【正文】 以使電機(jī)按照設(shè)定的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，而不受負(fù)載大小的影響。實(shí)驗(yàn)表明 ,該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)較好的位置閉環(huán)和速度閉環(huán)性能。復(fù) 雜控制是對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩、電壓、電流等物理量進(jìn)行控制， 而且有時(shí)往往需要非常精確的控制。 [1] 電動(dòng)機(jī)的數(shù)字控制是電動(dòng)機(jī)控制的發(fā)展趨勢(shì)，用單片機(jī)對(duì)電動(dòng)機(jī) 進(jìn)行控制 是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)數(shù)字控制最常用的手段。 我國(guó)制造行業(yè)和關(guān)鍵工序大部分仍然沿用傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式，有的僅是局部更新，不能取得預(yù)期的效果，嚴(yán)重制約了我國(guó)工業(yè)的發(fā)展。 與國(guó)外相比，我國(guó)機(jī)器人的擁有量還很少，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展，適應(yīng)加快實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)業(yè)升級(jí)，提高整個(gè)工業(yè)的自動(dòng)化水平的需要，我國(guó)機(jī)器人技術(shù)將取得高速發(fā)展。鐵道部各工廠的車輪車床是一種仿形車床。這樣的加工設(shè)備，造成的后果是成品率低，優(yōu)質(zhì)品率更低，廢品率高，費(fèi)工時(shí)，費(fèi)原料。 國(guó)外情況 歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家，伺服控制設(shè)備在普及率、品種、質(zhì)量各方面都 具 有較大 的 優(yōu)勢(shì)。類似清華大學(xué)擁有的國(guó)家級(jí) CIMS 中心早已在工廠中應(yīng)用。 德國(guó)的工廠里已很少見到工人手搖拖板完成刀具進(jìn)給，工廠里的機(jī)加工設(shè)備幾乎全部數(shù)控化。數(shù)控機(jī)床由控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)和機(jī)床本體等部分組成，其中伺服系統(tǒng)的性能是決定數(shù)控機(jī)床加工精度和生產(chǎn)率的主要因素之一。目前常用的有脈沖比較、相位比較和幅值比較三種。 （ 4）寬調(diào)速范圍的速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，即速度伺服系統(tǒng)。 本論文以飛思卡爾 16 位 單片機(jī)MC9S12DG128B 為平臺(tái) ，開發(fā)一 種低成本、小體積、高性能的伺服電機(jī)系統(tǒng)。根據(jù)閉環(huán)控制的要求，主要設(shè)計(jì)了一塊編碼器信號(hào)采集， PWM 信號(hào)轉(zhuǎn)換以及速度顯示的接口板，組裝成功了電機(jī)閉環(huán)控制 系統(tǒng)。通過編程使 PWM 口輸出的波形周期固定， PID 的調(diào)節(jié)量為高電平時(shí) ，去控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，這樣直流電機(jī)就可以精確的達(dá)到設(shè)定的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)了速度閉環(huán)。伺服電機(jī)的最大特點(diǎn)是可控性。在家電產(chǎn)品中，例如錄相機(jī)、激光唱機(jī)等都是不可缺少的重要組成部分。用模擬電壓方式控制伺服電機(jī)時(shí)，如果出現(xiàn)接線接錯(cuò)或使用中元件損壞等問題時(shí)，有可能使控制電壓升至正的最大值。 使用伺服電機(jī) 時(shí) 應(yīng)注意的問題 （ 1）在選擇伺服電機(jī)的種類時(shí)，應(yīng)先 根據(jù)功率選取減速機(jī) 。 在 伺服電機(jī)進(jìn)行機(jī)械安裝時(shí)，過大的沖擊力肯定會(huì)使其損壞 ，并且最好給伺服電機(jī)配備配套的安裝支架。