李輝

【摘 要】以公司某車間小型研磨機(jī)控制系統(tǒng)的技術(shù)研發(fā)為目的，開發(fā)一種新型的小型設(shè)備控制系統(tǒng)，用于替代原有的小型研磨機(jī)控制系統(tǒng)。為此將PID控制技術(shù)和PWM控制技術(shù)引入到系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中去，再加以智能的操作控制算法，在不加大用戶操作難度的前提下，把一個(gè)簡單的控制系統(tǒng)改良成一個(gè)智能的伺服控制系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】PID控制;PWM控制;伺服控制系統(tǒng)

0 前言

研磨機(jī)的研究多數(shù)人著重與機(jī)械部分的研究，而忽略了研磨機(jī)控制系統(tǒng)，因此目前研磨機(jī)控制系統(tǒng)大多是一些簡單的單閉環(huán)控制系統(tǒng)，對(duì)于操作性較強(qiáng)和要求穩(wěn)定性較高的研磨工作，實(shí)在不能勝任，且寬速度調(diào)節(jié)研磨機(jī)很少在中小型研磨機(jī)上實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)目的就在于研究一種能完善解決舊式控制系統(tǒng)所存在的問題與不足，研究的意義在于，通過這次研究改造出一種新型研磨機(jī)，并投入生產(chǎn)。

1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 主控運(yùn)算控制單元

主控運(yùn)算單元是控制系統(tǒng)的算法控制的核心。初步選型時(shí)候都是從ATMEL公司原件庫中選取。在初步選型時(shí)，定位了三種微控制單元，分別是AT89C52、ATmega128、ATxmega64A3。三款芯片特點(diǎn)鮮明、功能各異。如表1所示。

表1 三款控制單元對(duì)比

表格第一列列出的考慮項(xiàng)目的重要排序，第二列是其對(duì)應(yīng)的考慮項(xiàng)目。ATmega128和ATxmega64A3都能充分滿足智能控制系統(tǒng)的主控單元要求。ATxmega64A3外設(shè)資源豐富，處理速度快。ATmega128空間資源豐富，操作電平大眾化。從系統(tǒng)開發(fā)成本方面考慮，ATmega128價(jià)格較低，且無需增加額外的電平轉(zhuǎn)換電路，所以更適合作為控制系統(tǒng)的主控單元。

1.2 電機(jī)與編碼器

綜合扭矩、尺寸和價(jià)格，選擇了maxon的某款稀有金屬無刷高速直流電機(jī)。減速箱采用3249：169的精準(zhǔn)行星齒輪箱，輸出軸為硬質(zhì)不銹鋼，輸出端軸承為滾珠軸承。本系統(tǒng)要求電機(jī)的減速后輸出軸要達(dá)到10-300RPM，其速度跨度大，故需要一個(gè)機(jī)械性能好的減速箱。之所以采用行星齒輪箱而不使用正齒齒輪箱，是因?yàn)殡姍C(jī)轉(zhuǎn)額定轉(zhuǎn)速高。編碼器采用100線的兩相增量式編碼器，即電機(jī)軸每旋轉(zhuǎn)一圈就有100個(gè)脈沖輸出，而且是兩列正交的脈沖，輸出電平為TTL。如圖1所示。通過判斷兩列脈沖的相位就可以判斷出電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。

增量式編碼器的好處是編碼器體積小、輸出信號(hào)簡單容易處理、電機(jī)方向可辨別[1]。

電機(jī)工作10RPM時(shí)，脈沖頻率為 ，

■=16.67Hz（1）

電機(jī)工作10RPM時(shí)，每圈脈沖誤差為 ，

■×100%=6%（2）

電機(jī)工作300RPM時(shí)，脈沖頻率為，

■=500Hz（3）

電機(jī)工作300RPM時(shí)，每圈脈沖分誤差為，

■×100%=0.2%（4）

以上為電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速輸出在最低速和最高速時(shí)的編碼器誤差，這時(shí)的分辨率就相當(dāng)可觀了，且已經(jīng)滿足了精密伺服系統(tǒng)的要求。這也是伺服電機(jī)都要帶上減速箱的原因之一。因此在編碼器選型也應(yīng)該適當(dāng)考慮減速箱減速比，這樣可以更加清晰地得出一個(gè)性價(jià)比最高的組合。

