介绍一种高精度位置环系统

　　摘要：本文简要叙述了高精度位置环系统的组成方法，详细阐述了光电编码器在位置环中的应用原理和速度修正方法。概述了单片机及串行D/A的应用。
　　关键词：光电编码器，位置控制，测速发电机，恒速控制。
　　
　　0引言：
　　
　　我们在为某单位开发一种高精度恒速泵产品时，需要一种速度调节范围达1：100000以上﹑稳定精度≤0.3%调速系统。我们查阅了国内有关生产伺服控制系统厂家的产品，几乎没有一家能满足要求。为了研制该产品，我们经过认真分析，仔细论证后，决定采用光电编码器作反馈元件，用单片机测出光电编码器每分钟脉冲输出个数，与给定的速度量进行比较然后改变D/A输出电压幅度，送给伺服系统调整电机转速，最终将电机速度控制在±0.3%以内。试验证明该方案是可行的。
　　
　　现将该系统的组成原理及实现方法作一个简单的介绍。
　　
　　1实现原理：
　　
　　
　　
　　图1中的系统是传统的带PID调节的直流伺服速度控制系统。对于控制精度较低的产品虽能满足要求。但对于精度要求高的场合就不能适应了。这是因为：当电机运转一段时间后，电机温度随着工作时间加长而不断上升，而反馈元件（测速发电机）与伺服电机同轴连接，故测速发电机的温度也随之升高。因为测速发电机是用永磁磁缸制成，其转子线圈切割磁力线而产生电势，其值为：
　　
　　Ea=εa∝N
　　式中Ea为测速机输出电势
　　εa为测速机电势常数
　　N为电机转速
　　
　　一般情况下，εa是个常数，测速发电机产生的电势Ea正比于转速N。而实际上电机温度上升后εa已经发生了变化，通常情况下是下降的，εa变小，故Ea也变小。而此时电机转速并未下降，反馈到速度环的电压Δu随之上升，促使电机转速上升，迫使Ea上升，从而达到Δu维持不变。这样，随着电机温度上升，电机的速度也慢慢上升，而给定值并未改变，这就引起电机转速的误差增大。根据实际测量一般电机温度每上升100℃，电机转速的误差会增大1－3%左右。电机转速越低，相对误差越大。
　　
　　为了纠正电机转速的偏差，采用600线/转的光电编码器作反馈元件，与电机同轴安装，就可以准确测出电机的转速。因为光电编码器是由激光照射光珊发出脉冲的，而光珊安装在光电编码器的转轴上，转轴每转一周（3600）编码器就产生600个脉冲，该脉冲只与转轴速度有关，而与温度无关。因此，只要准确测出光电编码器的脉冲个数，就可确切知道电机的转速。
　　
　　例如，当电机的转速ND=1000转/分，则每秒钟光电编码器的脉冲个数应为
　　n光=1000*600/60
　　=10000（个脉冲）
　　若
　　ND=1转/分
　　n光=1*600/60=10（个）
　　如果实际测量值与上述理论计算值有偏差，则可以通过调节D/A输出电压调整电机的转速，最终使
　　Δn=ND测-ND理
　　这样就可以将电机的转速控制在我们所希望的误差范围内。
　　
　　2元器件的选择；
　　
　　2．1伺服系统（速度环）选用SＣ5HC60型直流脉宽伺服系统，调速范围可达1：10000以上，速度精度为0.5%FS。
　　
　　2．2电机选用稀土直流宽调速伺服测速机组,与伺服系统构成速度闭环系统。
　　
　　2．3D/A器件选用分辨率为16位串行D/A。控制线为三线串行方式，即：一根时钟线，一

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