【正文】 選擇調(diào)整是決定系統(tǒng)性能的重要環(huán)節(jié)。PID 控制器的離散方程為 =Kpe(K)+K1 +KD[e(k1)]??(??)??∑??=0??(??)式中， 是在采樣時(shí)刻足輸出的電機(jī)控制信號(hào)； 是在采樣時(shí)刻 k 的位置誤差；??(??) ??(??)e(k?1)是在采樣時(shí)刻 k?1 的位置偏差；K p 、K I、K D是需要用戶寫入的控制器中比例項(xiàng)、積分項(xiàng)和微分項(xiàng)的系數(shù) 。5．2 P l D 控制器設(shè)計(jì)本系統(tǒng)中采用的電機(jī)為三相永磁交流同步伺服電機(jī)，所選電機(jī)為 Panasonic MDMA082AIC。到目前為止，PID 控制仍然是歷史最久、生命力最強(qiáng)的基本控制方式。例如，非線性 PID 控制、自適應(yīng) PID 控制、智能 P 工 D 控制等等“’ 。長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院 畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 伺服運(yùn)動(dòng)控制器的研制28 圖 42 Debug Monitor在對(duì) RTC 定時(shí)精度的檢測(cè)中，設(shè)定的定時(shí)間隔為 7．8125ms。如果中斷時(shí)間誤差較大，在中斷中實(shí)施位置控制，就不能更好的控制伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。 b=_inp(0x71)。 SendPhysicalEO1()。}。VxD 和動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)一樣是 32 位可執(zhí)行程序，只是 VxD 工作在核心層(Ring0)上。它的特點(diǎn)是：可通過軟件編程方波輸出信號(hào)，并且能分別屏蔽和測(cè)試 3 個(gè)中斷。這種方式既能保證精確定時(shí)，又可隨任務(wù)的不同而通過編程的方式將它們的定時(shí)周期進(jìn)行更改。多媒體定時(shí)器是一種有限的全局資源，不能任意的創(chuàng)建。這樣修改后的系統(tǒng)時(shí)鐘中的時(shí)間單元的計(jì)數(shù)頻率加快，使得編程中使用 TIME 命令得不到準(zhǔn)確的時(shí)間，存文件所附的時(shí)間也不準(zhǔn)確，特別是由于計(jì)數(shù)加快，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間工作的數(shù)控系統(tǒng)勢(shì)必引起新日標(biāo)置位，導(dǎo)致日期也發(fā)生錯(cuò)誤。DB11 4DB10 5DB9 6DB8 7DB7 8DB6 9DB5 10DB4 11DB3 12DB2 13DB1 14DB0 15CS 16WR 17OUT11AOND2RFB20DOND3Vref19vdd18D13 Q1 2D24 Q2 5D37 Q3 6D48 Q4 9D513 Q5 12D614 Q6 15D717 Q7 16D818 Q8 19CLK11 CLR1U?74LS27312 3Y3A74LS273+1212+1212R27R13R12R22R23R14R28 W1W2C1D7+12D1D3+12+5長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院 畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 伺服運(yùn)動(dòng)控制器的研制21圖 36 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路第四章 系統(tǒng) CMOS／實(shí)時(shí)時(shí)鐘硬件中斷定時(shí)4．1 Windows 系統(tǒng)中時(shí)鐘的選擇在數(shù)控加工中，需要進(jìn)行多任務(wù)的實(shí)時(shí)處理，特別是在系統(tǒng)中必須選取一個(gè)時(shí)間精度高的定時(shí)器來進(jìn)行位置控制。數(shù)模轉(zhuǎn)換電路如圖 36 所示。其中，通道 0 工作于方式 3，用于對(duì)時(shí)鐘源(頻率為 2Mt{z)進(jìn)行分頻，其輸出作為中斷定時(shí)器；通道 通道 2 工作于方式 3，用來接收倍頻鑒向電路輸出脈沖，進(jìn)行加減計(jì)數(shù)，計(jì)算機(jī)在每個(gè)采樣周期內(nèi)，首先讀取計(jì)數(shù)器的值作為坐標(biāo)軸實(shí)際運(yùn)動(dòng)位置，然后與坐標(biāo)軸的期望位置命令相比較，算出當(dāng)前坐標(biāo)軸的偏差，接著對(duì)偏差進(jìn)行 PID 運(yùn)算，得到進(jìn)給速度的數(shù)字量，通過 D／A 轉(zhuǎn)換，經(jīng)過電壓放大輸出雙極性控制信號(hào)，為伺服電機(jī)提供速度指令電壓，實(shí)現(xiàn)位置控制。鑒向線路實(shí)際上是由一個(gè)雙“四選一”線路所組成。3．