【正文】 兩端的電壓變化曲線 根據(jù)伺服電機兩端的電壓波形圖，可以觀察出驅(qū)動器的輸出波形，一般來說，輸出波形的方波性能越好，輸出的電壓占空比和 PWM 相同，則驅(qū)動器的性能越好。 由于伺服電機自帶有 14： 1 的減速器，設(shè)定的速度也。當加上電機負載時，可以看出波形有所變化，但仍然大致保持 PWM 的空載波形。 （ 3）整定微分環(huán)節(jié) 若經(jīng)過步驟（ 2）， PI 控制只能消除穩(wěn)態(tài)誤差，而動態(tài)過程不能令人滿意，則應加入微分控制，構(gòu)成 PID 控制。我們必須滿足主要的方面的要求，兼顧其他方面，適當?shù)卣壑蕴幚?。對允許有靜差（或穩(wěn)態(tài)誤差）的系統(tǒng)，可以適當選擇 P 或 PD 控制器，使穩(wěn)態(tài)誤差在允許的范圍內(nèi)。 總的來說，基于模型法需要對象精確的數(shù)學模型，計算量大，控制效果好。 （ 4）從執(zhí)行元件的要求來看，有時要求輸入控制信號要保持一定的寬度。 速度閉環(huán)調(diào)試 速度閉環(huán)概述 所謂的速度閉環(huán)，就是讓電機維持一個恒定的轉(zhuǎn)速，而不受外界負載大小的干擾。在線編程的基本原理是，單片機內(nèi)的 CPU 有能力對片內(nèi)Flash 進行寫入、擦除操作，用戶只需要以某種方式，一般為串行地將命令和數(shù)據(jù)傳送給單片機就可以了。從 上式 看出，數(shù)字增量式 PID 算法，只要貯存最近的三個誤差采樣值 e（ k）、 e（ k1）、 e（ k2）就足夠了。 /*預分頻設(shè)置 CLK A,16 分頻 ， 即 8M/128= */ PWMSCLA=0X32。 3 中斷處理子程序 （ 1）清中斷標志 位 （ 2）用戶自己的中斷處理程序 我們令定時器 64 分頻，那么定時器的工作頻率就是總線周期： 8M/64=125K 我們再令 TC7=512，那么一個中斷發(fā)生的時間就是： 512/125K==4ms 我們把測速程序 SPEED()。 //IOC7工作在輸出比較 TIE_C7I=1。在監(jiān)控程序中，已經(jīng)將中斷向量表中的 58 個中斷向量從 $EF8C~$EFFF。 （ 3） PBCTL BIT7 6 5 4 3 2 1 BIT0 PBEN PBOVI PBEN — 脈沖累加器 B使能 PBOVI — 脈沖累加器 B 溢出中斷使能 保留 所以我們令 PBCTL_PBEN=1。 PACB 的對應引腳是 IOC0。脈沖的超前或滯后取決于轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)向。 } 利用編碼器的兩相輸出信號 A、 B 判斷電機旋轉(zhuǎn)方向 1 編碼器簡介 光電編碼器是一種應用范圍廣闊的數(shù)字式角位移或轉(zhuǎn)速傳感器：它具有結(jié)構(gòu)緊湊、精度高、小巧靈活等特點 。 PORTA=num[led_b]。 //求百位，放在 led_b 里 led_c=number/10led_a*100led_b*10。但采用了共陰的數(shù)碼管，單片機的 I/O口驅(qū)動能力有限，無法直接點亮數(shù)碼管，所以擴展了一塊 8位 雙向 3態(tài)緩沖電路 74LS245，用于增大 I/O 的電流驅(qū)動能力。此時VC1 可等效為一個電壓源。這使得 P2 的柵極電位升高， P2 截止。具體工作原理如下。具有獨立的低端和高端輸入通道；懸浮電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達 500V，dv/dt=177。但在柴油機調(diào)速過程中，突加突減負載時，會引起轉(zhuǎn)速的較大波動，導致短時間內(nèi)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)較大偏差，通過 PID積分運算積累，超調(diào)量過大，系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩，嚴重影響發(fā)電機組輸出電能的品質(zhì)。