《數控原理》中伺服系統的教學實踐應用

一、任務提出

在我院數控系的《數控原理》教學內容中，有一段關于數控機床的位置伺服系統的內容。位置控制是伺服系統的重要組成部分，它是保證位置控制精度的重要環節。位置控制按其結構可分為開環與閉環控制兩大類，為了使學生更好地理解閉環數字伺服系統，我在學校組織的職校教師下工廠實習的活動中，結合工廠的發動機試驗研究，選擇汽油機恒速的控制課題，采用單閉環PID控制系統，將教學內容與工廠實踐相結合。

二、汽油機轉速控制原理

發動機曲軸每分鐘的回轉數稱為發動機轉速，用n表示，單位為r/min。發動機轉速的高低，關系到單位時間內作功次數的多少或發動機有效功率的大小，即發動機的有效功率隨轉速的不同而改變，需要對發動機的轉速實現恒定速度的自動控制。我們可以不用氣門位置傳感器，而直接采樣發動機的轉速作為信號反饋，用步進電機來控制氣門開度，用汽油機轉速的數字量采集來作為單閉環的反饋量，因為一般的開度控制應該是對應于步進電機的步數，而開度的大小直接對應汽油機的轉速，以此作為發動機轉速的自動控制方式的解決辦法。

主要特點:1.閉環反饋式自動控制方式，通過反饋來減少被控制量(輸出量)的偏差;2.智能化控制，用單片機實現數字控制與數碼顯示;3.通過實用新型控制氣壓式油門拉線擠壓器來實現對油門拉線的控制，控制油門大小，實現對發動機轉速的控制，結構簡單，容易實現;4.自動歸位功能;5.解決了現有發動機轉速控制裝置結構復雜的問題。

電路總體設計如圖一:

1.單片機的介紹

單片機就是一個微型電腦，它內部也有和電腦功能類似的模塊，比如CPU、內存、并行總線、存儲器件。目前最常用的單片機為MCS-51，是由美國Intel公司(生產CPU的英特爾)生產的;89C51也是這幾年在我國非常流行的單片機，它是由美國ATMEL公司開發生產的，軟件開發是Keil C 51，以C語言為開發基礎。

2.汽油機的轉速信號采集

對汽油機的轉速信號采集必須使用轉速傳感器。轉速傳感器是將旋轉物體的轉速轉換為電量輸出的傳感器。轉速傳感器屬于間接式測量裝置，可用機械、電氣、磁、光和混合式等方法制造。按信號形式的不同，轉速傳感器可分為模擬式和數字式兩種。本發動機采集的轉速信號是模擬信號，必須進行信號放大與整形，把它轉變為可以直接給單片機采集的脈沖信號。

3.轉速的算法

轉速是指作圓周運動的物體在單位時間內所轉過的圈數，其大小與變化往往意味著機器設備運轉的正常與否，因此，轉速測量一直是工業領域的一個重要問題。對轉速的測量實際上是對轉子旋轉引起的周期脈沖信號的頻率進行測量。在頻率的工程測量中，電子式定時計數測量頻率的方法一般有以下兩種:1.測頻率法:在一定時間間隔t 內，計數被測信號的重復變化次數N ，則被測信號的頻率fx 可表示為f x =Nt。2.測周期法:在被測信號的一個周應用中需要測量的轉速范圍很寬，上述的轉速測量方法難以滿足要求，因此，研究高精度的轉速測量方法，以同時適用于高、低轉速信號的測量，不僅具有重要的理論意義，而且是實際生產中的需要。當單片機計算出發動機的實時轉速時，就可以與設定值進行比較，進入下一個PID計算控制環節。

三、單片機的恒定轉速的單閉環的PID控制

在自動控制系統中，選用單閉環的校正裝置中最常用的是PID控制。PID是比例、積分、微分的簡稱，PID控制的難點不是編程，而是控制器的參數整定。參數整定的關鍵是正確地理解各參數的物理意義，PID控制的原理可以用人對爐溫的手動控制來理解。有經驗的操作人員手動控制發動機的風門，即讓步進電機帶動風門旋轉一個步距角，比如1.5°，就可以在監控轉速表上看到轉速的變化，轉速大于給定值時，誤差為負，在位置L的基礎上反時針減小步進電機的轉角，并令轉角與位置L的差值與誤差成正比。上述控制策略就是比例控制，即PID控制器輸出中的比例部分與誤差成正比。這樣就可以確定P的大小。單純的比例控制很難保證調節得恰到好處，完全消除誤差。 總之，PID參數的調試是一個綜合的、各參數互相影響的過程，實際調試過程中的多次嘗試是非常重要的，也是必須的。當執行機構需要的不是控制量的絕對值，而是控制量的增量(例如本例去驅動步進電動機)時，需要用PID的“增量算法”。見圖二。

上式已是離散型的表達式了，看不出是PID的表達式了，也看不出P、I、D作用的直接關系，只表示了各次誤差量對控制作用的影響。換句話說，數字增量式PID算法，只要貯存最近的三個誤差采樣值e(k)、e(k-1)、e(k-2)就足夠了。

四、執行元件的介紹

步進電機的控制脈沖輸入步進電機是伺服控制元件，我們選用大批量生產的2相混合式步進電機，12V直流，型號28BYJ48-01，額定電壓 12VDC±10%，相數 4，減速比 1/64，步距角5.625°/64。關于步進電機的初始位置的確定，當系統未加電時，步進電機的起始位置由一機械彈簧復位，此位置即對應發動機風門的怠速風門位置，系統加電后系統自動進入發動機轉速的增量型閉環恒速控制。因此風門無需加裝初始位置傳感器。 用80C51單片機驅動步進電機，可通過對80C51單片機的編程實現脈沖分配，再驅動uln2003或者ULN2803A，也可采用L297和L298芯片驅動步進電機，或內部帶有脈沖分配器的IC，可使80C51單片機的編程更簡單。如包含脈沖分配器的三相步進電機驅動電路PMM8713。利用轉速傳感器數字化信號采集原理設計反饋電路，形成閉環。用C語言編程，應用PID算法，利用LCD顯示，比較設定值與反饋值，實現轉速反饋閉環控制系統。

五、結語

總之，在《數控原理》數控機床閉環伺服系統的原理與性能的教學實踐中，理論理解是一方面，課題實踐更具有重要的作用。提高閉環系統穩定性能的措施，包括降低系統的速度放大系數， 采用積分—微分串聯校正裝置，采用速度、加速度負反饋并聯校正裝置。

參考文獻:

[1]郭文成.數控原理.機械工業出版社，2002.

[2]劉文濤.MCS-51單片機實用教程.原子能出版社，2004.