計算機控制的位置伺服系統的設計與實現

李傳友

摘要：隨著計算機技術的快速發展，計算機技術控制技術應用領域在逐漸增大，計算機控制位置伺服系統的設計與實現受到較為廣泛地關注。針對計算機控制工作臺位置伺服系統問題進行研究，主要提出了關于 PID 控制計算機控制伺服系統，對相應的硬件、接口原理以及控制軟件工作機制進行相關研究和分析。

關鍵詞：光電編碼器；工作臺；線形功率放大器；可逆計數器

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

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

1 系統組成

計算機控制的位置伺服系統方框圖如圖1所示，采用ISA總線工業控制計算機，經D/A轉換送給伺服功率放大器，驅動直流電動機，同軸安裝光電編碼器，經24位可逆計數卡，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調試程序中，其驅動程序簡單。

2.2 功率放大器

為驅動直流伺服電動機，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 工作臺設計

直線工作臺，絲桿螺距1mm，聯軸節采用電磁離合器，驅動電壓為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換為模擬電壓，當正轉時其輸出為正電壓，反轉時輸出電壓為負，并且輸出電壓的幅值與光電編碼器頻率即電動機轉速成正比。所以不能采用單電源的頻率，像電壓轉換（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。

3 系統建模

3.1 速度環

速度反饋元件仍然用光電編碼器，速度環的反饋信號是經f/V轉換的模擬電壓。速度環仍然是模擬的反饋控制系統。其傳遞函數如圖3所示，因為光電編碼器經四倍頻率后每轉產生2000個脈沖，所以光電編碼器轉速3600r/min時，則f/V的輸入頻率為120kHZ，f/V電路輸出為±12V，符號取決于轉向，故f/V轉換的增益是12V/3600r/min=0.032V/（rad/s）。

通過實驗測得功率放大器增益為6，電動機電樞到轉速的增益為7.62（rad/s）/V，其時間常數為10ms，比給定的機電時間常數大一倍，原因是負載折合到電動機轉軸上的傳動慣量接近電動機的轉動慣量。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

位置環反饋由光電編碼器組成，因為每轉位2000脈沖數，故反饋系數為Kf=318.3/rad。由于采用24位可逆計數器，初值是8000H，故可記錄±4m的長度，而工作臺位移只有160mm，所以計數器不會溢出。因為D/A轉換的數字量0H對應模擬量輸出-10V，而數字量7FFH對應輸出0V，數字量FFH（4095）對應輸出+10V，故傳遞系數為0.00488V/LSB，LSB代表最低有效位，即1個數。

利用數字系統仿真的量化和零階保持器的圖形，可以畫出位置系統模型，見圖4所示，圖中在D/A轉換后面，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。數字PID系數暫定為1，量化器的參數為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個數字量時，可得出反饋數字量的階躍響應輸出曲線，輸出的角位置曲線。其穩態值為0.314rad，調整時間為0.1s，得其D/A轉換輸出曲線。

如果采樣時間為50ms，系統發散。所以在可能的條件下，都把采樣時間取1～5ms以內。

3.3 具有數字PID的計算機控制系統

數字PID的計算機控制系統數學模型如圖5所示，在給定階躍100個數時，其位置反饋的曲線如圖5所示調整時間0.16s.這是在采樣周期2ms的情況下，采樣周期加長，會出現超調。

4 計算機控制系統程序設計

計算機采用工業控制計算機或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

通過以上的研究，不難看出，計算機控制位置伺服系統的設計與實現，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，尤其是關于 PID 帶死區問題的有效解決，這是實現 PID 算法符合要求的關鍵環節；其次在進行系統控制研究過程中，要注重對系統性能的測試，需要利用實際情況，對設計的系統進行檢驗，這樣一來，能夠更好地發掘系統設計過程中存在的問題，并采取有效措施進行解決，以滿足實際發展需求。

參考文獻：

[1] 劉恩杉. 計算機控制位置伺服系統的設計與實現[J].計算機應用技術， 2015（11）.

[2] 梁玉紅. 基于 DSP-NNCPID 的電液位置伺服控制系統的設計[J].北京電子科技學院學報，2010（4）.

[3] 郝君， 李建民， 胡燕. 基于 MATLAB/LABVIEW 電液位置伺服控制系統的設計[J]. 電子世界， 2013（11）.

[4] 樊生文， 鄭凱元， 王澤庭， 等. 直驅式容積控制電液伺服系統設計與實現[J]. 電氣傳動， 2013（9）.