件電路的實現(xiàn)

實際工作中由于伺服系統(tǒng)工作電流較大，對于微機干擾較大，故在硬件電路設(shè)計時應(yīng)考慮到系統(tǒng)的隔離和干擾問題。由于選用的是串行D/A。信號的傳輸只用三根線，故采取隔離措施相對容易些。而光電編碼器工作也容易受到干擾，因此除了正常的接地外，還要將光電編碼器輸出線中的地線可靠接地。光電編碼器的A線做脈沖檢測用，Z線作計數(shù)器用，速度輸入用鍵盤輸入數(shù)字，顯示用液晶顯示器。

4 軟件

根據(jù)電路的連接情況，采用匯編語言編寫了整個程序。現(xiàn)將部分闡述如下：

4.1初始化
初始化內(nèi)容包括定時器、中斷系統(tǒng)及個單元內(nèi)容的初始化

HSTART:MOV SP,#0E0H ;設(shè)置堆棧頂?shù)刂?/span>
MOV IE,#90H ；開中斷及串行口中斷允許
MOV IP,#5 ；將定時器1和串口中斷設(shè)置高優(yōu)先權(quán)
MOV TCON,#5 ;外中斷0和外中斷1全部為邊沿觸發(fā)方式
MOV TMOD,#21H ;定時器0為方式1定時器2為方式2
MOV PCON,#0 ；SMOD=0
MOV SCON,#0D8H ;串口設(shè)置成方式3,TB8=1,REN=1
MOV TH1,#0FDH ;設(shè)定定時器1重裝時間常數(shù)
MOV TL1,#0FDH
CLR ET1
SETB REN
SETB ES
MOV TH0,#2CH
MOV TL0,#0
SETB TR0
SETB TR1
…… 
4.2定時器0中斷子程序
CLOCK0:CLR ET0 ;保護現(xiàn)場指令
MOV TH0,#2CH ;重置時間常數(shù)
MOV TL0,#0
INC QSE0
MOV A,#14H ;判別1秒鐘定時到否
CJNE A,QSE0,HCLZ
MOV QSE0,#0 ;計數(shù)器清零
MOV A,QSEC
ADD A,#1 ;秒單元加1
DA A
MOV QSEC,A
MOV A,#5
CJNE A,QSEC,HCLZ ;判5秒鐘到否
MOV QSEC,#0 ;秒單元清零 
CLR EX0 ;關(guān)中斷0停止計數(shù)
HCLZ: 恢復(fù)現(xiàn)場指令
SETB ET0
RETI ;中斷返回
4.3中斷0計數(shù)程序
POST1:CLR EX0 
保護現(xiàn)場指令
MOV A,QLLD ;計數(shù)器低位加1
ADD A,#1
MOV QLLD,A
MOV A,QLLD+1
ADDC A,#0
MOV QLLD+1,A
恢復(fù)現(xiàn)場指令
SETB EX0
RETI
4.4處理程序
處理程序包括加減運算程序、數(shù)字轉(zhuǎn)換程序、D/A輸出程序、實時報警程序、數(shù)據(jù)采集程序等。