摘要：采用單片機為控制核心研制開發的JSQ-200型系列伺服放大器，增加了一些實用功能（如：斷信號保護、過信號保護、堵轉保護、電制動等），大大提高了設備的可靠性和安全性，同時有利于提高整套控制系統的調節品質。 關鍵詞：伺服放大器；單片機；保護；調節；堵轉；電制動 0、概述 JSQ-200型系列伺服放大器（以下簡稱伺放）是電動執行機構的功率驅動單元。它接收調節器或遠方操作器的控制信號和來自電動執行機構的位置反饋信號，根據兩信號的差值控制電動機向減少差值的方向轉動。伺服放大器是將控制信號轉換成電動執行機構動作過程的核心單元。 JSQ-200型系列伺放除了具備普通伺放應有的正常功能外，根據生產現場的實際需要還增加了一些特殊功能，以便在更有利的保護設備安全的前提條件下，提高控制系統的調節品質。 1、新增特殊功能 1.1、信號自診斷功能 JSQ-200型系列伺放設置有斷信號保護、過信號保護。在生產現場常常因為各種原因導致控制信號或反饋信號中斷或超出正常范圍（即正常4～20mA的標準信號低于2mA或高于22mA），如接線松動、脫落導致信號過小，或是因設備（調節器、計算機I/O通道、位置反饋裝置等）發生功率管被擊穿導致信號過大等，伺放保護功能啟動，可確保執行機構保持在原來的位置，不會因信號故障導致被控執行機構全開或全關，進而對生產流程造成影響，同時發出故障報警信號提醒操作人員注意。 1.2、堵轉保護功能 堵轉（此功能可由撥碼開關在線選擇是否使用）是在生產現場經常遇到的一種現象，即當被驅動負載力矩大于電動執行機構所能牽引力矩時（常見于執行機構因調整不佳或零點漂移關到0%以下或開100%以上，以及因設備卡澀而導致的停轉），電到動機帶電卻拖不動負載。電動執行機構在這種工況下長時間運行會導致電機或電子開關的損壞。 堵轉保護功能就是自動檢測控制系統是否發生堵轉，當判定發生堵轉后保護功能啟動，同時發出故型系障報警信號提醒操作人員注意。使用JSQ-200型系列伺放還可以免去在就地執行機構上安裝上、下限位開關。 1.3、電制動功能 電制動功能（此功能可由撥碼開關在線選擇是否使用）是指伺放在電動執行機構失去控制驅動電源指令后，發出指令快速消除電機惰走的作用。減少執行機構的惰走時間，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的調節品質得到提高，同時可減少電動執行機構的機械磨損，降低因更換執行機構帶來的成本支出。 1.4、用戶免調校 由于電路選用了溫度系數很小的元器件，則電路的穩定性、對稱性就很好，電路的參數和一些技術指標都由軟件固定下來，因此用戶只須在現場用撥碼開關選擇電制動、堵轉保護功能，與執行機構配合情況下改變“死區”設定值，其他均無須調校。 2、工作原理 伺放以單片機為控制核心，接收來自控制器的指令信號和執行機構的位置反饋信號，兩路信號均經過轉換，將電流信號轉換為單片機可接收的數字信號。單片機始終對兩路信號進行檢查，確定信號是否在正常范圍以內。信號正常則進行減法運算，其差值再與死區（即靈敏度）進行比較（死區大小可通過撥碼開關進行在線選擇），差值小于死區保持執行機構不動，差值大于死區則驅動電機向減小差值的方向轉動，直到差值小于死區。單片機會在驅動電機轉動的同時自動進行堵轉判斷，若長時間電機保持一個方向轉動，且反饋信號保持不變，則認為發生堵轉，CPU會自動切斷電機堵轉方向的控制電源，并輸出報警信號。 單片機會在驅動電機轉動的同時自動進行電制動判斷，當信號差值小于死區的瞬間發出制動脈沖，配合電動執行機構上的機械制動，可縮短電機惰走時間。 