【正文】 十進(jìn)制脈沖信號(hào) 理論占空比 實(shí)際占空比 誤差 224 % % +% 192 % % % 176 % % % 144 % % +% 112 % % +% 根據(jù) 圖 可知該系統(tǒng)的速度環(huán)、位置環(huán)控制設(shè)計(jì)基本實(shí)現(xiàn)了直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)快、無超調(diào)的目的 基本滿足了設(shè)計(jì)要求。然后，檢查主電路是否上電和是否允許系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行，設(shè)置軟件定時(shí)器起動(dòng)系統(tǒng)控制程序。我們?nèi)〉牟蓸又芷跒?TI=， TN=1ms， Tp=4ms。 其原理圖 如圖 所示 。位置的反饋數(shù)字量可用可逆計(jì)數(shù)方式獲得。 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。 ~ ：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。 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 ） 。 Vcc：主電源電壓（ +5V）。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。 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)。這使得它具有快速性的特點(diǎn)。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。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。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。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。 ANGND： A/D 轉(zhuǎn)換器的參考地通常必須與 Vss 保持同電位。 ~：高速輸出口，共 6 個(gè)輸出端。 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(jiǎn)化。由此可知，電流反饋回路反饋系數(shù) α= 20A )((20A )1023??=，電流測(cè)量分辨率為 ，整個(gè)反饋通道濾波的時(shí)間常數(shù)為 。 0 計(jì)數(shù)器 的輸出脈沖使 1 計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)開始，并且使 1 計(jì)數(shù)器輸出為低電平， 1 計(jì)數(shù)器對(duì)每一個(gè)頻率時(shí)鐘脈沖從設(shè)定的初始值開始做減 1 計(jì)數(shù)，減() () 圖 光電脈沖發(fā)生器部件分解示意圖 德州學(xué)院 物理系 2020 屆 電子信息 專業(yè) 畢 業(yè)設(shè)計(jì) 13 到 0 之后輸出為 高電平。按跟隨性能和抗干擾性能要求，取中頻寬 h=5，則積分時(shí)間常數(shù)為 Tn=hTΣn=。此處，Ugi的初始狀態(tài)為 Ugi(0)=512。而自動(dòng)跟蹤是伺服系統(tǒng)的一種運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)入這種狀態(tài)后，上位微型計(jì)算機(jī)送來的數(shù)據(jù)是伺服系統(tǒng)的位置給定偏移量，它以字為單位，在位置給定寄存器上累加。 此次設(shè)計(jì) 通過軟件 控制來 確定電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)的 工作方式，而且通過改變?cè)O(shè)定值達(dá)到改變受控對(duì)象的電流、速度和位置從而達(dá)到自動(dòng)控制被控對(duì)象的目的。其次檢查各個(gè)模塊的電路是否正常，能否正常工作。其總體程序結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。位置環(huán)的開環(huán)截止頻率為： ωcp=1/4TM≈ ,位置環(huán)的開環(huán)增益： KP=ωcp=KpKJ，位置環(huán)的調(diào)節(jié)器比例系數(shù)： Kp=ωcp/KJ≈ 。