【文章內(nèi)容簡介】 如圖所示 ： C t3 6 5 / ( G D ^ 2 s )C e1 / RU ( s )++TL( s )TC( s )I ( s )N ( s ) 圖 22直流電機動態(tài)結構圖 由無刷直流電機動態(tài)結構圖可求得其傳遞函數(shù)為 : （ 25） 式中： K1為電動勢傳遞系數(shù)， ， Ce 為電動勢系數(shù)； K2為轉矩傳遞函數(shù)， ， R 為電動機內(nèi)阻， Ct 為轉矩系數(shù)； Tm 為電機時間常數(shù)， ， G 為轉子重量， D 為轉子直徑。 8 為了使微機控制系統(tǒng)各個硬件設備能夠正常運行，有效的實現(xiàn)電機各 個控制環(huán)節(jié)的實時控制和管理，除了要有合理設計的硬件電路外，還必須要有高質量的軟件支持，尤其是采用什么樣的控制算法直接影響到能否提高控制系統(tǒng)的各 項性能。因此，編寫電機微機實時控制系統(tǒng)的應用程序（ 控制算法），也是系統(tǒng)設計中十分重要的內(nèi)容 【 14】 。 電流調節(jié)器的設計 在此系統(tǒng)從穩(wěn)態(tài)要求上看希望電流無靜差，已得到理想的堵轉特性，從動態(tài)要求上看，系統(tǒng)不允許電樞電流突加控制作用是有太大的超調，以保證電流在動態(tài)過程中不超過如允許值而對電網(wǎng)電壓波動的及時抗擾作用只是次要的因素，因此，典型Ⅰ型系統(tǒng)適用在此方案中。 電流環(huán)的控制作用是雙慣性的，其傳遞函數(shù)為： ? ? ? ?ssKsW iiiASR ?? 1?? （ 26） 式中 iK —— 電流調節(jié)器的比例系數(shù) i?—— 電流調節(jié)器的超前時間量常數(shù)。 為了讓調節(jié)零點與控制零點的大時間常數(shù)幾點對消，選擇 li T?? （ 27） 則電流環(huán)動態(tài)結構框圖 便成為圖（ 21）所示的典型形式，其中 ? ?1?? sTsKiI? ?? sU i* ? ?sI d 圖 21 校正成 典型Ⅰ型系統(tǒng)的電流環(huán) RKKK i siI ? ?? （ 28） 在一般情況下，可選 ?? ， ??iITK，則 ?? iI TK 21 （ 29） ??????????? ilisi TTTKRK?2 （ 210） 9 轉速調節(jié)器的設計 為了實現(xiàn)轉速無靜差，在負載擾動作用點前面必須有一個積分環(huán)節(jié)，他應該包含在轉速調節(jié)器中，現(xiàn)在擾動作用點后面已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié)，因此轉速開環(huán)傳遞函數(shù)應共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應該設計成典型Ⅱ型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。至于其階躍響應超調量較大，那是按照線性系統(tǒng)理論計算的數(shù)據(jù)，實際系統(tǒng)中轉速調節(jié)器的飽和非線性性質會使超調量大大降低由此可見， ASR也采用 PI調節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 211【 15】 ? ? ? ?ssKsW nnnA SR ?? 1?? （ 211） 式中 nK —— 轉速調節(jié)器的比例系數(shù)， n? —— 轉速調節(jié)器的超前時間常數(shù)。 調速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 ? ? ? ?? ?112 ?? ?? sTs sKsWnnNn ? （ 212） 其中 ??nn hT? 222 1??? nN ThhK （ 213） ? ????nmen RTh TChK ? ?2 1 （ 214） 位置控制器設計 典型的 PID 算法存在積分飽和與微分突出兩個弊端。由于運行較大的給定值變化及負載變化會導致控制器變量及輸出的飽和與溢出，這種非線性可能增加系統(tǒng)的超調量和調整時間，導致系統(tǒng)動態(tài)性能變差。因此， 位置控制器采用積分分離PID 控制算法。 在普通的數(shù)字 PID 控制器中 加入積分環(huán)節(jié)的主要目的是為了消除靜差、提高精度，但是在過程的啟動、結束或大幅度增減設定值時，短時間內(nèi)系統(tǒng)輸出有很大的偏差，會造成積分累積，使控制量超過執(zhí)行機構最大動作范圍對應的極限控制量，從而引起系統(tǒng)較大的超調，甚至造成系統(tǒng)振蕩，即由于系統(tǒng)加入積分校正后，會產(chǎn)生飽和效應，引起過大的超調量，而采用積分分離算法，既可以保持積分的作用，又可以減少超調量，使得控制系統(tǒng)的性能有較大的改善。