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

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：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-6128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0.00314rad。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1～5ms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）.

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[4] 樊生文， 郑凯元， 王泽庭， 等. 直驱式容积控制电液伺服系统设计与实现[J]. 电气传动， 2013（9）.