【正文】 德州學(xué)院 物理系 2020 屆 電子信息 專業(yè) 畢 業(yè)設(shè)計(jì) 1 基于 PID 控制的直流伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 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)和位置環(huán)的控制。 關(guān)鍵詞 微型計(jì)算機(jī)； 8097； HIS； 8254； PID 1 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]。 傳統(tǒng)的直流電機(jī)以其優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩特性和調(diào)速性能在運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用， 但機(jī)械電刷卻是它的致命弱點(diǎn)。 伺服控制直流電動(dòng)機(jī)就是為了既要保持有刷直流電動(dòng)機(jī)的特性、又要革除電刷和換向器的目的研究開發(fā)的。控制系統(tǒng)中的執(zhí)行電動(dòng)機(jī)應(yīng)該具有下列優(yōu)點(diǎn)：快速性、可控性、可靠性、體積小、重量輕、節(jié)能、效率高、適重量輕、節(jié)能、效率高、適應(yīng)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)性 [4]。為了實(shí)現(xiàn)快速的起、停、加速、減速，要求電動(dòng)機(jī)具有小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩，伺服控制直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子主要是由永磁材料構(gòu)成的磁極體組成，電樞繞組在定子上，因而轉(zhuǎn)子外徑可以相對(duì)較小，轉(zhuǎn)子慣量也就較小轉(zhuǎn)矩方面，只有直流電動(dòng)機(jī)才能達(dá)到大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和大的最大轉(zhuǎn)矩，而伺服控制直 流電動(dòng)機(jī)具有直流電動(dòng)機(jī)的特性，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩都較大。這使得它具有快速性的特點(diǎn)。在可控性方面，直流電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和繞組流過(guò)的電德州學(xué)院 物理系 2020 屆 電子信息 專業(yè) 畢 業(yè)設(shè)計(jì) 2 流成線性關(guān)系，直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩又大，因此可控性最好、最方便。伺服控制直流電動(dòng)機(jī)具有一般有刷直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速特性，只要簡(jiǎn)單地改變電動(dòng)機(jī)的輸入電壓的大小就可以在廣闊的范圍內(nèi)進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速 [5]。 在伺服控制直流電動(dòng)機(jī)的控制技術(shù)方面，伺服控制直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)正由傳統(tǒng)的模擬技術(shù)轉(zhuǎn)向微處理器控制的數(shù)字技術(shù)。數(shù)字控制技術(shù)使得許多硬件工作都由軟件來(lái)完成。這樣 減少了硬件電路，提高了可靠性和 性能，減小了尺寸，提高了效率。 數(shù)字控制技術(shù)不僅使系統(tǒng)獲得高精度、高可靠性，還為新型控制理論 (如矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、參數(shù)自適應(yīng)控制、模糊控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制等 )的應(yīng)用提供了物質(zhì)基礎(chǔ) [6]。特別是適用于實(shí)時(shí)控制的工業(yè)單片機(jī)和高速數(shù)字信號(hào)處理器在伺服系統(tǒng)的應(yīng)用，這大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)性能。伺服控制直流電動(dòng)機(jī)是伴隨著數(shù)字控制技術(shù)而產(chǎn)生和發(fā)展起來(lái)的，發(fā)展全數(shù)字化的伺服系統(tǒng)將是以后的研究重點(diǎn) [7]。 隨著技術(shù)的進(jìn)步和整個(gè)工業(yè)的不斷發(fā)展，伺服系統(tǒng)將逐漸走向數(shù)字化、高度集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和模塊化，其發(fā)展及 應(yīng)用也將會(huì)走向一個(gè)更大更廣的空間。 2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 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=；電磁時(shí)間常數(shù) Tl=；機(jī)電時(shí)間常數(shù) Tm=。 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 ， 本系統(tǒng)的粗框圖如圖 所示。在設(shè)計(jì)中微型計(jì)算機(jī)為主要器件， 此外還需要選擇適當(dāng)?shù)碾娏鳈z測(cè)傳感器、速度檢測(cè)傳感器以及位置傳感器來(lái)將系統(tǒng)的各個(gè)參量轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電信號(hào)送入微型計(jì)算機(jī)，以完成系統(tǒng)中信號(hào)采樣和反饋信號(hào)的處理。本次共設(shè)計(jì)三套方案如以下所示。 德州學(xué)院 物理系 2020 屆 電子信息 專業(yè) 畢 業(yè)設(shè)計(jì) 3 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，執(zhí)行電機(jī)為直流伺服電機(jī)，此方案系統(tǒng)框圖如圖 所示。 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 05V 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) ；角度反饋元件光電解碼把角度轉(zhuǎn)換成數(shù)字量直接輸出，送入單片機(jī)測(cè)速 發(fā)電機(jī)。光電解碼是將由直流伺服電機(jī)帶動(dòng)的單片機(jī)處理給定量和上單片機(jī) 8051 光電解碼器 測(cè)速發(fā)電機(jī) M PWM 功放 D/A A/D 圖 基于 8051 的系統(tǒng)框圖 位置 調(diào)節(jié)器 速度 調(diào)節(jié)器 電流 調(diào)節(jié)器 M 速度 傳感器 位置 傳感器 — — — 圖 系統(tǒng)組成粗框圖 給定輸入 德州學(xué)院 物理系 2020 屆 電子信息 專業(yè) 畢 業(yè)設(shè)計(jì) 4 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 intel8086 作為微處理器， 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。系統(tǒng)框圖如圖 所示。 電樞電流反饋信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換、濾波放大后輸入到 A/D 轉(zhuǎn)換器。定 時(shí)器輸出脈沖信號(hào)周期性啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換后的信號(hào)經(jīng)并行 I/O 接口 8255A 輸入微型計(jì)算機(jī) 8086。此外，并行 I/O 接口 8255A 還負(fù)責(zé)接收伺服系統(tǒng)的數(shù)字式給定輸入作為和上位微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行并行通信的接口。編程計(jì)數(shù)器 8254 主要是產(chǎn)生定時(shí)中斷信號(hào)、 PWM 控制輸出信號(hào)以及作為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量量和位置反饋測(cè)量的計(jì)數(shù)器，在將電流調(diào)節(jié)器的控制輸出量轉(zhuǎn)換為 PWM 控制信號(hào)的同時(shí)還將轉(zhuǎn)速和位置反饋測(cè)量量輸入微型計(jì)算機(jī)，進(jìn)而達(dá)到控制的目的。 方案三：采用 intel MCS— 96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 。 單片機(jī) 8086 并行 I/O 接口 8255A 上 位 微型 計(jì) 算機(jī) A/D 轉(zhuǎn)換器 可編 程計(jì)數(shù)器 8254 PWM 功放 M 光電隔離倍頻辨向 PG 圖 基于 8086 的系統(tǒng)框圖 德州學(xué)院 物理系 2020 屆 電子信息 專業(yè) 畢 業(yè)設(shè)計(jì) 5 intel MCS— 96 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。 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： 該方案由 8086CPU 及其 RAM、 ROM 小系統(tǒng)，再加上一些接口電路和器件 組成 ，能夠完成三環(huán)全數(shù)字式 伺服系統(tǒng)的控制任務(wù)。 此方案的 不足之處是硬件電路比較復(fù)雜。系統(tǒng)硬件電路增多，不僅系統(tǒng)的成本上升，而且可靠性下降。 第三種方案：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)。 單 片 機(jī) 8097 上位微型計(jì)算機(jī) 計(jì)數(shù)器 8254 PWM 功放 放大器 M PG 圖 基于 8097 的系統(tǒng)流程框圖