對于本系統(tǒng)而言，即是采用積分分離數(shù)字 PI 控制算法。具體做法是：根據(jù)直流伺服電機的 10 特性，設定一個偏差門限 0 E ，當控制過程中的偏 差 e(kT)的絕對值大于此偏差門限 E? 時，系統(tǒng)不引入積分控制，即為純 P控制；當 e(kT)的絕對值小于 E? 時，才引入積分控制，即系統(tǒng)作 PI 控制。表述如下： 當 ? ? oEkTe ? 時，既偏差值 ? ?kTe 較小時，采用 PI 控制，保證系統(tǒng)精度； 當 ? ? oEkTe ? 時，既偏差值 ? ?kTe 較大時，采用純 P調節(jié)，使得超調量減少，系統(tǒng)反應加快。 積分分離的 PI 算法可以表示為： ? ? ? ? ? ?? ? ? ?kTekTkTekTekkTu ip 0?????? （ 215） ? ?? ?????????ooEkTe EkTe210? 式中， 0? 為邏輯系數(shù)。采用此種算法后，當被控制量與設定值的偏差較大時，取消積分作用，以免積分飽和時系統(tǒng)的穩(wěn)定性減弱，超調量加大；當被控制量接近設定值即偏差較小時，才加入積分環(huán)節(jié)，以消除靜差，提高控制精度。這樣一方面防止了一開始有過大的控制量，另一方面 即使發(fā)生飽和，因積分累積值小，也能較快的退出飽和，可減少超調 【 18】 。 11 第三章 系統(tǒng)硬件設計 3． 1 控制單元電路設計 單片微型計算機簡稱單片機，是典型的嵌入式 微控制器， 它最早是被用在工業(yè)控制領域 ， 最早的設計理念是通過將大量外圍設備和 CPU 集成在一個芯片中，使 計算機系統(tǒng) 更小，更容易集成進復雜的而對體積要求嚴格的控制設備當中 【 19】 。在此設計方案中我選擇 AT89s51. AT89C51 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS8 位單片機。片內(nèi)含4K bytes 的可反復擦寫的只讀程序存儲器（ PEROM）和 128 bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準 MCS51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器（ CPU）和 Flash 存儲單元，功能強大 AT89C51 單片機可為您提供許多高性價比的應用場合，可靈活應用于各種控制領域 ,它由以下功能部件組成 【 20】 ： （ 1） 微處理器（ CPU） （ 2） 數(shù)據(jù)存儲器（ RAM） （ 3） 程序存儲器（ ROM/EPROM） （ 4） 4 個 8 位并行 I/O 口（ P0 口、 P1 口、 P2 口、 P3 口） （ 5） 1 個串行口 （ 6） 2 個 16 位定 時器 /計數(shù)器 （ 7） 中斷系統(tǒng) （ 8） 特殊功能寄存器 12345678INT113INT012T014T115EA/Vpp31XTAL119XTAL218RESET9RD17WR16GND20Vcc4039383736353433322122232425262728PSEN29ALE/PROG30TXD11RXD10AT89S51 圖 31 AT89s51引腳圖 12 引腳特性 1．電源引腳 電源引腳接入單片機的工作電源。 （ 1） ccV （ 40 引腳）：接 +5V 電源。 （ 2） ssV （ 20 引腳）：接地。 時鐘引腳 2 個時鐘引腳 XTAL XTAL2 外接晶體與片內(nèi)的反相放大器構成了 1 個振蕩器，它為單片機提供了時鐘控制信號， 2 個時鐘引腳也可外接獨立的晶體振蕩器。 3． I/O 口引腳 ccV ：電源電壓 GND： 地 P0 口： P0 口是一組 8 位漏極開路型雙向 I/O 口，也即地址 /數(shù)據(jù)總線復用口。P0 接受指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。 P1 口： P1 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流） 4 個 TTL 邏輯門電路。 Flash 編程和程序校驗期間， P1 口接受底 8 位地址。 P2 口： P2 口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流） 4 個 TTL 邏輯門電路。 P3 口： P3 是一組帶 內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。對端口寫“ 1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作為輸入口。