关键词：伺服放大器；单片机；保护；调节；堵转；电制动
0、概述
JSQ-200型系列伺服放大器（以下简称伺放）是电动执行机构的功率驱动单元。它接收调节器或远方操作器的控制信号和来自电动执行机构的位置反馈信号，根据两信号的差值控制电动机向减少差值的方向转动。伺服放大器是将控制信号转换成电动执行机构动作过程的核心单元。
JSQ-200型系列伺放除了具备普通伺放应有的正常功能外，根据生产现场的实际需要还增加了一些特殊功能，以便在更有利的保护设备安全的前提条件下，提高控制系统的调节品质。
1、新增特殊功能
1.1、信号自诊断功能
JSQ-200型系列伺放设置有断信号保护、过信号保护。在生产现场常常因为各种原因导致控制信号或反馈信号中断或超出正常范围（即正常4～20mA的标准信号低于2mA或高于22mA），如接线松动、脱落导致信号过小，或是因设备（调节器、计算机I/O通道、位置反馈装置等）发生功率管被击穿导致信号过大等，伺放保护功能启动，可确保执行机构保持在原来的位置，不会因信号故障导致被控执行机构全开或全关，进而对生产流程造成影响，同时发出故障报警信号提醒操作人员注意。
1.2、堵转保护功能
堵转（此功能可由拨码开关在线选择是否使用）是在生产现场经常遇到的一种现象，即当被驱动负载力矩大于电动执行机构所能牵引力矩时（常见于执行机构因调整不佳或零点漂移关到0%以下或开100%以上，以及因设备卡涩而导致的停转），电到动机带电却拖不动负载。电动执行机构在这种工况下长时间运行会导致电机或电子开关的损坏。
堵转保护功能就是自动检测控制系统是否发生堵转，当判定发生堵转后保护功能启动，同时发出故型系障报警信号提醒操作人员注意。使用JSQ-200型系列伺放还可以免去在就地执行机构上安装上、下限位开关。
1.3、电制动功能
电制动功能（此功能可由拨码开关在线选择是否使用）是指伺放在电动执行机构失去控制驱动电源指令后，发出指令快速消除电机惰走的作用。减少执行机构的惰走时间，就可以提高伺服放大器的控制灵敏度，就意味着整套控制系统的调节品质得到提高，同时可减少电动执行机构的机械磨损，降低因更换执行机构带来的成本支出。
1.4、用户免调校
由于电路选用了温度系数很小的元器件，则电路的稳定性、对称性就很好，电路的参数和一些技术指标都由软件固定下来，因此用户只须在现场用拨码开关选择电制动、堵转保护功能，与执行机构配合情况下改变“死区”设定值，其他均无须调校。
2、工作原理
伺放以单片机为控制核心，接收来自控制器的指令信号和执行机构的位置反馈信号，两路信号均经过转换，将电流信号转换为单片机可接收的数字信号。单片机始终对两路信号进行检查，确定信号是否在正常范围以内。信号正常则进行减法运算，其差值再与死区（即灵敏度）进行比较（死区大小可通过拨码开关进行在线选择），差值小于死区保持执行机构不动，差值大于死区则驱动电机向减小差值的方向转动，直到差值小于死区。单片机会在驱动电机转动的同时自动进行堵转判断，若长时间电机保持一个方向转动，且反馈信号保持不变，则认为发生堵转，CPU会自动切断电机堵转方向的控制电源，并输出报警信号。
单片机会在驱动电机转动的同时自动进行电制动判断，当信号差值小于死区的瞬间发出制动脉冲，配合电动执行机构上的机械制动，可缩短电机惰走时间。
3、硬件电路设计
控制核心选用89C51系列芯片，该芯片为一种带闪速可编程、可擦除只读存储器（PEROM）的低电压、高性能CMOS 8位微控制器。其特性如下：闪速存贮器、128字节RAM、I/O线、16位定时/计数器、两极中断源结构、全双工串行口、精确的模拟比较器、片内震荡器和时钟电路。
