[科普中国]-自动位置控制系统

简介

自动位置控制系统是指用来控制被控对象的某种状态或某个过程，使其输出量能自动地、连续地、精确地复现或跟踪输入量的变化规律。其控制行为的主要特征表现为输出“服从”输入，输出“跟随”输入。自动位置控制系统运用越来越广泛，大至控制上吨重的巨型雷达天线，小至用音圈电机来控制电视放像机的激光头。从国防、工业生产、交通运输到家庭生活，它的应用几乎遍及社会的各个领域。

控制方式传统控制系统分为开环和闭环两种控制方式。开环控制系统完全根据指令驱动伺服电动机和传动机构，不对实际的位置进行反馈控制，故无需进行位置检测，结构简单，成本较低，但控制精度只能靠伺服系统本身的传动精度来保证。开环伺服系统一般采用步进电机，控制器将指令信号转变成与步进电机进角对应的脉冲，功率放大器为电力电子器件构成的主电路，将脉冲信号变换成步进电机的驱动信号。步进电机还存在失步危险，控制精度有限，所以开环位置控制系统主要用以早期简易数控机床及对其他控制精度要求不高的场合。

闭环位置控制系统在开环控制的基础上增加了位置反馈，通过位置反馈实现位置的闭环控制，以达到更高的控制精度。也就是我们说的自动位置控制系统。一般闭环控制系统对转速和转矩(电流)进行反馈和闭环控制，作为位置的控制的内环。位置反馈装置实现位置的检测，位置反馈信号来源于传动机构输出环节的系统称为全闭环位置系统，位置反馈信号来源于执行机构即电动机转轴的系统称为半闭环位置系统。

组成自动位置控制系统有电机、功率驱动器、控制器和传感器四大部分组成，除了位置传感器外，可能还需要电压、电流和速度传感器。

电机电机是系统的执行机构，在小功率系统中多用永磁式电动机，如永磁式直流电机、直流无刷电动机、永磁式交流电动机，也可采用步进式电动机，在大功率或较大功率的情况下也可以采用的电磁的直流或交流电动机。

从电动机结构和数学模型来看，电动机和调速电机无本质上的区别，一般来说，电动机的转动惯量小于调速电动机，低速和零速带载性能优于调速电机。由于直流电机具有机械换向器，应用场合受到限制，维护工作量大，目前常用到的是交流电动机或直流无刷电动机1。

功率驱动器功率驱动器主要其功率放大作用，根据不同电机的需要，输出合适的电压和频率（对于交流电动机），控制电动机的转矩和转速，满足系统的实际要求，达到预定的性能指标。由于电机需要四象限运动，故功率驱动必须是可逆的，中、小功率的系统常用IGBT或Power-MOSFET构成的PWM变换器。

控制器控制器是系统的关键所在，系统的控制规律体现在控制器上，控制器应根据位置给定信号和反馈信号，经过必要的控制算法，产生功率驱动器的控制信号。位置系统的控制器也经历由模拟控制向计算机数字控制发展过程。

早期的控制系统采用模拟控制器和模拟位置传感器，系统定位精度和性能不够理想。随着计算机控制技术的发展，计算机数字控制逐渐取代模拟控制的系统，现在计算机数字的系统已经占据主导地位。计算机数字控制具有一般模拟控制难以实现的数据通信、复杂逻辑和数据处理、故障判断等功能，配以高精度的数字位置传感器，可提高系统的定位精度，改善系统的动态性能。

位置传感器精确而可靠地发出位置给定信号并检测被控对象的实际位置是位置伺服系统工作良好的基本保证。位置传感器将具有的直线或角度位移转换成模拟的或数字的电量，再通过信号处理电路或相应的算法，形成与控制器输入量相匹配的位置信号，然后根据位置偏差信号实施控制，最终消除偏差。

硬件给定模块和反馈传感器为了实现给定模块的给定信号与反馈传感反馈的信号实现信号匹配，在选择硬件分析时，因同时分析给定模块硬件选着方案：

方案一：设计键盘按键给定位置信号；

方案二：采用某传感器，将机械转盘给定角度信号转换为一定规律的电信号，通过采样实现单片机对信号的获取。

方案一虽然能直接提供数字信号，无需数模转换，单片机就可获取给定信号。但由于给定信号与反馈信号要实现匹配，以及与实际位置的匹配，需要大量实验，而且在程序设计和整个系统设计上会增加难度。

