直流伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)三閉環(huán)要點(diǎn)

1、 摘 要本設(shè)計(jì)以微型計(jì)算機(jī)8097為主控器，采用PID算法設(shè)計(jì)三環(huán)全數(shù)字式控制器。在本次設(shè)計(jì)中選擇霍爾元件做為電流檢測(cè)傳感器，將檢測(cè)到的弱電信號(hào)通過(guò)運(yùn)算放大器LF356組成的兩級(jí)放大電路放大濾波后，輸入8097內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換進(jìn)而得到電流反饋量；光電脈沖發(fā)生器作為速度檢測(cè)傳感器以及位置傳感器，通過(guò)光電隔離器PC900和GAL16V8的分頻鑒相得到速反饋量，同時(shí)與8097內(nèi)部的計(jì)數(shù)器和計(jì)數(shù)器8254結(jié)合以可逆計(jì)數(shù)方式得到位置反饋量；通過(guò)軟件設(shè)置電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)的工作方式。此外，采用串口通信使伺服系統(tǒng)與上位微型計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)通信聯(lián)系以發(fā)送各種運(yùn)行指令，最終實(shí)現(xiàn)微型計(jì)算機(jī)對(duì)電流環(huán)、速度環(huán)和

2、位置環(huán)的控制。關(guān)鍵詞：微型計(jì)算機(jī)， 8097， HIS， 8254， PID ABSTRACT This design adopts the micro-computer 8097 as the main component, and chooses the PID algorithm to design. Hall element as a current detection sensor will get weak signals in the design. Then the weak signals will be amplified and filtered through the

3、amplifier circuit which constructed by LF356 , and imports 8097-internal A/D converter circuit to switch so that get the feedback signal of current .As speed detection sensors and position sensors, the optical pulse generator through the optical isolator PC900 and GAL16V8 to division frequency and p

4、hase in order to get the feedback signal of speed .Combined with the 8097 internal counter and the counter 8254 we can get feedback signal of position relying on reversible counting. In this design, we adopt software to set the operation mode of current loop, velocity loop and position loop work. In

5、 addition, we used the serial communication to set up the communications between system and upper monitor in order to send a variety of operating instructions, and ultimately system achieved control of the current loop, velocity loop and position loop. KEY WORDS：Microcomputer， 8097， HIS， 8254， PID 目

6、錄摘 要IABSTRACTI第1章 緒論1第2章 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)12.1 設(shè)計(jì)要求12.2 方案論證12.3 方案選擇3第3章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)33.1 微型計(jì)算機(jī)809733.1.1 8097的概述33.1.2 變T法速度檢測(cè)43.2 輸入輸出通道設(shè)計(jì)63.2.1 電流反饋通道63.2.2 轉(zhuǎn)速反饋通道73.2.3 位置反饋通道73.2.4 伺服系統(tǒng)給定輸入通道83.3 電源電路設(shè)計(jì)9第4章控制算法PID的設(shè)計(jì)94.1 電流環(huán)控制器設(shè)計(jì)94.2 速度環(huán)控制器設(shè)計(jì)104.3 位置環(huán)控制器設(shè)計(jì)114.4 采樣周期選擇124.5 控制算式和運(yùn)算流程圖12第5章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)13第6章 總結(jié)15參考文

7、獻(xiàn)16附錄1:器件元件明細(xì)表17附錄2:電路原理圖17第1章 緒論直流伺服電動(dòng)機(jī)是近幾十年來(lái)隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的一種新型電動(dòng)機(jī)。近些年來(lái)，直流伺服控制系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，這已經(jīng)成為自動(dòng)化領(lǐng)域的一項(xiàng)重要課題。伺服系統(tǒng)在機(jī)械制造行業(yè)中占據(jù)著重要位置，是用得最多最廣泛的控制系統(tǒng)1。直流伺服系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是控制特性優(yōu)良，能在很寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)速，調(diào)速比大，起制動(dòng)性能好，定位精度高。直流伺服電動(dòng)機(jī)既有交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，又具有直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率高、調(diào)速性能好的特點(diǎn)，故在當(dāng)今國(guó)民經(jīng)濟(jì)中直流伺服系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于軋鋼機(jī)及其輔助機(jī)械、造紙機(jī)、金屬切割機(jī)床

