摘要：采用單片機(jī)為控制核心研制開(kāi)發(fā)的JSQ-200型系列伺服放大器，增加了一些實(shí)用功能（如：斷信號(hào)保護(hù)、過(guò)信號(hào)保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)、電制動(dòng)等），大大提高了設(shè)備的可靠性和安全性，同時(shí)有利于提高整套控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)。 關(guān)鍵詞：伺服放大器；單片機(jī)；保護(hù)；調(diào)節(jié)；堵轉(zhuǎn)；電制動(dòng) 0、概述 JSQ-200型系列伺服放大器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)伺放）是電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功率驅(qū)動(dòng)單元。它接收調(diào)節(jié)器或遠(yuǎn)方操作器的控制信號(hào)和來(lái)自電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置反饋信號(hào)，根據(jù)兩信號(hào)的差值控制電動(dòng)機(jī)向減少差值的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。伺服放大器是將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作過(guò)程的核心單元。 JSQ-200型系列伺放除了具備普通伺放應(yīng)有的正常功能外，根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需要還增加了一些特殊功能，以便在更有利的保護(hù)設(shè)備安全的前提條件下，提高控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)。 1、新增特殊功能 1.1、信號(hào)自診斷功能 JSQ-200型系列伺放設(shè)置有斷信號(hào)保護(hù)、過(guò)信號(hào)保護(hù)。在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)常常因?yàn)楦鞣N原因?qū)е驴刂菩盘?hào)或反饋信號(hào)中斷或超出正常范圍（即正常4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)低于2mA或高于22mA），如接線松動(dòng)、脫落導(dǎo)致信號(hào)過(guò)小，或是因設(shè)備（調(diào)節(jié)器、計(jì)算機(jī)I/O通道、位置反饋裝置等）發(fā)生功率管被擊穿導(dǎo)致信號(hào)過(guò)大等，伺放保護(hù)功能啟動(dòng)，可確保執(zhí)行機(jī)構(gòu)保持在原來(lái)的位置，不會(huì)因信號(hào)故障導(dǎo)致被控執(zhí)行機(jī)構(gòu)全開(kāi)或全關(guān)，進(jìn)而對(duì)生產(chǎn)流程造成影響，同時(shí)發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)提醒操作人員注意。 1.2、堵轉(zhuǎn)保護(hù)功能 堵轉(zhuǎn)（此功能可由撥碼開(kāi)關(guān)在線選擇是否使用）是在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常遇到的一種現(xiàn)象，即當(dāng)被驅(qū)動(dòng)負(fù)載力矩大于電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)所能牽引力矩時(shí)（常見(jiàn)于執(zhí)行機(jī)構(gòu)因調(diào)整不佳或零點(diǎn)漂移關(guān)到0%以下或開(kāi)100%以上，以及因設(shè)備卡澀而導(dǎo)致的停轉(zhuǎn)），電到動(dòng)機(jī)帶電卻拖不動(dòng)負(fù)載。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在這種工況下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致電機(jī)或電子開(kāi)關(guān)的損壞。 堵轉(zhuǎn)保護(hù)功能就是自動(dòng)檢測(cè)控制系統(tǒng)是否發(fā)生堵轉(zhuǎn)，當(dāng)判定發(fā)生堵轉(zhuǎn)后保護(hù)功能啟動(dòng)，同時(shí)發(fā)出故型系障報(bào)警信號(hào)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(jī)構(gòu)上安裝上、下限位開(kāi)關(guān)。 1.3、電制動(dòng)功能 電制動(dòng)功能（此功能可由撥碼開(kāi)關(guān)在線選擇是否使用）是指伺放在電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)失去控制驅(qū)動(dòng)電源指令后，發(fā)出指令快速消除電機(jī)惰走的作用。