1.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制

功率型器件選取National Semiconductor制造的LMD18200T，如圖2。

1）LMD18200T內(nèi)部輸出電阻僅0.3Ω，且可抵御最高6A電機(jī)泵升電流，無擊穿電壓。

2）集成剎車電路，在任何時(shí)候都可以通過控制剎車引腳來剎停電機(jī)。

圖2 LMD18200T系統(tǒng)架構(gòu)

由于LM18200T內(nèi)部功能完善，顧在搭建其驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，不需要繁雜的輔助電路。

1.4 測(cè)速裝置

如圖3，和ATmega128一樣，最基本的輔助電路，必須要有晶振電路、復(fù)位電路和電源濾波電路。和ATmega128不同的是，ATmega8不需要用到ADC，因此沒有任何的ADC供電電路。從圖中可以看到，ATmega8的PD口用作控制LCD屏，并以此來顯示實(shí)時(shí)速度。引腳12為脈沖的輸入口。

圖3 ATmega8輔助電路

1.5 外圍其他功能電路

本控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是使用兩個(gè)LCD顯示模塊。圖4中，19、20號(hào)引腳為背光燈供電口，通過這個(gè)口可以調(diào)節(jié)背光燈的亮度，這里選用最高亮度。1、2號(hào)引腳為LCD和控制電路供電。剩下的為主機(jī)通訊控制接口。

圖4 LCD顯示電路

2 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

如圖5，是ATmega128的主控單元的流程圖。程序一開始，首先執(zhí)行的是“硬件檢查”程序塊?？刂崎_始前一定要確保所有硬件進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。只要其中任何一個(gè)條件不能達(dá)到，系統(tǒng)都認(rèn)為硬件檢查不能通過，并顯示對(duì)應(yīng)的錯(cuò)誤信息。

圖5 控制系統(tǒng)主體流程圖

3 實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與分析

3.1 測(cè)速裝置結(jié)果與分析

本系統(tǒng)對(duì)測(cè)速裝置進(jìn)行了測(cè)速觀測(cè)，并記錄下了數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)如表2所示。顯示速度和實(shí)際速度的誤差可在誤差列看到，呈一個(gè)上升的趨勢(shì)。

表2 測(cè)速裝置數(shù)據(jù)表

3.2 電機(jī)控制結(jié)果與分析

圖6是電機(jī)的速度響應(yīng)曲線。從圖中，可以看出這是一個(gè)欠阻尼的階躍響應(yīng)。在保證短時(shí)間響應(yīng)同時(shí)兼顧了加速平滑要求。電機(jī)在帶動(dòng)研磨體后慣性增加，但由于Kd的作用使得速度在很對(duì)時(shí)間內(nèi)就上升到了目標(biāo)速度。

圖6 系統(tǒng)抗干擾響應(yīng)曲線

4 結(jié)論

1）對(duì)小容量的伺服系統(tǒng)有了較深刻的理解。分析研究了搭建伺服控制系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)，通過電子電路技術(shù)解決了一些伺服系統(tǒng)運(yùn)行中的問題。

2）解決編碼器信號(hào)長距離傳輸問題。利用電力電子技術(shù)，設(shè)計(jì)了脈沖波形的整形電路，有效地抑制來自長導(dǎo)線的干擾。

3）控制系統(tǒng)操作設(shè)計(jì)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員的操作要求，創(chuàng)新地設(shè)計(jì)控制輸入系統(tǒng)。該操作系統(tǒng)能避免操作過程人為失誤所造成的影響，大大地穩(wěn)定了系統(tǒng)的輸出。

【參考文獻(xiàn)】

[1]He T，Krishnamurthy S，Luo L，et a1.An integrated sensor network system surveillance[J].ACM Transactions on Sensor Networks，2006（1）：1-38.

[2]王名杰.運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)安裝、調(diào)試與維修：直流傳動(dòng)系統(tǒng)的安裝與調(diào)試[M].北京郵電大學(xué)出版社，2009.

[3]張運(yùn)波.電氣控制技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]