【文章內(nèi)容簡介】 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(xiàng)性能。因此，編寫電機(jī)微機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的應(yīng)用程序（控制算法），也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中十分重要的內(nèi)容 【14】 。 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)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(zhuǎn)特性，從動(dòng)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(diào)，以保證電流在動(dòng)態(tài)過程中不超過如允許值而對電網(wǎng)電壓波動(dòng)的及時(shí)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： （2???sKWiASR?1??6）式中 ——電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)iK ——電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間量常數(shù)。?為了讓調(diào)節(jié)零點(diǎn)與控制零點(diǎn)的大時(shí)間常數(shù)幾點(diǎn)對消，選擇 （2liT??7）則電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖便成為圖（21）所示的典型形式，其中 ??1??sTKiI???sUi* ??sId圖21 校正成典型Ⅰ型系統(tǒng)的電流環(huán) （2RKisI???8）在一般情況下，可選 ， ，則70.??iIT （ 2??iITK219） （2???????ilisi TR?210） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)前面必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，他應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器中，現(xiàn)在擾動(dòng)作用點(diǎn)后面已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計(jì)成典型Ⅱ型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時(shí)也能滿足動(dòng)態(tài)抗擾性能好的要求。至于其階躍響應(yīng)超調(diào)量較大，那是按照線性系統(tǒng)理論計(jì)算的數(shù)據(jù)，實(shí)際系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和非線性性質(zhì)會使超調(diào)量大大降低由此可見，ASR也采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為211 【15】 （ 2???sKWnASR?1??11）式中 ——轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)，nK ——轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。?調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 （2???12???sTKsWnNn?12）其中 ??nnhT? （221???nNThK13） （2???nmenRhC??2114） 位置控制器設(shè)計(jì) 典型的 PID 算法存在積分飽和與微分突出兩個(gè)弊端。由于運(yùn)行較大的給定值變化及負(fù)載變化會導(dǎo)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(diào)量和調(diào)整時(shí)間，導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)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(dòng)、結(jié)束或大幅度增減設(shè)定值時(shí)，短時(shí)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(jī)構(gòu)最大動(dòng)作范圍對應(yīng)的極限控制量，從而引起系統(tǒng)較大的超調(diào)，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(yīng)，引起過大的超調(diào)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(diào)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(jī)的特性，設(shè)定一個(gè)偏差門限0 E ，當(dāng)控制過程中的偏差 e(kT)的絕對值大于此偏差門限 時(shí)，系統(tǒng)不引入積分控制，即為純 P控制；當(dāng) e(kT)的絕對E?值小于 時(shí)，才引入積分控制，即系統(tǒng)作PI 控制。表述如下：當(dāng) 時(shí)，既偏差值 較小時(shí)，采用PI 控制，保證系統(tǒng)精度；??okTe???kTe當(dāng) 時(shí)，既偏差值 較大時(shí)，采用純P調(diào)節(jié)，使得超調(diào)量減?少，系統(tǒng)反應(yīng)加快。積分分離的PI 算法可以表示為： （2????????kTekTekTuip0?????15） ????????oEkTe210?式中， 為邏輯系數(shù)。采用此種算法后，當(dāng)被控制量與設(shè)定值的偏差較大時(shí)，0取消積分作用，以免積分飽和時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性減弱，超調(diào)量加大；當(dāng)被控制量接近設(shè)定值即偏差較小時(shí)，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(diào) 【18】 。第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3．1 控制單元電路設(shè)計(jì)單 片 微 型 計(jì) 算 機(jī) 簡 稱 單 片 機(jī) ， 是 典 型 的 嵌 入 式 微 控 制 器 ， 它 最 早 是 被 用在 工 業(yè) 控 制 領(lǐng) 域 ， 最 早 的 設(shè) 計(jì) 理 念 是 通 過 將 大 量 外 圍 設(shè) 備 和 CPU 集 成 在 一個(gè) 芯 片 中 ， 使 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 更 小 ， 更 容 易 集 成 進(jìn) 復(fù) 雜 的 而 對 體 積 要 求 嚴(yán) 格 的 控制 設(shè) 備 當(dāng) 中 【 19】 。在此設(shè)計(jì)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(jī)。片內(nèi)含 4K bytes 的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和 128 bytes 的隨機(jī)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(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) 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(qiáng)大 AT89C51 單片機(jī)可為您提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)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(gè) 8 位并行 I/O 口（P0 口、P1 口、P2 口、P3 口）（5）1 個(gè)串行口 （6）2 個(gè) 16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（7）中斷系統(tǒng)（8）特殊功能寄存器 .0INTEAVpXLRSDWGcO圖 31 AT89s51 引腳圖 引腳特性1．電源引腳電源引腳接入單片機(jī)的工作電源。（1） （40 引腳）：接+5V 電源。cV（2） （20 引腳）：接地。s時(shí)鐘引腳2 個(gè)時(shí)鐘引腳 XTALXTAL2 外接晶體與片內(nèi)的反相放大器構(gòu)成了 1 個(gè)振蕩器，它為單片機(jī)提供了時(shí)鐘控制信號，2 個(gè)時(shí)鐘引腳也可外接獨(dú)立的晶體振蕩器。3．