【正文】 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)。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 2m1n? 10 2m時(shí) K=(1/4) 2m (m=0， 1， 2， 3?， 7) () 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 ，這個(gè)滯環(huán)由軟件判斷來實(shí)現(xiàn)。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。 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)一步的簡化。用做多路復(fù)用的地址 /數(shù)據(jù)總線（ AD0~AD7）。 ： 口 /脈寬調(diào)制（輸出）， =1 選 PWM 方式。 ： 口 /串行接收口（輸入），不受控制。 ~：高速輸出口，共 6 個(gè)輸出端。 READY：準(zhǔn)備就緒信號(hào)（輸入腳 ） 。每次按字讀取。 CLKOUT：內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器 A 相信號(hào)的輸出端 頻率為振蕩器頻率的 1/3 控制信號(hào)線 。 ANGND： A/D 轉(zhuǎn)換器的參考地通常必須與 Vss 保持同電位。 Vss：數(shù)字電路地（ 0V），兩個(gè) Vss 引腳都必須接地。 9 個(gè)中斷類型均有對(duì)應(yīng)各自的中斷矢量，有 8 個(gè)中斷類型可供用戶使用。到達(dá)預(yù)定時(shí)間時(shí)，設(shè)置相應(yīng)的軟件定時(shí)標(biāo)志，可以激活軟件定時(shí)中斷； 16 位監(jiān)視定時(shí)器（ watchdog timer）當(dāng)用戶的軟硬件發(fā)生故障時(shí) WDT 可使用戶系統(tǒng)復(fù)位，重新啟動(dòng)用戶程序。而 MCS96 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。 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)變得更加簡單，可靠性更強(qiáng)。 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 、濾波電路將帶來誤差和時(shí)滯。此方案的系統(tǒng)框圖如圖 。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。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)。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。 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。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。在可控性方面，直流電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和繞組流過的電德州學(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)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。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。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。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 軟件設(shè)置電流環(huán)、速度環(huán)和位 置環(huán)的工作方式。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]。 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)。這使得它具有快速性的特點(diǎn)。數(shù)字控制技術(shù)使得許多硬件工作都由軟件來完成。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]。 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。 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)。 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。 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。 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)化簡單，可靠性更強(qiáng)，精度更精確，現(xiàn)將三種方案做如下比較。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。 微型計(jì)算機(jī) 8097 8097 的概述 MCS96 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 [8]。兩個(gè) 16 位定時(shí)器，定時(shí)器 1 在系統(tǒng)中做定時(shí)時(shí)鐘；系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)不停的循環(huán)計(jì)數(shù)；定時(shí)器 2 主要用于對(duì)外部事件計(jì)數(shù)；四個(gè)軟件定時(shí)器，它們均受高速輸出（ HSO）的控制。9 個(gè)中斷類型包括 25 個(gè)中斷源。 Vcc：主電源電壓（ +5V）。 VREF：片內(nèi) A/D 轉(zhuǎn)換器的參考電壓（ +5V）。 圖 8097 管腳結(jié)構(gòu)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) 8 XTAL2：片內(nèi)震蕩發(fā)生器中反相器的輸出端，常接外部石英晶體。 RE ：對(duì)外部存儲(chǔ)器的讀信號(hào)；低電平有效（輸出腳）。 BHE / WRH ： 總線高位字節(jié)允許（ BHE ） /寫外部存儲(chǔ)器高位字節(jié)（ WRH ） 。 ~：高速輸入口，共 4 個(gè)輸入端。 ： 口 /串行發(fā)送口（輸 出）， =1 選 TXD 方式。 ： 口 /定時(shí)器 2 復(fù)位（輸入）， =0 選 T2RST 方式。 ~ ：具有漏極開路輸出的 8 位雙向口，內(nèi)部有很強(qiáng)的上拉作用。 A/D 轉(zhuǎn)換德州學(xué)院 物理系 2020 屆 電子信息 專業(yè) 畢 業(yè)設(shè)計(jì) 9 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； HSO 將通過軟件定時(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)。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。 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 () 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 δ1/Δ，則脈沖周期的最小值 Tmin2Δ（ us） 。 在圖 中 R1 為 50Ω，是霍爾元件的負(fù)載電阻， R2=10KΩ，遠(yuǎn)大于 R1， C C2為濾波電容。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 時(shí)， A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果為 512。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。光電轉(zhuǎn)盤與被測(cè)軸連接 , 光源通過光電轉(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)。位置的反饋數(shù)