摘要：采用單片機(jī)為控制核心研制開發(fā)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(hù)、過信號保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)、電制動等），大大提高了設(shè)備的可靠性和安全性，同時有利于提高整套控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)。 關(guān)鍵詞：伺服放大器；單片機(jī)；保護(hù)；調(diào)節(jié)；堵轉(zhuǎn)；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(zhí)行機(jī)構(gòu)的功率驅(qū)動單元。它接收調(diào)節(jié)器或遠(yuǎn)方操作器的控制信號和來自電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置反饋信號，根據(jù)兩信號的差值控制電動機(jī)向減少差值的方向轉(zhuǎn)動。伺服放大器是將控制信號轉(zhuǎn)換成電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(yīng)有的正常功能外，根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)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(hù)設(shè)備安全的前提條件下，提高控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)。 1、新增特殊功能 1.1、信號自診斷功能 JSQ-200型系列伺放設(shè)置有斷信號保護(hù)、過信號保護(hù)。在生產(chǎn)現(xiàn)場常常因為各種原因?qū)е驴刂菩盘柣蚍答佇盘栔袛嗷虺稣７秶凑?～20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號低于2mA或高于22mA），如接線松動、脫落導(dǎo)致信號過小，或是因設(shè)備（調(diào)節(jié)器、計算機(jī)I/O通道、位置反饋裝置等）發(fā)生功率管被擊穿導(dǎo)致信號過大等，伺放保護(hù)功能啟動，可確保執(zhí)行機(jī)構(gòu)保持在原來的位置，不會因信號故障導(dǎo)致被控執(zhí)行機(jī)構(gòu)全開或全關(guān)，進(jìn)而對生產(chǎn)流程造成影響，同時發(fā)出故障報警信號提醒操作人員注意。 1.2、堵轉(zhuǎn)保護(hù)功能 堵轉(zhuǎn)（此功能可由撥碼開關(guān)在線選擇是否使用）是在生產(chǎn)現(xiàn)場經(jīng)常遇到的一種現(xiàn)象，即當(dāng)被驅(qū)動負(fù)載力矩大于電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)所能牽引力矩時（常見于執(zhí)行機(jī)構(gòu)因調(diào)整不佳或零點漂移關(guān)到0%以下或開100%以上，以及因設(shè)備卡澀而導(dǎo)致的停轉(zhuǎn)），電到動機(jī)帶電卻拖不動負(fù)載。電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)在這種工況下長時間運行會導(dǎo)致電機(jī)或電子開關(guān)的損壞。 堵轉(zhuǎn)保護(hù)功能就是自動檢測控制系統(tǒng)是否發(fā)生堵轉(zhuǎn)，當(dāng)判定發(fā)生堵轉(zhuǎn)后保護(hù)功能啟動，同時發(fā)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(zhí)行機(jī)構(gòu)上安裝上、下限位開關(guān)。 1.3、電制動功能 電制動功能（此功能可由撥碼開關(guān)在線選擇是否使用）是指伺放在電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)失去控制驅(qū)動電源指令后，發(fā)出指令快速消除電機(jī)惰走的作用。減少執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)得到提高，同時可減少電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)械磨損，降低因更換執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶來的成本支出。 1.4、用戶免調(diào)校 由于電路選用了溫度系數(shù)很小的元器件，則電路的穩(wěn)定性、對稱性就很好，電路的參數(shù)和一些技術(shù)指標(biāo)都由軟件固定下來，因此用戶只須在現(xiàn)場用撥碼開關(guān)選擇電制動、堵轉(zhuǎn)保護(hù)功能，與執(zhí)行機(jī)構(gòu)配合情況下改變“死區(qū)”設(shè)定值，其他均無須調(diào)校。 2、工作原理 伺放以單片機(jī)為控制核心，接收來自控制器的指令信號和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置反饋信號，兩路信號均經(jīng)過轉(zhuǎn)換，將電流信號轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可接收的數(shù)字信號。單片機(jī)始終對兩路信號進(jìn)行檢查，確定信號是否在正常范圍以內(nèi)。信號正常則進(jìn)行減法運算，其差值再與死區(qū)（即靈敏度）進(jìn)行比較（死區(qū)大小可通過撥碼開關(guān)進(jìn)行在線選擇），差值小于死區(qū)保持執(zhí)行機(jī)構(gòu)不動，差值大于死區(qū)則驅(qū)動電機(jī)向減小差值的方向轉(zhuǎn)動，直到差值小于死區(qū)。單片機(jī)會在驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動的同時自動進(jìn)行堵轉(zhuǎn)判斷，若長時間電機(jī)保持一個方向轉(zhuǎn)動，且反饋信號保持不變，則認(rèn)為發(fā)生堵轉(zhuǎn)，CPU會自動切斷電機(jī)堵轉(zhuǎn)方向的控制電源，并輸出報警信號。 