一旦上位微型計(jì)算機(jī)和伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了通信聯(lián)系，不僅可以通過上位微型計(jì)算機(jī)給伺服系統(tǒng)發(fā)送各種各樣的運(yùn)行命令，還可以隨時(shí)修改伺服系統(tǒng)的參數(shù)，顯示其運(yùn)行過程中的狀態(tài)變量，為系統(tǒng)調(diào)試提供了極大的方便 [12]。 光電脈沖發(fā)生器是增量式光電編碼器的一種 ,它由光源、光電轉(zhuǎn)盤、光敏元件和光電放大整形電路 組成如圖 所示。在系統(tǒng)控制程序的協(xié)調(diào)作用下，分頻數(shù) K 自動(dòng)跟蹤轉(zhuǎn)速 n 的升降而增大和減小。 ： 口 /定時(shí)器 2 時(shí)鐘（輸入）， =0 選 T2CLK 方式。 ALE/ ADV ： 地址鎖存允許（ ALE） /地址有 效（ ADV ）（輸出腳）。全雙工串行口，可方便地實(shí)現(xiàn) I/O 擴(kuò)展、 多機(jī)通信及與 CRT 終端等設(shè)備進(jìn)行通信等 [10]?；魻栐z測(cè)到電樞電流反饋信號(hào)經(jīng)濾波放大后輸入微型計(jì)算機(jī) 8097，光電脈沖發(fā)生器作為速度和位置測(cè)量器件將所測(cè)得的信 號(hào)輸入光電隔離 器和可編程門陣列電路 GAL16V8 進(jìn)行分頻和鑒相，然后輸入微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析、處理?，F(xiàn)已知系統(tǒng)中直流電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速 ne=1000r/min； 電樞回路總電阻 R=；電磁時(shí)間常數(shù) Tl=；機(jī)電時(shí)間常數(shù) Tm=。 伺服系統(tǒng) 尤其 在機(jī)械制造行業(yè)中占據(jù)著 主導(dǎo) 位置， 同時(shí)也 是 應(yīng)用的最為普遍 的控制系統(tǒng)，到目前為止直流伺服仍占據(jù)著主要地位 [3]。 直流伺服電動(dòng)機(jī)既有交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，又具有直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率高、調(diào)速性能好的特點(diǎn)，故在當(dāng)今國(guó)民經(jīng)濟(jì)中直流伺服系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于軋鋼機(jī)及其輔助機(jī)械、造紙機(jī)、金屬切割機(jī)床等眾多自動(dòng)控制中的各個(gè)領(lǐng)域 [2]。 2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)要求 本次設(shè)計(jì)的主要對(duì)象是一個(gè)直流伺服系統(tǒng)，目的是為某生產(chǎn)機(jī)械設(shè)計(jì)一個(gè)調(diào)速性能好、起制動(dòng)性能好、定位準(zhǔn)確且定位過程無超調(diào)的直流伺服系統(tǒng)，且擬定該伺服系統(tǒng)由大功率晶體管脈寬調(diào)制放大器給電動(dòng)機(jī)供電，控制方式為三環(huán)全數(shù)字式即電流環(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。 單片機(jī) 8086 并行 I/O 接口 8255A 上 位 微型 計(jì) 算機(jī) A/D 轉(zhuǎn)換器 可編 程計(jì)數(shù)器 8254 PWM 功放 M 光電隔離倍頻辨向 PG 圖 基于 8086 的系統(tǒng)框圖 德州學(xué)院 物理系 2020 屆 電子信息 專業(yè) 畢 業(yè)設(shè)計(jì) 5 intel MCS— 96 系列的 8097 是 16 位 高性能單片機(jī)，有著很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力和豐富的外部信號(hào)處理資源，其內(nèi)部包含有 A/D 轉(zhuǎn)換電路、 脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、顯示驅(qū)動(dòng)電路等 所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)的絕大部分控制任務(wù)由它承擔(dān)。