減少執(zhí)行機(jī)構(gòu)的惰走時(shí)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(zhì)得到提高，同時(shí)可減少電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)械磨損，降低因更換執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶來(lái)的成本支出。 1.4、用戶(hù)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(duì)稱(chēng)性就很好，電路的參數(shù)和一些技術(shù)指標(biāo)都由軟件固定下來(lái)，因此用戶(hù)只須在現(xiàn)場(chǎng)用撥碼開(kāi)關(guān)選擇電制動(dòng)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)功能，與執(zhí)行機(jī)構(gòu)配合情況下改變“死區(qū)”設(shè)定值，其他均無(wú)須調(diào)校。 2、工作原理 伺放以單片機(jī)為控制核心，接收來(lái)自控制器的指令信號(hào)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置反饋信號(hào)，兩路信號(hào)均經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可接收的數(shù)字信號(hào)。單片機(jī)始終對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行檢查，確定信號(hào)是否在正常范圍以?xún)?nèi)。信號(hào)正常則進(jìn)行減法運(yùn)算，其差值再與死區(qū)（即靈敏度）進(jìn)行比較（死區(qū)大小可通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)進(jìn)行在線選擇），差值小于死區(qū)保持執(zhí)行機(jī)構(gòu)不動(dòng)，差值大于死區(qū)則驅(qū)動(dòng)電機(jī)向減小差值的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，直到差值小于死區(qū)。單片機(jī)會(huì)在驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)自動(dòng)進(jìn)行堵轉(zhuǎn)判斷，若長(zhǎng)時(shí)間電機(jī)保持一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，且反饋信號(hào)保持不變，則認(rèn)為發(fā)生堵轉(zhuǎn)，CPU會(huì)自動(dòng)切斷電機(jī)堵轉(zhuǎn)方向的控制電源，并輸出報(bào)警信號(hào)。 單片機(jī)會(huì)在驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)自動(dòng)進(jìn)行電制動(dòng)判斷，當(dāng)信號(hào)差值小于死區(qū)的瞬間發(fā)出制動(dòng)脈沖，配合電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)上的機(jī)械制動(dòng)，可縮短電機(jī)惰走時(shí)間。 3、硬件電路設(shè)計(jì) 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(chǔ)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(shí)/計(jì)數(shù)器、兩極中斷源結(jié)構(gòu)、全雙工串行口、精確的模擬比較器、片內(nèi)震蕩器和時(shí)鐘電路。 整套電路由CPU、看門(mén)狗電路、信號(hào)采集電路、功率驅(qū)動(dòng)、電源電路等組成。JSQ-200系列伺放電路原理見(jiàn)圖1。 3.1、看門(mén)狗電路 伺放專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)有軟、硬件配合的自啟動(dòng)、復(fù)位電子狗電路，可保證在發(fā)生程序“走飛”或“死機(jī)”的情況下，快速及時(shí)的恢復(fù)正常工作（時(shí)間可控制在0.3s以?xún)?nèi)），確保設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)安全。 3.2、信號(hào)采集電路 進(jìn)入伺放的控制信號(hào)和位置反饋信號(hào)，先后經(jīng)過(guò)電流-電壓轉(zhuǎn)換、濾波、 A/D轉(zhuǎn)換，最后通過(guò)光電隔離耦合引入單片機(jī)I/O口。 由于現(xiàn)場(chǎng)不確定因素較多，為避免進(jìn)入伺放的控制信號(hào)和位置反饋信號(hào)相互干擾、發(fā)生整套控制系統(tǒng)的“共地”問(wèn)題，在電路設(shè)計(jì)中做到了兩個(gè)信號(hào)采集通道的徹底隔離，包括兩通道的供電、單片機(jī)的供電也采用了相互獨(dú)立的電源。（電源電路參見(jiàn)圖2） 3.3、功率驅(qū)動(dòng)輸出電路 根據(jù)其他型號(hào)伺放在現(xiàn)場(chǎng)的使用情況看，伺放損壞幾率最高的就是功率驅(qū)動(dòng)輸出電路，原因主要是驅(qū)動(dòng)的是有感負(fù)載，而感性負(fù)載在電子開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)對(duì)功率驅(qū)動(dòng)輸出電路會(huì)產(chǎn)生反電勢(shì)沖擊，特別是隨著執(zhí)行器功率的增大，電動(dòng)機(jī)功率、電感量也隨之增大，伺放功率驅(qū)動(dòng)輸出電路在反電勢(shì)沖擊下?lián)p壞的可能性也不斷增加，伺放壽命相應(yīng)縮短。 