6 倍頻辨向電路與脈沖接收電路倍頻鑒向電路的功能有兩個(gè)：一是鑒別方向，即根據(jù)整形環(huán)節(jié)輸出的兩路方波信號(hào) A 和 B 的相位關(guān)系確定出電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向；二是將 A 和 B 兩路信號(hào)進(jìn)行脈沖倍頻，即將一個(gè)周期內(nèi)的一個(gè)脈沖(方波)變?yōu)樗膫€(gè)脈沖，這四個(gè)脈沖兩兩相距 1／4周期。與常規(guī)工／O 接口相比，應(yīng)具有更高的可靠性，能夠阻斷或抑制工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種干擾經(jīng)由 I／0 通路進(jìn)入計(jì)算機(jī)，保證計(jì)算機(jī)的穩(wěn)定工作。長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院 畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 伺服運(yùn)動(dòng)控制器的研制14 中斷定時(shí)電路 在數(shù)控加工中，需要進(jìn)行多任務(wù)的實(shí)時(shí)處理，包括輸入、輸出、插補(bǔ)運(yùn)算、位置控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，都必須在確定時(shí)刻開始，在有效的截止時(shí)間內(nèi)完成。三態(tài)雙向緩沖器 74LS245 的控制端由讀寫命令和一系列地址選擇產(chǎn)生的信號(hào)控制。長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院 畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 伺服運(yùn)動(dòng)控制器的研制13 總線驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)鎖存及譯碼電路當(dāng)應(yīng)用系統(tǒng)規(guī)模過大，擴(kuò)展所接的外接芯片過多，超過總線的驅(qū)動(dòng)能力時(shí)，系統(tǒng)將不能可靠工作，此時(shí)應(yīng)加用總線驅(qū)動(dòng)器來減少讀數(shù)據(jù)的持續(xù)時(shí)間。ISA 總線是針對(duì) 80286 CPU 在原 IBM PC 總線的基礎(chǔ)上修改擴(kuò)展而成的 16 位系統(tǒng)總線。 總線的特點(diǎn)： （1）ISA 總線能支持 16 位 I/O 端口地址，24 位存儲(chǔ)地址，8/16 位數(shù)據(jù)存取，15 級(jí)可屏蔽中斷，7 級(jí) DMA 通道及能產(chǎn)生 I/O 等待狀態(tài)。編碼器輸出的脈沖必須由伺服控制卡的計(jì)數(shù)器進(jìn)行加減計(jì)數(shù)，計(jì)算機(jī)在每個(gè)采樣周期內(nèi)，首先讀取計(jì)數(shù)器的值作為坐標(biāo)軸實(shí)際運(yùn)動(dòng)增量，然后與坐標(biāo)軸的位置增量命令相比較，算出當(dāng)前坐標(biāo)軸的偏差，接著，對(duì)偏差進(jìn)行數(shù)字 PID 控制運(yùn)算，得到進(jìn)給速度指令的數(shù)字量，通過 D／A 轉(zhuǎn)換，電壓放大，為伺服裝置提供速度指令電壓，去驅(qū)動(dòng)坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)偏差的位置控制。=0)，永磁交流同步伺服電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型可描述如下: 1．機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院 畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 伺服運(yùn)動(dòng)控制器的研制9Fe=M +Bv+Ff???????? =Kfiq (24) Kf= φ f (25)??????式中，M 為電動(dòng)機(jī)動(dòng)子質(zhì)量，B 為粘滯摩擦系數(shù)，F(xiàn) f為負(fù)載阻力，F(xiàn) e為電磁推力，τ n為極距，φ f為永磁體有效磁鏈，μ 為動(dòng)子線速度，且v=2τ nf≈v s (26)式中，f 為逆變器輸出的電源頻率，v s為電動(dòng)機(jī)同步速度，k f為推力系數(shù)。的 U、V、W 方波，每種狀態(tài)下，僅有兩相繞組通電，依次改變一種狀態(tài)，定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)軸線在空間轉(zhuǎn)動(dòng) 60176。由于定子鐵心直接暴露于外部空氣之中，其散熱條件較好，便于實(shí)現(xiàn)小型化。另一個(gè)就是代表著伺服系統(tǒng)發(fā)展水平的主導(dǎo)產(chǎn)品—伺服電機(jī)、伺服控制器，追求高性能、高速度、數(shù)字化、智能型、網(wǎng)絡(luò)化的驅(qū)動(dòng)控制，以滿足用戶較高的應(yīng)用要求。帶有自整定功能的伺服單元可以通過幾次試運(yùn)行，自動(dòng)將系統(tǒng)的參數(shù)整定出來，并自動(dòng)實(shí)現(xiàn)其最優(yōu)化。 4. 高度集成化 新的伺服系統(tǒng)產(chǎn)品改變了將伺服系統(tǒng)劃分為速度伺服單元與位置伺服單元兩個(gè)模塊的做法，代之以單一的、高度集成化、多功能的控制單元。 