介紹一種高精度位置環(huán)系統

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

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(kāi)發(fā)一種高精度恒速泵產(chǎn)品時(shí)，需要一種速度調節范圍達1：100000以上p穩定精度≤0.3%調速系統。我們查閱了國內有關(guān)生產(chǎn)伺服控制系統廠(chǎng)家的產(chǎn)品，幾乎沒(méi)有一家能滿(mǎn)足要求。為了研制該產(chǎn)品，我們經(jīng)過(guò)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(gè)數，與給定的速度量進(jìn)行比較然后改變D/A輸出電壓幅度，送給伺服系統調整電機轉速，最終將電機速度控制在0.3%以?xún)?。試驗證明該方案是可行的。

現將該系統的組成原理及實(shí)現方法作一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。

1 實(shí)現原理：

圖1中的系統是傳統的帶PID調節的直流伺服速度控制系統。對于控制精度較低的產(chǎn)品雖能滿(mǎn)足要求。但對于精度要求高的場(chǎng)合就不能適應了。這是因為：當電機運轉一段時(shí)間后，電機溫度隨著(zhù)工作時(shí)間加長(cháng)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，其轉子線(xiàn)圈切割磁力線(xiàn)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
　N為電機轉速

一般情況下，εa是個(gè)常數，測速發(fā)電機產(chǎn)生的電勢Ea正比于轉速N。而實(shí)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(shí)電機轉速并未下降，反饋到速度環(huán)的電壓Δu隨之上升，促使電機轉速上升，迫使Ea上升，從而達到Δu維持不變。這樣，隨著(zhù)電機溫度上升，電機的速度也慢慢上升，而給定值并未改變，這就引起電機轉速的誤差增大。根據實(shí)際測量一般電機溫度每上升100℃，電機轉速的誤差會(huì )增大1－3%左右。電機轉速越低，相對誤差越大。

為了糾正電機轉速的偏差，采用600線(xiàn)/轉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軸上，轉軸每轉一周（3600）編碼器就產(chǎn)生600個(gè)脈沖，該脈沖只與轉軸速度有關(guān)，而與溫度無(wú)關(guān)。因此，只要準確測出光電編碼器的脈沖個(gè)數，就可確切知道電機的轉速。

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

2 元器件的選擇；

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

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

2．3 D/A器件選用分辨率為16位串行D/A?？刂凭€(xiàn)為三線(xiàn)串行方式，即：一根時(shí)鐘線(xiàn)，一根數據線(xiàn)，一根選通線(xiàn)。

2．4 光電編碼器每轉輸出600個(gè)脈沖，五線(xiàn)制。其中兩根為電源線(xiàn)，三根為脈沖線(xiàn)(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動(dòng)時(shí)A、B兩根線(xiàn)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動(dòng)方向與電機轉速。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(xiàn)為零脈沖線(xiàn),光電編碼器每轉一圈產(chǎn)生一個(gè)脈沖.主要用作計數。A線(xiàn)用來(lái)測量脈沖個(gè)數,B線(xiàn)與A線(xiàn)配合可測量出轉動(dòng)方向.

2．5單片機選用89C51-24PC單片機，晶振頻率為24MHz，用一個(gè)定時(shí)器作計數器來(lái)測量光電編碼器的脈沖個(gè)數，另一個(gè)定時(shí)器精確定時(shí)，這樣可準確測出電機每秒鐘轉動(dòng)的距離，同時(shí)根據設定值計算出電機每秒鐘應轉動(dòng)的理論值并與測量值進(jìn)行比較,將誤差值轉換成數字量輸出到D/A芯片的輸入端，從而改變其電壓輸出，送給伺服系統控制電機的轉速,從而達到恒速的目的。

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

PD=500600/60=5000個(gè)脈沖
對應該轉速伺服系統的輸入電壓應為：
VD=5.000500/1500=1.6666V

當測出的脈沖個(gè)數與計算出的標準值有偏差時(shí),可根據電壓與脈沖個(gè)數的對應關(guān)系計算出輸出給伺服系統的增量電壓△U:

△U=△P5.000/(1500600/60)= △P/3000(V)
而輸出到D/A的數字量的增量應為:
△D=△U216/5.000

電機的整個(gè)工作調節過(guò)程如下:

工作前通過(guò)鍵盤(pán)設定控制轉速,計算出輸出電壓VD并將該電壓對應的輸出到D/A的數字量V數=VD216/5.000算出,直接送給D/A,電機開(kāi)始起動(dòng)運轉。當電機運轉一段時(shí)間后電機轉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)調整后使電機轉速上升，運行時(shí)間越長(cháng)，電機轉速上升越多。這時(shí)系統起動(dòng)位置環(huán)，通過(guò)不斷測量光電編碼器每秒鐘輸出的脈沖個(gè)數，并與標準值PD進(jìn)行比較，計算出增量△P并將之轉換成對應的D/A輸出數字量，在原來(lái)輸出電壓的基礎上減去增量，迫使電機轉速降下來(lái)，當測出的△P近似為零時(shí)停止調節，這樣可將電機轉速始終控制在允許的范圍內。

3 硬件電路的實(shí)現

實(shí)際工作中由于伺服系統工作電流較大，對于微機干擾較大，故在硬件電路設計時(shí)應考慮到系統的隔離和干擾問(wèn)題。由于選用的是串行D/A。信號的傳輸只用三根線(xiàn)，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(xiàn)中的地線(xiàn)可靠接地。光電編碼器的A線(xiàn)做脈沖檢測用，Z線(xiàn)作計數器用，速度輸入用鍵盤(pán)輸入數字，顯示用液晶顯示器。

4 軟件

根據電路的連接情況，采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)了整個(gè)程序?，F將部分闡述如下：

4．1初始化
初始化內容包括定時(shí)器、中斷系統及個(gè)單元內容的初始化

HSTART:MOV SP,#0E0H ;設置堆棧頂地址
MOV IE,#90H ；開(kāi)中斷及串行口中斷允許
MOV IP,#5 ；將定時(shí)器1和串口中斷設置高優(yōu)先權
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(shí)器0為方式1定時(shí)器2為方式2
MOV PCON,#0 ；SMOD=0
MOV SCON,#0D8H ;串口設置成方式3,TB8=1,REN=1
MOV TH1,#0FDH ;設定定時(shí)器1重裝時(shí)間常數
MOV TL1,#0FDH
CLR ET1
SETB REN
SETB ES
MOV TH0,#2CH
MOV TL0,#0
SETB TR0
SETB TR1
……
4．2定時(shí)器0中斷子程序
CLOCK0:CLR ET0 ;保護現場(chǎng)指令
MOV TH0,#2CH ;重置時(shí)間常數
MOV TL0,#0
INC QSE0
MOV A,#14H ;判別1秒鐘定時(shí)到否
CJNE A,QSE0,HCLZ
MOV QSE0,#0 ;計數器清零
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
HCLZ: 恢復現場(chǎng)指令
SETB ET0
RETI ;中斷返回
4．3中斷0計數程序
POST1:CLR EX0
保護現場(chǎng)指令
MOV A,QLLD ;計數器低位加1
ADD A,#1
MOV QLLD,A
MOV A,QLLD+1
ADDC A,#0
MOV QLLD+1,A
恢復現場(chǎng)指令
SETB EX0
RETI
4．4處理程序
處理程序包括加減運算程序、數字轉換程序、D/A輸出程序、實(shí)時(shí)報警程序、數據采集程序等。