计算机控制的位置伺服系统的设计与实现

1、    计算机控制的位置伺服系统的设计与实现    李传友摘要：随着计算机技术的快速发展，计算机技术控制技术应用领域在逐渐增大，计算机控制位置伺服系统的设计与实现受到较为广泛地关注。针对计算机控制工作台位置伺服系统问题进行研究，主要提出了关于 pid 控制计算机控制伺服系统，对相应的硬件、接口原理以及控制软件工作机制进行相关研究和分析。关键词：光电编码器；工作台；线形功率放大器；可逆计数器：tp311 ：a ：1009-3044（2016）20-0215-02随着计算机技术的不断进步，人们对计算机技术的需求也日益变化，计算机控制的位置伺服器系统在工作中发

2、挥了很大的作用。本文研究一种计算机控制的位置伺服系统，根据pid控制技术，设计适合实际情况的伺服器系统。本系统通过建立模型，运用计算机相关技术，对原有的pid技术进行改进，建立具有数字化的pid计算机控制系统，通过系统模型和数据检测，挖掘出设计中存在问题，并能够及时改正，为今后实际问题的应用提供了技术支持。1 系统组成计算机控制的位置伺服系统方框图如图1所示，采用isa总线工业控制计算机，经d/a转换送给伺服功率放大器，驱动直流电动机，同轴安装光电编码器，经24位可逆计数卡，把编码器的角度信号送入计算机，组成位置反馈。2 部件选择2.1 d/a卡控制量的输出采用adlink公司的acl-612

3、8具有光电隔离的12位d/a模拟量输出卡，其输出为九芯d型插头，通道1端口为212h（高4位）和213（低8位），在debug调试程序中，其驱动程序简单。2.2 功率放大器为驱动直流伺服电动机，可采用线性功率放大器，也可采用pwm功率放大器。此工作台采用线性功率放大器，其原理图如图2所示。线性功率放大器用bb公司的opa541芯片，输出端使用out1与地接电动机，此时，放大倍数为3。如果把电动机的两个端子接到out1与out2，这样两端的电压ua=6uin，最大输出电压±30v。2.3 电动机选择2.4 工作台设计直线工作台，丝杆螺距1mm，联轴节采用电磁离合器，驱动电压为24v。工

4、作台尺寸为40×100，采用铝合金材料，重量0.11kg。2.6 定时器卡外接定时器采用acl-8454，板上有2个8254芯片，可组成6个通道的计数器/定时器，用irq3引起定时中断，基地址是200h。2.7 f/v电路此电路是把光电编码器的频率信号转换为模拟电压，当正转时其输出为正电压，反转时输出电压为负，并且输出电压的幅值与光电编码器频率即电动机转速成正比。所以不能采用单电源的频率，像电压转换（f/v）电路，而是专门制作的电路，这样就可以组成模拟的速度环。3 系统建模3.1 速度环速度反馈元件仍然用光电编码器，速度环的反馈信号是经f/v转换的模拟电压。速度环仍然是模拟的反馈控制

5、系统。其传递函数如图3所示，因为光电编码器经四倍频率后每转产生2000个脉冲，所以光电编码器转速3600r/min时，则f/v的输入频率为120khz，f/v电路输出为±12v，符号取决于转向，故f/v转换的增益是12v/3600r/min=0.032v/（rad/s）。通过实验测得功率放大器增益为6，电动机电枢到转速的增益为7.62（rad/s）/v，其时间常数为10ms，比给定的机电时间常数大一倍，原因是负载折合到电动机转轴上的传动惯量接近电动机的转动惯量。由于电动机功率较小，没有采用电流反馈。可得：3.2 位置环位置环反馈由光电编码器组成，因为每转位2000脉冲数，故反馈系数为

6、kf=318.3/rad。由于采用24位可逆计数器，初值是8000h，故可记录±4m的长度，而工作台位移只有160mm，所以计数器不会溢出。因为d/a转换的数字量0h对应模拟量输出-10v，而数字量7ffh对应输出0v，数字量ffh（4095）对应输出+10v，故传递系数为0.00488v/lsb，lsb代表最低有效位，即1个数。利用数字系统仿真的量化和零阶保持器的图形，可以画出位置系统模型，见图4所示，图中在d/a转换后面，加入零阶保持器，采样周期2ms，后面的饱和特性中其饱和值为±5v。数字pid系数暂定为1，量化器的参数为1，即最小值为1，脉冲当量为0.00314ra

7、d。利用matlab仿真，当阶跃输入100个数字量时，可得出反馈数字量的阶跃响应输出曲线，输出的角位置曲线。其稳态值为0.314rad，调整时间为0.1s，得其d/a转换输出曲线。如果采样时间为50ms，系统发散。所以在可能的条件下，都把采样时间取15ms以内。3.3 具有数字pid的计算机控制系统数字pid的计算机控制系统数学模型如图5所示，在给定阶跃100个数时，其位置反馈的曲线如图5所示调整时间0.16s.这是在采样周期2ms的情况下，采样周期加长，会出现超调。4 计算机控制系统程序设计计算机采用工业控制计算机或pc/104总线嵌入式微机，控制程序采用c语言编写。程序框图如图7所示，采用

8、增量算法，其控制作用为：5 总结通过以上的研究，不难看出，计算机控制位置伺服系统的设计与实现，要立足于实际情况分析，从实际角度对问题进行考虑。首先在进行pid控制算法过程中，必须要对实际问题进行分析，尤其是关于 pid 带死区问题的有效解决，这是实现 pid 算法符合要求的关键环节；其次在进行系统控制研究过程中，要注重对系统性能的测试，需要利用实际情况，对设计的系统进行检验，这样一来，能够更好地发掘系统设计过程中存在的问题，并采取有效措施进行解决，以满足实际发展需求。参考文献：1 刘恩杉. 计算机控制位置伺服系统的设计与实现j.计算机应用技术， 2015（11）.2 梁玉红. 基于 dsp-nncpid 的电液位置伺服控制系统的设计j.北京电子科技学院学报，2010（4）.3 郝君