【正文】 則 R1將霍爾元件輸出的電流信號線性轉換為電壓信號 Um，再經(jīng)過兩級運算放大器的放大和濾波后到達微型計算機 8097 內(nèi)部的 A/D 轉換電路輸入口， 其中第二級放大器輸入端引入 5V電壓信號是為 了將第一級放大器輸出的雙極性電壓信號轉換成單極性的電壓信號。根據(jù)對系統(tǒng)速度的測量值精度和實時性要求的綜合考慮，設定 當 10 2m1n? 10 2m時 K=(1/4) 2m (m=0， 1， 2， 3?， 7) () 另外，分頻數(shù) K 隨轉速 n 變化時，在每一個轉換點上還需要一個滯環(huán)，其作用是防止K 在轉換點反復變化，滯環(huán)對應在 T 上的寬度設定為 ，這個滯環(huán)由軟件判斷來實現(xiàn)。為了保證一定的測速精度和單位時間進入 HIS 的事件數(shù)量，當轉速 n 升降時，進入HIS 的分頻信號的分頻數(shù) K 也要相應增大或減小，使進入 HIS 的脈沖周期 T 在一定范圍內(nèi)變化。 我們選用 8097 單片機 根據(jù)其特點充分利用 8097 單片機資源，使得系統(tǒng)設計得到進一步的簡化。用做多路復用的地址 /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 個輸出端。 READY：準備就緒信號（輸入腳 ） 。每次按字讀取。 CLKOUT：內(nèi)部時鐘發(fā)生器 A 相信號的輸出端 頻率為振蕩器頻率的 1/3 控制信號線 。 ANGND： A/D 轉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 Vss 引腳都必須接地。 9 個中斷類型均有對應各自的中斷矢量，有 8 個中斷類型可供用戶使用。到達預定時間時，設置相應的軟件定時標志，可以激活軟件定時中斷； 16 位監(jiān)視定時器（ watchdog timer）當用戶的軟硬件發(fā)生故障時 WDT 可使用戶系統(tǒng)復位，重新啟動用戶程序。而 MCS96 系列單片機中的 8097 型號的產(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)等應用領域。 第三種方案：該方案是由微型計算機 8097 及可編程計數(shù)器 8254 和可編程門列陣電路組成，此 方案不僅具有很強的數(shù)據(jù)處理能力和精確的運算精度，而且還能使系統(tǒng)設計中硬件結構變得更加簡單，可靠性更強。 第一種方案：該方案以單片 8051 為主控器，采用測速發(fā)電機 作為速度檢測傳感器來獲取轉速 反饋信號， 采用這種方案的缺點是測速發(fā)電機本身存在死 區(qū) 和非線性以及 A/D 轉換 、濾波電路將帶來誤差和時滯。此方案的系統(tǒng)框圖如圖 。定 時器輸出脈沖信號周期性啟動 A/D 轉換器，轉換后的信號經(jīng)并行 I/O 接口 8255A 輸入微型計算機 8086。光電解碼是將由直流伺服電機帶動的單片機處理給定量和上單片機 8051 光電解碼器 測速發(fā)電機 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 德州學院 物理系 2020 屆 電子信息 專業(yè) 畢 業(yè)設計 4 面檢測元件的測量量的偏差處理后輸出信號，經(jīng) D/A 轉換器把數(shù)字信號轉變?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，進而控制直流電機向著預定的方向轉動。在設計中微型計算機為主要器件， 此外還需要選擇適當?shù)碾娏鳈z測傳感器、速度檢測傳感器以及位置傳感器來將系統(tǒng)的各個參量轉化成相應的電信號送入微型計算機，以完成系統(tǒng)中信號采樣和反饋信號的處理。 隨著技術的進步和整個工業(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)絡化和模塊化，其發(fā)展及 應用也將會走向一個更大更廣的空間。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，直流電動機的輸出轉矩和繞組流過的電德州學院 物理系 2020 屆 電子信息 專業(yè) 畢 業(yè)設計 2 流成線性關系，直流電動機的起動轉矩又大，因此可控性最好、最方便。 伺服控制直流電動機就是為了既要保持有刷直流電動機的特性、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)與上位微型計算機實現(xiàn)通信聯(lián)系 以發(fā)送各種運行指令，最終實現(xiàn)微型計算機對電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)的控制。在本次設計中選擇霍爾元件做為電流檢測傳感器，將檢測到的弱電信號通過運算放大器 LF356 組成的兩級放大電路放大濾波后，輸入 8097 內(nèi)部的 A/D 轉換電路轉換進而得到電流反饋量；光電脈沖發(fā)生器作為速度檢測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，同時與 8097 內(nèi)部的計數(shù)器和計數(shù)器 8254結合以可逆計數(shù)方式得到位置反饋量； 通過 軟件設置電流環(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)的直流電機以其優(yōu)良的轉矩特性和調(diào)速性能在運動領域中有著廣泛的應用， 但機械電刷卻是它的致命弱點。