摘要 論述伺服系統的構成，和CU、DU的設計思想及方法。伺服控制系統在工業部門運用越來越廣，其主要任務是快速、準確、穩定、可靠地控制各個功能部件位置，使功能部件電軸始終對準目標，完成各類任務. 關鍵詞 CU DU PDU 1 系統構成 伺服控制系統的任務是采取各種控制策略，快速、準確、穩定、可靠地控制目標的位置，使功能部件座架的機械軸隨控制指令運動，或使功能部件電軸始終對準目標，完成各項任務，并確保功能部件系統安全、可靠、長期穩定地工作。伺服控制分機主要由控制單元（CU）、驅動單元（DU）、軸角編碼（PDu）、誤差解調器安全保護邏輯，以及安裝在功能部件座架上的執行元件、測量元件、控保元件組成。 功能部件控制單元（cU）是伺服系統的控制中心。它完成功能部件運動的各種控制以及各種控制策略的實時計算與實施，最終完成對功能部件精確定位。CU是以工業控制計算機為基礎，集控制、監視、計算、故障監測為一體的，對功能部件實現安全可靠操控，使用靈活的全數字化設備。CU提供了先進的控制算法和措施在CU 中實現對各個軸的位置閉環控制，PID調節器、數據的采集、傳送以及與上位計算機的通信，系統參數的設置和保存。 CU對主要工作點，如電源電壓、狀態切換、控保開關等，在工作過程中進行實時巡檢，并及時采取相應的處理措施。 驅動單元（DU）是由功率放大、環路控制、驅動電機、安全控保單元組成。采用成熟的電流環、速度環結構、方位、俯抑支路的控制原理和設備構成基本類同。 驅動單元（DU）除了能接收功能部件控制單元的指令外，本身具有獨立的操控功能，便于使用維護。跟蹤誤差解調器輸出誤差電壓，CU依據該電壓進行環路校正計算，送出控制電機轉動的速度信號，驅動功能部件向誤差減小的方向轉動，來完成任務。 軸角編碼把角度傳感器旋轉變壓器輸出的模擬信號轉換成數字信號提供給CU。功能部件座上安裝有多種安全保護裝置和元件，它們給出了功能的各種狀態，對人身安全和設備安全提供了必要的保障。為此，驅動單元設有限位開關、鎖定聯動保護功能。 2 驅動單元（DU） 驅動單元方案擬制的出發點是在滿足技術指標的前提下，確保設備能長期可靠地工作。因此，可靠性設計是驅動單元方案考慮的一個重點。 考慮到對伺服控制系統的技術要求，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優勢，功能部件驅動單元的核心部件功率放大器采用單相全波逆并聯有環流體制可控硅功率放大器. 采用單相全波逆并聯有環流體制SCR功率放大器，其最大優點是線路簡單，技術成熟，工程繼承性強，可靠性高，維修性好。 方位、俯仰支路均采用單直流電機驅動、機械消隙方案。每個電機擁有各自獨立的速度環、電流環、電壓環和功放，同時在驅動單元中還設有控保邏輯電路。 2．1 驅動單元環路 功能部件驅動單元從原理上講是一個電流轉速雙閉環調速系統。設置電流環，主要是為了克服力矩控制的死區和非線性，維持電流可控，不發生過流，改善電機的動態特性，為速度環提供頻率較寬的控制對象。同時，為力矩均分和實現電消隙莫定基礎。 設置速度環主要是為了提高抗負載擾動能力、抗電網擾動能力，克服負載及電機的非線性特性，擴大詞速范圍，提高低速平穩性 同時為位置環路提供良好的控制對象。電流調節器和速度調節器都采用并聯PID調節器，電流環采用一階無靜差設計，速度環采用二階無靜差設計。 2．2 控保邏輯 為了保證功能部件安全可靠地運行，在功能部件座設置有安全保護開關，如：手柄聯鎖、俯仰軸的預限位、終限位開關以及開高壓、聲光報警。馬達與功率放大器設置有過電壓吸收，浪涌電壓吸收，相序與缺相保護，過載保護、電流限制、自動空氣開關和熔斷器等。 