8、等眾多自動(dòng)控制中的各個(gè)領(lǐng)域2。伺服系統(tǒng)尤其在機(jī)械制造行業(yè)中占據(jù)著主導(dǎo)位置，同時(shí)也是應(yīng)用的最為普遍的控制系統(tǒng)，到目前為止直流伺服仍占據(jù)著主要地位3。第2章 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)2.1 設(shè)計(jì)要求本次設(shè)計(jì)的主要對(duì)象是一個(gè)直流伺服系統(tǒng)，目的是為某生產(chǎn)機(jī)械設(shè)計(jì)一個(gè)調(diào)速性能好、起制動(dòng)性能好、定位準(zhǔn)確且定位過(guò)程無(wú)超調(diào)的直流伺服系統(tǒng)，且擬定該伺服系統(tǒng)由大功率晶體管脈寬調(diào)制放大器給電動(dòng)機(jī)供電，控制方式為三環(huán)全數(shù)字式即電流環(huán)控制器運(yùn)算、速度環(huán)控制器運(yùn)算、位置環(huán)控制器運(yùn)算?，F(xiàn)已知系統(tǒng)中直流電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速ne=1000r/min；電樞回路總電阻R=2.4；電磁時(shí)間常數(shù)Tl=0.004s；機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm=0.07s。2.2

9、方案論證本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為采用PID算法設(shè)計(jì)三環(huán)全數(shù)字式控制方式，要求微型計(jì)算機(jī)完成電流環(huán)控制器運(yùn)算、速度環(huán)控制器運(yùn)算、位置環(huán)控制器運(yùn)算，以及對(duì)它們相應(yīng)反饋信號(hào)的采樣和數(shù)字信號(hào)處理。方案一：選用8051單片機(jī)作為控制器，以測(cè)速發(fā)電機(jī)作為速度反饋元件，以光電解碼為角位置反饋元件，霍爾元件作為檢測(cè)電動(dòng)機(jī)電樞電流的傳感器，驅(qū)動(dòng)裝置為大功率晶體管PWM功率放大器，此方案系統(tǒng)框圖如圖2.1所示。單片機(jī)8051 光電解碼器測(cè)速發(fā)電機(jī)MPWM功放D/AA/D 圖 2.1 基于8051的系統(tǒng)框圖速度檢測(cè)元件采用測(cè)速發(fā)電機(jī)，它把轉(zhuǎn)速換成電壓后，再由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，輸入微型計(jì)算機(jī)8051；霍爾元件檢測(cè)到得弱

10、電流信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換、濾波、放大后變成與電樞電流成比例的0-5V的直流電壓信號(hào)，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路，將模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，輸入微型計(jì)算機(jī)。光電解碼是將由直流伺服電機(jī)帶動(dòng)的單片機(jī)處理給定量和上面檢測(cè)元件的測(cè)量量的偏差處理后輸出信號(hào)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槟M電壓，再經(jīng)放大器放大后，去控制PWM功率放大器工作，進(jìn)而控制直流電機(jī)向著預(yù)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。方案二：采用intel MCS96系列的8097作為微處理器外，采用霍爾元件作為檢測(cè)電動(dòng)機(jī)電樞電流的傳感器，光電脈沖信號(hào)發(fā)生器作為速度反饋測(cè)量元件和數(shù)字式角位移傳感器。此方案的系統(tǒng)框圖如圖2.2所示。 顯示模塊顯示單片機(jī)8097電機(jī)PWM運(yùn)算放大電路計(jì)

11、數(shù)器8254信號(hào)檢測(cè)PG光電隔離 圖2.2 系統(tǒng)整體框圖intel MCS96系列的8097是16位高性能單片機(jī)，有著很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力和豐富的外部信號(hào)處理資源，其內(nèi)部包含有A/D轉(zhuǎn)換電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、顯示驅(qū)動(dòng)電路等所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)的絕大部分控制任務(wù)由它承擔(dān)?；魻栐z測(cè)到電樞電流反饋信號(hào)經(jīng)濾波放大后輸入微型計(jì)算機(jī)8097，光電脈沖發(fā)生器作為速度和位置測(cè)量器件將所測(cè)得的信號(hào)輸入光電隔離器和可編程門陣列電路GAL16V8進(jìn)行分頻和鑒相，然后輸入微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析、處理。2.3 方案選擇 為使本次的系統(tǒng)最終設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化簡(jiǎn)單，可靠性更強(qiáng)，精度更精確，現(xiàn)將三種方案做如下比較。第一種方

