自動位置控制系統

自動位置控制系統是指用來控制被控對象的某種狀態或某個過程，使其輸出量能自動地、連續地、精確地復現或跟蹤輸入量的變化規律。自動位置控制系統運用越來越廣泛，大至控制上噸重的巨型雷達天線，小至用音圈電機來控制電視放像機的雷射頭。從國防、工業生產、交通運輸到家庭生活，它的套用幾乎遍及社會的各個領域。

基本介紹

• 中文名：自動位置控制系統
• 外文名：Automatic position control system
• 分類：計算機 自動化
• 領域：各個領域
• 控制方式：閉環
• 組成：電機 功率驅動器 控制器 感測器

簡介

自動位置控制系統是指用來控制被控對象的某種狀態或某個過程，使其輸出量能自動地、連續地、精確地復現或跟蹤輸入量的變化規律。其控制行為的主要特徵表現為輸出“服從”輸入，輸出“跟隨”輸入。自動位置控制系統運用越來越廣泛，大至控制上噸重的巨型雷達天線，小至用音圈電機來控制電視放像機的雷射頭。從國防、工業生產、交通運輸到家庭生活，它的套用幾乎遍及社會的各個領域。

控制方式

傳統控制系統分為開環和閉環兩種控制方式。開環控制系統完全根據指令驅動伺服電動機和傳動機構，不對實際的位置進行反饋控制，故無需進行位置檢測，結構簡單，成本較低，但控制精度只能靠伺服系統本身的傳動精度來保證。開環伺服系統一般採用步進電機，控制器將指令信號轉變成與步進電機進角對應的脈衝，功率放大器為電力電子器件構成的主電路，將脈衝信號變換成步進電機的驅動信號。步進電機還存在失步危險，控制精度有限，所以開環位置控制系統主要用以早期簡易數控工具機及對其他控制精度要求不高的場合。

閉環位置控制系統在開環控制的基礎上增加了位置反饋，通過位置反饋實現位置的閉環控制，以達到更高的控制精度。也就是我們說的自動位置控制系統。一般閉環控制系統對轉速和轉矩(電流)進行反饋和閉環控制，作為位置的控制的內環。位置反饋裝置實現位置的檢測，位置反饋信號來源於傳動機構輸出環節的系統稱為全閉環位置系統，位置反饋信號來源於執行機構即電動機轉軸的系統稱為半閉環位置系統。

組成

自動位置控制系統有電機、功率驅動器、控制器和感測器四大部分組成，除了位置感測器外，可能還需要電壓、電流和速度感測器。

電機

電機是系統的執行機構，在小功率系統中多用永磁式電動機，如永磁式直流電機、直流無刷電動機、永磁式交流電動機，也可採用步進式電動機，在大功率或較大功率的情況下也可以採用的電磁的直流或交流電動機。

從電動機結構和數學模型來看，電動機和調速電機無本質上的區別，一般來說，電動機的轉動慣量小於調速電動機，低速和零速帶載性能優於調速電機。由於直流電機具有機械換向器，套用場合受到限制，維護工作量大，目前常用到的是交流電動機或直流無刷電動機。

功率驅動器

功率驅動器主要其功率放大作用，根據不同電機的需要，輸出合適的電壓和頻率（對於交流電動機），控制電動機的轉矩和轉速，滿足系統的實際要求，達到預定的性能指標。由於電機需要四象限運動，故功率驅動必須是可逆的，中、小功率的系統常用IGBT或Power-MOSFET構成的PWM變換器。

控制器

控制器是系統的關鍵所在，系統的控制規律體現在控制器上，控制器應根據位置給定信號和反饋信號，經過必要的控制算法，產生功率驅動器的控制信號。位置系統的控制器也經歷由模擬控制向計算機數字控制發展過程。

早期的控制系統採用模擬控制器和模擬位置感測器，系統定位精度和性能不夠理想。隨著計算機控制技術的發展，計算機數字控制逐漸取代模擬控制的系統，現在計算機數字的系統已經占據主導地位。計算機數字控制具有一般模擬控制難以實現的數據通信、複雜邏輯和數據處理、故障判斷等功能，配以高精度的數字位置感測器，可提高系統的定位精度，改善系統的動態性能。

位置感測器

精確而可靠地發出位置給定信號並檢測被控對象的實際位置是位置伺服系統工作良好的基本保證。位置感測器將具有的直線或角度位移轉換成模擬的或數字的電量，再通過信號處理電路或相應的算法，形成與控制器輸入量相匹配的位置信號，然後根據位置偏差信號實施控制，最終消除偏差。