3 控制單元（CU） 從系統原理框圖中不難看出，CU 所擔負的任務主要為通訊任務、監控任務和實時計算任務。 3．1 CU 主要功能 工作方式切換、狀態顯示，實時數據記錄、事后打印，功能部件軸角編碼和顯示，接收上位機送來的命令，接收操作手輸入功能。功能部件安全保護。 3．2 CU 硬件 功能部件控件單元（cu）是以工業控制計算機系統為基礎，集控制、監視、計算于一體，對功能部件實現安全可靠的操控。 CU 主要由工業控制計算機（包括各種模板）、顯示器、鍵盤、鼠標等組成. •通信卡，用于與上位機的通訊。 • A／D卡，模擬量輸入板，用于接收送來的電平信號、誤差電壓信號。 • D／A卡，2通道模擬量輸出板，用于向DU發送速度指令信號。 • I／O卡，光電隔離和繼電器隔離IO板，用于實現與DU之間的控制信號和狀態信號的接口。以及各種數字量信息。 • 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旋變為測角元件、RDC為核心的轉換電路。軸角編碼器做成板卡結構，按ISA總線設計，可直接插在PC工控機箱內。具有精度高、易開發、性能穩定可靠的特點。 [b]4 CU軟件 4．1 軟件總體描述[/b] 軟件是設備的靈魂和神經。其主要任務是指揮協調硬設備完成相應的功能。宏觀上講，軟件功能主要包括通訊功能、控制功能、計算功能、監視功能、數據采集功能、顯示功能等。系統軟件的運行是全自動化的。實時控制部分在后臺運行，對用戶是不可見的，用戶可見是人機界面部分 實時控制軟件首先對系統進行初始化，包括端口初始化，數據初始化，變量初始化等。初始化結束后才開始響應外部事件和定時事件。 4．2 軟件的模塊層次劃分 按上述規定的原則，在軟件系統設計中，軟件模塊劃分為四個主要層次， 自底向上分別為：硬件控制層提供對端口、中斷、通訊口等硬件資源的訪問。所有對硬件的訪問都必須通過硬件控制層來進行，對于同一硬件，一次只能有一個外部模塊對之進行訪問 外部模塊需對硬件控制層模塊的訪問權進行申請，擁有控制權的模塊才能進行硬件操作。硬件控制層模塊向設備控制層模塊提供服務。 設備控制層 設備控制層模塊虛擬功能部件跟蹤分系統中的各個設備，如驅動機構、編碼器、位景環路等。它封裝了對各設備的接口協議和操作，并采集設備的狀態 設備控制層向上提供設備的連接狀態、運行狀態和動作執行狀態，向下通過硬件控制層與硬件系統的實際設備進行通訊 人機界面層 人機界面層實現監視數據的顯示、操作手命令接受等人機交互工作。人機界面向設備控制層中的虛擬設備索取設備的數據和狀態，向應用管理層中的管理模塊索取系統的工作狀態數據，并將這些數據進行顯示。 5 實時控制實現功能 CU部分程序需要定時循環執行，如數據采樣、自動跟蹤、數字引導等，對實時性要求較高。因此需要有硬件定時器定期產生中斷信號來提供準確的定時。實時控制程序模塊作為定時器中斷的中斷服務程序來運行。 在CU 的實時控制部分需要完成以下工作 •功能部件運動狀態采集及控制，驅動單元工作狀態采集及控制，角度編碼，數據采集，各種工作方式處理及控制保護邏輯，與上位機之間的通信。 在CU的人機界面部分主要完成以下工作. • 系統工作狀態、故障信息的顯示，操作手操作命令轄人，各工作方式下參數的輸人，系統設置. 參考資料 1 李學干．計算機系統結構．西安電子科技大學 2 研華手冊．臺灣研華 3 用戶手冊．AD公司 作者簡介 楊光 男，畢業于西安電子科技大學，一直從事計算機控制技術的研究工作，曾獲得原電子部科技進步二等獎。 伺服系統設計:PDF