介绍一种高精度位置环系统

1、介绍一种高精度位置环系统摘要：本文简要叙述了高精度位置环系统的组成方法，详细阐述了光电编码器在位置环中的应用原理和速度修正方法。概述了单片机及串行D/A的应用。关键词：光电编码器，位置控制，测速发电机， 恒速控制。0 引言：我们在为某单位开发一种高精度恒速泵产品时，需要一种速度调 节范围达1: 100000以上、稳定精度w 0.3%调速系统。我们查阅了国 内有关生产伺服控制系统厂家的产品，几乎没有一家能满足要求。为 了研制该产品，我们经过认真分析，仔细论证后，决定采用光电编码 器作反馈元件，用单片机测出光电编码器每分钟脉冲输出个数，与给定的速度量进行比较然后改变 D/A输出电压幅度，送给伺服系

2、统调整 电机转速，最终将电机速度控制在土 0.3%以内。试验证明该方案是可 行的。现将该系统的组成原理及实现方法作一个简单的介绍。1 实现原理：图1中的系统是传统的带PID调节的直流伺服速度控制系统。对 于控制精度较低的产品虽能满足要求。但对于精度要求高的场合就不 能适应了。这是因为：当电机运转一段时间后，电机温度随着工作时 间加长而不断上升，而反馈元件（测速发电机）与伺服电机同轴连接，故测速发电机的温度也随之升高。因为测速发电机是用永磁磁缸制成， 其转子线圈切割磁力线而产生电势，具值为：Ea=e a 0c N式中 Ea为测速机输出电势£ a为测速机电势常数N为电机转速一般情况下，e

3、a是个常数，测速发电机产生的电势 Ea正比于 转速M而实际上电机温度上升后 £ a已经发生了变化，通常情况下 是下降的，ea变小，故Ea也变小。而此时电机转速并未下降，反 馈到速度环的电压随之上升，促使电机转速上升，迫使Ea上升，从而达到口维持不变。这样，随着电机温度上升，电机的速度也慢 慢上升，而给定值并未改变，这就引起电机转速的误差增大。根据实 际测量一般电机温度每上升100c ,电机转速白误差会增大1 - 3溢 右。电机转速越低，相对误差越大。为了纠正电机转速的偏差，采用 600线/转的光电编码器作反馈 元件，与电机同轴安装，就可以准确测出电机的转速。因为光电编码 器是由激光照

4、射光珊发出脉冲的，而光珊安装在光电编码器的转轴上， 转轴每转一周（3600）编码器就产生600个脉冲，该脉冲只与转轴速 度有关，而与温度无关。因此，只要准确测出光电编码器的脉冲个数， 就可确切知道电机的转速。例如，当电机的转速 ND=1000专/分,则每秒钟光电编码器的脉冲个数应为n 光=1000*600/60=10000 （个脉冲）若ND=1转/分n 光=1*600/60 =10 （个）如果实际测量值与上述理论计算值有偏差，则可以通过调节D/A输出电压调整电机的转速，最终使 n=NDK U-ND 理这样就可以将电机的转速控制在我们所希望的误差范围内。2 元器件的选择；2 . 1伺服系统（速度

5、环）选用 SC5HC6理直流脉宽伺服系统， 调速范围可达1: 10000以上，速度精度为0.5%FS2 . 2电机选用稀土直流宽调速伺服测速机组，与伺服系统构成速 度闭环系统。2 . 3 D/A器件选用分辨率为16位串行D/A。控制线为三线串行 方式，即：一根时钟线，一根数据线，一根选通线。2 . 4光电编码器每转输出600个脉冲，五线制。其中两根为电 源线，三根为脉冲线（A、B、Z）。电源的工作电压为+5+24V直流 电源。工作原理：当光电编码器的轴转动时 A、B两根线都产生脉冲输 出,A、B两相脉冲相差90 0相位角，由此可测出光电编码器转动方 向与电机转速。如果A相脉冲比B相脉冲超前则光

