摘要：采用單片機為控制核心研制開發(fā)的JSQ-200型系列伺服放大器，增加了一些實用功能（如：斷信號保護、過信號保護、堵轉保護、電制動等），大大提高了設備的可靠性和安全性，同時有利于提高整套控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質。 關鍵詞：伺服放大器；單片機；保護；調(diào)節(jié)；堵轉；電制動 0、概述 JSQ-200型系列伺服放大器（以下簡稱伺放）是電動執(zhí)行機構的功率驅動單元。它接收調(diào)節(jié)器或遠方操作器的控制信號和來自電動執(zhí)行機構的位置反饋信號，根據(jù)兩信號的差值控制電動機向減少差值的方向轉動。伺服放大器是將控制信號轉換成電動執(zhí)行機構動作過程的核心單元。 JSQ-200型系列伺放除了具備普通伺放應有的正常功能外，根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場的實際需要還增加了一些特殊功能，以便在更有利的保護設備安全的前提條件下，提高控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質。 1、新增特殊功能 1.1、信號自診斷功能 JSQ-200型系列伺放設置有斷信號保護、過信號保護。在生產(chǎn)現(xiàn)場常常因為各種原因導致控制信號或反饋信號中斷或超出正常范圍（即正常4～20mA的標準信號低于2mA或高于22mA），如接線松動、脫落導致信號過小，或是因設備（調(diào)節(jié)器、計算機I/O通道、位置反饋裝置等）發(fā)生功率管被擊穿導致信號過大等，伺放保護功能啟動，可確保執(zhí)行機構保持在原來的位置，不會因信號故障導致被控執(zhí)行機構全開或全關，進而對生產(chǎn)流程造成影響，同時發(fā)出故障報警信號提醒操作人員注意。 1.2、堵轉保護功能 堵轉（此功能可由撥碼開關在線選擇是否使用）是在生產(chǎn)現(xiàn)場經(jīng)常遇到的一種現(xiàn)象，即當被驅動負載力矩大于電動執(zhí)行機構所能牽引力矩時（常見于執(zhí)行機構因調(diào)整不佳或零點漂移關到0%以下或開100%以上，以及因設備卡澀而導致的停轉），電到動機帶電卻拖不動負載。電動執(zhí)行機構在這種工況下長時間運行會導致電機或電子開關的損壞。 堵轉保護功能就是自動檢測控制系統(tǒng)是否發(fā)生堵轉，當判定發(fā)生堵轉后保護功能啟動，同時發(fā)出故型系障報警信號提醒操作人員注意。使用JSQ-200型系列伺放還可以免去在就地執(zhí)行機構上安裝上、下限位開關。 1.3、電制動功能 電制動功能（此功能可由撥碼開關在線選擇是否使用）是指伺放在電動執(zhí)行機構失去控制驅動電源指令后，發(fā)出指令快速消除電機惰走的作用。減少執(zhí)行機構的惰走時間，就可以提高伺服放大器的控制靈敏度，就意味著整套控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質得到提高，同時可減少電動執(zhí)行機構的機械磨損，降低因更換執(zhí)行機構帶來的成本支出。 1.4、用戶免調(diào)校 由于電路選用了溫度系數(shù)很小的元器件，則電路的穩(wěn)定性、對稱性就很好，電路的參數(shù)和一些技術指標都由軟件固定下來，因此用戶只須在現(xiàn)場用撥碼開關選擇電制動、堵轉保護功能，與執(zhí)行機構配合情況下改變“死區(qū)”設定值，其他均無須調(diào)校。 2、工作原理 伺放以單片機為控制核心，接收來自控制器的指令信號和執(zhí)行機構的位置反饋信號，兩路信號均經(jīng)過轉換，將電流信號轉換為單片機可接收的數(shù)字信號。單片機始終對兩路信號進行檢查，確定信號是否在正常范圍以內(nèi)。信號正常則進行減法運算，其差值再與死區(qū)（即靈敏度）進行比較（死區(qū)大小可通過撥碼開關進行在線選擇），差值小于死區(qū)保持執(zhí)行機構不動，差值大于死區(qū)則驅動電機向減小差值的方向轉動，直到差值小于死區(qū)。單片機會在驅動電機轉動的同時自動進行堵轉判斷，若長時間電機保持一個方向轉動，且反饋信號保持不變，則認為發(fā)生堵轉，CPU會自動切斷電機堵轉方向的控制電源，并輸出報警信號。 單片機會在驅動電機轉動的同時自動進行電制動判斷，當信號差值小于死區(qū)的瞬間發(fā)出制動脈沖，配合電動執(zhí)行機構上的機械制動，可縮短電機惰走時間。 3、硬件電路設計 控制核心選用89C51系列芯片，該芯片為一種帶閃速可編程、可擦除只讀存儲器（PEROM）的低電壓、高性能CMOS 8位微控制器。