硬體

給定模組和反饋感測器

為了實現給定模組的給定信號與反饋感測反饋的信號實現信號匹配，在選擇硬體分析時，因同時分析給定模組硬體選著方案：

方案一：設計鍵盤按鍵給定位置信號；

方案二：採用某感測器，將機械轉盤給定角度信號轉換為一定規律的電信號，通過採樣實現單片機對信號的獲取。

方案一雖然能直接提供數位訊號，無需數模轉換，單片機就可獲取給定信號。但由於給定信號與反饋信號要實現匹配，以及與實際位置的匹配，需要大量實驗，而且在程式設計和整個系統設計上會增加難度。

方案二雖然給定信號需要感測器轉換為模擬電信號，需要對其進行模數轉換，但如果反饋信號以同型號感測器獲取，得到的兩種信號就會完全對應。這樣對於整個系統實現起來會簡單很多。

反饋所用感測器選擇：

反饋所用的感測器實現的是角度的檢測，在系統中，採用的測角感測器有電位計、自整角機、旋轉變壓器、差動變壓器、微同步器、光電編碼器等等。

就結構而言，電位計最簡單，電路實現起來也簡單。在成本上，電位計也很便宜。對電位計建立數學模型也是十分簡單的。電位計有直線位移式和旋轉式，可以用直流供電也可以用交流供電，電阻與滑臂轉角或位移呈線性關係也可以呈非線性關係。為了方便，在這個系統中，電位計採用旋轉式的，用直流供電，電阻與滑臂轉角呈線性關係的。

因此，給定模組和反饋所用的感測器均採用同種型號的旋轉式線性電位計。

模數轉換器

由於旋轉電位計輸出為模擬信號，單片機只能識別數位訊號，為實現單片對給定信號和反饋信號的採樣，模擬信號需要通過模數轉換器轉化為數位訊號。

模數轉換器有8位、10位、12位、16位等，可以把感測器能測角度範圍分成2的N次方減1等分。所以旋轉電位計能轉動的最大角度和模數轉換器的位數會直接影響系統精度。在設計要求中沒有提精度要求，因此採用8位模數轉換器，可以節省資金。另外模擬信號輸入端至少有兩個，才能實現對給定信號和反饋信號的採樣。按轉換過程，AD轉換器可分為直接型和間接型。常用的模數轉換器三種型號：並行比較型，逐次比較型和雙積分型。並聯比較型AD轉換器轉換速度最快，但內部結構複雜，因而價格也最貴。雙積分型AD轉換器的轉換速度最慢，而逐次比較型AD轉換器的轉換速度較雙積分型的轉換速度快，內部結構也沒有並聯比較型的複雜，自然較為便宜，因此選擇8位逐次比較型AD轉換器。

單片機

單片機在系統中的功能有實現位置採樣，對數據進行處理以實現控制，形成PWM信號和方向信號。對於其存儲單元來說，至少也是8位，才能與使用的模數轉換器相適應。51、52系列的單片機的記憶體儲單元是8位，能滿足要求。其時鐘頻率也有一定的要求，這要根據PWM驅動裝置對PWM信號要求，模數轉化器對採樣頻率控制信號來確定。另外由於系統要控制PWM信號頻率和採樣頻率，為方便控制和提高系統精度單片機需要有三個時鐘，或採用兩單片機控制。我們可以採用一片兩時鐘單片機實現控制。

程式

單片機控制程式和位置檢測程式

為了使系統儘量近似線性化，要求PWM驅動裝置輸出的電流頻率越高越好，這就要求信號的頻率很高。根據選用的模數轉換器驅動裝置，它的最高工作頻率可以達到500kHz。而根據控制器與變換器的動態數學模型可以知道，當開關頻率達到10kHz時，在一般的電力拖動系統中，控制器與變換器的動態數學模型就近似於一個一階慣性環節。

由於位置給定不是通過鍵盤給定，而是通過旋轉電位計給定，因此位置檢測程式包含兩個過程，一部分是對給定信號的檢測，另一部分是對反饋信號的檢測。這個過程就是採樣過程。單片機對位置信號進行採樣要利用到模數轉換器，數模轉換器需要一個時鐘信號，來決定其數模轉換器對轉換速度。這樣位置檢測程式就有包括兩個功能，一個是產生時鐘信號給模數轉化器，另外一個是從模數轉換器中獲取位置的數位訊號。時鐘信號的產生由一個定時器計數器控制，由中斷程式產生。由於時鐘信號頻率穩定，設定其工作方式為計時自動填裝初始值。定時計數器溢出時，會產生中斷請求信號，調用中斷程式，生成時鐘信號。位置信號的獲取，是根據模數轉換器的工作特點，單片機控制器轉換過程實現。

數據處理和控制程式

在單片機得到給定信號和反饋信號後，首先就要對信號作比較，即實現比較器功能。比較的結果有兩個，一是得到方向信號，另一個差值大小。然後把差值大小作為調節器的給定，通過調節器就可以算出信號的占空比。這裡的調節器的實現是依靠單片機的編程實現，編程的算法要以控制方式為依據。這時的單片機相當於一個數字調節器。