12、案：該方案以單片8051為主控器，采用測(cè)速發(fā)電機(jī)作為速度檢測(cè)傳感器來(lái)獲取轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)，采用這種方案的缺點(diǎn)是測(cè)速發(fā)電機(jī)本身存在死區(qū)和非線性以及A/D轉(zhuǎn)換、濾波電路將帶來(lái)誤差和時(shí)滯。第二種方案：該方案是由微型計(jì)算機(jī)8097及可編程計(jì)數(shù)器8254和可編程門列陣電路組成，此方案不僅具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力和精確的運(yùn)算精度，而且還能使系統(tǒng)設(shè)計(jì)中硬件結(jié)構(gòu)變得更加簡(jiǎn)單，可靠性更強(qiáng)。經(jīng)過(guò)以上比較，本次設(shè)計(jì)采用第二種方案。第3章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)除了以 8097 單片機(jī)控制器為主要元件外，還包括1片可編程計(jì)數(shù)器8254，1片可編程門陣列電路GAL16V8，兩個(gè)運(yùn)算放大器LF356，一片單通道高速光隔離

13、器PC900。3.1 微型計(jì)算機(jī)80973.1.1 8097的概述MCS-96系列單片機(jī)是目前性能較高的單片機(jī)系列產(chǎn)品之一，主要應(yīng)用領(lǐng)域有：工業(yè)控制、儀器儀表、電信技術(shù)、辦公自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、汽車和節(jié)能、制導(dǎo)和導(dǎo)航等。而MCS-96系列單片機(jī)中的8097型號(hào)的產(chǎn)品特別適用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，控制系統(tǒng)和智能儀器系統(tǒng)等應(yīng)用領(lǐng)域。圖3.1 8097管腳結(jié)構(gòu)圖在本系統(tǒng)中，我們將要用到的8097片內(nèi)資源有：10位單極性A/D轉(zhuǎn)換器、高速輸入單元HIS、高速輸出單元HSO、串行通信口SIO、計(jì)數(shù)器T1、T2等。A/D轉(zhuǎn)換器將電流反饋通道中模擬反饋信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量；HIS作為速度反饋通道的數(shù)字式測(cè)速單元；

14、HSO將通過(guò)軟件定時(shí)器以事件設(shè)置方式，確定電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)的采樣周期并發(fā)出相應(yīng)的中斷信號(hào)，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器；SIO作為伺服系統(tǒng)給定串行輸入通道的接口電路；計(jì)數(shù)器T2和8254的#0和#1計(jì)數(shù)器通道作為PWM信號(hào)發(fā)生器，在控制輸出通道中將數(shù)字量的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為PWM控制信號(hào)。我們選用8097單片機(jī)根據(jù)其特點(diǎn)充分利用8097單片機(jī)資源，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)得到進(jìn)一步的簡(jiǎn)化。3.1.2 變T法速度檢測(cè)根據(jù)HIS的功能特點(diǎn)用HIS作為T法測(cè)量轉(zhuǎn)速的部件，HIS結(jié)構(gòu)圖如圖3.2所示。本次設(shè)計(jì)中將光電脈沖發(fā)生器測(cè)得的A、B兩脈沖的不同分頻信號(hào)分別連接到HIS的四個(gè)輸入通道，當(dāng)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，HIS選取不同的分頻

15、信號(hào)進(jìn)行T法轉(zhuǎn)速測(cè)量，就可以克服T法測(cè)量轉(zhuǎn)速的局限性，這也正是變T法的思路2。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n與A、B兩脈沖周期T成反比，在對(duì)T的測(cè)量分辨率一定的條件下，T越小，n的測(cè)量精度越低。為了保證一定的測(cè)速精度和單位時(shí)間進(jìn)入HIS的事件數(shù)量，當(dāng)轉(zhuǎn)速n升降時(shí)，進(jìn)入HIS的分頻信號(hào)的分頻數(shù)K也要相應(yīng)增大或減小，使進(jìn)入HIS的脈沖周期T在一定范圍內(nèi)變化。若將A、B相脈沖的2倍頻信號(hào)2A、A相脈沖信號(hào)A、A相脈沖的2分頻信號(hào)A/2、4分頻信號(hào)A/4、分別連到HIS的四個(gè)輸入端口HSI0，HSI1，HSI2，HSI3，再通過(guò)對(duì)HIS事件形式的選擇(正跳和負(fù)跳作為一個(gè)事件、每8個(gè)脈沖作為一個(gè)事件)和輸入通道選擇，可以