其控制規(guī)律為： 0()1 ( )( ) [ ( ) 1 / ]t DT d e te t d t dtU t Kp e t T ??? ? （ 22） 式中， Kp 為比例系數(shù)， T1為積分時間常數(shù)， TD為微分時間常數(shù)。數(shù)字信號處理器是實現(xiàn)數(shù)字信號處理任務的一個重要而有效的手段。系統(tǒng)掉電后， FLASH 中的內(nèi)容仍能可靠保持不變。 MC68H12 具有關(guān)閉外設(shè)的能力、鎖相環(huán)（ PLL）系統(tǒng)時鐘以及用于低功耗運行模式的 STOP和 WAIT指令。 [4] 飛思卡爾（ Freescale） 16位單片機 MC9S12 單片機是以速度更快的 CPU12 內(nèi)核為核心的單片機系列，簡稱 S12。而且具有很寬的噪聲容限。永磁材料技術(shù)的突破與微電子技術(shù)的結(jié)合產(chǎn)生了一批新型電動機，如永磁直流電動機、交流伺服電動機、開關(guān)磁阻電動機、超聲波電動機等。 所選的方案應為最佳。所以伺服電機不會出現(xiàn)丟步現(xiàn)象，每一個指令脈沖都可以得到可靠響應。 2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及設(shè)計方案 直流伺服電機簡介 伺服電機是一種傳統(tǒng)的電機。 首先進 行了大功率直流電機驅(qū)動器的研究，選用 IR公司的專門電機驅(qū)動芯片 IR2110 和 MOSFET 場效應管 IRF540。要求電機的輸出力矩與轉(zhuǎn)動慣量的比值大，以產(chǎn)生足夠大的加速或制動力矩。它綜合應用了電子技術(shù)、計算技術(shù)、檢測技術(shù)、自動控制和機床結(jié)構(gòu)設(shè)計等各個技術(shù)領(lǐng)域的最新技術(shù)成就，它是典型的機電一體化產(chǎn)品 ，同時也是伺服電機系統(tǒng)。在八十年代中期每年伺服單元的用量已達約十萬套 ， 數(shù)控技術(shù)已滲透到工業(yè)的各個方面。又如某環(huán)行儀器廠，雖然是國內(nèi) 500家大型企業(yè)之一，其機床的數(shù)控普及率不到 3?。 直 流 電 機 的 閉環(huán) 伺 服 控 制 技 術(shù) 一個 重 要 應 用 方 面 是工 業(yè) 機 器 人 。但隨著現(xiàn)代化步伐的邁進，人們對自動化的需求越來越高，使電動機的復雜控制逐漸成為主流， 其在軍事、航天、工業(yè)自動化和日常家電中均有廣泛的應用。通過對編碼器的脈沖進行累加計數(shù)是目前實現(xiàn)位置閉環(huán)控制的一種方法。 在一些高精密的設(shè)備中，通常要求電機以設(shè)定的速度轉(zhuǎn)動一個精確的角度，即電機不僅要實現(xiàn)速度上的閉環(huán)，而且實現(xiàn)位置上的閉環(huán)。以前，對電動機的簡單控 制應用較多。其主要原因在于我國還不能自主設(shè)計和生產(chǎn)先進的大型自動化成套裝備，更 沒有 整體配套能力，目前的狀況是幾乎全部 是 依賴于進口，被國外 相關(guān) 公司所壟斷，由此嚴重制約了制造業(yè)的健康發(fā)展?？磕Ｔ诩庸み^程中經(jīng)常脫模，加之這種車床本來就是開環(huán)控制，所以加工出來的車輪踏面很難符合要求 ， 工廠為此大傷腦筋。 美國的伺服系統(tǒng)普及率很高。 課題的提出與研究現(xiàn)狀 50 年代出現(xiàn)了數(shù)控機床。 （ 3）高性能的伺服電動機（簡稱伺服電機）用于高效和復雜型面加工的數(shù)控機床，伺服系統(tǒng)將經(jīng)常處于頻繁的啟動和制動過程中。 