機械傳動間隙的實時檢測電路設計

摘 要： 介紹了一種機械傳動中間隙的實時檢測方法及其具體實現電路。該電路結構緊湊，方法合理、實用。經實際使用證明，性能穩定，完全滿足實用和研究的需要。

關鍵詞： 間隙 增量碼盤 自整角機

伺服系統的機械傳動部分，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的靜差，而且還會影響系統的動態品質，使系統在單位階躍信號作用下過度過程時間加長，振蕩次數增多，甚至產生不衰減的自振蕩。因此研究間隙對系統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生的。

１ 間隙的獲取方法

系統的組成框圖如圖1所示。

間隙是由機械傳動裝置產生的。由電機軸反饋回來的位置信號是不包含間隙的，而由負載軸反饋回來的位置信號包含有間隙成份。電機軸和負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：由電機軸位置乘以和兩軸速比對應的“電子速比”得到負載軸的理想的無間隙位置，然后再與由負載軸反饋來的實際位置相減即是對應時刻的間隙。

２ 電路的組成

計算機可選任意型號，本系統為研究方便選用的是系統機486PC兼容機。

接口電路主要包括用于檢測電機軸位置的碼盤信號整形、判向、計數緩沖部分；用于檢測負載軸位置的自整角機信號接收轉換模塊；命令輸出（D/A）以及開關量I/O。

2.1 電機軸位置的檢測電路

電機軸位置的檢測選用與電機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。如瑞士生產的一種碼盤，外觀尺寸是 Φ44mm，厚度僅22mm，而精度最高可達9000 脈沖／轉。本系統選用的是FANUC公司生產的電機配套碼盤，2000脈沖／轉。負載軸位置的檢測選用自整角機，采用粗精組合技術也可達相當高的精度。本系統中的精度最高可達19位的分辨率，實際只用了16位。

電機軸位置檢測相關電路框圖如圖2所示。

碼盤計數器選用74LS193二進制可逆計數器級聯組成。193具有加減計數控制端、清零端、置數控制端，正好滿足電路的需要。增量式碼盤產生的A、B、Z三相信號經長線驅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；Z脈沖信號電機軸每轉一圈一個用于清零（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。

由圖４可以看出，碼盤輸出的脈沖經方向判別電路被分解為cp+、cp-兩路脈沖，正轉cp+脈沖，cp-為高電平，反轉則相反。

數據鎖存選用74LS374，緩沖用245。由于碼盤的脈沖是隨時產生的，為避免CPU在計數期間來讀數，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-脈沖的前沿鎖存數據，而計數利用的是cp+、cp-的后沿，故鎖存的數據是可靠的。同時CPU讀取的是鎖存后的數據，這就解決了兩者的同步問題。應注意的是，由于把讀信號引入產生鎖存信號的與門，這可能引起A/D轉換一個碼的誤差。一般這也是符合A/D轉換器的設計精度要求的。

2.2 負載軸位置的檢測電路

負載軸位置的檢測電路組成框圖示于圖6。

自整角機1、自整角機2分別安裝在負載軸和與其相連的傳動軸上，構成粗精組合檢測電路。SDC模塊選用英國產的SDC1704。SDC1704是模擬的連續跟蹤的自整角機／旋轉變壓器數字轉換器，廣泛應用于軍事和工業領域。它具有以下特點：

· 參考電壓頻率可選：60Hz,400Hz,2.6kHz;

·低厚度（0.4寸）；

·360°全角轉換對應數字量14位；

·高跟蹤速度（75轉／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）。

根據選擇，其輸入信號可為3路自整角機信號+參考信號或4路旋轉變壓器信號+參考信號。輸出信號為與TTL電平兼容的并行自動二進制碼。

SDC1704模塊與自整角機的連接共有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，信號電壓在規定的額定值基礎上每增加1V，應串1.11kｋΩ；對Rf，參考電壓在額定值基礎上每增加1V，應串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=195.8k Ω

這里應注意的是，對R1、R2、R3，電阻間的比例誤差比單純的阻值更重要。1%的比例誤差將導致17弧分的不精確度！

SDC1704模塊與計算機間的接口非常簡單（示于圖7）。數據緩沖選用兩片244即可，兩片的數據輸出控制連在一起由一個地址選通。為防止CPU在模塊轉換期間讀數，使用如圖邏輯控制其INHIBT引腳。由于該腳為低電平禁止轉換，故讀數前應向相應的I/O口送一數據，確保D觸發器Q為0。

由兩塊SDC1704模塊讀回的粗精兩個14位數據，需要根據其變比組合成一個負載軸對應的角度，在組合過程中還須考慮粗大誤差進行糾錯處理，關于具體細節，這里不再贅述，但給出一個實用的經驗公式：

３ 關于電路中的16位數據選通信號I/OCS16

如果使用PC或PC兼容機，16位數據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。實際使用時發現此種方法不可靠，容易引起死機或誤操作。主要原因是這種方式構成的電路之間很易相互干擾。如某電路1要進行16位讀或寫操作，其對應的端口地址1為0，相應的I/OCS16信號在讀或寫過程中就應為低電平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的讀或寫操作使電路2相應的三態門打開，電路2要強行把I/OCS16信號拉高。這樣如果門電路負載能力稍差，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，類似問題就不復存在。

４ 正確使用電路

在編制應用程序時，應注意開始時讓碼盤的0位與自整角機的0位相一致。我們采用的方法是送指令使系統啟動，采集負載軸的位置，等到其為0時，通過置數端給193置0。

該電路結構合理、實用，已被成功應用于有關間隙的項目研究中。經實際使用證明，工作可靠，性能良好。