【正文】 F i l e : D : \ 比 賽 \ 比 賽 . d d b D r a w n B y:C 2 10 . 1 UT1T R A N S 4 C 2 20 . 1 UC 2 30 . 1 U+ C 2 02 20 0 U+ C 1 92 20 0 UA C 2 20 V+ C 1 82 20 0 U2 31V VGNDIN OUTU 2 5 7 90 51 32V VGNDIN OUTU 2 3 7 81 21 32V VGNDIN OUTU 2 4 7 80 51234D1B R I D G E 1+ 12 V+ 5V 5 VGND 圖 電源電路圖 4 控制算法 PID 的設(shè)計(jì) 電流環(huán)控制器設(shè)計(jì) 將電流環(huán)按典型 I 型系統(tǒng)校正，電流調(diào)節(jié)器應(yīng)為 PI 調(diào)節(jié)器，傳遞函數(shù)為 )T1(1KLT isi ?? 電流環(huán)的簡(jiǎn)化動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 所示。位置環(huán)的簡(jiǎn)化動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 所示， KJ為單位換算系數(shù)，當(dāng)速度的單位是 r/min，位置輸出的單位為脈沖數(shù)時(shí)， KJ=1000/6。 控制算式和運(yùn)算流程圖 電流環(huán)數(shù)字?jǐn)?shù)字控制算式求取如下，將式 （ ） 寫(xiě)成微分方程形式： ?????? ?? ? (t )d teT1(t )eK(t )U t0 iIiic 選 定的采樣周期 TI，將上述方程離散成差分方程式。 系統(tǒng)軟件的主要任務(wù)有：系統(tǒng)的初始化；對(duì)電流反饋，速度反 饋，位置反饋采樣 ； 對(duì)電流反饋，速度反饋，位置反饋的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲得相 應(yīng)的數(shù)字式反饋標(biāo)定量；完成電流，速度，位置的控制規(guī)律運(yùn)算，并對(duì)輸出分別作限幅處理；讀串行口的數(shù)據(jù)，且按先進(jìn) 先出（ FIFO） 方式存儲(chǔ)；接收上位微型計(jì)算機(jī)發(fā)送來(lái)的指令，并解釋，分解和執(zhí) 行指令。 其流程圖如圖 所示。圖 中的 Gp(k)為雙字結(jié)構(gòu)的位置給定， Bp(k)是雙字結(jié)構(gòu)的位置反饋， ep(k)為雙字結(jié)構(gòu)的位置誤差。 由表 可知脈沖信號(hào) 占空比誤 差值整體圖 三環(huán)控 制器轉(zhuǎn)速、位置仿真曲線 表 系統(tǒng)脈沖信號(hào)數(shù)據(jù)表 德州學(xué)院 物理系 2020 屆 電子信息 專業(yè) 畢 業(yè)設(shè)計(jì) 25 較小，且在允許范圍內(nèi)，則該系統(tǒng)的電流環(huán)控制設(shè)計(jì) 精度基本達(dá)到準(zhǔn)確。 本設(shè)計(jì)電路不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制，而且控制精度高 還能 提高控制的靈 活性和適應(yīng)性 。 測(cè)試結(jié)果與分析 按照以上所述方法進(jìn)行測(cè)試可得結(jié)果如圖 和 表 所示。 位置采樣包括位置給定采樣和位置反饋采樣，為保證伺服系統(tǒng)有足夠大的行程，位置給定和位置反饋都必須采用雙字寄存器 [16]。 5 6 7 8 10 5 2 10 11 285119 2 9 10 11 同 kT(k+1)T ............3 4(k+8)T(k+3)TkT 系統(tǒng)初始化程序模塊 系統(tǒng)初始化包括設(shè)定堆棧指針，給主程序標(biāo)志寄存器送初始狀態(tài)值，對(duì)電流調(diào)節(jié)器、速度調(diào)節(jié)器、位置調(diào)節(jié)器設(shè)定初始狀態(tài)值和參數(shù)，給 A/D 轉(zhuǎn)換器， HSI、 SIO、8254 等硬件送控制字，確定它們的工作方式和初始工作參數(shù)。由式 ()、 ()、 ()可編制電流環(huán)速度環(huán)和位置環(huán)控制器的算法程序如圖 所示。 以上對(duì)各個(gè)控制閉環(huán)的采樣周期進(jìn)行的選擇，只是確定了它們能保證一定控制性能指標(biāo)的大致范圍。 TCTKK menNn ?? a/(1+TFis) Ki(1+1/T∑ is) Ks/(1+Tss) (1/R)/(1+TLs) ia ua uc ugi/a + _ KI/s（ 1+T∑ is） ia ugi/a + — — 圖 電流環(huán)簡(jiǎn)化動(dòng)態(tài)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) 16 位置環(huán)控制器設(shè)計(jì) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求伺服系統(tǒng)能準(zhǔn)確、無(wú)超調(diào)定位，則位置環(huán)只能按照典型 I 型系統(tǒng)來(lái)校正 [13]。 電源電路 設(shè)計(jì) 本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電源模塊采用 220V 交流電 ，先 經(jīng)變壓器降壓 ，然后經(jīng) 過(guò) 橋式整流 再次 經(jīng) 電容濾波 ， 最后 由 790 780 7812 三端集成穩(wěn)壓管分別得到 5V、 +5V、＋ 12V 電壓， 以此來(lái)為 整個(gè)系統(tǒng)供電。