其特性如下：閃速存貯器、128字節(jié)RAM、I/O線、16位定時/計數(shù)器、兩極中斷源結構、全雙工串行口、精確的模擬比較器、片內(nèi)震蕩器和時鐘電路。 整套電路由CPU、看門狗電路、信號采集電路、功率驅動、電源電路等組成。JSQ-200系列伺放電路原理見圖1。 3.1、看門狗電路 伺放專門設計有軟、硬件配合的自啟動、復位電子狗電路，可保證在發(fā)生程序“走飛”或“死機”的情況下，快速及時的恢復正常工作（時間可控制在0.3s以內(nèi)），確保設備運轉安全。 3.2、信號采集電路 進入伺放的控制信號和位置反饋信號，先后經(jīng)過電流-電壓轉換、濾波、 A/D轉換，最后通過光電隔離耦合引入單片機I/O口。 由于現(xiàn)場不確定因素較多，為避免進入伺放的控制信號和位置反饋信號相互干擾、發(fā)生整套控制系統(tǒng)的“共地”問題，在電路設計中做到了兩個信號采集通道的徹底隔離，包括兩通道的供電、單片機的供電也采用了相互獨立的電源。（電源電路參見圖2） 3.3、功率驅動輸出電路 根據(jù)其他型號伺放在現(xiàn)場的使用情況看，伺放損壞幾率最高的就是功率驅動輸出電路，原因主要是驅動的是有感負載，而感性負載在電子開關斷開時對功率驅動輸出電路會產(chǎn)生反電勢沖擊，特別是隨著執(zhí)行器功率的增大，電動機功率、電感量也隨之增大，伺放功率驅動輸出電路在反電勢沖擊下?lián)p壞的可能性也不斷增加，伺放壽命相應縮短。 JSQ-200系列伺放功率驅動輸出電路采用了可控硅過零觸發(fā)方式，即電子開關控制接通或斷開感性負載電源時，發(fā)生在交流電過零時刻，從而降低了在可控硅開關時，感性負載產(chǎn)生的反電勢與交流電峰值雙重疊加作用在可控硅兩端的電壓。另外還采用了阻容吸收與壓敏電阻釋放并列作用保護電子開關，降低了電子開關斷開時，負載產(chǎn)生的反電勢對其的破壞。電路設計中選用了高反壓雙向可控硅，一方面可以防止電子開關斷開時，因為負載產(chǎn)生的反電勢誘發(fā)可控硅誤導通，提高系統(tǒng)可靠性。另一方面可以防止反電勢擊穿損壞可控硅，提高設備的可靠性以上措施非常實用、有效，幾年來通過幾十臺JSQ-200型系列伺放在現(xiàn)場的使用情況看，無一臺功率驅動輸出電路損壞。 3.4、動態(tài)時間常數(shù)的設置 伺放的動態(tài)時間是常被忽視的重要技術性能，該動態(tài)時間的實際意義還沒有看到有效的解釋或定義，在伺放的技術指標中也沒有注明。伺放的動態(tài)時間常數(shù)直接決定了伺放的響應時間，進而影響伺服放大器的性能和整套控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質。實際使用中，伺放的動態(tài)時間常數(shù)大，對信號的濾波效果就好，系統(tǒng)穩(wěn)定性提高，執(zhí)行器不易發(fā)生震蕩，但系統(tǒng)的動態(tài)響應慢，死區(qū)大（即控制信號與反饋信號差值較大，有的達到3%以上）不利于調(diào)節(jié)品質的提高；反之，有些伺放品種因為響應時間太快，在執(zhí)行器動作的瞬間，位置反饋剛開始變化，伺放就停止功率輸出，結果是執(zhí)行器將本來動作一次完成的（1%左右）分成幾次甚至十幾次，使執(zhí)行機構動作V2極為頻繁，行走卻很慢，很不利系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質的提高，也降低了執(zhí)行器機械制動的使用壽命 伺放的動態(tài)響應時間，不能只通過伺放單體獨立的進行確定或測試，必須與上下游關聯(lián)設備系統(tǒng)一起進行試驗和確定。 JSQ-200伺放的動態(tài)時間常數(shù)主要取決于A/D轉換時間、單片機運算速度以及信號輸入通道的濾波電容，在 A/D轉換時間、單片機運算速度確定后，其中改變?yōu)V波電容是主要的調(diào)節(jié)手段。通過幾年來在現(xiàn)場的大量試驗，最終確定了JSQ-200型系列伺放的動態(tài)時間常數(shù)。 4、軟件設計 軟件通過編制一段準確的定時程序來配合單片機I/O通道的計數(shù)工作，通過統(tǒng)計計數(shù)來讀取控制反饋通道的數(shù)值，并進一步進行運算比較，確定正反轉方向輸出。程序工作流程見圖3。 5、結束語 通過幾年來在生產(chǎn)現(xiàn)場的應用，實踐證明該伺放可保證整套控制系統(tǒng)穩(wěn)定、快速的要求，控制信號與位置信號之差小于1%，調(diào)節(jié)品質比業(yè)內(nèi)其他型號的伺放普遍得到提高。