本文所作的工作 本論文 以 16位 單片機系統(tǒng)為平臺 ,設(shè)計直流電機速度閉環(huán)控制 系統(tǒng) 。通過對采集的脈沖總數(shù)進行計數(shù)，這樣就 可以控制電機的轉(zhuǎn)角，從而實現(xiàn)位置閉環(huán)。 伺服電機的優(yōu)點 （ 1） 伺服電機 沒有丟步現(xiàn)象 伺服電機驅(qū)動器接收電機編碼器的反饋信號，并和指令脈沖 進行比較，從而構(gòu)成了一個位置的半閉環(huán)控制。 選出合適的減速機尺寸， 再 根據(jù)減速機選擇合適的伺服電機，一定要注意速度的選取。脈寬調(diào)制控制方法（ PWM和 SPWM）、變頻技術(shù)在直流調(diào)速和交流調(diào)速中獲得廣泛的使用。 （ 2） CMOS 電平： 1邏輯電平電壓接近于電源電壓， 0邏輯電平接近于 0V。除 128 字節(jié) RAM、 4k字節(jié) ROM 和中斷、串行口及定時器模塊外，還有 4組 I/O口 P0～ P3，余下的就 是 CPU 的全部組成。模糊邏輯指令的使用是 MC68H12 的一個顯著特點，同時，這也是 Motorola單片機中首次出現(xiàn)模糊指令。 FLASH 的主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、集成密度大、成本低。數(shù)字信號處理器（ Digital Signal Processor, DSPs）是指一類具有專門為完成數(shù)字信號處理任務而優(yōu)化設(shè)計的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、硬件和軟件資源的單片可編程處理器件。 數(shù)字 PID 簡介 PID 控制原理 常規(guī) PID 控制系統(tǒng)原理框圖如圖 23 所示 圖 23 PID控制系統(tǒng)原理圖 PID 控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值 r（ t）與實際輸出構(gòu)成控制偏差： ( ) ( ) ( )e t r t c t? （ 21） 將此偏差的比例（ P）、積分（ I）和微分（ D）通過 線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進行控制。由于基本 PID 控制中引入了積分環(huán)節(jié)，其目的主要是為了消除靜差，提高精度。 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn) 直流伺服電機驅(qū)動電路的實現(xiàn) IR2110 驅(qū)動電路概述 本系統(tǒng)采用了 IR2110 作為驅(qū)動芯片，其電路圖如下： 圖 31 驅(qū)動電路原理圖 驅(qū)動電路芯 IR2110 簡介 1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特點 IR2110 采用 HVIC 和閂鎖抗干擾 CMOS 制造工藝， DIP14 腳封裝。 圖 32 IR2110 的內(nèi)部功能框圖 2 高壓側(cè)懸浮驅(qū)動的自舉原理 所謂的自舉升壓原理就是，在輸入端 IN輸入一個方波信號，利用電容 Cboot將 A 點電壓抬升至高于 VDD 的電平，這樣就可以在 B端輸出一個與輸入信號反相，且高電平高于 VDD 的方波信號。同時 N N3 截止， P3 導通。當 HIN 為高電平時 VM1 開通， VM2 關(guān)斷， VC1 加到 S1的門極和發(fā)射極之間， C1 通過 VM1， Rg1 和 S1門極柵極電容 Cgc1 放電， Cgc1 被充電。本論文使用的數(shù)碼管采用共陰四位數(shù)碼管，這樣可以 盡可能少的占用單片機的 I/O 口。 //求千位，放在 led_a 里 led_b=number/100led_a*10。 