作輸入口使用時，被外部拉低的 P3 口將用上拉電阻輸出電流（ I）。 P3 口除了作為一般的 I/O 口線外，更重要的用途是她的第二功能，見下表 表 31 P3口第二功能功能表 口線 引腳 第二功能 10 11 12 13 14 15 16 17 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） INT0（外部中斷 0） INT1（外部中斷 1） T0（定時器 0 外部輸入） T1（定時器 1 外部輸入） WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫脈沖） RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀脈沖） P3 口還接受一些用于 Flash 閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。 13 RST：復位輸入。當振蕩器工作時， RST 引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。 ALE/ PROG 非：當訪問外部程序存儲器時， ALE 輸出脈沖用于鎖存地址的低8 位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器， ALE 仍以時鐘振蕩頻率的 1/6 輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個 ALE 脈沖。對 Flash 存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（ PROG 非）。 如有必要，可通過對特殊功能寄存器（ SFR）區(qū)中的 8EH 單元的 D0 位置位，可禁止 ALE 操作，該位置位后，只有一條 MOVX 和 MOVC 指令 ALE 才會被激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應設置 ALE 無效。 PSEN ：程序儲存允許（ PSEN ）輸出是外部程序存儲器的讀選信號，當 AT89C51 由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次 PSEN 非有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，這兩次有效的 PSEN非信號不出現(xiàn)。 EA / PPV ：外部訪問允許。欲使 CPU 僅訪問外部程序存儲器（地址為 0000H—— FFFFH）， EA 端必須得保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位 LBI 被編程，復位時內(nèi)部會鎖存 EA 端狀態(tài)。 如 EA 端為高電平（接 Vcc 端）， CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。 Flash存儲器編程時，該引腳加上 +12V 的編程允許電源 Vpp，當然這必 須是該器件是使用 12V 編程電壓 Vpp。 XTAL1：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。 XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端 【 21】 。 時鐘電路設計 本設計采用內(nèi)部時鐘方式，電容中 1C 和 2C 典型值通常選擇為 30pF 左右，晶振的振蕩頻率的范圍通常在 ~12MHz 之間。晶振的頻率越高，則系統(tǒng)的時鐘頻率也就越高，單片機的運行速度也就越快。因此我選擇 12MHz。 1230pFC130pFC2 圖 32時鐘電路 14 復位電路設 計 AT89s52 的復位是由外部的電路來實現(xiàn)的，在此我選擇自動上電復位電路。自動上電復位電路是通過外部復位電路的電容充電來實現(xiàn)的。當電源接通時，只要 ccV 的上升時間不超過 1ms，就可以實現(xiàn)自動上電復位。 VCC R130pFC1 圖 33 復位電路 信號檢測電路設計 位置 轉速 檢測電路 位置測量元件是閉環(huán)控制系統(tǒng)中的重要部件之一，它的作用是檢測位移 (角位移或線位移 )并發(fā)出反饋信號，起著相當于人眼的作用。一個完善的閉環(huán)伺服系統(tǒng)，其定位精度和加工、測量精度主要由測量元件決定， 因此，高精度伺服系統(tǒng)對測量元件的質量要求相當高。光電編碼器是現(xiàn)代伺服系統(tǒng)中必不可少的一種數(shù)字式速度和位置測量元件，被廣泛應用于微處理器控制的閉環(huán)控制系統(tǒng)中。