16、得到分頻數(shù)1/4，1/2，1，2，4，8，16，32的分頻信號(hào)。在系統(tǒng)控制程序的協(xié)調(diào)作用下，分頻數(shù)K自動(dòng)跟蹤轉(zhuǎn)速n的升降而增大和減小。本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中光脈沖發(fā)生器的刻度位2500/轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)速n=1r/min時(shí)，1/4分頻信號(hào)的周期T為6ms，轉(zhuǎn)速n(r/min)分頻數(shù)K，分頻信號(hào)脈沖周期T(ms)之間的關(guān)系式為n=24K/T (3.1)HIS對(duì)T的測(cè)量分辨率為2us，若要求速度測(cè)量的最低分辨率<1/，則脈沖周期的最小值Tmin>2（us）。根據(jù)對(duì)系統(tǒng)速度的測(cè)量值精度和實(shí)時(shí)性要求的綜合考慮，設(shè)定當(dāng)10×2m-1<n10×2m時(shí) K=(1/4)×2m

17、(m=0，1，2，3，7) (3.2)另外，分頻數(shù)K隨轉(zhuǎn)速n變化時(shí)，在每一個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)上還需要一個(gè)滯環(huán)，其作用是防止K在轉(zhuǎn)換點(diǎn)反復(fù)變化，滯環(huán)對(duì)應(yīng)在T上的寬度設(shè)定為0.1ms，這個(gè)滯環(huán)由軟件判斷來(lái)實(shí)現(xiàn)。20bitFIFO保持寄存器HSI-形式事件檢測(cè)器HSI-狀態(tài)HSI-時(shí)間T17bit16201648當(dāng)前狀態(tài)4HIS觸發(fā)形式HSI0HSI1HSI2HSI32.0us 時(shí)鐘圖3.2 HIS的結(jié)構(gòu)圖3.2 輸入輸出通道設(shè)計(jì)3.2.1 電流反饋通道 電流反饋通道由霍爾元件、兩級(jí)放大器LF356和A/D轉(zhuǎn)換器組成。本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)是采用霍爾元件作為檢測(cè)電動(dòng)機(jī)電樞電流的傳感器，其電流容量為50A，轉(zhuǎn)換比例為10

18、00:1.霍爾元件檢測(cè)到得弱電流信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換、濾波、放大后變成與電樞電流成比例的0-5V的直流電壓信號(hào)，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路，將模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，輸入微型計(jì)算機(jī)處理，電路原理圖如圖3.3所示。在圖3.3中R1為50，是霍爾元件的負(fù)載電阻，R2=10K，遠(yuǎn)大于R1，C1、C2為濾波電容。由于運(yùn)算放大器AM1輸入阻抗很高，可忽略R2對(duì)霍爾元件輸出電流的分流作用，則R1將霍爾元件輸出的電流信號(hào)線性轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)Um，再經(jīng)過(guò)兩級(jí)運(yùn)算放大器的放大和濾波后到達(dá)微型計(jì)算機(jī)8097內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換電路輸入口，其中第二級(jí)放大器輸入端引入-5V電壓信號(hào)是為了將第一級(jí)放大器輸出的雙極性電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成單極性的電壓信號(hào)

19、。電樞電流是雙極性的，變化范圍在±20A之內(nèi)，設(shè)電樞電流為20A時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換電路模擬輸入電壓為5V，當(dāng)電流為-20A時(shí)，輸入電壓為0V，當(dāng)電樞電流為0時(shí)，A/D輸入電壓為2.5V，則第一級(jí)放大器的放大倍數(shù)為2.5，第二級(jí)放大器的放大倍數(shù)為0.5。當(dāng)參考電壓為5V時(shí)，輸入電壓為5V則A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果為1023，輸入電壓為0V時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果為0，輸入電壓為2.5V時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果為512。由此可知，電流反饋回路反饋系數(shù) = =24.6/A （3.1）電流測(cè)量分辨率為0.04A，整個(gè)反饋通道濾波的時(shí)間常數(shù)為0.5ms。圖3.3 電流反饋信號(hào)放大濾波電路圖3.2.2 轉(zhuǎn)速反饋通道轉(zhuǎn)速反