這使得它具有快速性的特點。數(shù)字控制技術使得許多硬件工作都由軟件來完成。伺服控制直流電動機是伴隨著數(shù)字控制技術而產(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 [7]。 方案論證 本系統(tǒng)設計為 采用 PID 算法設計 三環(huán)全數(shù)字式控制方式，要求微型計算機完成電流環(huán)控制器運算、速度環(huán)控制器運算、位置環(huán)控制器運算，以及 對 它們相應 反饋信號的采樣和數(shù)字信號處理 ， 本系統(tǒng)的粗框圖如圖 所示。 速度檢測元件采用測速發(fā)電機，它把轉速換成電壓后，再由 A/D 轉換器轉換成數(shù)字信號，輸入微型計算機 8051； 霍爾元件檢測到得弱電流信號經(jīng)轉換、濾波、放大后變成與電樞電流成比例的 05V 的直流電壓信號，再經(jīng) A/D 轉換電路，將模擬電壓轉換成數(shù)字量，輸入微型計算機 ；角度反饋元件光電解碼把角度轉換成數(shù)字量直接輸出，送入單片機測速 發(fā)電機。 電樞電流反饋信號經(jīng)轉換、濾波放大后輸入到 A/D 轉換器。 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 測電動機電樞電流的傳感器， 光電脈沖信號發(fā)生器作為速度反饋測量元件和數(shù)字式角位移傳感器。 方案選擇 為使本次的系統(tǒng)最終設計結構更加優(yōu)化簡單，可靠性更強，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。 微型計算機 8097 8097 的概述 MCS96 系列單片機是目前性能較高的單片機系列產(chǎn)品之一， 主要應用領域有：工業(yè)控制、儀器儀表、電信技術、辦公自動化和計算機外部設備、汽車和節(jié)能、制導和導航等 [8]。兩個 16 位定時器，定時器 1 在系統(tǒng)中做定時時鐘；系統(tǒng)運行時不停的循環(huán)計數(shù)；定時器 2 主要用于對外部事件計數(shù)；四個軟件定時器，它們均受高速輸出（ HSO）的控制。9 個中斷類型包括 25 個中斷源。 Vcc：主電源電壓（ +5V）。 VREF：片內(nèi) A/D 轉換器的參考電壓（ +5V）。 圖 8097 管腳結構圖 德州學院 物理系 2020 屆 電子信息 專業(yè) 畢 業(yè)設計 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 ：對外部存儲器的讀信號；低電平有效（輸出腳）。 BHE / WRH ： 總線高位字節(jié)允許（ BHE ） /寫外部存儲器高位字節(jié)（ WRH ） 。 ~：高速輸入口，共 4 個輸入端。 ： 口 /串行發(fā)送口（輸 出）， =1 選 TXD 方式。 ： 口 /定時器 2 復位（輸入）， =0 選 T2RST 方式。 ~ ：具有漏極開路輸出的 8 位雙向口，內(nèi)部有很強的上拉作用。 A/D 轉換德州學院 物理系 2020 屆 電子信息 專業(yè) 畢 業(yè)設計 9 器將電流反饋通道中模擬反饋信號轉換為數(shù)字量； HIS 作為速度反饋通道的數(shù)字式測速單元； HSO 將通過軟件定時器以事件設置方式，確定電流環(huán)、速度環(huán)、位置 環(huán)的采 樣周 期并發(fā)出相應的中斷信號，啟動 A/D 轉換器； SIO 作為伺服系統(tǒng)給定串行輸入通道的接口電路 ； 計數(shù)器 T2 和 8254 的 0 和 1 計數(shù)器通道作為 PWM 信號發(fā)生器，在控制輸出通道中將數(shù)字量的控制信號轉換為 PWM 控制信號。電動機轉速 n 與 A、 B 兩脈沖周期 T 成反比，在對 T 的測量分辨率一定的條件下， T 越小， n 的測量精度越低。 本次系統(tǒng)設計中光脈沖發(fā)生器的刻度位 2500/轉，當轉速 n=1r/min 時， 1/4 分頻信號的周期 T 為 6ms，轉速 n(r/min)分頻數(shù) K，分頻信號脈沖周期 T(ms)之間的關系式為 n=24K/T () HIS 對 T 的測量分辨率為 2us，若要求速度測量的最低分辨率 δ1/Δ，則脈沖周期的最小值 Tmin2Δ（ us） 。 在圖 中 R1 為 50Ω，是霍爾元件的負載電阻， R2=10KΩ，遠大于 R1， C C2為濾波電容。當參考電壓為 5V 時，輸入電壓為 5V 則 A/D 轉換結果為 1023，輸入電壓為0V 時， A/D 轉換結果為 0，輸入電壓為 時， A/D 轉換結果為 512。在電機高速運轉時 ， A、 B兩相脈沖信號的頻率也很高，要求光電隔離的元件有比較快的響應速度，所以 本次設計中 我們選用 PC900。光電轉盤與被測軸連接 , 光源通過光電轉盤的透光孔射到光敏元件上，當轉盤旋轉時光敏元件便發(fā)出與轉速成正比的脈沖信號。位置的反饋數(shù)