I/O 口引腳：電源電壓cVGND：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(fù)用口。P0 接受指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。P1 口：P1 是一個(gè)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(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4 個(gè) TTL 邏輯門電路。Flash 編程和程序校驗(yàn)期間，P1口接受底 8 位地址。P2 口：P2 口是一個(gè)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(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4 個(gè) 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(shí)可作為輸入口。作輸入口使用時(shí)，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1011121314151617RXD（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(shí)器 0 外部輸入）T1（定時(shí)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(yàn)的控制信號。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST 引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。ALE/ PROG 非：當(dāng)訪問外部程序存儲器時(shí)，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(shí)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(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí)將跳過一個(gè) 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(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置 ALE 無效。：程序儲存允許（ ）輸出是外部程序存儲器的讀選信號，當(dāng) PSENPSENAT89C51 由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次 PSEN 非有效，即輸出兩個(gè)脈沖。在此期間，當(dāng)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)。/ ：外部訪問允許。欲使 CPU 僅訪問外部程序存儲器（地址為EAPV0000H——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(fù)位時(shí)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(shí)，該引腳加上+12V 的編程允許電源 Vpp，當(dāng)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(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端 【21】 。 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式，電容中 和 典型值通常選擇為 30pF 左右，1C2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(shí)鐘頻率也就越高，單片機(jī)的運(yùn)行速度也就越快。因此我選擇 12MHz。30pF圖 32 時(shí)鐘電路 復(fù)位電路設(shè)計(jì)AT89s52 的復(fù)位是由外部的電路來實(shí)現(xiàn)的，在此我選擇自動(dòng)上電復(fù)位電路。自動(dòng)上電復(fù)位電路是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)電源接通時(shí)，只要 的上升時(shí)間不超過 1ms，就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位。cVCR130pF圖 33 復(fù)位電路 信號檢測電路設(shè)計(jì) 位置轉(zhuǎn)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(dāng)于人眼的作用。一個(gè)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(zhì)量要求相當(dāng)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(yīng)用于微處理器控制的閉環(huán)控制系統(tǒng)中。本系統(tǒng)使用的是沈陽光機(jī)研究所生產(chǎn)的增量式光電編碼器 【22】 。增量式光電編碼器是目前廣泛采用的測速手段。它具有精度高、線性度好的優(yōu)點(diǎn)。它是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器，由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個(gè)長方形孔。由于光電碼盤與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，通過計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可提供相位相差90186。的兩路脈沖信號 【23】 。測速電路圖如圖34所示：圖34 位置檢測電路圖固定在直流電機(jī)主軸上的光電編碼盤產(chǎn)生周期脈沖,經(jīng)過施密特觸發(fā)器進(jìn)行脈沖整形后輸入 89C51 的外部中斷 INT1 和 INT0，從而實(shí)現(xiàn)對速度的測量、計(jì)算為 了 實(shí) 現(xiàn) 可 逆 控 制 ， 用 光 電 編 碼 器 的 波 形 實(shí) 現(xiàn) 可 逆 位 置 檢 測 時(shí) ， 必 須 將A、 B 兩 相 方 波 形 進(jìn) 行 的 整 形 和 辨 相 處 理 ， 產(chǎn) 生 出 反 映 電 動(dòng) 機(jī) 轉(zhuǎn) 向 的 脈 沖 信 號 。 電流檢測電路的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)通過驅(qū)動(dòng)電路 LMD18200 的 8 引腳接個(gè)對地電阻來進(jìn)行電樞電流的檢測。將電流轉(zhuǎn)換成電壓，再經(jīng) ADC0809 轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量后送入 AT89s51 單片機(jī)。ADC0809 是一種比較典型的 8 位 8 通道逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器 CMOS 工藝，可實(shí)現(xiàn) 8 路模擬信號的分時(shí)采集，片內(nèi)有 8 路模擬選通開關(guān)，以及相應(yīng)的通道地址鎖存用譯碼電路，其轉(zhuǎn)換時(shí)間為 100μs 左右，采用雙排 28 引腳封裝 【24】 。其引腳說明如下：IN0～I(xiàn)N7：8 路模擬量輸入通道；ADDA～ADDC：地址線用于選擇模擬量輸入通道；ALE：地址鎖存允許信號；START：轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信；D0～D7：數(shù)據(jù)輸線；OE：輸出允許信號，低電平允許轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出；CLOCK：時(shí)鐘信號輸入引腳，通常使用 500KHz；EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，為 0 代表正在轉(zhuǎn)換，1 代表轉(zhuǎn)換結(jié)束；Vcc：＋5V 電壓。 圖 35 電流檢測電路DIR3PWM5VC6ThermalF9untSk4GN7OU2o*LsbEf(+) 控制電路設(shè)計(jì)在計(jì)算機(jī)控制的直流位置伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)部分輸出的控制電壓一般是可連續(xù)變化的低電壓，且只能提供小電流；而電機(jī)必須得到可連續(xù)變化的高電壓及大電流，才能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)度大小和方向的控制。隨著大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展，以及微處理器在伺服系統(tǒng)中的普遍應(yīng)用，伺服元件發(fā)生了巨大變革，向著