机械传动间隙的实时检测电路设计
2009-04-20
作者：赵建周 张宇河
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。
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。
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
机械传动间隙的实时检测电路设计路被分解为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
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英寸)；
·360°全角转换对应数字量14位；
·高跟踪速度(75转/分)；
·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1.11kΩ；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
89×2.2＝195.8kΩ
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：
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。
参考文献
1 张宇河.计算机控制系统.北京：北京理工大学出版社，1996
2 胡佑德.伺服系统原理与设计.北京：北京理工大学出版社，1993