利用脉宽调制技术实现快速自动调平

　　1　引　言

　　工程测量应用中,许多仪器,比如水准仪、经纬仪等,都要求在水平状态下工作,这一般是通过调节他们的调平基座实现的。通常的做法是用手调节调平基座上的旋纽,用眼观察安放在调平基座上的气泡,很费时间,且调平的效果取决于操作者的经验、感觉,误差因素较多,难于保证调平精度,对于频繁流动作业的仪器来说更是如此。随着技术的进步,用电子气泡检测水平度并通过电机反馈控制的自动调平系统逐渐得到应用,他既免除了测量人员在作业中费时的手动调平之苦,又能保证一致的调平精度。用微处理器或处理器的脉宽调制(PWM)功能通过闭环控制可以实现自动调平,但由于微处理器单任务的特点,同一时刻只能监测一个方向的电子气泡和控制一个电机,而实际上往往需要在x,y两个方向上同时进行调节,因此调平所需的时间仍然较长。本文采取了模拟电路方法,实践证明,这种方法电路的实时性强,能够快速(在10 s以内)地自动调平,且调平精度高,效果理想。

　　2　原　理

　　2.1　系统构成

　　整个系统的结构框图如图1所示(只画出x分向部分,y分向部分与此相同)。方波发生器由RC充放电电路和回差电压比较器构成,其方波输出用作电子气泡激励电路的输入,频率为100 kHz左右。电子气泡激励信号加在电子气泡的两个极点,使之产生周期性的输出信号。电子气泡的输出经隔直电容滤除直流分量后输入前置放大器进行放大,然后输入同步检波器进行同步检波。同步检波器的同步信号由电子气泡激励电路提供。同步检波的输出包含了电子气泡的倾斜信息,正、负量分别代表一端或另一端的倾斜。同步检波的输出通过低通滤波器后变成反映电子气泡倾斜的直流电平信号,按理这个直流电平可以直接输入给直流电机,但是,随着调平基座趋于水平,这个直流电平幅度会变小,不能给直流电机足够的驱动力,效果不理想,因此让此直流电平信号经过一个高增益的输出钳位放大器,转换为幅值恒定的±V0的直流电平,分别与电子气泡一端和另一端的倾斜相对应。这个±V0的直流电平作为脉宽调制驱动电路的输入,控制直流电机的正转、反转和停转。因为输入直流电机的电平信号总是幅值较高的信号,因此直流电机总能很好地驱动。

　　电子气泡安放在调平基座上,直流电机通过齿轮系统对调平基座进行上下调节。

　　2.2　脉宽调制(PWM)控制原理[1]

　　脉宽调制控制电路是利用半导体功率晶体管或晶闸管等开关器件的导通和关断,把直流电压变成电平脉冲序列,控制电平脉冲的宽度或周期以达到变压目的或者控制电平脉冲的宽度和周期以达到变压变频目的的一种变换电路。他在开关稳压电源以及直流电机调速、交流电机变频调速等控制电路中有着广泛的应用。