單片機(jī)會在驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動的同時自動進(jìn)行電制動判斷，當(dāng)信號差值小于死區(qū)的瞬間發(fā)出制動脈沖，配合電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)上的機(jī)械制動，可縮短電機(jī)惰走時間。 3、硬件電路設(shè)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(jié)RAM、I/O線、16位定時/計數(shù)器、兩極中斷源結(jié)構(gòu)、全雙工串行口、精確的模擬比較器、片內(nèi)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(qū)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(shè)計有軟、硬件配合的自啟動、復(fù)位電子狗電路，可保證在發(fā)生程序“走飛”或“死機(jī)”的情況下，快速及時的恢復(fù)正常工作（時間可控制在0.3s以內(nèi)），確保設(shè)備運轉(zhuǎn)安全。 3.2、信號采集電路 進(jìn)入伺放的控制信號和位置反饋信號，先后經(jīng)過電流-電壓轉(zhuǎn)換、濾波、 A/D轉(zhuǎn)換，最后通過光電隔離耦合引入單片機(jī)I/O口。 由于現(xiàn)場不確定因素較多，為避免進(jìn)入伺放的控制信號和位置反饋信號相互干擾、發(fā)生整套控制系統(tǒng)的“共地”問題，在電路設(shè)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(jī)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(qū)動輸出電路 根據(jù)其他型號伺放在現(xiàn)場的使用情況看，伺放損壞幾率最高的就是功率驅(qū)動輸出電路，原因主要是驅(qū)動的是有感負(fù)載，而感性負(fù)載在電子開關(guān)斷開時對功率驅(qū)動輸出電路會產(chǎn)生反電勢沖擊，特別是隨著執(zhí)行器功率的增大，電動機(jī)功率、電感量也隨之增大，伺放功率驅(qū)動輸出電路在反電勢沖擊下?lián)p壞的可能性也不斷增加，伺放壽命相應(yīng)縮短。 JSQ-200系列伺放功率驅(qū)動輸出電路采用了可控硅過零觸發(fā)方式，即電子開關(guān)控制接通或斷開感性負(fù)載電源時，發(fā)生在交流電過零時刻，從而降低了在可控硅開關(guān)時，感性負(fù)載產(chǎn)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(hù)電子開關(guān)，降低了電子開關(guān)斷開時，負(fù)載產(chǎn)生的反電勢對其的破壞。電路設(shè)計中選用了高反壓雙向可控硅，一方面可以防止電子開關(guān)斷開時，因為負(fù)載產(chǎn)生的反電勢誘發(fā)可控硅誤導(dǎo)通，提高系統(tǒng)可靠性。另一方面可以防止反電勢擊穿損壞可控硅，提高設(shè)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(xiàn)場的使用情況看，無一臺功率驅(qū)動輸出電路損壞。 3.4、動態(tài)時間常數(shù)的設(shè)置 伺放的動態(tài)時間是常被忽視的重要技術(shù)性能，該動態(tài)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(shù)指標(biāo)中也沒有注明。伺放的動態(tài)時間常數(shù)直接決定了伺放的響應(yīng)時間，進(jìn)而影響伺服放大器的性能和整套控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)。實際使用中，伺放的動態(tài)時間常數(shù)大，對信號的濾波效果就好，系統(tǒng)穩(wěn)定性提高，執(zhí)行器不易發(fā)生震蕩，但系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)慢，死區(qū)大（即控制信號與反饋信號差值較大，有的達(dá)到3%以上）不利于調(diào)節(jié)品質(zhì)的提高；反之，有些伺放品種因為響應(yīng)時間太快，在執(zhí)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(jié)果是執(zhí)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(zhí)行機(jī)構(gòu)動作V2極為頻繁，行走卻很慢，很不利系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)的提高，也降低了執(zhí)行器機(jī)械制動的使用壽命 伺放的動態(tài)響應(yīng)時間，不能只通過伺放單體獨立的進(jìn)行確定或測試，必須與上下游關(guān)聯(lián)設(shè)備系統(tǒng)一起進(jìn)行試驗和確定。 JSQ-200伺放的動態(tài)時間常數(shù)主要取決于A/D轉(zhuǎn)換時間、單片機(jī)運算速度以及信號輸入通道的濾波電容，在 A/D轉(zhuǎn)換時間、單片機(jī)運算速度確定后，其中改變?yōu)V波電容是主要的調(diào)節(jié)手段。通過幾年來在現(xiàn)場的大量試驗，最終確定了JSQ-200型系列伺放的動態(tài)時間常數(shù)。 4、軟件設(shè)計 軟件通過編制一段準(zhǔn)確的定時程序來配合單片機(jī)I/O通道的計數(shù)工作，通過統(tǒng)計計數(shù)來讀取控制反饋通道的數(shù)值，并進(jìn)一步進(jìn)行運算比較，確定正反轉(zhuǎn)方向輸出。程序工作流程見圖3。 5、結(jié)束語 通過幾年來在生產(chǎn)現(xiàn)場的應(yīng)用，實踐證明該伺放可保證整套控制系統(tǒng)穩(wěn)定、快速的要求，控制信號與位置信號之差小于1%，調(diào)節(jié)品質(zhì)比業(yè)內(nèi)其他型號的伺放普遍得到提高。