【導讀】領域的重要發(fā)展方向。的運動控制器，提出了采用單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器和數(shù)據(jù)選擇器的四倍頻辨向電路。換、定時中斷、脈沖接收、倍頻辨向計數(shù)、零點檢測及使能報警等于一體。以滿足高精度的伺服電機位置控制的要求。指導下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標注。和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作。了明確的說明并表示了謝意。的規(guī)定，即：按照學校要求提交畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版本；閱覽服務；學校可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其它復制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。2．2永磁交流同步伺服電動機的工作原理.

　　

【正文】 終采用了外界硬件定時的方式。采用 VtoolsD 開發(fā)工具通過 編寫虛擬設備驅(qū)動程序 (VxD)對系統(tǒng)CMOS／實時時鐘 (RTC)進行硬件定時器編程，來接管 IRQ8，實現(xiàn)高精度定時。 4． 2 通過對系統(tǒng) CMOS／實時時鐘 (RTC)編程實現(xiàn)高精度定時 4． 2． 1 系統(tǒng) CMOS／實時時鐘簡介 長春工業(yè)大學人文信息學院 畢業(yè)論文設計 伺服運動控制器的研制 22 圖 41 實時鐘工作原理示意 從 AT 機開始， PC 機中配置了 RT／ CMOS RAM 芯片，該芯片裝有后備電池，在 PC機斷電后，該芯片仍能繼續(xù)工作。因此內(nèi)部的時鐘電路可永久地 (只需按時更換電池 )保持時鐘的蹤跡，即不僅支持每天時間的更新，而 且支持日期 (世紀、年、月、日 )的更新，故而稱其為實時鐘。實時鐘的部分電路如圖 41所示。 現(xiàn)代系統(tǒng)把 CMOS 組合成芯片組或超級 I／ 0芯片。其功能包括不揮發(fā)日歷時鐘、報警器、 100 年日歷、可編程中斷、方波發(fā)生器和 50 字節(jié)不揮發(fā)的 SRAM。它的特點是：可通過軟件編程方波輸出信號，并且能分別屏蔽和測試 3 個中斷。周期性中斷發(fā)生頻率的可編程范圍是 s～ 500ms。 RTC 的中斷類型是 IRQ8：基本 I/O 端口是 0x70～ 0x71， 0x70 是地址索引口， 0x7l 是寄存器操作口。系統(tǒng) CMOS 的內(nèi)部寄存器有四個： A主要控制計時的基頻和輸出頻率； B控制 RTC 的工作方式； C 是一系列的標志，它反映了芯片向 CPU 的申請中斷的情況，在讀出此寄存器的內(nèi)容之后，該寄存器將自動清零； D 是 RAM 有效位的標記寄存器；要控制和接管實時鐘，必須了解保存在 CMOS RAM 中的和實時鐘有關的狀態(tài)寄存器 A、狀態(tài)寄存器 B 中相關位的含義： (1)狀態(tài)寄存器 A 長春工業(yè)大學人文信息學院 畢業(yè)論文設計 伺服運動控制器的研制 23 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 UIP DV2 DV1 DV0 RS3 RS2 RS1 RS0 UIP：周期更新標志 DV2～ DV0：選擇 22 級分頻器的輸 入基準頻率，系統(tǒng)初始化為 010，即 32768Hz。 RS3～ RSO：選擇 22 級分頻器的輸出信號頻率，系統(tǒng)初始化為 0110，即 1024Hz。 (2)狀態(tài)寄存器 B D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 TE PIE AIE UIE SQWE DM M24 DSE 其中 PIE 為周期中斷允許位， P 工 E=1 允許周期中斷； PIE=O 禁止周期中斷。 Windows 98 環(huán)境下實時鐘的使用 從上述分析中可以看出，只要設置狀態(tài)寄存器 B 的 PIE=1，就可以讓實時鐘通過IRQ8 向系統(tǒng)申 請外部中斷，中斷的頻率由狀態(tài)寄存器 A的 RS3～ RS0 的值決定，周期中斷及輸出方波頻率 (基頻為 )的選擇見表 51。 表 51 周期中斷及輸出方波頻率選擇 RS3～ RS0值 1 2 6 7 8 9 中斷頻率/HZ 256 128 1024 512 256 128 RS3～ RS0值 10 11 12 13 14 15 中斷頻率/HZ 64 32 16 8 4 2 對 RTC 編程的實現(xiàn) 在 windows 系統(tǒng)中，是通過 VxD 來管理硬件設備或已安裝軟件等系統(tǒng)資源的。