方案二虽然给定信号需要传感器转换为模拟电信号，需要对其进行模数转换，但如果反馈信号以同型号传感器获取，得到的两种信号就会完全对应。这样对于整个系统实现起来会简单很多。

反馈所用传感器选择：

反馈所用的传感器实现的是角度的检测，在系统中，采用的测角传感器有电位计、自整角机、旋转变压器、差动变压器、微同步器、光电编码器等等。

就结构而言，电位计最简单，电路实现起来也简单。在成本上，电位计也很便宜。对电位计建立数学模型也是十分简单的。电位计有直线位移式和旋转式，可以用直流供电也可以用交流供电，电阻与滑臂转角或位移呈线性关系也可以呈非线性关系。为了方便，在这个系统中，电位计采用旋转式的，用直流供电，电阻与滑臂转角呈线性关系的。

因此，给定模块和反馈所用的传感器均采用同种型号的旋转式线性电位计。

模数转换器由于旋转电位计输出为模拟信号，单片机只能识别数字信号，为实现单片对给定信号和反馈信号的采样，模拟信号需要通过模数转换器转化为数字信号。

模数转换器有8位、10位、12位、16位等，可以把传感器能测角度范围分成2的N次方减1等分。所以旋转电位计能转动的最大角度和模数转换器的位数会直接影响系统精度。在设计要求中没有提精度要求，因此采用8位模数转换器，可以节省资金。另外模拟信号输入端至少有两个，才能实现对给定信号和反馈信号的采样。按转换过程，AD转换器可分为直接型和间接型。常用的模数转换器三种型号：并行比较型，逐次比较型和双积分型。并联比较型AD转换器转换速度最快，但内部结构复杂，因而价格也最贵。双积分型AD转换器的转换速度最慢，而逐次比较型AD转换器的转换速度较双积分型的转换速度快，内部结构也没有并联比较型的复杂，自然较为便宜，因此选择8位逐次比较型AD转换器。

单片机单片机在系统中的功能有实现位置采样，对数据进行处理以实现控制，形成PWM信号和方向信号。对于其存储单元来说，至少也是8位，才能与使用的模数转换器相适应。51、52系列的单片机的内存储单元是8位，能满足要求。其时钟频率也有一定的要求，这要根据PWM驱动装置对PWM信号要求，模数转化器对采样频率控制信号来确定。另外由于系统要控制PWM信号频率和采样频率，为方便控制和提高系统精度单片机需要有三个时钟，或采用两单片机控制。我们可以采用一片两时钟单片机实现控制。

程序单片机控制程序和位置检测程序为了使系统尽量近似线性化，要求PWM驱动装置输出的电流频率越高越好，这就要求信号的频率很高。根据选用的模数转换器驱动装置，它的最高工作频率可以达到500kHz。而根据控制器与变换器的动态数学模型可以知道，当开关频率达到10kHz时，在一般的电力拖动系统中，控制器与变换器的动态数学模型就近似于一个一阶惯性环节。

由于位置给定不是通过键盘给定，而是通过旋转电位计给定，因此位置检测程序包含两个过程，一部分是对给定信号的检测，另一部分是对反馈信号的检测。这个过程就是采样过程。单片机对位置信号进行采样要利用到模数转换器，数模转换器需要一个时钟信号，来决定其数模转换器对转换速度。这样位置检测程序就有包括两个功能，一个是产生时钟信号给模数转化器，另外一个是从模数转换器中获取位置的数字信号。时钟信号的产生由一个定时器计数器控制，由中断程序产生。由于时钟信号频率稳定，设置其工作方式为计时自动填装初始值。定时计数器溢出时，会产生中断请求信号，调用中断程序，生成时钟信号。位置信号的获取，是根据模数转换器的工作特点，单片机控制器转换过程实现。

数据处理和控制程序在单片机得到给定信号和反馈信号后，首先就要对信号作比较，即实现比较器功能。比较的结果有两个，一是得到方向信号，另一个差值大小。然后把差值大小作为调节器的给定，通过调节器就可以算出信号的占空比。这里的调节器的实现是依靠单片机的编程实现，编程的算法要以控制方式为依据。这时的单片机相当于一个数字调节器。