功率器件控制條件的變化和微電子技術(shù)的使用也使新型電動(dòng)機(jī)控制方法能夠得以實(shí)現(xiàn)。 PWM 技術(shù) 的具體優(yōu)點(diǎn)： [3] A、調(diào)速范圍寬，可以使電機(jī)安全地工作在每分鐘幾轉(zhuǎn)到全速運(yùn)轉(zhuǎn) B、效率高，電源能源損耗小 C、易于數(shù)字量控制 D、應(yīng)用廣泛， PWM 技術(shù)不僅可以用在電機(jī)調(diào)速，還可以在直流變壓、交流 圖 21 Maxon直流伺服電機(jī)剖視圖 圖 22 典型 H橋式驅(qū)動(dòng)電路 變 頻控制等領(lǐng)域有很大的應(yīng)用 對(duì)于一個(gè)典型的橋式電路，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的四種狀態(tài)的全控制。最小輸入高電平和低電平：輸入高電平 =，輸入低電平 =，噪聲容限是 。 IRF540 正常導(dǎo)通情況的電阻只有幾毫歐，所以，理論上可以通過 27A 的電流而不明顯發(fā)熱。 伺服電機(jī)系統(tǒng)常用控制芯片（ MCU） 51 系列 8 位單片機(jī) 以 8051 為例， 8051 單片機(jī)的內(nèi)部總體結(jié)構(gòu)其基本特性如下： 8 位 CPU、片內(nèi)振蕩器 4k 字節(jié) ROM、 128 字節(jié) RAM 21 個(gè)特殊功能寄存器 32 根 I/O 線 可尋址的 64k 字節(jié)外部數(shù)據(jù)、程序存貯空間 2 個(gè) 16 位定時(shí)器、計(jì)數(shù)器 中斷結(jié)構(gòu)：具有二個(gè)優(yōu)先級(jí)、五個(gè)中斷源 一個(gè)全雙口串行口 位尋址（即可尋找某位的內(nèi)容）功能，適于按位進(jìn)行邏輯運(yùn)算的位處理器。 MC68H12 系列單片機(jī)是在愛 MC68HC11D 的基礎(chǔ)上開發(fā)的 16 位單片機(jī)，它的核心 是 16 位高速 CPU12，支持 MC68HC11 所有的指令、尋址方式和操作模式。MC68H12 在 MC68HC11 的基礎(chǔ)上增加了 64 條新指令，包括 16 位乘以 16 的乘法 、36位除以 16 位的除法 、 簡(jiǎn)化系統(tǒng)、減少代碼、加快程序運(yùn)行速度的模糊邏輯指令等。另外， MC68HC12 盡量減少總線接口和地址總線數(shù)目，使系統(tǒng)總線只傳輸需要的信號(hào)，而大多數(shù) I/O 口有可編程的輸出驅(qū)動(dòng)器，減少了噪音和功率損耗的特點(diǎn)。 片內(nèi)集成 256KB 的閃速存儲(chǔ)器（ FLASH）?？稍谕饨訋资Ш盏耐獠烤д袂闆r下，通過軟件編程產(chǎn)生幾 MHz 的系統(tǒng)時(shí)鐘，從而降低了對(duì)外輻射干擾，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。數(shù)字信號(hào)處理已廣泛應(yīng)用于包括通訊、航天、醫(yī)療、能源、地質(zhì)、建筑等諸多領(lǐng)域?，F(xiàn)在，掌握和熟練應(yīng)用數(shù)字信號(hào)處理器件已 經(jīng)成為相關(guān)行業(yè)高級(jí)技術(shù)人才的一項(xiàng)重要技能。 其指令執(zhí)行速度和 RAM 大小足以執(zhí)行比較復(fù)雜的數(shù)字 PID 程序，并支持各種算 法。 PID 控制器的性能就決定于 Kp、T1和 TD這 3個(gè)系數(shù)。 [7] 用矩形方法數(shù)值積分代替式（ 22）中的積分項(xiàng)，對(duì)式（ 22）中的導(dǎo)數(shù)項(xiàng)用后向差分逼近，經(jīng)推理可得到基本 PID 控制的位置式算法： 1 0( ) ( ) ) [ ( ) ( 1 ) ]k DjU k K p E k K E j K E k E k?? ? ? ? ?? （ （ 23） 式中 k—— 采樣序號(hào)， k＝ 0， 1， 2，?? U（ k） —— 第 k次采樣時(shí)刻輸出值 被控對(duì)象 比例環(huán)節(jié) 積分環(huán)節(jié) 微分環(huán)節(jié) 給定 e(t) r(t) u(t) f(t) E（ k） —— 第 k次采樣時(shí)輸入的偏差值 E（ k－ 1） —— 第（ k－ 1）次采樣時(shí)刻輸入的偏差值 KI—— 積分系數(shù)， KI＝ KpT／ TI KD—— 微分?jǐn)?shù)系， KD＝ KpTD／ TI 在數(shù)字控制系統(tǒng)中， PID 控制規(guī)律是用程序來實(shí)現(xiàn)的，因而具有更大的靈活性。