摘 要： 介紹了一種機(jī)械傳動中間隙的實時檢測方法及其具體實現(xiàn)電路,。該電路結(jié)構(gòu)緊湊,，方法合理,、實用,。經(jīng)實際使用證明,，性能穩(wěn)定,，完全滿足實用和研究的需要。
關(guān)鍵詞： 間隙 增量碼盤 自整角機(jī)
伺服系統(tǒng)的機(jī)械傳動部分,，無論傳動形式是齒輪,、鏈條、鋼索還是杠桿,，在傳動過程中總存在著間隙,。間隙非線性不僅會增大系統(tǒng)的靜差，而且還會影響系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì),，使系統(tǒng)在單位階躍信號作用下過度過程時間加長,，振蕩次數(shù)增多，甚至產(chǎn)生不衰減的自振蕩,。因此研究間隙對系統(tǒng)的影響具有很大的實際意義,。
研究間隙的影響，就需要獲取傳動中的間隙,。本文正是在某型坦克炮塔的控制算法研究中產(chǎn)生的,。
1 間隙的獲取方法
系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。
間隙是由機(jī)械傳動裝置產(chǎn)生的,。由電機(jī)軸反饋回來的位置信號是不包含間隙的,，而由負(fù)載軸反饋回來的位置信號包含有間隙成份。電機(jī)軸和負(fù)載軸的速比是固定的,，所以我們可以通過如下方法獲取間隙：由電機(jī)軸位置乘以和兩軸速比對應(yīng)的“電子速比”得到負(fù)載軸的理想的無間隙位置,，然后再與由負(fù)載軸反饋來的實際位置相減即是對應(yīng)時刻的間隙。
2 電路的組成
計算機(jī)可選任意型號,，本系統(tǒng)為研究方便選用的是系統(tǒng)機(jī)486PC兼容機(jī),。
接口電路主要包括用于檢測電機(jī)軸位置的碼盤信號整形、判向,、計數(shù)緩沖部分,；用于檢測負(fù)載軸位置的自整角機(jī)信號接收轉(zhuǎn)換模塊；命令輸出(D/A)以及開關(guān)量I/O,。
2.1 電機(jī)軸位置的檢測電路
電機(jī)軸位置的檢測選用與電機(jī)軸同軸的增量式碼盤作傳感器,。增量式碼盤體積小、精度高且易于安裝,。如瑞士生產(chǎn)的一種碼盤,，外觀尺寸是Φ44mm，厚度僅22mm,，而精度最高可達(dá)9000 脈沖/轉(zhuǎn),。本系統(tǒng)選用的是FANUC公司生產(chǎn)的電機(jī)配套碼盤，2000脈沖/轉(zhuǎn)。負(fù)載軸位置的檢測選用自整角機(jī),，采用粗精組合技術(shù)也可達(dá)相當(dāng)高的精度,。本系統(tǒng)中的精度最高可達(dá)19位的分辨率，實際只用了16位,。
電機(jī)軸位置檢測相關(guān)電路框圖如圖2所示,。
碼盤計數(shù)器選用74LS193二進(jìn)制可逆計數(shù)器級聯(lián)組成。193具有加減計數(shù)控制端,、清零端,、置數(shù)控制端，正好滿足電路的需要,。增量式碼盤產(chǎn)生的A,、B、Z三相信號經(jīng)長線驅(qū)動變換成三組差動信號送至長線接收電路,。其中A,、B脈沖信號相位相差90度，用于判向和計數(shù),；Z脈沖信號電機(jī)軸每轉(zhuǎn)一圈一個用于清零(測間隙不用,，與清零電路配合用于伺服系統(tǒng)歸零位)。這里的長線接收器選用AM26ls32,。
判向電路組成如圖3所示,。
具體的判向過程如圖4所示。
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由圖4可以看出,，碼盤輸出的脈沖經(jīng)方向判別電
機(jī)械傳動間隙的實時檢測電路設(shè)計路被分解為cp+,、cp－兩路脈沖，正轉(zhuǎn)cp+脈沖,，cp－為高電平,，反轉(zhuǎn)則相反。
數(shù)據(jù)鎖存選用74LS374,，緩沖用245,。由于碼盤的脈沖是隨時產(chǎn)生的，為避免CPU在計數(shù)期間來讀數(shù),，需要把CP+,、CP－引入鎖存電路,，具體電路示于圖5,。
這里我們利用cp+、cp－脈沖的前沿鎖存數(shù)據(jù),，而計數(shù)利用的是cp+,、cp－的后沿，故鎖存的數(shù)據(jù)是可靠的。同時CPU讀取的是鎖存后的數(shù)據(jù),，這就解決了兩者的同步問題,。應(yīng)注意的是，由于把讀信號引入產(chǎn)生鎖存信號的與門,，這可能引起A/D轉(zhuǎn)換一個碼的誤差,。一般這也是符合A/D轉(zhuǎn)換器的設(shè)計精度要求的。