PORTE=0X04。 //輸出個位，并延時一段時間 DEL()。 [12] 2 編碼器正反轉(zhuǎn)時的波形特點 編碼器輸出兩個偏差為 90 度的方波脈沖信號。主要功能： [13] 一個 16位向上帶可編程預分頻的主計數(shù)器 一個 16位的帶可編程預分頻的模數(shù)向下計數(shù)器 8個獨立的定時器通道，每個通道具備輸入捕捉和輸出比較功能 4個 8位脈沖累加器，也可設(shè)置成 2個 16位脈沖累加器 通過對寄存器編程可以實現(xiàn)不同的功能 這款單片機有兩個 16 位的脈沖累加器 —— 脈沖累加器 A 和脈沖累加器 B，這兩個累加器可以獨立工作，本系統(tǒng)只控制一個電機，所以只使用其中的脈沖累加器 B，即 PACB 對光電旋轉(zhuǎn)編碼器進行脈沖計數(shù)。 TCTL4_EDG0B=0。股中斷向量表就要移到?jīng)]有保護的區(qū)域。相關(guān)程序語句： TIOS_IOS7=1。 TSCR1_TEN=1。 /* 極性設(shè)置 8*/ PWMPRCLK=0x44。本系統(tǒng)中，通過軟件設(shè)置，單片機產(chǎn)生 4ms的時鐘中斷，設(shè)計數(shù)器采集到的脈沖數(shù)為 N，由于電機輸出軸旋轉(zhuǎn)一圈，電機將產(chǎn)生 13725個脈沖，所以此時電機的轉(zhuǎn)速 (rpm)： n=60*N/(*13725)=*N （ 43） 圖 42 測速子程序流程圖 PID 調(diào)節(jié)量計算子程序的實現(xiàn) 由增量型控制算法得 ( ) ( ) ( 1)e k u k u k= { ( ) ( 1 ) ( ) [ ( ) 2 ( 1 ) ( 2 ) ] }Ts TdK p e k e k e k e k e k e kTi Ts= + + + 這個公式已看不出是 PID 的表達式了，也看不出 P、 I、 D作用的直接關(guān)系，只表示 了各次誤差量對控制作用的影響?，F(xiàn)在將其他三部分的調(diào)試做分別說明： 所有調(diào)試任務分為以下幾個部分： 1 CPU 模塊：飛思卡爾 16 位單片機 MC9S12 程序開發(fā)調(diào)試環(huán)境的熟悉和使用 2 速度閉環(huán)調(diào)試：主要調(diào)試內(nèi)容是采樣周期選擇和數(shù)字 PID 參數(shù)整定 3 位置閉環(huán)調(diào)試：不同速度下的位置閉環(huán)穩(wěn)定性 飛思卡爾 16 位單片機 MC9S12 程序開發(fā)調(diào)試環(huán)境 今天，大部分單片機的片內(nèi) FLASH都是可以在線編程的，即在線寫入、擦出，在線下載程序。 [17] 編程軟件采用 CodeWarrio for S12,可用于源程序的編譯、鏈接等工作， 圖 51 BDM for S12 實物圖 PID控制器 伺服電機 直流伺服電機驅(qū)動器 編碼器反饋 在建立項目是可以支持幾乎所有的 S12系列單片機，但不支持 TBDML，所以需要更高版本的 CodeWarrio for S12 中的 程序，并通過 BDM for S12（ TBDML）來調(diào)試 MC9S12 各種類型單片機。 （ 3）從抑制擾動的要求來說，采樣周期應該選擇得小些。 (2) 周期整定 :在每次階躍響應后才可獲得整定信息，通常包括超調(diào)量、上升時間和整定時間等。 在選擇數(shù)字 PID 參數(shù)之前，首先應該確定控制器結(jié)構(gòu)。這些要求，對控制系統(tǒng)自身性能來說，有些是矛盾的。然后減小積分時間，加大積分作用，并相應調(diào)整比例系數(shù)，反復試湊至得到較滿意的響應，確定比例和積分的參數(shù)。 設(shè)置 PWM 輸出占空比為 80%，周期 5KHz，通過示波器可以清楚的觀察到驅(qū)動器空載時的輸出波形圖，可以看出此時的波形比較理想