20、饋通道由光電脈沖發(fā)成器、光電隔離器PC900、可編程門陣列GAL16V8和計(jì)數(shù)器、定時(shí)器等組成。光電脈沖發(fā)成器和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子同軸，它輸出的A、B兩相脈沖信號(hào)必須經(jīng)過(guò)GAL16V8的分頻、鑒相，而且進(jìn)入微處理機(jī)控制電路之前，必須經(jīng)過(guò)光電隔離器PC900，防止電磁干擾影響微處理器機(jī)控制電路的正常工作。在電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，A、B兩相脈沖信號(hào)的頻率也很高，要求光電隔離的元件有比較快的響應(yīng)速度，所以本次設(shè)計(jì)中我們選用PC900。采用光電隔離器來(lái)隔離具有顯著的優(yōu)點(diǎn): 單方向傳遞信號(hào), 寄生反饋小, 傳輸信號(hào)的頻帶寬; 抗干擾能力強(qiáng), 不容易受周圍電磁場(chǎng)的影響。 光電脈沖發(fā)生器是增量式光電編碼器的一種,它由光源

21、、光電轉(zhuǎn)盤、光敏元件和光電放大整形電路組成如圖3.4所示。光電轉(zhuǎn)盤與被測(cè)軸連接, 光源通過(guò)光電轉(zhuǎn)盤的透光孔射到光敏元件上，當(dāng)轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)時(shí)光敏元件便發(fā)出與轉(zhuǎn)速成正比的脈沖信號(hào)。電機(jī)軸上的光電編碼器產(chǎn)生兩路編碼脈：A相和B相脈沖。我們選用的光電脈沖發(fā)生器每轉(zhuǎn)刻度為2500，其輸出的A、B兩相脈沖經(jīng)四倍頻后，可獲得每轉(zhuǎn)10000個(gè)脈沖的角位移分辨率。圖3.4 光電脈沖發(fā)生器部件分解示意圖3.2.3 位置反饋通道位置反饋通道由光電脈沖發(fā)生器、光電隔離器PC900、可編程門陣列GAL16V8（和速度反饋通道共用），以及計(jì)數(shù)器T1和計(jì)數(shù)器T2組成。位置的反饋數(shù)字量可用可逆計(jì)數(shù)方式獲得。如將A、B 的4倍頻信

22、號(hào)輸入8097內(nèi)部的T1、T2的脈沖輸入端，T1工作于受控方式，控制信號(hào)為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向信號(hào)，T2對(duì)所有的4A脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，則電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，為低電平封鎖T1，反轉(zhuǎn)時(shí)允許T1對(duì)4A脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，則電動(dòng)機(jī)在一個(gè)位置環(huán)的采樣周期內(nèi)位置偏移量為 P(k)=T2(k)-2T1(k) (3.2)(3.3)其中，T2(k) 和T1(k)分別為T2、T1在一個(gè)位置環(huán)采樣周期內(nèi)的計(jì)數(shù)值。系統(tǒng)的絕對(duì)位置反饋量為P(k)=3.2.4 伺服系統(tǒng)給定輸入通道在本設(shè)計(jì)中采用串行通信作為伺服系統(tǒng)的給定輸入通道。給定輸入通道由上位微型計(jì)算機(jī)、電平轉(zhuǎn)換電路、串行通信接口組成。一旦上位微型計(jì)算機(jī)和伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了通信聯(lián)系，不僅可以通

23、過(guò)上位微型計(jì)算機(jī)給伺服系統(tǒng)發(fā)送各種各樣的運(yùn)行命令，還可以隨時(shí)修改伺服系統(tǒng)的參數(shù)，顯示其運(yùn)行過(guò)程中的狀態(tài)變量，為系統(tǒng)調(diào)試提供了極大的方便12。圖3.5 8097控制的三環(huán)直流伺服系統(tǒng)由8097控制的三環(huán)直流伺服控制系統(tǒng)圖如圖3.5所示?；魻栐z測(cè)的到得電流經(jīng)放大濾波后輸入8097內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理將模擬反饋信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，由光電脈沖器測(cè)得的速度量經(jīng)由GAL16V8分頻、鑒相之后輸入微型計(jì)算機(jī)的HSI單元進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量，而經(jīng)由可逆計(jì)數(shù)方式得到的位置反饋數(shù)字量，8097內(nèi)部的HSO單元將通過(guò)軟件定時(shí)器以事件設(shè)置方式，確定電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)的采樣周期并發(fā)出相應(yīng)的中斷信號(hào)，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)

