机械传动间隙的实时检测电路设计

     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1.11kｋΩ；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    

    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：

   

    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。