摘要 论述伺服系统的构成，和CU、DU的设计思想及方法。伺服控制系统在工业部门运用越来越广，其主要任务是快速、准确、稳定、可靠地控制各个功能部件位置，使功能部件电轴始终对准目标，完成各类任务.
关键词 CU DU PDU
1 系统构成 伺服控制系统的任务是采取各种控制策略，快速、准确、稳定、可靠地控制目标的位置，使功能部件座架的机械轴随控制指令运动，或使功能部件电轴始终对准目标，完成各项任务，并确保功能部件系统安全、可靠、长期稳定地工作。伺服控制分机主要由控制单元（CU）、驱动单元（DU）、轴角编码（PDu）、误差解调器安全保护逻辑，以及安装在功能部件座架上的执行元件、测量元件、控保元件组成。 功能部件控制单元（cU）是伺服系统的控制中心。它完成功能部件运动的各种控制以及各种控制策略的实时计算与实施，最终完成对功能部件精确定位。CU是以工业控制计算机为基础，集控制、监视、计算、故障监测为一体的，对功能部件实现安全可靠操控，使用灵活的全数字化设备。CU提供了先进的控制算法和措施在CU 中实现对各个轴的位置闭环控制，PID调节器、数据的采集、传送以及与上位计算机的通信，系统参数的设置和保存。 CU对主要工作点，如电源电压、状态切换、控保开关等，在工作过程中进行实时巡检，并及时采取相应的处理措施。 驱动单元（DU）是由功率放大、环路控制、驱动电机、安全控保单元组成。采用成熟的电流环、速度环结构、方位、俯抑支路的控制原理和设备构成基本类同。 驱动单元（DU）除了能接收功能部件控制单元的指令外，本身具有独立的操控功能，便于使用维护。跟踪误差解调器输出误差电压，CU依据该电压进行环路校正计算，送出控制电机转动的速度信号，驱动功能部件向误差减小的方向转动，来完成任务。 轴角编码把角度传感器旋转变压器输出的模拟信号转换成数字信号提供给CU。功能部件座上安装有多种安全保护装置和元件，它们给出了功能的各种状态，对人身安全和设备安全提供了必要的保障。为此，驱动单元设有限位开关、锁定联动保护功能。
2 驱动单元（DU） 驱动单元方案拟制的出发点是在满足技术指标的前提下，确保设备能长期可靠地工作。因此，可靠性设计是驱动单元方案考虑的一个重点。 考虑到对伺服控制系统的技术要求，可靠性要求、可维修性要求以及我们所在可控硅功放方面的技术优势，功能部件驱动单元的核心部件功率放大器采用单相全波逆并联有环流体制可控硅功率放大器. 采用单相全波逆并联有环流体制SCR功率放大器，其最大优点是线路简单，技术成熟，工程继承性强，可靠性高，维修性好。 方位、俯仰支路均采用单直流电机驱动、机械消隙方案。每个电机拥有各自独立的速度环、电流环、电压环和功放，同时在驱动单元中还设有控保逻辑电路。
2．1 驱动单元环路 功能部件驱动单元从原理上讲是一个电流转速双闭环调速系统。设置电流环，主要是为了克服力矩控制的死区和非线性，维持电流可控，不发生过流，改善电机的动态特性，为速度环提供频率较宽的控制对象。同时，为力矩均分和实现电消隙莫定基础。 设置速度环主要是为了提高抗负载扰动能力、抗电网扰动能力，克服负载及电机的非线性特性，扩大词速范围，提高低速平稳性 同时为位置环路提供良好的控制对象。电流调节器和速度调节器都采用并联PID调节器，电流环采用一阶无静差设计，速度环采用二阶无静差设计。
2．2 控保逻辑 为了保证功能部件安全可靠地运行，在功能部件座设置有安全保护开关，如：手柄联锁、俯仰轴的预限位、终限位开关以及开高压、声光报警。马达与功率放大器设置有过电压吸收，浪涌电压吸收，相序与缺相保护，过载保护、电流限制、自动空气开关和熔断器等。