24、換器；SIO作為伺服系統(tǒng)給定串行輸入通道的接口電路；計(jì)數(shù)器T2和8254的#2通道一起構(gòu)成位置反饋通道的位置檢測(cè)單元。而8254的#0和#1計(jì)數(shù)器通道作為PWM信號(hào)發(fā)生器，在控制輸出通道中將數(shù)字量的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈寬調(diào)制控制信號(hào)。3.3 電源電路設(shè)計(jì)本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電源模塊采用220V交流電，先經(jīng)變壓器降壓，然后經(jīng)過(guò)橋式整流再次經(jīng)電容濾波，最后由7905、7805、7812三端集成穩(wěn)壓管分別得到-5V、+5V、12V電壓，以此來(lái)為整個(gè)系統(tǒng)供電。其原理圖如圖3.6所示。圖3.6 電源電路圖第4章控制算法PID的設(shè)計(jì) 4.1 電流環(huán)控制器設(shè)計(jì)將電流環(huán)按典型I型系統(tǒng)校正，電流調(diào)節(jié)器應(yīng)為PI調(diào)節(jié)器電流環(huán)

25、的簡(jiǎn)化動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖4.1所示。按典型I型系統(tǒng)的校正要求參數(shù)應(yīng)選擇：Ti=TL=0.004s，Ti=Tfi+Ts=0.00075s，阻尼比 =0.707，電流環(huán)開環(huán)截止頻率為（4.1） 由電流環(huán)的開環(huán)增益KI=ci，所以電流調(diào)節(jié)器比例系數(shù)為 （4.2）a/(1+TFis)Ki(1+1/Tis)Ks/(1+Tss)(1/R)/(1+TLs)iauaucugi/a+ _KI/s（1+Tis）iaugi/a+ 圖4.1 電流環(huán)簡(jiǎn)化動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖4.2 速度環(huán)控制器設(shè)計(jì)當(dāng)速度環(huán)截止頻率時(shí)，電流環(huán)的等效傳遞函數(shù)近似為（4.3）將轉(zhuǎn)速環(huán)校正成典II型系統(tǒng)，設(shè)其傳遞函數(shù)為（4.4）ST=Kn(1+)則速度環(huán)的簡(jiǎn)

26、化動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖4.2所示。速度環(huán)控制器的參數(shù)選擇：電流環(huán)等效慣性時(shí)間常數(shù)為2Ti=0.0015s，速度反饋回路的滯后時(shí)間Tfn約為0.001s，速度環(huán)的小時(shí)間常數(shù)為Tn=2Ti+Tfn=0.0025s。按跟隨性能和抗干擾性能要求，取中頻寬h=5，則積分時(shí)間常數(shù)為Tn=hTn=0.0125s。速度環(huán)開環(huán)增益為（4.5）速度調(diào)節(jié)器比例系數(shù)為 （4.6）Kn(1+1/Tns)(1/a)/(1+2Tis)R/(TnCes)1/(1+Tfns)KN(1+Tns)/s2(1+Tns)nnugnugn+ _+ _iLiaugi+_圖4.2 速度環(huán)的簡(jiǎn)化動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖4.3 位置環(huán)控制器設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求伺服系統(tǒng)

