摘要 論述伺服系統(tǒng)的構(gòu)成，和CU、DU的設(shè)計(jì)思想及方法。伺服控制系統(tǒng)在工業(yè)部門(mén)運(yùn)用越來(lái)越廣，其主要任務(wù)是快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定、可靠地控制各個(gè)功能部件位置，使功能部件電軸始終對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，完成各類(lèi)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(zhǔn)確、穩(wěn)定、可靠地控制目標(biāo)的位置，使功能部件座架的機(jī)械軸隨控制指令運(yùn)動(dòng)，或使功能部件電軸始終對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，完成各項(xiàng)任務(wù)，并確保功能部件系統(tǒng)安全、可靠、長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作。伺服控制分機(jī)主要由控制單元（CU）、驅(qū)動(dòng)單元（DU）、軸角編碼（PDu）、誤差解調(diào)器安全保護(hù)邏輯，以及安裝在功能部件座架上的執(zhí)行元件、測(cè)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(yùn)動(dòng)的各種控制以及各種控制策略的實(shí)時(shí)計(jì)算與實(shí)施，最終完成對(duì)功能部件精確定位。CU是以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，集控制、監(jiān)視、計(jì)算、故障監(jiān)測(cè)為一體的，對(duì)功能部件實(shí)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(jìn)的控制算法和措施在CU 中實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)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(jì)算機(jī)的通信，系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置和保存。 CU對(duì)主要工作點(diǎn)，如電源電壓、狀態(tài)切換、控保開(kāi)關(guān)等，在工作過(guò)程中進(jìn)行實(shí)時(shí)巡檢，并及時(shí)采取相應(yīng)的處理措施。 驅(qū)動(dòng)單元（DU）是由功率放大、環(huán)路控制、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、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(lèi)同。 驅(qū)動(dòng)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(dú)立的操控功能，便于使用維護(hù)。跟蹤誤差解調(diào)器輸出誤差電壓，CU依據(jù)該電壓進(jìn)行環(huán)路校正計(jì)算，送出控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度信號(hào)，驅(qū)動(dòng)功能部件向誤差減小的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，來(lái)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(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)提供給CU。功能部件座上安裝有多種安全保護(hù)裝置和元件，它們給出了功能的各種狀態(tài)，對(duì)人身安全和設(shè)備安全提供了必要的保障。為此，驅(qū)動(dòng)單元設(shè)有限位開(kāi)關(guān)、鎖定聯(lián)動(dòng)保護(hù)功能。 2 驅(qū)動(dòng)單元（DU） 驅(qū)動(dòng)單元方案擬制的出發(fā)點(diǎn)是在滿足技術(shù)指標(biāo)的前提下，確保設(shè)備能長(zhǎng)期可靠地工作。因此，可靠性設(shè)計(jì)是驅(qū)動(dòng)單元方案考慮的一個(gè)重點(diǎn)。 考慮到對(duì)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(shì)，功能部件驅(qū)動(dòng)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(diǎn)是線路簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，工程繼承性強(qiáng)，可靠性高，維修性好。 方位、俯仰支路均采用單直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)、機(jī)械消隙方案。每個(gè)電機(jī)擁有各自獨(dú)立的速度環(huán)、電流環(huán)、電壓環(huán)和功放，同時(shí)在驅(qū)動(dòng)單元中還設(shè)有控保邏輯電路。 2．1 驅(qū)動(dòng)單元環(huán)路 功能部件驅(qū)動(dòng)單元從原理上講是一個(gè)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(guò)流，改善電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性，為速度環(huán)提供頻率較寬的控制對(duì)象。同時(shí)，為力矩均分和實(shí)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(fù)載擾動(dòng)能力、抗電網(wǎng)擾動(dòng)能力，克服負(fù)載及電機(jī)的非線性特性，擴(kuò)大詞速范圍，提高低速平穩(wěn)性 同時(shí)為位置環(huán)路提供良好的控制對(duì)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(wú)靜差設(shè)計(jì)，速度環(huán)采用二階無(wú)靜差設(shè)計(jì)。 2．