6、电编码器为正转， 否则为反转.Z线为零脉冲线，光电编码器每转一圈产生一个脉冲.主 要用作计数。A线用来测量脉冲个数,B线与A线配合可测量出转动方 向.2 . 5单片机选用89C51-24PCII片机，晶振频率为24MHz用一 个定时器作计数器来测量光电编码器的脉冲个数，另一个定时器精确 定时，这样可准确测出电机每秒钟转动的距离， 同时根据设定值计算 出电机每秒钟应转动的理论值并与测量值进行比较 ，将误差值转换成 数字量输出到D/A芯片的输入端，从而改变其电压输出，送给伺服系 统控制电机的转速，从而达到恒速的目的。例如：要将电机控制在500转/分，根据伺服系统的指标，当输入 为05V信号时，电机

7、转速为1500转/分，故可求得当ND=500专/分时, 光码盘每秒钟输出的脉冲数为：PD=50(X 600/60=5000 个脉冲对应该转速伺服系统的输入电压应为：VD=5.000X 500/1500=1.6666V当测出的脉冲个数与计算出的标准值有偏差时,可根据电压与脉 冲个数的对应关系计算出输出给伺服系统的增量电压U:U=P< 5.000/(1500 X 600/60)= P/3000(V)而输出到D/A的数字量的增量应为：D=UK 216/5.000电机的整个工作调节过程如下：工作前通过键盘设定控制转速，计算出输出电压 VD并将该电压对应的输出到D/A的数字量丫数=丫><

8、; 216/5.000算出，直接送给D/A, 电机开始起动运转。当电机运转一段时间后电机转速不断上升从而导 致测速机磁性下降，测速机输出电势下降，经速度环调整后使电机转 速上升，运行时间越长，电机转速上升越多。这时系统起动位置环， 通过不断测量光电编码器每秒钟输出的脉冲个数，并与标准值PD进行比较，计算出增量P并将之转换成对应的D/A输出数字量，在原来 输出电压的基础上减去增量，迫使电机转速降下来，当测出的P近似 为零时停止调节，这样可将电机转速始终控制在允许的范围内。3 硬件电路的实现实际工作中由于伺服系统工作电流较大， 对于微机干扰较大，故 在硬件电路设计时应考虑到系统的隔离和干扰问题。由

9、于选用的是串行D/A。信号的传输只用三根线，故采取隔离措施相对容易些。而光 电编码器工作也容易受到干扰，因此除了正常的接地外，还要将光电 编码器输出线中的地线可靠接地。光电编码器的A线做脉冲检测用，Z线作计数器用，速度输入用键盘输入数字，显示用液晶显示器。4 软件根据电路的连接情况，采用汇编语言编写了整个程序。现将部分 阐述如下：4 . 1初始化初始化内容包括定时器、中断系统及个单元内容的初始化 HSTART:MOV SP,#0E0H ;设置堆栈顶地址MOV IE,#90H;开中断及串行口中断允许MOV IP,#5;将定时器1和串口中断设置高优先权MOV TCON,#5 ;外中断0和外中断1全

10、部为边沿触发方式MOV TMOD,#21H ;定时器0为方式1定时器2为方式2MOV PCON,#0 ; SMOD=0MOV SCON,#0D8H ;串 口设置成方式 3,TB8=1,REN=1MOV TH1,#0FDH ;设定定时器1重装时间常数MOV TL1,#0FDHCLR ET1SETB RENSETB ESMOV TH0,#2CHMOV TL0,#0SETB TR0SETB TR14 . 2定时器0中断子程序CLOCK0:CLR ET0 ;保护现场指令MOV TH0,#2CH ;重置时间常数MOV TL0,#0INC QSE0CJNE A,QSE0,HCLZMOV QSE0,#0 ;计数器清零MOV A,QSECADD A,#1 ; 秒单元加1DA AMOV QSEC,AMOV A,#5CJNE A,QSEC,HCLZ ;判 5 秒钟到否MOV QSEC,#0 ;秒单元清零CLR EX0 ;关中断0停止计数HCLZ:恢复现场指令SETB ET0RETI ; 中断返回4 . 3中断