27、能準(zhǔn)確、無(wú)超調(diào)定位，則位置環(huán)只能按照典型I型系統(tǒng)來(lái)校正13。經(jīng)PI調(diào)節(jié)器校正后的速度內(nèi)環(huán)可等效為一慣性環(huán)節(jié)1/(1+TMs)，則位置調(diào)節(jié)器為比例調(diào)節(jié)器。位置環(huán)的簡(jiǎn)化動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖4.3所示，KJ為單位換算系數(shù)，當(dāng)速度的單位是r/min，位置輸出的單位為脈沖數(shù)時(shí)，KJ=1000/6。KP1/(1+TMs)KJ/s(KpKJ)/s(1+TMs)ugpugp+ _+ _PP圖4.3 位置環(huán)簡(jiǎn)化動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖位置環(huán)控制器參數(shù)選擇：取阻尼比=1時(shí)，典型I型系統(tǒng)階躍響應(yīng)無(wú)超調(diào)，則伺服系統(tǒng)定位無(wú)超調(diào)。位置環(huán)的開環(huán)截止頻率為： cp=1/4TM3.57s-1 (4.7)位置環(huán)的開環(huán)增益：KP=cp=KpKJ，位置

28、環(huán)的調(diào)節(jié)器比例系數(shù)： Kp=cp/KJ0.0214。 (4.8)4.4 采樣周期選擇位置環(huán)的開環(huán)截止頻率cp=3.57s-1，選取位置環(huán)的采樣角頻率sp=35.7s-1,得位置環(huán)的采樣周期Tp=0.176。以上對(duì)各個(gè)控制閉環(huán)的采樣周期進(jìn)行的選擇，只是確定了它們能保證一定控制性能指標(biāo)的大致范圍。我們?nèi)〉牟蓸又芷跒門I=0.5ms，TN=1ms，Tp=4ms。4.5 控制算式和運(yùn)算流程圖電流環(huán)數(shù)字?jǐn)?shù)字控制算式求取如下，將式（4.1）寫成微分方程形式：（4.9） （4.10）選定的采樣周期TI，將上述方程離散成差分方程式。Uc(k)=Kiei(k)-Kiei(k-1)+Uc(k-1)式中Ki=(1+

29、TI/Ti)Ki，將各個(gè)參數(shù)帶入式中得，（4.11）Uc(k)=1.46ei(k)-1.3ei(k-1)+Uc(k-1)上式(5.9)即為可供編程的電流控制器算式，它是全量輸出，輸出對(duì)應(yīng)著線性關(guān)系，PWM控制信號(hào)的占空比。Uc(k)在初始狀態(tài)為1000，即Uc(0)=1000。同理，可導(dǎo)出速度控制器算式為（4.12）Ugi(k)=Knen(k)-Knen(k-1)+Ugi(k-1)（4.13）式中Kn=(1+TN/Tn)Kn，將各個(gè)參數(shù)代入式中得Ugi(k)=7.344en(k)-6.8en(k-1)+Ugi(k-1)式(5.11)也是全量輸出，Ugi(k)對(duì)應(yīng)著采樣時(shí)刻電流控制回路的數(shù)字給定

30、輸入值。此處，Ugi的初始狀態(tài)為Ugi(0)=512。位置環(huán)控制算法為P調(diào)節(jié)器，則有（4.14）Ugn(k)=Kpep(k)=0.0214ep(k)其中Ugn(k)也是全量輸出，它對(duì)應(yīng)速度環(huán)的數(shù)字給定值。由式(4.8)、(4.10)、(4.11)可編制電流環(huán)速度環(huán)和位置環(huán)控制器的算法程序。第5章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主程序模塊的任務(wù)是對(duì)SIO中斷服程序接收到得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理：解釋、分析和執(zhí)行微型計(jì)算機(jī)送來(lái)的指令；根據(jù)指令要求采集伺服系統(tǒng)的有關(guān)信息，并通過(guò)串行通信口反饋到上位微型計(jì)算機(jī)中。主程序模塊的流程圖如圖5.4所示。其中的握手是指伺服系統(tǒng)和上位微型計(jì)算機(jī)之間通過(guò)串行通信取得相互認(rèn)可的聯(lián)系15。而自動(dòng)跟蹤是伺服系統(tǒng)的一種運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)入這種狀態(tài)后，上位微型計(jì)算機(jī)送來(lái)的數(shù)據(jù)是伺服系統(tǒng)的位置給定偏移量，它以字為單位，在位置給定寄存器上累加。 該系統(tǒng)的電流環(huán)控制設(shè)計(jì)精度基本達(dá)到準(zhǔn)確。由于條件限制及客觀因素的影響，使得測(cè)試結(jié)果與預(yù)想值出現(xiàn)誤差，但是誤差較小且在允許范圍內(nèi)，所以從整體上來(lái)