2 控保邏輯 為了保證功能部件安全可靠地運(yùn)行，在功能部件座設(shè)置有安全保護(hù)開(kāi)關(guān)，如：手柄聯(lián)鎖、俯仰軸的預(yù)限位、終限位開(kāi)關(guān)以及開(kāi)高壓、聲光報(bào)警。馬達(dá)與功率放大器設(shè)置有過(guò)電壓吸收，浪涌電壓吸收，相序與缺相保護(hù)，過(guò)載保護(hù)、電流限制、自動(dòng)空氣開(kāi)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(fù)的任務(wù)主要為通訊任務(wù)、監(jiān)控任務(wù)和實(shí)時(shí)計(jì)算任務(wù)。 3．1 CU 主要功能 工作方式切換、狀態(tài)顯示，實(shí)時(shí)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(jī)送來(lái)的命令，接收操作手輸入功能。功能部件安全保護(hù)。 3．2 CU 硬件 功能部件控件單元（cu）是以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，集控制、監(jiān)視、計(jì)算于一體，對(duì)功能部件實(shí)現(xiàn)安全可靠的操控。 CU 主要由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（包括各種模板）、顯示器、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等組成. •通信卡，用于與上位機(jī)的通訊。 • A／D卡，模擬量輸入板，用于接收送來(lái)的電平信號(hào)、誤差電壓信號(hào)。 • 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(hào)。 • I／O卡，光電隔離和繼電器隔離IO板，用于實(shí)現(xiàn)與DU之間的控制信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)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(jí)旋變?yōu)闇y(cè)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(jì)，可直接插在PC工控機(jī)箱內(nèi)。具有精度高、易開(kāi)發(fā)、性能穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)。 [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(jì)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(yùn)行是全自動(dòng)化的。實(shí)時(shí)控制部分在后臺(tái)運(yùn)行，對(duì)用戶(hù)是不可見(jiàn)的，用戶(hù)可見(jiàn)是人機(jī)界面部分 實(shí)時(shí)控制軟件首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)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(kāi)始響應(yīng)外部事件和定時(shí)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(jì)中，軟件模塊劃分為四個(gè)主要層次， 自底向上分別為：硬件控制層提供對(duì)端口、中斷、通訊口等硬件資源的訪問(wèn)。所有對(duì)硬件的訪問(wèn)都必須通過(guò)硬件控制層來(lái)進(jìn)行，對(duì)于同一硬件，一次只能有一個(gè)外部模塊對(duì)之進(jìn)行訪問(wèn) 外部模塊需對(duì)硬件控制層模塊的訪問(wèn)權(quán)進(jìn)行申請(qǐng)，擁有控制權(quán)的模塊才能進(jìn)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(gè)設(shè)備，如驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、編碼器、位景環(huán)路等。它封裝了對(duì)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(yùn)行狀態(tài)和動(dòng)作執(zhí)行狀態(tài)，向下通過(guò)硬件控制層與硬件系統(tǒng)的實(shí)際設(shè)備進(jìn)行通訊 人機(jī)界面層 人機(jī)界面層實(shí)現(xiàn)監(jiān)視數(shù)據(jù)的顯示、操作手命令接受等人機(jī)交互工作。人機(jī)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(jìn)行顯示。 5 實(shí)時(shí)控制實(shí)現(xiàn)功能 CU部分程序需要定時(shí)循環(huán)執(zhí)行，如數(shù)據(jù)采樣、自動(dòng)跟蹤、數(shù)字引導(dǎo)等，對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高。因此需要有硬件定時(shí)器定期產(chǎn)生中斷信號(hào)來(lái)提供準(zhǔn)確的定時(shí)。實(shí)時(shí)控制程序模塊作為定時(shí)器中斷的中斷服務(wù)程序來(lái)運(yùn)行。 在CU 的實(shí)時(shí)控制部分需要完成以下工作 •功能部件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)采集及控制，驅(qū)動(dòng)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(hù)邏輯，與上位機(jī)之間的通信。 在CU的人機(jī)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)．西安電子科技大學(xué) 2 研華手冊(cè)．臺(tái)灣研華 3 用戶(hù)手冊(cè)．AD公司 作者簡(jiǎn)介 楊光 男，畢業(yè)于西安電子科技大學(xué)，一直從事計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的研究工作，曾獲得原電子部科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì):PDF