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介紹一種高精度位置環(huán)系統(tǒng)
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(xì)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(jī)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(jī)，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(shí)，需要一種速度調(diào)節(jié)范圍達(dá)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(rèn)真分析，仔細(xì)論證后，決定采用光電編碼器作反饋元件，用單片機(jī)測出光電編碼器每分鐘脈沖輸出個(gè)數(shù)，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(tǒng)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，最終將電機(jī)速度控制在±0.3%以內(nèi)。試驗(yàn)證明該方案是可行的。
現(xiàn)將該系統(tǒng)的組成原理及實(shí)現(xiàn)方法作一個(gè)簡單的介紹。
1 實(shí)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?yàn)椋寒?dāng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后，電機(jī)溫度隨著工作時(shí)間加長而不斷上升，而反饋元件（測速發(fā)電機(jī)）與伺服電機(jī)同軸連接，故測速發(fā)電機(jī)的溫度也隨之升高。因?yàn)闇y速發(fā)電機(jī)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(jī)輸出電勢
εa為測速機(jī)電勢常數(shù)
N為電機(jī)轉(zhuǎn)速
一般情況下，εa是個(gè)常數(shù)，測速發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電勢Ea正比于轉(zhuǎn)速N。而實(shí)際上電機(jī)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(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速上升，迫使Ea上升，從而達(dá)到Δu維持不變。這樣，隨著電機(jī)溫度上升，電機(jī)的速度也慢慢上升，而給定值并未改變，這就引起電機(jī)轉(zhuǎn)速的誤差增大。根據(jù)實(shí)際測量一般電機(jī)溫度每上升100℃，電機(jī)轉(zhuǎn)速的誤差會增大1－3%左右。電機(jī)轉(zhuǎn)速越低，相對誤差越大。
為了糾正電機(jī)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(jī)同軸安裝，就可以準(zhǔn)確測出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。因?yàn)楣怆娋幋a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(gè)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(zhǔn)確測出光電編碼器的脈沖個(gè)數(shù)，就可確切知道電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
例如，當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速ND=1000轉(zhuǎn)/分，則每秒鐘光電編碼器的脈沖個(gè)數(shù)應(yīng)為
n光=1000*600/60
=10000（個(gè)脈沖）
若
ND=1轉(zhuǎn)/分
n光=1*600/60 =10（個(gè)）
如果實(shí)際測量值與上述理論計(jì)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(jī)的轉(zhuǎn)速，最終使
Δn=ND測-ND理
這樣就可以將電機(jī)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(dá)1：10000以上，速度精度為0.5%FS。
2．2電機(jī)選用稀土直流寬調(diào)速伺服測速機(jī)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。控制線為三線串行方式，即：一根時(shí)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(gè)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(dāng)光電編碼器的軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)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(dòng)方向與電機(jī)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(gè)脈沖.主要用作計(jì)數(shù)。A線用來測量脈沖個(gè)數(shù),B線與A線配合可測量出轉(zhuǎn)動(dòng)方向.
2．5單片機(jī)選用89C51-24PC單片機(jī)，晶振頻率為24MHz，用一個(gè)定時(shí)器作計(jì)數(shù)器來測量光電編碼器的脈沖個(gè)數(shù)，另一個(gè)定時(shí)器精確定時(shí)，這樣可準(zhǔn)確測出電機(jī)每秒鐘轉(zhuǎn)動(dòng)的距離，同時(shí)根據(jù)設(shè)定值計(jì)算出電機(jī)每秒鐘應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)的理論值并與測量值進(jìn)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(jī)的轉(zhuǎn)速,從而達(dá)到恒速的目的。
例如:要將電機(jī)控制在500轉(zhuǎn)/分,根據(jù)伺服系統(tǒng)的指標(biāo),當(dāng)輸入為0～5V信號時(shí),電機(jī)轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)/分,故可求得當(dāng)ND=500轉(zhuǎn)/分時(shí)，光碼盤每秒鐘輸出的脈沖數(shù)為：
PD=500×600/60=5000個(gè)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(dāng)測出的脈沖個(gè)數(shù)與計(jì)算出的標(biāo)準(zhǔn)值有偏差時(shí),可根據(jù)電壓與脈沖個(gè)數(shù)的對應(yīng)關(guān)系計(jì)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(jī)的整個(gè)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(jì)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(jī)開始起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后電機(jī)轉(zhuǎn)速不斷上升從而導(dǎo)致測速機(jī)磁性下降，測速機(jī)輸出電勢下降，經(jīng)速度環(huán)調(diào)整后使電機(jī)轉(zhuǎn)速上升，運(yùn)行時(shí)間越長，電機(jī)轉(zhuǎn)速上升越多。這時(shí)系統(tǒng)起動(dòng)位置環(huán)，通過不斷測量光電編碼器每秒鐘輸出的脈沖個(gè)數(shù)，并與標(biāo)準(zhǔn)值PD進(jìn)行比較，計(jì)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(jī)轉(zhuǎn)速降下來，當(dāng)測出的△P近似為零時(shí)停止調(diào)節(jié)，這樣可將電機(jī)轉(zhuǎn)速始終控制在允許的范圍內(nèi)。
3 硬件電路的實(shí)現(xiàn)
實(shí)際工作中由于伺服系
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