摘要 論述伺服系統(tǒng)的構(gòu)成，和CU、DU的設(shè)計思想及方法。伺服控制系統(tǒng)在工業(yè)部門運用越來越廣，其主要任務(wù)是快速、準確、穩(wěn)定、可靠地控制各個功能部件位置，使功能部件電軸始終對準目標，完成各類任務(wù). 關(guān)鍵詞 CU DU PDU 1 系統(tǒng)構(gòu)成 伺服控制系統(tǒng)的任務(wù)是采取各種控制策略，快速、準確、穩(wěn)定、可靠地控制目標的位置，使功能部件座架的機械軸隨控制指令運動，或使功能部件電軸始終對準目標，完成各項任務(wù)，并確保功能部件系統(tǒng)安全、可靠、長期穩(wěn)定地工作。伺服控制分機主要由控制單元（CU）、驅(qū)動單元（DU）、軸角編碼（PDu）、誤差解調(diào)器安全保護邏輯，以及安裝在功能部件座架上的執(zhí)行元件、測量元件、控保元件組成。 功能部件控制單元（cU）是伺服系統(tǒng)的控制中心。它完成功能部件運動的各種控制以及各種控制策略的實時計算與實施，最終完成對功能部件精確定位。CU是以工業(yè)控制計算機為基礎(chǔ)，集控制、監(jiān)視、計算、故障監(jiān)測為一體的，對功能部件實現(xiàn)安全可靠操控，使用靈活的全數(shù)字化設(shè)備。CU提供了先進的控制算法和措施在CU 中實現(xiàn)對各個軸的位置閉環(huán)控制，PID調(diào)節(jié)器、數(shù)據(jù)的采集、傳送以及與上位計算機的通信，系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置和保存。 CU對主要工作點，如電源電壓、狀態(tài)切換、控保開關(guān)等，在工作過程中進行實時巡檢，并及時采取相應(yīng)的處理措施。 驅(qū)動單元（DU）是由功率放大、環(huán)路控制、驅(qū)動電機、安全控保單元組成。采用成熟的電流環(huán)、速度環(huán)結(jié)構(gòu)、方位、俯抑支路的控制原理和設(shè)備構(gòu)成基本類同。 驅(qū)動單元（DU）除了能接收功能部件控制單元的指令外，本身具有獨立的操控功能，便于使用維護。跟蹤誤差解調(diào)器輸出誤差電壓，CU依據(jù)該電壓進行環(huán)路校正計算，送出控制電機轉(zhuǎn)動的速度信號，驅(qū)動功能部件向誤差減小的方向轉(zhuǎn)動，來完成任務(wù)。 軸角編碼把角度傳感器旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號提供給CU。功能部件座上安裝有多種安全保護裝置和元件，它們給出了功能的各種狀態(tài)，對人身安全和設(shè)備安全提供了必要的保障。為此，驅(qū)動單元設(shè)有限位開關(guān)、鎖定聯(lián)動保護功能。 2 驅(qū)動單元（DU） 驅(qū)動單元方案擬制的出發(fā)點是在滿足技術(shù)指標的前提下，確保設(shè)備能長期可靠地工作。因此，可靠性設(shè)計是驅(qū)動單元方案考慮的一個重點。 考慮到對伺服控制系統(tǒng)的技術(shù)要求，可靠性要求、可維修性要求以及我們所在可控硅功放方面的技術(shù)優(yōu)勢，功能部件驅(qū)動單元的核心部件功率放大器采用單相全波逆并聯(lián)有環(huán)流體制可控硅功率放大器. 采用單相全波逆并聯(lián)有環(huán)流體制SCR功率放大器，其最大優(yōu)點是線路簡單，技術(shù)成熟，工程繼承性強，可靠性高，維修性好。 方位、俯仰支路均采用單直流電機驅(qū)動、機械消隙方案。每個電機擁有各自獨立的速度環(huán)、電流環(huán)、電壓環(huán)和功放，同時在驅(qū)動單元中還設(shè)有控保邏輯電路。 2．1 驅(qū)動單元環(huán)路 功能部件驅(qū)動單元從原理上講是一個電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。設(shè)置電流環(huán)，主要是為了克服力矩控制的死區(qū)和非線性，維持電流可控，不發(fā)生過流，改善電機的動態(tài)特性，為速度環(huán)提供頻率較寬的控制對象。同時，為力矩均分和實現(xiàn)電消隙莫定基礎(chǔ)。 設(shè)置速度環(huán)主要是為了提高抗負載擾動能力、抗電網(wǎng)擾動能力，克服負載及電機的非線性特性，擴大詞速范圍，提高低速平穩(wěn)性 同時為位置環(huán)路提供良好的控制對象。電流調(diào)節(jié)器和速度調(diào)節(jié)器都采用并聯(lián)PID調(diào)節(jié)器，電流環(huán)采用一階無靜差設(shè)計，速度環(huán)采用二階無靜差設(shè)計。 2．2 控保邏輯 為了保證功能部件安全可靠地運行，在功能部件座設(shè)置有安全保護開關(guān)，如：手柄聯(lián)鎖、俯仰軸的預(yù)限位、終限位開關(guān)以及開高壓、聲光報警。