整套电路由CPU、看门狗电路、信号采集电路、功率驱动、电源电路等组成。JSQ-200系列伺放电路原理见图1。
3.1、看门狗电路
伺放专门设计有软、硬件配合的自启动、复位电子狗电路，可保证在发生程序“走飞”或“死机”的情况下，快速及时的恢复正常工作（时间可控制在0.3s以内），确保设备运转安全。
3.2、信号采集电路
进入伺放的控制信号和位置反馈信号，先后经过电流-电压转换、滤波、 A/D转换，最后通过光电隔离耦合引入单片机I/O口。
由于现场不确定因素较多，为避免进入伺放的控制信号和位置反馈信号相互干扰、发生整套控制系统的“共地”问题，在电路设计中做到了两个信号采集通道的彻底隔离，包括两通道的供电、单片机的供电也采用了相互独立的电源。（电源电路参见图2）
3.3、功率驱动输出电路
根据其他型号伺放在现场的使用情况看，伺放损坏几率最高的就是功率驱动输出电路，原因主要是驱动的是有感负载，而感性负载在电子开关断开时对功率驱动输出电路会产生反电势冲击，特别是随着执行器功率的增大，电动机功率、电感量也随之增大，伺放功率驱动输出电路在反电势冲击下损坏的可能性也不断增加，伺放寿命相应缩短。
JSQ-200系列伺放功率驱动输出电路采用了可控硅过零触发方式，即电子开关控制接通或断开感性负载电源时，发生在交流电过零时刻，从而降低了在可控硅开关时，感性负载产生的反电势与交流电峰值双重叠加作用在可控硅两端的电压。另外还采用了阻容吸收与压敏电阻释放并列作用保护电子开关，降低了电子开关断开时，负载产生的反电势对其的破坏。电路设计中选用了高反压双向可控硅，一方面可以防止电子开关断开时，因为负载产生的反电势诱发可控硅误导通，提高系统可靠性。另一方面可以防止反电势击穿损坏可控硅，提高设备的可靠性以上措施非常实用、有效，几年来通过几十台JSQ-200型系列伺放在现场的使用情况看，无一台功率驱动输出电路损坏。
3.4、动态时间常数的设置
伺放的动态时间是常被忽视的重要技术性能，该动态时间的实际意义还没有看到有效的解释或定义，在伺放的技术指标中也没有注明。伺放的动态时间常数直接决定了伺放的响应时间，进而影响伺服放大器的性能和整套控制系统的调节品质。实际使用中，伺放的动态时间常数大，对信号的滤波效果就好，系统稳定性提高，执行器不易发生震荡，但系统的动态响应慢，死区大（即控制信号与反馈信号差值较大，有的达到3%以上）不利于调节品质的提高；反之，有些伺放品种因为响应时间太快，在执行器动作的瞬间，位置反馈刚开始变化，伺放就停止功率输出，结果是执行器将本来动作一次完成的（1%左右）分成几次甚至十几次，使执行机构动作V2极为频繁，行走却很慢，很不利系统调节品质的提高，也降低了执行器机械制动的使用寿命
伺放的动态响应时间，不能只通过伺放单体独立的进行确定或测试，必须与上下游关联设备系统一起进行试验和确定。
JSQ-200伺放的动态时间常数主要取决于A/D转换时间、单片机运算速度以及信号输入通道的滤波电容，在 A/D转换时间、单片机运算速度确定后，其中改变滤波电容是主要的调节手段。通过几年来在现场的大量试验，最终确定了JSQ-200型系列伺放的动态时间常数。
4、软件设计
软件通过编制一段准确的定时程序来配合单片机I/O通道的计数工作，通过统计计数来读取控制反馈通道的数值，并进一步进行运算比较，确定正反转方向输出。程序工作流程见图3。
5、结束语
通过几年来在生产现场的应用，实践证明该伺放可保证整套控制系统稳定、快速的要求，控制信号与位置信号之差小于1%，调节品质比业内其他型号的伺放普遍得到提高。