五個(gè) 8 位標(biāo)準(zhǔn)輸入 /輸出口；可編程高速輸入 /輸出口，高速輸入口可用內(nèi)部定時(shí)器 1 作實(shí)時(shí)時(shí)鐘來記錄外部事件發(fā)生的時(shí)間，一共可記錄 8 個(gè)事件。 RESET ：復(fù)位信號(hào)輸入端 。 ： 口 /外部中斷（輸入）， =0 選 EXINT 方式。若將 A、 B 相脈沖的 2 倍頻信號(hào) 2A、 A 相脈沖信號(hào) A、 A 相脈沖的 2分頻信號(hào) A/ 4 分頻信號(hào) A/分別連到 HIS 的四個(gè)輸入端口 HSI0， HSI1， HSI2，HSI3，再通過對(duì) HIS 事件形式的選擇 (正跳和負(fù)跳作為一個(gè)事件、每 8 個(gè)脈沖作為一個(gè)事件 )和輸入通道選擇，可以得到分頻數(shù) 1/4， 1/2， 1， 2， 4， 8， 16， 32 的分頻信號(hào)。 抗干擾能力 強(qiáng) , 不容易受周圍電磁場(chǎng)的影響 。給定輸入通道由上位微型計(jì)算機(jī)、電平轉(zhuǎn)換電路、串行通信接口組成。 位置環(huán)控制器參數(shù)選擇：取阻 尼比 ξ=1 時(shí)，典型 I 型系統(tǒng)階躍響應(yīng)無超調(diào)，則伺服系統(tǒng)定位無超調(diào)。按指令要求，采集系統(tǒng)運(yùn)行的有關(guān)信息和系統(tǒng)參數(shù)，并通過串行通信反饋到上位微型計(jì)算機(jī)中進(jìn)行顯示和信息存儲(chǔ)。 圖 系統(tǒng)控制的程序的時(shí)序 (k+1)T (k+2)T 德州學(xué)院 物理系 2020 屆 電子信息 專業(yè) 畢 業(yè)設(shè)計(jì) 21 系統(tǒng)復(fù)位 設(shè)置堆棧指針，主程序標(biāo)志寄存器賦初值 初始化 8254 計(jì)數(shù)器 初始化 HIS 單元 初始化 SIO 設(shè)置 A/D 工作方式 電流調(diào)節(jié)器賦初值 速度調(diào)節(jié)器賦初值 位置調(diào)節(jié)器賦初值 主回路上電，運(yùn)行？ 設(shè)置中斷系統(tǒng)控制字設(shè)定軟定時(shí)，起動(dòng)電流環(huán) 主程序模塊 Y N 圖 初始化程序模塊的流程圖 德州學(xué)院 物理系 2020 屆 電子信息 專業(yè) 畢 業(yè)設(shè)計(jì) 22 主程序模塊 SIO 收到數(shù)據(jù) ？ 握手完成？ 自 動(dòng) 跟 蹤 運(yùn)行？ 接受命令或命令參數(shù) 分解和執(zhí)行命令 SIO 發(fā)送寄存器空？ 有 系 統(tǒng) 參 數(shù) 立 即 反饋？ 變 量 反 饋 定 時(shí) 時(shí) 間到？ 系 統(tǒng) 參 數(shù)發(fā)送緩沖器 系 統(tǒng) 變 量發(fā)送緩沖器 握手完成？ 符合通信協(xié)議？ 緊急停車或復(fù)位？ 自 動(dòng) 跟 蹤運(yùn)行 設(shè)握手完成標(biāo)志 串行通信故障報(bào)警 緊 急 停 車或復(fù)位處理 圖 主程序模塊的流程圖 N N Y Y N N Y N Y N N N N Y Y Y Y Y 德州學(xué)院 物理系 2020 屆 電子信息 專業(yè) 畢 業(yè)設(shè)計(jì) 23 開始 讀計(jì)數(shù)器 T 2 的當(dāng)前值 字運(yùn)算求： T2(k) =T2(k)T2(k1) 2(k)=2(k)2 (k1) ΔBp(k)= T2(k)2 2(k) 雙字運(yùn)算求： Bp(k)=BP(k1)+ Bp(k) 雙字運(yùn)算： Ep(k)=Gp(k)Bp(k) Ep(k)高字為“ 0”？ Ep(k)0？ 設(shè)位置調(diào)節(jié)器輸出反向飽和 設(shè)位置調(diào)節(jié)器輸出正向飽和 字運(yùn)算、調(diào)位置調(diào)節(jié)控制算法和輸出限幅程序模塊 結(jié)束 N Y N Y 圖 位置采樣及數(shù)處理程序模塊流程圖 德州學(xué)院 物理系 2020 屆 電子信息 專業(yè) 畢 業(yè)設(shè)計(jì)