李傳友

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

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

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）20-0215-02

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

1 系統(tǒng)組成

計算機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)控制計算機，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換送給伺服功率放大器，驅(qū)動直流電動機，同軸安裝光電編碼器，經(jīng)24位可逆計數(shù)卡，把編碼器的角度信號送入計算機，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)動程序簡單。

2.2 功率放大器

為驅(qū)動直流伺服電動機，可采用線性功率放大器，也可采用PWM功率放大器。此工作臺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與地接電動機，此時，放大倍數(shù)為3。如果把電動機的兩個端子接到OUT1與OUT2，這樣兩端的電壓Ua=6Uin，最大輸出電壓±30V。

2.3 電動機選擇

2.4 工作臺設(shè)計

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

2.6 定時器卡

外接定時器采用ACL-8454，板上有2個8254芯片，可組成6個通道的計數(shù)器/定時器，用IRQ3引起定時中斷，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轉(zhuǎn)換為模擬電壓，當正轉(zhuǎn)時其輸出為正電壓，反轉(zhuǎn)時輸出電壓為負，并且輸出電壓的幅值與光電編碼器頻率即電動機轉(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，因為光電編碼器經(jīng)四倍頻率后每轉(zhuǎn)產(chǎn)生2000個脈沖，所以光電編碼器轉(zhuǎn)速3600r/min時，則f/V的輸入頻率為120kHZ，f/V電路輸出為±12V，符號取決于轉(zhuǎn)向，故f/V轉(zhuǎn)換的增益是12V/3600r/min=0.032V/（rad/s）。

通過實驗測得功率放大器增益為6，電動機電樞到轉(zhuǎn)速的增益為7.62（rad/s）/V，其時間常數(shù)為10ms，比給定的機電時間常數(shù)大一倍，原因是負載折合到電動機轉(zhuǎn)軸上的傳動慣量接近電動機的轉(zhuǎn)動慣量。由于電動機功率較小，沒有采用電流反饋?？傻茫?/p>

3.2 位置環(huán)

位置環(huán)反饋由光電編碼器組成，因為每轉(zhuǎn)位2000脈沖數(shù)，故反饋系數(shù)為Kf=318.3/rad。由于采用24位可逆計數(shù)器，初值是8000H，故可記錄±4m的長度，而工作臺位移只有160mm，所以計數(shù)器不會溢出。因為D/A轉(zhuǎn)換的數(shù)字量0H對應(yīng)模擬量輸出-10V，而數(shù)字量7FFH對應(yīng)輸出0V，數(shù)字量FFH（4095）對應(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，脈沖當量為0.00314rad。利用MATLAB仿真，當階躍輸入100個數(shù)字量時，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)整時間為0.1s，得其D/A轉(zhuǎn)換輸出曲線。

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

3.3 具有數(shù)字PID的計算機控制系統(tǒng)

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

4 計算機控制系統(tǒng)程序設(shè)計

計算機采用工業(yè)控制計算機或PC/104總線嵌入式微機，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，計算機控制位置伺服系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，要立足于實際情況分析，從實際角度對問題進行考慮。首先在進行PID控制算法過程中，必須要對實際問題進行分析，尤其是關(guān)于 PID 帶死區(qū)問題的有效解決，這是實現(xiàn) PID 算法符合要求的關(guān)鍵環(huán)節(jié)；其次在進行系統(tǒng)控制研究過程中，要注重對系統(tǒng)性能的測試，需要利用實際情況，對設(shè)計的系統(tǒng)進行檢驗，這樣一來，能夠更好地發(fā)掘系統(tǒng)設(shè)計過程中存在的問題，并采取有效措施進行解決，以滿足實際發(fā)展需求。

參考文獻：

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