2.2 負(fù)載軸位置的檢測電路
負(fù)載軸位置的檢測電路組成框圖示于圖6,。
自整角機(jī)1,、自整角機(jī)2分別安裝在負(fù)載軸和與其相連的傳動軸上，構(gòu)成粗精組合檢測電路,。SDC模塊選用英國產(chǎn)的SDC1704,。SDC1704是模擬的連續(xù)跟蹤的自整角機(jī)/旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)字轉(zhuǎn)換器，廣泛應(yīng)用于軍事和工業(yè)領(lǐng)域,。它具有以下特點：
·參考電壓頻率可選：60Hz,，400Hz，2.6kHz,；
·低厚度(0.4英寸),；
·360°全角轉(zhuǎn)換對應(yīng)數(shù)字量14位；
·高跟蹤速度(75轉(zhuǎn)/分),；
·實際電壓隨外加電阻變化,；
·與角速度成比例的直流電壓輸出；
·重量輕(30盎司),。
根據(jù)選擇,，其輸入信號可為3路自整角機(jī)信號+參考信號或4路旋轉(zhuǎn)變壓器信號+參考信號。輸出信號為與TTL電平兼容的并行自動二進(jìn)制碼,。
SDC1704模塊與自整角機(jī)的連接共有5根線(示于圖7),。其中三跟相電壓線上的信號相位互差120°，而線線間的線電壓直接決定著三個電阻R1,、R2,、R3阻值的選擇。參考電壓的大小決定著電阻Rf的阻值,。電阻的選擇原則是：對R1,、R2、R3,，信號電壓在規(guī)定的額定值基礎(chǔ)上每增加1V,，應(yīng)串1.11kΩ；對Rf,，參考電壓在額定值基礎(chǔ)上每增加1V,，應(yīng)串2.2kΩ,。例如，若線間電壓額定值11.8V,，參考電壓額定值26.0V,，希望使用60V線電壓和115V參考電壓，則電阻的計算過程為：
R1,，R2,，R3：60－11.8＝48.2V
48.2×1.11＝53.5kΩ
Rf: 115－26.0＝89V
89×2.2＝195.8kΩ
這里應(yīng)注意的是，對R1,、R2,、R3，電阻間的比例誤差比單純的阻值更重要,。1%的比例誤差將導(dǎo)致17弧分的不精確度,！
SDC1704模塊與計算機(jī)間的接口非常簡單(示于圖7)。數(shù)據(jù)緩沖選用兩片244即可,，兩片的數(shù)據(jù)輸出控制連在一起由一個地址選通,。為防止CPU在模塊轉(zhuǎn)換期間讀數(shù)，使用如圖邏輯控制其INHIBT引腳,。由于該腳為低電平禁止轉(zhuǎn)換,，故讀數(shù)前應(yīng)向相應(yīng)的I/O口送一數(shù)據(jù)，確保D觸發(fā)器Q為0,。
由兩塊SDC1704模塊讀回的粗精兩個14位數(shù)據(jù),，需要根據(jù)其變比組合成一個負(fù)載軸對應(yīng)的角度，在組合過程中還須考慮粗大誤差進(jìn)行糾錯處理,，關(guān)于具體細(xì)節(jié),，這里不再贅述，但給出一個實用的經(jīng)驗公式：
3 關(guān)于電路中的16位數(shù)據(jù)選通信號I/OCS16
如果使用PC或PC兼容機(jī),，16位數(shù)據(jù)輸入輸出就必須給出I/OCS16信號,。該信號一般教科書上都是按圖8給出的。實際使用時發(fā)現(xiàn)此種方法不可靠,，容易引起死機(jī)或誤操作,。主要原因是這種方式構(gòu)成的電路之間很易相互干擾。如某電路1要進(jìn)行16位讀或?qū)懖僮?，其對?yīng)的端口地址1為0,，相應(yīng)的I/OCS16信號在讀或?qū)戇^程中就應(yīng)為低電平0。而實際上另一電路2此時沒I/O請求(肯定不會有),，但由于電路1的讀或?qū)懖僮魇闺娐?相應(yīng)的三態(tài)門打開,，電路2要強(qiáng)行把I/OCS16信號拉高。這樣如果門電路負(fù)載能力稍差,，勢必會造成I/OCS16信號該高的不高,，該低的不低,。換成圖9所示電路,，類似問題就不復(fù)存在,。
4 正確使用電路
在編制應(yīng)用程序時，應(yīng)注意開始時讓碼盤的0位與自整角機(jī)的0位相一致,。我們采用的方法是送指令使系統(tǒng)啟動,，采集負(fù)載軸的位置，等到其為0時,，通過置數(shù)端給193置0,。
該電路結(jié)構(gòu)合理、實用,，已被成功應(yīng)用于有關(guān)間隙的項目研究中,。經(jīng)實際使用證明，工作可靠,，性能良好,。
參考文獻(xiàn)
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