3、硬件電路設計 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RAM、I/O線、16位定時/計數器、兩極中斷源結構、全雙工串行口、精確的模擬比較器、片內震蕩器和時鐘電路。 整套電路由CPU、看門狗電路、信號采集電路、功率驅動、電源電路等組成。JSQ-200系列伺放電路原理見圖1。 3.1、看門狗電路 伺放專門設計有軟、硬件配合的自啟動、復位電子狗電路，可保證在發生程序“走飛”或“死機”的情況下，快速及時的恢復正常工作（時間可控制在0.3s以內），確保設備運轉安全。 3.2、信號采集電路 進入伺放的控制信號和位置反饋信號，先后經過電流-電壓轉換、濾波、 A/D轉換，最后通過光電隔離耦合引入單片機I/O口。 由于現場不確定因素較多，為避免進入伺放的控制信號和位置反饋信號相互干擾、發生整套控制系統的“共地”問題，在電路設計中做到了兩個信號采集通道的徹底隔離，包括兩通道的供電、單片機的供電也采用了相互獨立的電源。（電源電路參見圖2） 3.3、功率驅動輸出電路 根據其他型號伺放在現場的使用情況看，伺放損壞幾率最高的就是功率驅動輸出電路，原因主要是驅動的是有感負載，而感性負載在電子開關斷開時對功率驅動輸出電路會產生反電勢沖擊，特別是隨著執行器功率的增大，電動機功率、電感量也隨之增大，伺放功率驅動輸出電路在反電勢沖擊下損壞的可能性也不斷增加，伺放壽命相應縮短。 JSQ-200系列伺放功率驅動輸出電路采用了可控硅過零觸發方式，即電子開關控制接通或斷開感性負載電源時，發生在交流電過零時刻，從而降低了在可控硅開關時，感性負載產生的反電勢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電子開關，降低了電子開關斷開時，負載產生的反電勢對其的破壞。電路設計中選用了高反壓雙向可控硅，一方面可以防止電子開關斷開時，因為負載產生的反電勢誘發可控硅誤導通，提高系統可靠性。另一方面可以防止反電勢擊穿損壞可控硅，提高設備的可靠性以上措施非常實用、有效，幾年來通過幾十臺JSQ-200型系列伺放在現場的使用情況看，無一臺功率驅動輸出電路損壞。 3.4、動態時間常數的設置 伺放的動態時間是常被忽視的重要技術性能，該動態時間的實際意義還沒有看到有效的解釋或定義，在伺放的技術指標中也沒有注明。伺放的動態時間常數直接決定了伺放的響應時間，進而影響伺服放大器的性能和整套控制系統的調節品質。實際使用中，伺放的動態時間常數大，對信號的濾波效果就好，系統穩定性提高，執行器不易發生震蕩，但系統的動態響應慢，死區大（即控制信號與反饋信號差值較大，有的達到3%以上）不利于調節品質的提高；反之，有些伺放品種因為響應時間太快，在執行器動作的瞬間，位置反饋剛開始變化，伺放就停止功率輸出，結果是執行器將本來動作一次完成的（1%左右）分成幾次甚至十幾次，使執行機構動作V2極為頻繁，行走卻很慢，很不利系統調節品質的提高，也降低了執行器機械制動的使用壽命 伺放的動態響應時間，不能只通過伺放單體獨立的進行確定或測試，必須與上下游關聯設備系統一起進行試驗和確定。 JSQ-200伺放的動態時間常數主要取決于A/D轉換時間、單片機運算速度以及信號輸入通道的濾波電容，在 A/D轉換時間、單片機運算速度確定后，其中改變濾波電容是主要的調節手段。通過幾年來在現場的大量試驗，最終確定了JSQ-200型系列伺放的動態時間常數。 4、軟件設計 軟件通過編制一段準確的定時程序來配合單片機I/O通道的計數工作，通過統計計數來讀取控制反饋通道的數值，并進一步進行運算比較，確定正反轉方向輸出。程序工作流程見圖3。 5、結束語 通過幾年來在生產現場的應用，實踐證明該伺放可保證整套控制系統穩定、快速的要求，控制信號與位置信號之差小于1%，調節品質比業內其他型號的伺放普遍得到提高。