3 控制单元（CU） 从系统原理框图中不难看出，CU 所担负的任务主要为通讯任务、监控任务和实时计算任务。
3．1 CU 主要功能 工作方式切换、状态显示，实时数据记录、事后打印，功能部件轴角编码和显示，接收上位机送来的命令，接收操作手输入功能。功能部件安全保护。
3．2 CU 硬件 功能部件控件单元（cu）是以工业控制计算机系统为基础，集控制、监视、计算于一体，对功能部件实现安全可靠的操控。 CU 主要由工业控制计算机（包括各种模板）、显示器、键盘、鼠标等组成. •通信卡，用于与上位机的通讯。 • A／D卡，模拟量输入板，用于接收送来的电平信号、误差电压信号。 • D／A卡，2通道模拟量输出板，用于向DU发送速度指令信号。 • I／O卡，光电隔离和继电器隔离IO板，用于实现与DU之间的控制信号和状态信号的接口。以及各种数字量信息。 • 编码卡：自行研制的符合ISA总线的角度编码板。 轴角编码器选用多级旋变为测角元件、RDC为核心的转换电路。轴角编码器做成板卡结构，按ISA总线设计，可直接插在PC工控机箱内。具有精度高、易开发、性能稳定可靠的特点。 [b]4 CU软件 4．1 软件总体描述[/b] 软件是设备的灵魂和神经。其主要任务是指挥协调硬设备完成相应的功能。宏观上讲，软件功能主要包括通讯功能、控制功能、计算功能、监视功能、数据采集功能、显示功能等。系统软件的运行是全自动化的。实时控制部分在后台运行，对用户是不可见的，用户可见是人机界面部分 实时控制软件首先对系统进行初始化，包括端口初始化，数据初始化，变量初始化等。初始化结束后才开始响应外部事件和定时事件。
4．2 软件的模块层次划分 按上述规定的原则，在软件系统设计中，软件模块划分为四个主要层次， 自底向上分别为：硬件控制层提供对端口、中断、通讯口等硬件资源的访问。所有对硬件的访问都必须通过硬件控制层来进行，对于同一硬件，一次只能有一个外部模块对之进行访问 外部模块需对硬件控制层模块的访问权进行申请，拥有控制权的模块才能进行硬件操作。硬件控制层模块向设备控制层模块提供服务。 设备控制层 设备控制层模块虚拟功能部件跟踪分系统中的各个设备，如驱动机构、编码器、位景环路等。它封装了对各设备的接口协议和操作，并采集设备的状态 设备控制层向上提供设备的连接状态、运行状态和动作执行状态，向下通过硬件控制层与硬件系统的实际设备进行通讯 人机界面层 人机界面层实现监视数据的显示、操作手命令接受等人机交互工作。人机界面向设备控制层中的虚拟设备索取设备的数据和状态，向应用管理层中的管理模块索取系统的工作状态数据，并将这些数据进行显示。
5 实时控制实现功能 CU部分程序需要定时循环执行，如数据采样、自动跟踪、数字引导等，对实时性要求较高。因此需要有硬件定时器定期产生中断信号来提供准确的定时。实时控制程序模块作为定时器中断的中断服务程序来运行。 在CU 的实时控制部分需要完成以下工作 •功能部件运动状态采集及控制，驱动单元工作状态采集及控制，角度编码，数据采集，各种工作方式处理及控制保护逻辑，与上位机之间的通信。 在CU的人机界面部分主要完成以下工作. • 系统工作状态、故障信息的显示，操作手操作命令辖人，各工作方式下参数的输人，系统设置.
参考资料 1 李学干．计算机系统结构．西安电子科技大学 2 研华手册．研华 3 用户手册．AD公司
作者简介 杨光 男，毕业于西安电子科技大学，一直从事计算机控制技术的研究工作，曾获得原电子部科技进步二等奖。 伺服系统设计:PDF