長春工業(yè)大學人文信息學院 畢業(yè)論文設計 伺服運動控制器的研制 24 VxD 和動態(tài)鏈接庫一 樣是 32 位可執(zhí)行程序，只是 VxD 工作在核心層 (Ring0)上。 VxD可以隨 VMM 一起靜態(tài)加載或卸載。正是由于 VxD 與 VMM 之間的緊密協(xié)作，才使得 VxD具有應用程序所不具備的能力，諸如可以不受限制的訪問硬件設備、任意查看操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)結構 (如描述符表、頁表等 )、訪問任何內(nèi)存區(qū)域、捕獲軟件中斷、捕獲 I／ O 端口操作和內(nèi)存訪問等，甚至還可以截取硬件中斷。 VxD 在與 windows 的鏈接工作中處理中斷，并在不影響其它應用程序執(zhí)行的情況下為特定的應用程序執(zhí)行 I／ O操作。大多數(shù) VxD 管理硬件設備，也有一些 VxD 管理或代替與之 有關的軟件，如 ROM BIOS 例程。 VxD 可以包含必須在相應設備上執(zhí)行的設備相關代碼，也可以依靠其它軟件去執(zhí)行這些對設備的操作。由于使用 DDK開發(fā) VxD十分繁瑣和復雜，需對 Windows系統(tǒng)的硬件和結構有詳細的了解，因而在實際的應用中易采用 VtoolsD 開發(fā)工具來編寫 VxD 文件。下面是對 RTC 的編程和對 IRQ8 的截獲，其部分代碼如下： define MY_IRQ 8 class MyHwInt ： public VHardwareInt { public： MyHwInt ()： VHardwareInt(MY_IRQ,0,0,0){} virtual VOID OnHardwareInt(VMHANDLE)。 }。 class ClockDevice ： public VDevice { public： virtual BOOL OnSysDynamicDeviceInit ()。 virtual BOOL OnSysDynamicDeviceExit()。 VirtualDWORDOnW32DeViceIoControl(PIOCTLPARAMSpDIoCParams)。 }。 VOID MyHwInt：： OnHardwareInt(VMHANDLE hVM) { _outp(0x70， 0xc)。 _inp(0x71)。 ／／中斷處理 VWIN32_QueueUserApc(CallBackApc， (DWORD)＆ e， TheThread)。 長春工業(yè)大學人文信息學院 畢業(yè)論文設計 伺服運動控制器的研制 25 SendPhysicalEO1()。 ／／通知 VPICD 中斷結束 ) BOOL ClockDevice：： OnSysDynamicDeviceInit() { pMyIRQ=new MyHwInt ()。 if(!pMyIRQ I I!pMyIRQhook ()) return FALSE。 _outp(0x70， 0x0a)。 a=_inp(0x71)。 _outp(0x70， 0x0a)。 _outp(0x71， a＆ 0x80 I 0x22)。 ／／中斷頻率為 128Hz _outp(0x70， 0xb)。 b=_inp(0x71)。 _outp(0x70， 0xb)。 _outp(0x71， 0x40 I b)。 PMylRQphysicalUnmask()。 return TRUE： } BOOL ClockDevice：： OnSysDynamicDeviceExit() { _outp(0x70， 0xb)。 _outp(0x71， b)。 if(pMylRQ) delete pMylRQ。 return TRUE： ) 4． 3 中斷時間的測試 為了確定 vxD 的運行性能，在程序中獲取時間值是必要的。如果中 斷時間誤差較大，在中斷中實施位置控制，就不能更好的控制伺服電機的運動。因此測試中斷時間就顯得尤為重要。在實例中通過使 用 Debug Monitor 工具來測試中斷。 Debug Monitor 是 NuMega VtoolsD 提供的開發(fā)工具之一，它可用來觀察長春工業(yè)大學人文信息學院 畢業(yè)論文設計 伺服運動控制器的研制 26 VxD 和 WDM 在 debug 狀態(tài)下的輸出流， Debug Monitor 有兩個輸出通道 Monitor 和Default。 Monitor 輸出的是和命令相關的事件。 Default 輸出的是 VxD 在 debug 狀態(tài)下的輸出流。測試部分程序相當簡單，只要在進入中斷時加入一條輸出流，將Default Monitor 所顯示的相鄰時間相減就是中斷時間。如圖 42 Debug Monitor 所顯示的內(nèi)容。 