机械传动间隙的实时检测电路设计

2006-05-07 15:49:52来源: 电子技术应用

     摘 要: 介绍了一种机械传动中间隙的实时检测方法及其具体实现电路。该电路结构紧凑,方法合理、实用。经实际使用证明,性能稳定,完全满足实用和研究的需要。

    关键词: 间隙 增量码盘 自整角机

    伺服系统的机械传动部分,无论传动形式是齿轮、链条、钢索还是杠杆,在传动过程中总存在着间隙。间隙非线性不仅会增大系统的静差,而且还会影响系统的动态品质,使系统在单位阶跃信号作用下过度过程时间加长,振荡次数增多,甚至产生不衰减的自振荡。因此研究间隙对系统的影响具有很大的实际意义。

  t1.gif (11406 字节)  研究间隙的影响,就需要获取传动中的间隙。本文正是在某型坦克炮塔的控制算法研究中产生的。

    1 间隙的获取方法

    系统的组成框图如图1所示。

    间隙是由机械传动装置产生的。由电机轴反馈回来的位置信号是不包含间隙的,而由负载轴反馈回来的位置信号包含有间隙成份。电机轴和负载轴的速比是固定的,所以我们可以通过如下方法获取间隙:由电机轴位置乘以和两轴速比对应的“电子速比”得到负载轴的理想的无间隙位置,然后再与由负载轴反馈来的实际位置相减即是对应时刻的间隙。

    2 电路的组成

    计算机可选任意型号,本系统为研究方便选用的是系统机486PC兼容机。

    接口电路主要包括用于检测电机轴位置的码盘信号整形、判向、计数缓冲部分;用于检测负载轴位置的自整角机信号接收转换模块;命令输出(D/A)以及开关量I/O。

    t2.gif (8435 字节)2.1 电机轴位置的检测电路

    电机轴位置的检测选用与电机轴同轴的增量式码盘作传感器。增量式码盘体积小、精度高且易于安装。如瑞士生产的一种码盘,外观尺寸是 Φ44mm,厚度仅22mm,而精度最高可达9000 脉冲/转。本系统选用的是FANUC公司生产的电机配套码盘,2000脉冲/转。负载轴位置的检测选用自整角机,采用粗精组合技术也可达相当高的精度。本系统中的精度最高可达19位的分辨率,实际只用了16位。

    电机轴位置检测相关电路框图如图2所示。

    码盘计数器选用74LS193二进制可逆计数器级联组成。193具有加减计数控制端、清零端、置数控制端,正t3.gif (8836 字节)好满足电路的需要。增量式码盘产生的A、B、Z三相信号经长线驱动变换成三组差动信号送至长线接收电路。其中A、B脉冲信号相位相差90度,用于判向和计数;Z脉冲信号电机轴每转一圈一个用于清零(测间隙不用,与清零电路配合用于伺服系统归零位)。这里的长线接收器选用AM26ls32。

    判向电路组成如图3所示。

    具体的判向过程如图4所示。

    由图4可以看出,码盘输出的脉冲经方向判别电路被分解为cp+、cp-两路脉冲,正转cp+脉冲,cp-为高电平,反转则相t4.gif (6626 字节)反。

    数据锁存选用74LS374,缓冲用245。由于码盘的脉冲是随时产生的,为避免CPU在计数期间来读数,需要把CP+、CP-引入锁存电路,具体电路示于图5。

    这里我们利用cp+、cp-脉冲的前沿锁存数据,而计数利用的是cp+、cp-的后沿,故锁存的数据是可靠的。同时CPU读取的是锁存后的数据,这就解决了两者的同步问题。应注意的是,由于把读信号引入产生锁存信号的与门,这可能引起A/D转换一个码的误差。一般这也是符合A/D转换器的设计精度要求的。

    2.2 负载轴位置的检测电路

   t5.gif (9238 字节) 负载轴位置的检测电路组成框图示于图6。

    自整角机1、自整角机2分别安装在负载轴和与其相连的传动轴上,构成粗精组合检测电路。SDC模块选用英国产的SDC1704。SDC1704是模拟的连续跟踪的自整角机/旋转变压器数字转换器,广泛应用于军事和工业领域。它具有以下特点:

·        参考电压频率可选:60Hz,400Hz,2.6kHz;

        ·低厚度(0.4寸);

        ·360°全角转换对应数字量14位;

        ·高跟踪速度(75转/分);

        t6.gif (9071 字节)·实际电压随外加电阻变化;

        ·与角速度成比例的直流电压输出;

        ·重量轻(30盎司)。

    根据选择,其输入信号可为3路自整角机信号+参考信号或4路旋转变压器信号+参考信号。输出信号为与TTL电平兼容的并行自动二进制码。

    SDC1704模块与自整角机的连接共有5根线(示于图7)。其中三跟相电压线上的信号相位互差120°,而线线间的线电压直接决定着三个电阻R1、R2、R3阻值的选择。参考电压的大小决定着电阻Rf的阻值。电阻的选择原则是:对R1、R2、R3,信号电压在规定的额定值基础上每增加1V,应串1.11kkΩ;对Rf,参考电压在额定值基础上每增加1V,应串2.2kΩ。例如,若线间电压额定值11.8V ,参考电压额定值26.0V,希望使用60V线电压和115V参考电压,则电阻的计算过程为:

    R1,R2,R3:60-11.8=48.2V

    48.2×1.11=53.5kΩ

       Rf:115-26.0=89V    

   t7.gif (11073 字节) 89×2.2=195.8k Ω

       这里应注意的是,对R1、R2、R3,电阻间的比例误差比单纯的阻值更重要。1%的比例误差将导致17弧分的不精确度!

    SDC1704模块与计算机间的接口非常简单(示于图7)。数据缓冲选用两片244即可,两片的数据输出控制连在一起由一个地址选通。为防止CPU在模块转换期间读数,使用如图逻辑控制其INHIBT引脚。由于该脚为低电平禁止转换,故读数前应向相应的I/O口送一数据,确保D触发器Q为0。

    由两块SDC1704模块读回的粗精两个14位数据,需要根据其变比组合成一个负载轴对应的角度,在组合过程中还须考虑粗大误差进行纠错处理,关于具体细节,这里不再赘述,但给出一个实用的经验公式:

   s1.gif (4190 字节)

    t8.gif (4041 字节)3 关于电路中的16位数据选通信号I/OCS16

    如果使用PC或PC兼容机,16位数据输入输出就必须给出I/OCS16信号。该信号一般教科书上都是按图8给出的。实际使用时发现此种方法不可靠,容易引起死机或误操作。主要原因是这种方式构成的电路之间很易相互干扰。如某电路1要进行16位读或写操作,其对应的端口地址1为0,相应的I/OCS16信号在读或写过程中就应为低电平0。而实际上另一电路2此时没I/O请求(肯定不会有),但由于电路1的读或写操作使电路2相应的三态门打开,电路2要强行把I/OCS16信号拉高。这样如果门电路负载能力稍差,势必会造成I/OCS16信号该高的不高,该t9.gif (3560 字节)低的不低。换成图9所示电路,类似问题就不复存在。

    4 正确使用电路

    在编制应用程序时,应注意开始时让码盘的0位与自整角机的0位相一致。我们采用的方法是送指令使系统启动,采集负载轴的位置,等到其为0时,通过置数端给193置0。

    该电路结构合理、实用,已被成功应用于有关间隙的项目研究中。经实际使用证明,工作可靠,性能良好。

   




编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/others/200605/2351.html
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