2. 全數(shù)字化 采用新型高速微處理器和專用數(shù)字信號(hào)處理機(jī)（DSP）的伺服控制單元將全面代替以模擬電子器件為主的伺服控制單元，從而實(shí)現(xiàn)完全數(shù)字化的伺服系統(tǒng)。 從伺服驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品當(dāng)前的應(yīng)用來看，直流伺服產(chǎn)品正逐漸減少，交流伺服產(chǎn)品則日漸增加，市場(chǎng)占有率逐步擴(kuò)大。三相交流電流的跟隨控制能有效地提高逆變器的電流響應(yīng)速度，并且能限制暫態(tài)電流，從而有利于 IPM的安全工作。交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)技術(shù)之一，并將逐漸取代直流伺服系統(tǒng)。位置伺服系統(tǒng)是由位置控制模塊、速度控制單元、位置反饋及檢測(cè)等部分構(gòu)成。 位置伺服系統(tǒng)的構(gòu)成按伺服系統(tǒng)調(diào)節(jié)理論，機(jī)床伺服系統(tǒng)通?？煞譃殚_環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)?？梢苑奖愕亟M合，建立適用于不同場(chǎng)合的控制系統(tǒng)。在開放式結(jié)構(gòu)控制技術(shù)的指導(dǎo)下，計(jì)算機(jī)控制器完成了從造價(jià)昂貴的專業(yè)化大中型機(jī)到開放、積木式通用個(gè)人計(jì)算機(jī)的變革，使計(jì)算機(jī)技術(shù)很快地進(jìn)入到各行業(yè)的各個(gè)部門和家庭?？刂栖浖慕Y(jié)構(gòu)依賴于處理器硬件，在不同的系統(tǒng)間移植比較困難，同時(shí)也給軟件的升級(jí)和更新帶來了不便。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)是基于普通 PC 機(jī)或工控機(jī)的 ISA 總線而開發(fā)，其功能集 12 位 DAC 轉(zhuǎn)換、定時(shí)中斷、脈沖接收、倍頻辨向計(jì)數(shù)、零點(diǎn)檢測(cè)及使能報(bào)警等于一體。提供給用戶的只是特定環(huán)境下特定功能的目標(biāo)作業(yè)，控制系統(tǒng)的內(nèi) 部包括控制算法和底層的接口等對(duì)用戶是一個(gè)“黑箱” 。針對(duì)傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的這些缺陷，研究和開發(fā)具有開放式結(jié)構(gòu)的高性能運(yùn)動(dòng)控制器己成為當(dāng)前運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向，引起了人們的廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)的數(shù)控裝置相比，運(yùn)動(dòng)控制器具有以下特點(diǎn):長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院 畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 伺服運(yùn)動(dòng)控制器的研制2技術(shù)更新。運(yùn)動(dòng)控制器以其特有的靈活性和優(yōu)異的軌跡控制能力使許多工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備煥發(fā)出勃勃生機(jī)。數(shù)控系統(tǒng)和其他位置伺服系統(tǒng)一樣，是一個(gè)雙閉環(huán)系統(tǒng)，如圖卜 l 所示。50 年代，無刷電機(jī)和直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化，并在計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備和機(jī)械設(shè)備上獲得了廣泛的應(yīng)用。但由于該系統(tǒng)采用矢量變換控制，相對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)來說控制比較復(fù)雜，而且電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)還存在著效率低，發(fā)熱嚴(yán)重等有待克服的技術(shù)問題，目前并未得到普遍應(yīng)用。直流伺服電機(jī)存在機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)工作量大等缺點(diǎn)，在運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)子容易發(fā)熱，影響了與其連接的其他機(jī)械設(shè)備的精度，難以應(yīng)用到高速及大容量的場(chǎng)合，機(jī)械換向器則成為直流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)發(fā)展的瓶頸。在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，AC 伺服電機(jī)的　　市場(chǎng)占有率已經(jīng)超過 80%。