【導(dǎo)讀】伺服系統(tǒng)，實現(xiàn)速度閉環(huán)和位置閉環(huán)。為了減小開發(fā)難度和增加軟件的可移植性，程序采用C語言編寫。通過和伺服電機(jī)軸同軸轉(zhuǎn)動的編碼器輸出脈沖信號到16位單片機(jī)的計數(shù)器口，參數(shù)，可以使電機(jī)按照設(shè)定的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，而不受負(fù)載大小的影響。累加計數(shù)是目前實現(xiàn)位置閉環(huán)控制的一種方法。假設(shè)電機(jī)需要正向轉(zhuǎn)動一個特定的。角度，那么負(fù)責(zé)電機(jī)控制的相應(yīng)控制器把這個角度指令轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的編碼器脈沖數(shù)，

　　

【正文】 （ 42） （ 4） PWM 通道選通寄存器： PWME BIT7 6 5 4 3 2 1 BIT0 PWME7 PWME 6 PWME 5 PWME 4 PWME 3 PWME 2 PWME 1 PWME0 3 完整的 PWM 輸出程序： PWMPOL=0xFF。 /* 極性設(shè)置 8*/ PWMPRCLK=0x44。 /*預(yù)分頻設(shè)置 CLK A,16 分頻 ， 即 8M/128= */ PWMSCLA=0X32。 PWMSCLB=0X32。 PWMPER0=99。 /*周期常數(shù)設(shè)置 ， PWM 頻率 5KHz*/ PWMDTY0=output。 /*占空比設(shè)置 */ PWME=0X01。 /*通道 0選通 */ 數(shù)字 PID 的軟件實現(xiàn) 測速子程序 SPEED()的編寫 對電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行 PID調(diào)節(jié)，就要測量出電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速。本論文測量轉(zhuǎn)速的方法是使單片機(jī)產(chǎn)生一個周期性的時鐘中斷，把編碼器數(shù)據(jù)采集和速度計算放在中斷處理子程序中，這樣單片機(jī)就會周期性的調(diào)用編碼器數(shù)據(jù)采集和速度計算子程序，這樣 既 節(jié)約了 CPU占用時間，又保證了很高的測速精度。本系統(tǒng)中，通過軟件設(shè)置，單片機(jī)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(jī)輸出軸旋轉(zhuǎn)一圈，電機(jī)將產(chǎn)生 13725個脈沖，所以此時電機(jī)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(dá)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。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。 具體軟件實現(xiàn)： Vk=Kp*(EkE1)/100+(Ek*Kp/Ti)/100+Kp*Td*(Ek2*E1+E2)/1000。 //計算增量 E2=E1。 E1=Ek。 output=output+Vk。 //輸出量等于原來的值和增量之和 . 圖 46 增量式轉(zhuǎn)速數(shù)字 PID調(diào)節(jié)流程圖 5 系統(tǒng)調(diào)試 及參數(shù)選擇 系統(tǒng)調(diào)試總體介紹 基于飛思卡爾 16位單片機(jī) MC9S12 直流電機(jī)控制系統(tǒng)有四部分組成： CPU模塊、顯示接口模塊、驅(qū)動模塊和伺服電機(jī)。其中伺服電機(jī)未連接設(shè)備，在本系統(tǒng)中不需要調(diào)試?，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(wù)分為以下幾個部分： 1 CPU 模塊：飛思卡爾 16 位單片機(jī) 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(jī) MC9S12 程序開發(fā)調(diào)試環(huán)境 今天，大部分單片機(jī)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。在線編程的基本原理是，單片機(jī)內(nèi)的 CPU 有能力對片內(nèi)Flash 進(jìn)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(jī)就可以了。 8位單片機(jī)在線編程功能比較單一，只能完成單片機(jī)內(nèi) Flash 的寫入、擦除操作。 16位單片機(jī)的編程接口除能完成 Flash 的寫入、擦除功能外，還可以用于應(yīng)用程序的調(diào)試，甚至可以在應(yīng)用程序運(yùn)行時，動態(tài)地獲取 CPU、存儲器的瞬態(tài)信息，這就是所謂的 BDM（ Background Debug Mode）調(diào)試方式。 飛思卡爾 16 位單片機(jī) MC9S12 就具有強(qiáng)大的 BDM 功能。硬件采用 清華大學(xué)Freescale MCU/DSP 應(yīng)用開發(fā)研究中心開發(fā)的 BDM for S12 ， 軟件采用 Daniel Malik 設(shè)計的 TBDML。是支持 Freescale MC9S12 系列 16 位單片機(jī)的 BDM調(diào)試工具，采用 USB 借口與 PC 通信。目前可支持的外部晶振頻率不高 19MHz 的 CPU。 [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(jī) 直流伺服電機(jī)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(jī)，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(jī)。 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(jī)維持一個恒定的轉(zhuǎn)速，而不受外界負(fù)載大小的干擾。 圖 52 速度閉環(huán)結(jié)構(gòu)圖 為了取得比較好的控制效果 ,需要選擇合適的采樣周期和 PID 控制器進(jìn)行參數(shù)整定。 采樣周期的選擇 采樣一數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)中，設(shè)采樣周期為 TS，采樣速率為 1/TS，采樣角頻率為2/ssT??? 采樣周期 TS 是設(shè)計者要精心選擇的重要參數(shù)，系統(tǒng)的性能與采樣周期的選擇有密切關(guān)系。 采樣周期的選擇受多方面因素的影響 ,主要考慮的因素如下 :[18] （ 1） 香農(nóng)（ Shannon）采樣定理 max/sT ??? （ max? 被采樣信號的上限角頻率 ） 給出了采樣周期的上限。滿足這一定理，采樣信號方可恢復(fù)或近似地恢復(fù)為原模擬信號，而不丟失主要信息。在這個限制范圍內(nèi)，采樣周期越小，采樣 數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)的性能越接近于連續(xù) 時間控制系統(tǒng)。 （ 2）閉環(huán)系統(tǒng)對給定信號的跟蹤，要求采樣周期要小。 （ 3）從抑制擾動的要求來說，采樣周期應(yīng)該選擇得小些。 （ 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。 （ 5）從計算機(jī)精度考慮，采樣周期不宜過短。 （ 6）從系統(tǒng)成本上考慮，希望采樣周期 越長越好。 綜合上述各因素，選擇采樣周期，應(yīng)在滿足控制系統(tǒng)的性能要求的條件下， 盡可能地選擇低的采樣速率。 可以根據(jù)經(jīng)驗來選擇采樣，也可以根據(jù)所設(shè)計的系統(tǒng)的具體情況，用試湊的方法，在試湊過程中根據(jù)各種合理的建議來預(yù)選采樣周期，多次試湊，選擇性能較好的一個作為最后的采樣周期。 PID 參數(shù)整定 在基于規(guī)則的自整定方法中，不用獲得過程實驗?zāi)Ｐ停? 整定基于類似有經(jīng)驗的操作者手動整定的規(guī)則?；谝?guī)則法整定又分為兩種方法： (1) 連續(xù)整定 :每次的采樣時刻便可獲得整定信息，信息包括誤差、誤差微分和前次誤 差累加和等。 (2) 周期整定 :在每次階躍響應(yīng)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。 總的來說，基于模型法需要對象精確的數(shù)學(xué)模型，計算量大，控制效果好。但由于實際系統(tǒng)中的不確定的非線性因素和噪聲干擾等影響，建立模型需要大量的假設(shè)條件，當(dāng)眾多的假設(shè)不成立時，控制效果明顯變差。而基于規(guī)則法只需根據(jù)系統(tǒng)的輸入輸出信號來改變控制參數(shù)以獲得滿意的控制效果，不需要系統(tǒng)的模型，整定過程類似有經(jīng)驗的操作者手動整定。因此整定規(guī)則和控制參數(shù)預(yù)置范圍的確定顯得尤為重要，也十分的困難?；谝?guī)則法整定過程慢且 時間不確定，甚至引起系統(tǒng)振蕩或者整定過程無法結(jié)束。 [19] 針對電機(jī)驅(qū)動控制器實時性要求強(qiáng)、非線性度高等特點(diǎn)，眾多學(xué)者研究利用在線辨識、模糊邏輯控制和遞歸漸進(jìn)的方法進(jìn)行控制器的自整定過程。 數(shù)字 PID 控制器控制參數(shù)的選擇，可按連續(xù) 時間 PID 參數(shù)整定方法進(jìn)行。 在選擇數(shù)字 PID 參數(shù)之前，首先應(yīng)該確定控制器結(jié)構(gòu)。對允許有靜差（或穩(wěn)態(tài)誤差）的系統(tǒng)，可以適當(dāng)選擇 P 或 PD 控制器，使穩(wěn)態(tài)誤差在允許的范圍內(nèi)。對必須消除穩(wěn)態(tài)誤差的系統(tǒng)，應(yīng)選擇包含積分控制的 PI 或 PID 控制器。一般來說，PI、 PID 和 P 控制器應(yīng)用較多。對 于有滯后的對象 ,往往都加入微分控制 。 控制器結(jié)構(gòu)確定后，即可開始選擇參數(shù)。參數(shù)的選擇，要根據(jù)受控對象的具體特性和對控制系統(tǒng)的性能要求進(jìn)行。工程上，一般要求整個閉環(huán)系統(tǒng)是穩(wěn)定的，對給定量的變化能迅速響應(yīng)并平滑跟蹤，超調(diào)量??；在不同干擾作用下，能保證 被控量在給定值；當(dāng)環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時，整個系統(tǒng)能保持穩(wěn)定，等等。這些要求，對控制系統(tǒng)自身性能來說，有些是矛盾的。我們必須滿足主要的方面的要求，兼顧其他方面，適當(dāng)?shù)卣壑蕴幚怼? PID 控制器的參數(shù)整定，可以不依賴于受控對象的數(shù)學(xué)模型。工程上， PID控制器的參數(shù)常常是通過 實驗來確定，通過試湊，或者通過實驗經(jīng)驗公式來確定。 實驗湊試法的整定步驟為“ 先比例，再積分，最后微分 ” 。 [20] （ 1）整定比例控制 將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。 （ 2）整定積分環(huán)節(jié) 若在比例控制下穩(wěn)態(tài)誤差不能滿足要求，需加入積分控制。 先將步驟（ 1）中選擇的比例系數(shù)減小為原來的 50～ 80％，再將積分時間置一個較大值，觀測響應(yīng)曲線。然后減小積分時間，加大積分作用，并相應(yīng)調(diào)整比例系數(shù)，反復(fù)試湊至得到較滿意的響應(yīng)，確定比例和積分的參數(shù)。 （ 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(yīng)加入微分控制，構(gòu)成 PID 控制。 先置微分時間 TD=0，逐漸加大 TD，同時相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時間，反復(fù)試湊至獲得滿意的控制效果和 PID 控制參數(shù)。 在本系統(tǒng)中，由于規(guī)劃問題， PID 參數(shù)調(diào)整時間有限，調(diào)整精度不高。本系統(tǒng)中的主要參數(shù)： Kp=1， Ti=1， Td= 伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速特性 電機(jī)從空載時的轉(zhuǎn)速變化曲線 雖然接口顯示板上的數(shù)碼管可以實時地顯示出電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速，但系統(tǒng)出并沒有設(shè)置專門的 DA 模塊，所以這個速度變 化曲線無法通過示波器顯示出來，所以就必須采用一種離散的方法來近似得到這個速度變化曲線。 在程序中定義一個含包含 50 個整形數(shù)的一維數(shù)組 n[50]，由于系統(tǒng)是每 4ms進(jìn)行一次測速、 PID 輸出計算和 PWM 輸出調(diào)整，這樣就可以得到電機(jī)啟動后 700ms內(nèi)的電機(jī)速度變化的離散值。然后令程序停止，每隔 1 秒中輸出 n[50]中的一個數(shù)字， 50 秒輸出完畢，這樣就得到以下速度變化曲線： 圖 53 設(shè)定速度為 70rpm 時伺服電機(jī)速度變化曲線 根據(jù)這條曲線，我們可以計算出： 最大超調(diào)量： ξ=（ 8470） /70*100%=20% 調(diào)節(jié)時間 ： ts= 穩(wěn)態(tài)誤差 ： Vss=0 使用同樣的方法，設(shè)定速度為 140rpm時電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線： 圖 54 設(shè)定速度為 140rpm 時伺服電機(jī)速度變化曲線 從這條曲線，我們可以也計算出 最大超調(diào)量： ξ=（ 150140） /140*100%=% 調(diào)整時間 ： ts= 穩(wěn)態(tài)誤差 ： Vss=0 圖 54 中最大超調(diào)量比較小主要原因是：電機(jī)軸的最大轉(zhuǎn)速只有 150 左右，所以最大超調(diào)量比前一個曲線小很多。 伺服電機(jī)驅(qū)動器兩端的電壓變化曲線 根據(jù)伺服電機(jī)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。 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。當(dāng)加上電機(jī)負(fù)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。 圖 55 示波器觀測的驅(qū)動器空載時輸出電壓曲線 圖 56 示波器觀測的驅(qū)動器帶負(fù)載時輸出電壓曲線 位置閉環(huán)調(diào)試 所謂的位置閉環(huán)，就是讓電機(jī)以一個設(shè)定的轉(zhuǎn)速，精確地旋轉(zhuǎn)某一個角度，并使電機(jī)最終穩(wěn)定在所需要到達(dá)的位置。 通過對編碼器的脈沖進(jìn)行累加計數(shù)是目前實現(xiàn)位置閉環(huán)控制的一種方法。假設(shè)電機(jī)需要正向轉(zhuǎn)動一個特定的角度，只需要上位機(jī)發(fā)送一個角度指令和一位方向指令，負(fù)責(zé)電機(jī)控制的相應(yīng)下位機(jī)把這個角度指令轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的編碼器脈沖數(shù)，并根據(jù)方向指令確定電機(jī)的旋轉(zhuǎn)指令 。 圖 57 位置閉環(huán)結(jié)構(gòu)圖 本論文中，位置閉環(huán)的總體思路：電機(jī)開始轉(zhuǎn)動時，單片機(jī)的內(nèi)部計數(shù)器開設(shè)定旋轉(zhuǎn)的角度和速度 PID控制器 伺服電機(jī) 直流伺服電機(jī)驅(qū)動器 位置閉環(huán)控制器 編碼器速度反饋 編碼器總轉(zhuǎn)角反饋 始計數(shù)，并進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，當(dāng)計數(shù)器的累計計數(shù)值即將達(dá)到設(shè)定脈沖值，電機(jī)就可以減 速了，然后電機(jī)用低速旋轉(zhuǎn)，計數(shù)器值達(dá)到設(shè)定值立即剎車。這樣可以克服由電機(jī)慣性造成的實際旋轉(zhuǎn)角度總比設(shè)定值要大些的缺點(diǎn)，實現(xiàn)較好的位置閉環(huán)性能。 由于伺服電機(jī)自帶有 14： 1 的減速器，設(shè)定的速