圖 42 Debug Monitor 在對 RTC 定時精度的檢測中，設定的定時間隔為 7． 8125ms。除了中斷服務響應時間，應用程序與 VxD 通信耗費時間，以及應用程序讀寫操作耗費時間，通過 debt． 1g Monitor 測得定時精度平均為 6 μ s，可以滿足高精度的電機控制，證明借助于 VxD在 windows 環(huán)境下實現(xiàn)實時控制是可行的。 長春工業(yè)大學人文信息學院 畢業(yè)論文設計 伺服運動控制器的研制 27 第 五 章 P ID 控制 5． 1 P I D 控制簡介 PID 控制是比例積分微分的簡稱。 PID 控制器早在 30 年代末期就已出現(xiàn)。除了在最簡單情況下應用的開關控制外，它是當時唯一的控制方式。經(jīng)過 50 多年來的不斷更新?lián)Q代， PID 控制得到了長足的發(fā)展。特別是近年來，隨著計算機技術的飛速發(fā)展，發(fā)生了由模擬 PID 控制到數(shù)字 PID 控制的重大轉(zhuǎn)變。與此同時還涌現(xiàn)出了許多新型 P 工 D 控制算法和控制方式。例如，非線性 PID 控制、自適應 PID 控制、智能 P工 D 控制等等“’。 常規(guī) PID 控制系統(tǒng)原理框圖如圖 5l 所示。系統(tǒng)是由模擬 PID 控制器和被控對象組成。 圖 51 常規(guī) PID 控制系統(tǒng)原理框圖 PID 控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值 r(t)與實際輸出值 c(t)構成控制偏差 e(t)=r(t)c(t) (61) 長春工業(yè)大學人文信息學院 畢業(yè)論文設計 伺服運動控制器的研制 28 將偏差的比例 (P)、積分 (I)和微分 (D)通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制，故稱 PID 控制器。 簡單說來， PID 控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下： 即時成比例的反映控制系統(tǒng)的偏差信號 e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。 2．積分環(huán)節(jié) 主要用于消除靜差，提高 系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù) Ti， Ti越大，積分作用越弱，反之越強。 3． 微分環(huán)節(jié) 能反映偏差信號的變化趨勢 (變化速率 )，并能在偏差信號值變得 太大之前，在系統(tǒng)中引入一個早期的修正信號，從而加快 系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。 到目前為止， PID 控制仍然是歷史最久、生命力最強的基本控制方式。這是因為PID 控制具有如下優(yōu)點： (1)PID 控制原理簡單，使用方便，并且已經(jīng)形成了一套完整的參數(shù)設計和參數(shù)整定方法，很容易為工程技術人員所掌握。 (2)PID 控制算法蘊含了動 態(tài)控制過程中過去、現(xiàn)在、和將來的主要信息。通過對比例系數(shù)、積分時間常數(shù)和微分時間常數(shù)的適當調(diào)整，可以達到良好的控制效果。 (3)PID 控制適應性強，可以廣泛用于電氣傳動、伺服控制、化工、熱工、冶金、煉油、造紙、建材以及加工制造等各個生產(chǎn)部門。 (4)PID 控制魯棒性較強，即其控制品質(zhì)對控制對象特性的變化不十分敏感。 (5)PID 控制可以根據(jù)不同的需要，針對自身的缺陷進行改進，并形成了一系列改進的算法。 正是由于 PID 控制具有上述許多優(yōu)點，使得它仍然是在電氣傳動和過程控制中應最廣 泛的基本控制方式，尤其適用于可建立精確數(shù)學模型的確定性控制系統(tǒng)。 5． 2 P l D 控制器設計 本系統(tǒng)中采用的電機為三相永磁交流同步伺服電機，所選電機為 Panasonic MDMA082AIC。其主要性能指標為： 1．額定轉(zhuǎn)矩 Mn=3． 57Nm 2．最大轉(zhuǎn)速 nN3000r/min 3．額定功率 P=0． 75KW 長春工業(yè)大學人文信息學院 畢業(yè)論文設計 伺服運動控制器的研制 29 4．光電編碼器分辨率為 pf=2500 脈沖 /rad，四倍頻。 (即每轉(zhuǎn)可以檢測到 1 000個脈沖 )。 這種位置控制器工作流程是這樣的：計數(shù)器 8254 由兩個計數(shù)通道接收光電編碼器反饋回來的脈沖信號， 將兩個計數(shù)通道的計數(shù)值相減作為反饋值，給定值減去反饋值，其差值通