這種器件將輸入隔離、能耗制動(dòng)、過溫、過壓、過流保護(hù)及故障診斷等功能全部集成于一個(gè)不大的模塊之中。其次它們都具有故障自診斷與分析功能，無論什么時(shí)候，只要系統(tǒng)出現(xiàn)故障，就會(huì)將故障的類型以及可能引起故障的原因通過用戶界面清楚地顯示出來，這就簡(jiǎn)化了維修與調(diào)試的復(fù)雜性。也可以通過串行接口，與可編程控制器（PLC）的數(shù)控模塊相連。轉(zhuǎn)子上的永磁材料通常采用鐵氧體或稀土材料制成，磁場(chǎng)強(qiáng)度高，矯頑磁力很強(qiáng)，而價(jià)格又比較適當(dāng)，可以有效的減少轉(zhuǎn)子的慣量，提高輸出轉(zhuǎn)矩和電機(jī)的功率比。長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院 畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 伺服運(yùn)動(dòng)控制器的研制8永磁交流同步伺服內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動(dòng)器控制的 U/V/W 三相電形成電磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子在此磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)自帶的編碼器反饋信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。2．3 永磁交流同步伺服電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型條件：(1)忽略鐵心飽和；(2)不計(jì)渦流和磁滯損耗；(3)動(dòng)子上沒有阻尼繞組，永磁體也沒有阻尼作用。位置伺服控制不同于普通電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，它是以足夠的位置控制精度(定位精度)、位置跟蹤精度(位置跟蹤誤差)和足夠快的跟蹤速度作為主要的控制目標(biāo)。長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院 畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 伺服運(yùn)動(dòng)控制器的研制11 I SA 總線 ISA 總線是對(duì) XT 總線的擴(kuò)展，以適應(yīng) 8/16 位總總線的要求。該控制系統(tǒng)采用 ISA 總線(PC／AT 總線)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與控制卡之間的信息傳遞。ISA 總線的后 36 引腳擴(kuò)展了 8 位數(shù)據(jù)線、7 位地址線以及存儲(chǔ)器和 I／O 設(shè)備的讀寫控制線，并有中斷和 DMA 控制線、電源和地線等。雙向總線驅(qū)動(dòng)器 74LS245 有 16 個(gè)三態(tài)鎖存器。另一路譯碼電路為線選譯碼。這種方式既能夠保證精確定時(shí)，又可隨任務(wù)的不同而通過編程的方式將它們的定時(shí)周期進(jìn)行更改。TLP524 是TOSHIBA 公司生產(chǎn)的 16 引腳 DIP 封裝，能提供 4 個(gè)單獨(dú)隔離電路。倍頻電路由兩片斯施密特觸發(fā)輸入雙單穩(wěn)多諧振蕩器 74LS221 組成。因次，只要 1Y 端有脈沖，就表示電機(jī)長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院 畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 伺服運(yùn)動(dòng)控制器的研制17長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院 畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 伺服運(yùn)動(dòng)控制器的研制18圖33 脈沖接收電路，倍頻鑒向電路及零點(diǎn)檢測(cè)電路正向旋轉(zhuǎn)，若 2Y 端有脈沖，則表示電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)。MX7545A 是分辨率為 12 的乘法型 DAC轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部帶有兩級(jí)緩沖器。為了增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力，需運(yùn)算放大器來進(jìn)行電壓放大，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)。修改系統(tǒng)的 T／C0 的方法如下：T／C0 的輸入頻率為 1．193180MHz，來自于系統(tǒng)晶體振蕩器。同時(shí)，Window 98 系統(tǒng)是搶先式的操作系統(tǒng)，在多媒體定時(shí)到來時(shí)能打斷當(dāng)前的運(yùn)行程序去執(zhí)行 Windows 提供的多媒體定時(shí)函數(shù)如下：MMRESULT timeSetEvent(UNITuDelay,UNIT uReso