這樣 1 計(jì)數(shù)器的輸出就是和電流調(diào)節(jié)器控制輸出值有對(duì)應(yīng)占空比的脈寬調(diào)制信號(hào)。 位置反饋通道 位置反饋通道由光電脈沖發(fā)生器、光電隔 離器 PC900、可編程門(mén)陣列 GAL16V8（和速度反饋通道共用），以及計(jì)數(shù)器 T1和計(jì)數(shù)器 T2組成。光電脈沖發(fā)成器和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子同軸，它輸出的 A、 B兩相脈沖信號(hào)必須經(jīng)過(guò) GAL16V8的分頻、鑒相，而且進(jìn)入微處理機(jī)控制電路之前，必須經(jīng)過(guò)光電隔離器 PC900，防止電磁干擾影響微處理器機(jī)控制電路的正常工作 。 本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)是 采用霍爾元件作為檢測(cè)電動(dòng)機(jī)電樞電流的傳感器，其電流容量為50A，轉(zhuǎn)換比例為 1000:、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) 處理，電路原理圖如圖 所示。本次設(shè)計(jì)中將光電脈沖發(fā)生器測(cè)得的 A、 B 兩脈沖的不同分頻信號(hào)分別連接到 HIS 的四個(gè)輸入通道，當(dāng) 轉(zhuǎn)速變化時(shí)， HIS 選取不同的分頻信號(hào)進(jìn)行 T 法轉(zhuǎn)速測(cè)量，就可以克服 T 法測(cè)量轉(zhuǎn)速的局限性，這也正是變 T 法的思路 [11]。 ：準(zhǔn)雙向入口。 ~： P1 準(zhǔn)雙向 I/O 口。低電平有效（輸出腳）。 XTAL1：片內(nèi)震蕩發(fā)生器中反相器的輸入端，也是內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入，常接外部石英晶體。其管腳圖如圖 所示。 8097 芯片主要包括 16 位的 CPU， 232 個(gè)累加器，結(jié)構(gòu)上采用寄存器 — 寄存器結(jié)構(gòu)； CPU 的操作直接面向 232 字節(jié)的寄存器；高效的指令系統(tǒng)；具有三操作數(shù)指令，增加了十六位的乘、除法指令； 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器等， 此外 8097 芯片具有脈寬調(diào)制輸出（ PWM），可做為 D/A 轉(zhuǎn)換輸出，該信號(hào)可驅(qū)動(dòng)電機(jī)，也可經(jīng)積分處理獲 得直流輸出。 此方案的 不足之處是硬件電路比較復(fù)雜。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。 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。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。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。 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。 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)?？刂葡到y(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]。 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]。本次共設(shè)計(jì)三套方案如以下所示。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。 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)。 8097 是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器 CPU 隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM、多種 I/O 口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器 /計(jì)時(shí)器等功能、還包括顯示 驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、 A/D 轉(zhuǎn)換器等電路集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)， 并且它有優(yōu)異的性能價(jià)格比；集成度高、體積小、可靠性高；控制功能強(qiáng)；低電壓、低功耗 [9]。芯片配置寄存器 CCR， 通過(guò)對(duì) CCR 的設(shè)定可動(dòng)態(tài)地將系統(tǒng)總線德州學(xué)院 物理系 2020 屆 電子信息 專業(yè) 畢 業(yè)設(shè)計(jì) 7 配置成 8 位或 16 位；選擇適當(dāng)?shù)目偩€控制方式、就緒控制方式和程序保密方式。 VPP： EPROM 型芯片的編程電壓（ +）。 WR / WRL ： 對(duì)外部存儲(chǔ)器的寫(xiě)信號(hào)。 ~： P0 高阻抗輸入口，既可做數(shù)字量輸入口，也可作為 A/D 轉(zhuǎn)換器的模擬量輸入口（ ~）。 ：準(zhǔn)雙向入口。 變 T 法速度檢測(cè) 根據(jù) HIS 的功能特點(diǎn)用 HIS 作為 T 法測(cè)量轉(zhuǎn)速的部件 ， HIS 結(jié)構(gòu)圖如圖 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) 10 輸入輸出通道設(shè)計(jì) 電流反饋通道 電流反