[8]變積分控制算法流程圖如圖 24所示： 圖 24 變積分 PID控制算法流 程圖 為避免 PID 控制中積分項(xiàng)引起的超調(diào)，提高其調(diào)節(jié)品質(zhì)，可采用積分分離法對(duì)基本 PID 控制進(jìn)行改進(jìn)，簡(jiǎn)稱變速積分 PID。 采用變速積分 PID 控制，系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：用比例消除大偏差，用積分消除小偏差，可完全消除積分飽和現(xiàn)象；各參數(shù)容易整定，易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定，而且對(duì) A、 B 兩參數(shù)不要求十分精確；超調(diào)量大大減小，改善了調(diào)節(jié)品質(zhì)，適應(yīng)性較強(qiáng)。5V 的偏移量；工作頻率高，可達(dá) 500kHz；開通、關(guān)斷延遲小，分別為 120ns 和 94ns；圖騰柱輸出峰值電流為 2A。 尤其是高端懸浮自舉電源的成功設(shè)計(jì)，可以大大減少驅(qū) 動(dòng)的外圍電路。同時(shí) N2 導(dǎo)通， P2 的柵極電位為低電平，則 P2 導(dǎo)通。 當(dāng) VIN 變?yōu)榈碗娖綍r(shí)， NMOS 管 N1 截止， PMOS 管 P1 導(dǎo)通， C 點(diǎn)電位為高電平，約為 VDD。而且 P4導(dǎo)通，因此 B 點(diǎn)輸出高電平，且高于 VDD。假定在 S1 關(guān)斷期間 C1 已充到足夠的電壓（ VC1≈VCC ）。經(jīng)短暫的死區(qū)時(shí)間（ td）之后， LIN為高電平，S2開通， VCC 經(jīng) VD1， S2給 C1充電，迅速為 C1補(bǔ)充能量。 數(shù)碼管顯示 模塊 的實(shí)現(xiàn) 為了更加直觀地觀察出電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)數(shù)碼管顯示電路用來顯示電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。 [11] 圖 36 數(shù)碼管顯示模塊電路圖 動(dòng)態(tài)掃描是利用人眼的視覺暫留原理，只要掃描頻率不小于 24Hz，人眼就感覺不到顯示器的閃爍。相應(yīng)的輸出子程序算法如下： 第一步：將所要顯示的四位數(shù)的千位、百位、十位、個(gè)位，分解出來，以便分別顯示 ，在下面程序中 number 是要顯示的數(shù)字： led_a=number/1000。 //求個(gè)位，放在 led_d 里 第二步：定義一個(gè)數(shù)組 num[10]把所要顯示的十個(gè)數(shù)字的編碼放在里面： int num[10]={0X3F,0X30,0XA7,0X8F,0X99,0X9E,0XBE,0X0B,0XBF,0X9F}。 //輸出千位，并延時(shí)一段時(shí)間 DEL()。 PORTE=0X08。 PORTA=num[led_d]。 光電編碼器正是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤、自動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)定位、自動(dòng)控制的關(guān)鍵部件之一。平均 29us 一個(gè)脈沖 ,只要計(jì)數(shù)器的采樣周期小于于13us,那么就不會(huì)漏掉脈沖。 3 利用編碼器正反轉(zhuǎn)時(shí) A、 B相波形輸出特點(diǎn)判斷電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向： （ 1） D 觸發(fā)器簡(jiǎn)介 D觸發(fā)器是一種邊沿觸發(fā)器，其特征方程為： Qn+ 1= D。 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 飛思卡爾（ Freescale） 16位單片機(jī) MC9S12DG128 的應(yīng)用過程 計(jì)數(shù)器功能 1 增強(qiáng)型計(jì)數(shù)定時(shí)器 （ ECT） 概述 MC9S12 擁有一個(gè)增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器模塊（ Enhanced Capture Timer Module），簡(jiǎn)稱 ECT。 //IOC1 口工作在輸入捕捉狀態(tài) TCTL4_EDG0A=1。 //IOC0 工作在輸入捕捉狀態(tài)，用來計(jì)數(shù)伺服電機(jī)的脈沖 （ 2） TCTL3/TCTL4 — 定時(shí)器控制狀態(tài)字 3/定時(shí)器控制狀態(tài)字 4 TCTL3狀態(tài)字及其定義 BIT7 6 5 4 3 2 1 0 EDG7B EDG7A EDG6B EDG6A EDG5B EDG5A EDG4B EDG4A TCTL4狀態(tài)字及其定義 BIT7 6 5 4 3 2 1 BIT0 EDG3B EDG3A EDG2B EDG2A EDG1B EDG1A EDG0B EDG0A 表 41 邊緣檢測(cè)電路定義 EDGxB EDGxA 定義 0 0 停止脈沖捕捉 0 1 只捕捉脈沖的上升沿 1 0 只捕捉脈沖的下降沿 1 1 脈沖的上升沿和下降沿均捕捉 這里我們令計(jì)數(shù)器只捕捉脈沖的下降沿，所以我們定義 IOC0 口： TCTL4_EDG0A=1。// 啟動(dòng) IOC0 口脈沖計(jì)數(shù)功能 中斷功能 1 中斷系統(tǒng)概述 MC9S12DG128 的中斷向量表在存儲(chǔ)器的高地址，從復(fù)位向量地址 $FFFF 開始向低地址延伸。為防止在調(diào)試過程中反復(fù)地擦除，對(duì)$F000~$FFFF 的 4KB 做了寫保護(hù)。 [14] 我們可以利用其中的定時(shí)器中斷功能產(chǎn)生 4ms 一次的中斷，來采集編碼器的信號(hào)，也就是采樣周期 T=4ms。 //64 分頻 ,計(jì)數(shù)器 64分頻， 即定時(shí)器頻率為： 8M/64=125KHz （ 2）開啟 IOC7 口中斷使能，并使 IOC7 工作在輸出比較狀態(tài)。當(dāng)定時(shí)器運(yùn)行到 x 時(shí)，就會(huì)出發(fā)中斷，暫停當(dāng)前運(yùn)行程序，并保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)入中斷處理子程序；同時(shí)重啟定時(shí)器，使定時(shí)器重新從 0 開始計(jì)時(shí)。 （ 4）打開定時(shí)器。 PWM 輸出控制子程序 PWMOUT()。 [15] PWM 輸出功能 1 MC9S12 的 PWM 模塊功能 ： [16] 8個(gè)帶周期占空比可程控的 PWM 獨(dú)立通道 4個(gè)可程控選擇的時(shí)鐘源 每個(gè) PWM 通道有專用的計(jì)數(shù)器 PWM 每個(gè)通道脈沖極性可以選擇 每個(gè) PWM 通道可使能 /禁止 周期和占空比雙緩沖 每個(gè)通道有中心對(duì)齊和邊緣對(duì)齊方式 分辨率 : 8 位 (8 通道 ), 16 位 (4 通道 ) 帶中斷功能的緊急切斷 2 本論文中 PWM輸出口設(shè)置： 本系統(tǒng)中，為了節(jié)約 I/O 口和簡(jiǎn)化編程，采用一個(gè) PWM 通道（ PWM0）對(duì)應(yīng)控制一個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，具體的實(shí)現(xiàn)方法： （ 1） PWM 時(shí)鐘分頻設(shè)置寄存器： PWMPRECLK、 PWMSLA、 PWMSLB 2 1 2 86 43 284 1 6由 預(yù) 分 頻 寄 存 器 分 頻P W M P R C L K2 5 1 2. . .3 284 1 6再 次 對(duì) 時(shí) 鐘 分 頻P W M S L A2 5 1 2. . .3 284 1 6再 次 對(duì) 時(shí) 鐘 分 頻P W M S L B預(yù) 分 頻 分 頻 圖 41 分頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 PWMPRECLK BIT7 6 5 4 3 2 1 BIT0 PCKB2 PCKB1 PCKB0 PCKA2 PCKA1 PCKA0 表 42 PWM預(yù)分頻狀態(tài)字 (PWMPRECLK)的定義 PCKx2 PCKx1 PCKx0 時(shí)鐘的值 0 0 0 總線時(shí)鐘 0 0 1 總線時(shí)鐘 /2 0 1 0 總線時(shí)鐘 /4 0 1 1 總線時(shí)鐘 /8 1 0 0 總線時(shí)鐘 /16 1 0 1 總線時(shí)鐘 /32 1 1 0 總線時(shí)鐘 /64 1 1 1 總線時(shí)鐘 /128 （ 總線時(shí)鐘 =8M Hz） （ 2） PWM 通道 極性設(shè)置寄存器 ： PWMPOL BIT7 6 5 4 3 2 1 BIT0 PPOL7 PPOL6 PPOL5 PPOL4 PPOL3 PPOL2 PPOL1 PPOL0 1 = 在周期開始時(shí) ， PWM 通道輸出為高電平 ， 當(dāng)計(jì)數(shù)器等于占空比寄存器的值時(shí) ，輸