馬達與功率放大器設(shè)置有過電壓吸收，浪涌電壓吸收，相序與缺相保護，過載保護、電流限制、自動空氣開關(guān)和熔斷器等。 3 控制單元（CU） 從系統(tǒng)原理框圖中不難看出，CU 所擔(dān)負的任務(wù)主要為通訊任務(wù)、監(jiān)控任務(wù)和實時計算任務(wù)。 3．1 CU 主要功能 工作方式切換、狀態(tài)顯示，實時數(shù)據(jù)記錄、事后打印，功能部件軸角編碼和顯示，接收上位機送來的命令，接收操作手輸入功能。功能部件安全保護。 3．2 CU 硬件 功能部件控件單元（cu）是以工業(yè)控制計算機系統(tǒng)為基礎(chǔ)，集控制、監(jiān)視、計算于一體，對功能部件實現(xiàn)安全可靠的操控。 CU 主要由工業(yè)控制計算機（包括各種模板）、顯示器、鍵盤、鼠標等組成. •通信卡，用于與上位機的通訊。 • A／D卡，模擬量輸入板，用于接收送來的電平信號、誤差電壓信號。 • D／A卡，2通道模擬量輸出板，用于向DU發(fā)送速度指令信號。 • I／O卡，光電隔離和繼電器隔離IO板，用于實現(xiàn)與DU之間的控制信號和狀態(tài)信號的接口。以及各種數(shù)字量信息。 • 編碼卡：自行研制的符合ISA總線的角度編碼板。 軸角編碼器選用多級旋變?yōu)闇y角元件、RDC為核心的轉(zhuǎn)換電路。軸角編碼器做成板卡結(jié)構(gòu)，按ISA總線設(shè)計，可直接插在PC工控機箱內(nèi)。具有精度高、易開發(fā)、性能穩(wěn)定可靠的特點。 [b]4 CU軟件 4．1 軟件總體描述[/b] 軟件是設(shè)備的靈魂和神經(jīng)。其主要任務(wù)是指揮協(xié)調(diào)硬設(shè)備完成相應(yīng)的功能。宏觀上講，軟件功能主要包括通訊功能、控制功能、計算功能、監(jiān)視功能、數(shù)據(jù)采集功能、顯示功能等。系統(tǒng)軟件的運行是全自動化的。實時控制部分在后臺運行，對用戶是不可見的，用戶可見是人機界面部分 實時控制軟件首先對系統(tǒng)進行初始化，包括端口初始化，數(shù)據(jù)初始化，變量初始化等。初始化結(jié)束后才開始響應(yīng)外部事件和定時事件。 4．2 軟件的模塊層次劃分 按上述規(guī)定的原則，在軟件系統(tǒng)設(shè)計中，軟件模塊劃分為四個主要層次， 自底向上分別為：硬件控制層提供對端口、中斷、通訊口等硬件資源的訪問。所有對硬件的訪問都必須通過硬件控制層來進行，對于同一硬件，一次只能有一個外部模塊對之進行訪問 外部模塊需對硬件控制層模塊的訪問權(quán)進行申請，擁有控制權(quán)的模塊才能進行硬件操作。硬件控制層模塊向設(shè)備控制層模塊提供服務(wù)。 設(shè)備控制層 設(shè)備控制層模塊虛擬功能部件跟蹤分系統(tǒng)中的各個設(shè)備，如驅(qū)動機構(gòu)、編碼器、位景環(huán)路等。它封裝了對各設(shè)備的接口協(xié)議和操作，并采集設(shè)備的狀態(tài) 設(shè)備控制層向上提供設(shè)備的連接狀態(tài)、運行狀態(tài)和動作執(zhí)行狀態(tài)，向下通過硬件控制層與硬件系統(tǒng)的實際設(shè)備進行通訊 人機界面層 人機界面層實現(xiàn)監(jiān)視數(shù)據(jù)的顯示、操作手命令接受等人機交互工作。人機界面向設(shè)備控制層中的虛擬設(shè)備索取設(shè)備的數(shù)據(jù)和狀態(tài)，向應(yīng)用管理層中的管理模塊索取系統(tǒng)的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)進行顯示。 5 實時控制實現(xiàn)功能 CU部分程序需要定時循環(huán)執(zhí)行，如數(shù)據(jù)采樣、自動跟蹤、數(shù)字引導(dǎo)等，對實時性要求較高。因此需要有硬件定時器定期產(chǎn)生中斷信號來提供準確的定時。實時控制程序模塊作為定時器中斷的中斷服務(wù)程序來運行。 在CU 的實時控制部分需要完成以下工作 •功能部件運動狀態(tài)采集及控制，驅(qū)動單元工作狀態(tài)采集及控制，角度編碼，數(shù)據(jù)采集，各種工作方式處理及控制保護邏輯，與上位機之間的通信。 在CU的人機界面部分主要完成以下工作. • 系統(tǒng)工作狀態(tài)、故障信息的顯示，操作手操作命令轄人，各工作方式下參數(shù)的輸人，系統(tǒng)設(shè)置. 參考資料 1 李學(xué)干．計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)．西安電子科技大學(xué) 2 研華手冊．臺灣研華 3 用戶手冊．AD公司 作者簡介 楊光 男，畢業(yè)于西安電子科技大學(xué)，一直從事計算機控制技術(shù)的研究工作，曾獲得原電子部科技進步二等獎。 伺服系統(tǒng)設(shè)計:PDF