JSQ-200系列伺放功率驅(qū)動(dòng)輸出電路采用了可控硅過(guò)零觸發(fā)方式，即電子開(kāi)關(guān)控制接通或斷開(kāi)感性負(fù)載電源時(shí)，發(fā)生在交流電過(guò)零時(shí)刻，從而降低了在可控硅開(kāi)關(guān)時(shí)，感性負(fù)載產(chǎn)生的反電勢(shì)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(hù)電子開(kāi)關(guān)，降低了電子開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，負(fù)載產(chǎn)生的反電勢(shì)對(duì)其的破壞。電路設(shè)計(jì)中選用了高反壓雙向可控硅，一方面可以防止電子開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，因?yàn)樨?fù)載產(chǎn)生的反電勢(shì)誘發(fā)可控硅誤導(dǎo)通，提高系統(tǒng)可靠性。另一方面可以防止反電勢(shì)擊穿損壞可控硅，提高設(shè)備的可靠性以上措施非常實(shí)用、有效，幾年來(lái)通過(guò)幾十臺(tái)JSQ-200型系列伺放在現(xiàn)場(chǎng)的使用情況看，無(wú)一臺(tái)功率驅(qū)動(dòng)輸出電路損壞。 3.4、動(dòng)態(tài)時(shí)間常數(shù)的設(shè)置 伺放的動(dòng)態(tài)時(shí)間是常被忽視的重要技術(shù)性能，該動(dòng)態(tài)時(shí)間的實(shí)際意義還沒(méi)有看到有效的解釋或定義，在伺放的技術(shù)指標(biāo)中也沒(méi)有注明。伺放的動(dòng)態(tài)時(shí)間常數(shù)直接決定了伺放的響應(yīng)時(shí)間，進(jìn)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(zhì)。實(shí)際使用中，伺放的動(dòng)態(tài)時(shí)間常數(shù)大，對(duì)信號(hào)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(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，死區(qū)大（即控制信號(hào)與反饋信號(hào)差值較大，有的達(dá)到3%以上）不利于調(diào)節(jié)品質(zhì)的提高；反之，有些伺放品種因?yàn)轫憫?yīng)時(shí)間太快，在執(zhí)行器動(dòng)作的瞬間，位置反饋剛開(kāi)始變化，伺放就停止功率輸出，結(jié)果是執(zhí)行器將本來(lái)動(dòng)作一次完成的（1%左右）分成幾次甚至十幾次，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作V2極為頻繁，行走卻很慢，很不利系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)的提高，也降低了執(zhí)行器機(jī)械制動(dòng)的使用壽命 伺放的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間，不能只通過(guò)伺放單體獨(dú)立的進(jìn)行確定或測(cè)試，必須與上下游關(guān)聯(lián)設(shè)備系統(tǒng)一起進(jìn)行試驗(yàn)和確定。 JSQ-200伺放的動(dòng)態(tài)時(shí)間常數(shù)主要取決于A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間、單片機(jī)運(yùn)算速度以及信號(hào)輸入通道的濾波電容，在 A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間、單片機(jī)運(yùn)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(guò)幾年來(lái)在現(xiàn)場(chǎng)的大量試驗(yàn)，最終確定了JSQ-200型系列伺放的動(dòng)態(tài)時(shí)間常數(shù)。 4、軟件設(shè)計(jì) 軟件通過(guò)編制一段準(zhǔn)確的定時(shí)程序來(lái)配合單片機(jī)I/O通道的計(jì)數(shù)工作，通過(guò)統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)來(lái)讀取控制反饋通道的數(shù)值，并進(jìn)一步進(jìn)行運(yùn)算比較，確定正反轉(zhuǎn)方向輸出。程序工作流程見(jiàn)圖3。 5、結(jié)束語(yǔ) 通過(guò)幾年來(lái)在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用，實(shí)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(hào)與位置信號(hào)之差小于1%，調(diào)節(jié)品質(zhì)比業(yè)內(nèi)其他型號(hào)的伺放普遍得到提高。