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，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)。試驗證明該方案是可行的。

    現(xiàn)將該系統(tǒng)的組成原理及實現(xiàn)方法作一個簡單的介紹。

    1   實現(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。這是因為：當(dāng)電機(jī)運轉(zhuǎn)一段時間后，電機(jī)溫度隨著工作時間加長而不斷上升，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。因為測速發(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。因為光電編碼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數(shù)應(yīng)為
                        n光=1000*600/60
                           =10000（個脈沖）
若
                        ND=1轉(zhuǎn)/分
                        n光=1*600/60 =10（個）
如果實際測量值與上述理論計算值有偏差，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)動時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)生一個脈沖.主要用作計數(shù)。A線用來測量脈沖個數(shù),B線與A線配合可測量出轉(zhuǎn)動方向.

    2．5單片機(jī)選用89C51-24PC單片機(jī)，晶振頻率為24MHz，用一個定時器作計數(shù)器來測量光電編碼器的脈沖個數(shù)，另一個定時器精確定時，這樣可準(zhǔn)確測出電機(jī)每秒鐘轉(zhuǎn)動的距離，同時根據(jù)設(shè)定值計算出電機(jī)每秒鐘應(yīng)轉(zhuǎn)動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,電機(jī)轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)/分,故可求得當(dāng)ND=500轉(zhuǎn)/分時，光碼盤每秒鐘輸出的脈沖數(shù)為：

PD=500×600/60=5000個脈沖
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)測出的脈沖個數(shù)與計算出的標(biāo)準(zhǔn)值有偏差時,可根據(jù)電壓與脈沖個數(shù)的對應(yīng)關(guān)系計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)開始起動運轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)運轉(zhuǎn)一段時間后電機(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，運行時間越長，電機(jī)轉(zhuǎn)速上升越多。這時系統(tǒng)起動位置環(huán)，通過不斷測量光電編碼器每秒鐘輸出的脈沖個數(shù)，并與標(biāo)準(zhǔn)值PD進(jìn)行比較，計算出增量△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   硬件電路的實現(xiàn)

    實際工作中由于伺服系統(tǒng)工作電流較大，對于微機(jī)干擾較大，故在硬件電路設(shè)計時應(yīng)考慮到系統(tǒng)的隔離和干擾問題。由于選用的是串行D/A。信號的傳輸只用三根線，故采取隔離措施相對容易些。而光電編碼器工作也容易受到干擾，因此除了正常的接地外，還要將光電編碼器輸出線中的地線可靠接地。光電編碼器的A線做脈沖檢測用，Z線作計數(shù)器用，速度輸入用鍵盤輸入數(shù)字，顯示用液晶顯示器。

    4   軟件

    根據(jù)電路的連接情況，采用匯編語言編寫了整個程序。現(xiàn)將部分闡述如下：

    4． 1初始化
    初始化內(nèi)容包括定時器、中斷系統(tǒng)及個單元內(nèi)容的初始化

HSTART:MOV SP,#0E0H      ;設(shè)置堆棧頂?shù)刂?BR>        MOV IE,#90H      ；開中斷及串行口中斷允許
        MOV IP,#5        ；將定時器1和串口中斷設(shè)置高優(yōu)先權(quán)
        MOV TCON,#5      ;外中斷0和外中斷1全部為邊沿觸發(fā)方式
        MOV TMOD,#21H    ;定時器0為方式1定時器2為方式2
        MOV PCON,#0      ；SMOD=0
        MOV SCON,#0D8H   ;串口設(shè)置成方式3,TB8=1,REN=1
        MOV TH1,#0FDH    ;設(shè)定定時器1重裝時間常數(shù)
        MOV TL1,#0FDH
        CLR ET1
        SETB REN
        SETB ES
        MOV TH0,#2CH
        MOV TL0,#0
        SETB TR0
        SETB TR1
        ……  
4． 2定時器0中斷子程序
CLOCK0:CLR ET0          ;保護(hù)現(xiàn)場指令
        MOV TH0,#2CH    ;重置時間常數(shù)
        MOV TL0,#0
        INC QSE0
        MOV A,#14H          ;判別1秒鐘定時到否
        CJNE A,QSE0,HCLZ
        MOV QSE0,#0         ;計數(shù)器清零
        MOV A,QSEC
        ADD A,#1            ;秒單元加1
        DA A
        MOV QSEC,A
        MOV A,#5
        CJNE A,QSEC,HCLZ    ;判5秒鐘到否
        MOV QSEC,#0         ;秒單元清零
        CLR EX0             ;關(guān)中斷0停止計數(shù)
HCLZ: 恢復(fù)現(xiàn)場指令
      SETB ET0
      RETI         ;中斷返回
4．3中斷0計數(shù)程序
POST1:CLR EX0    
保護(hù)現(xiàn)場指令
       MOV A,QLLD           ;計數(shù)器低位加1
       ADD A,#1
       MOV QLLD,A
       MOV A,QLLD+1
       ADDC A,#0
MOV QLLD+1,A
恢復(fù)現(xiàn)場指令
       SETB EX0
       RETI
4． 4處理程序
處理程序包括加減運算程序、數(shù)字轉(zhuǎn)換程序、D/A輸出程序、實時報警程序、數(shù)據(jù)采集程序等。