【正文】 由于掌握知識(shí)有限，設(shè)計(jì)中還存在不足的地方，還請(qǐng)各位老師加以批評(píng)指教。從中我提高了自身獨(dú)立設(shè)計(jì)的能力，建立了信心。為我以后的專業(yè)課的鞏固學(xué)習(xí)和以后工作上的學(xué)習(xí)研究打下了良好的基礎(chǔ) ,對(duì)自身素質(zhì)的提高也有很大好處。整個(gè)系 統(tǒng)能基本完成設(shè)計(jì)的要求，能應(yīng)用于實(shí)際學(xué)習(xí)中，且能到達(dá)實(shí)驗(yàn)的目的。 我結(jié)合所學(xué)的知識(shí)對(duì)隨動(dòng)系統(tǒng)、檢測(cè)方面及自動(dòng)控制等各方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。 總結(jié) 設(shè)計(jì)提出了數(shù)字隨動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)。第三類是噪聲干擾，通常各種噪聲干擾大都是從檢測(cè)裝置經(jīng)反饋通常混入系統(tǒng)中的，可看作是與給定輸入一起加入系統(tǒng)?？梢詫⑦@些擾動(dòng)歸為三類：第一類時(shí)負(fù)載擾動(dòng)，例如扎輥壓下時(shí)的阻力是對(duì)壓下裝置隨動(dòng)系統(tǒng)的恒值負(fù)載擾動(dòng)；陣風(fēng)對(duì)雷達(dá)天線則是一種隨機(jī)性的負(fù)載擾動(dòng)。若要保證隨動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)跟蹤的精度，顯然 II 型系統(tǒng)是比較理想的結(jié)構(gòu)。 II 型系統(tǒng)對(duì)于位置輸 入和速度輸入都是無差隨動(dòng)系統(tǒng)，有時(shí)稱它為二階無差系統(tǒng)。對(duì)速度輸入是有靜差的，靜差的大小與開環(huán)增益成反比。 在位置輸入下， I 型系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)原理誤差為零。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已定的情況下，輸入信號(hào)將是影響原理的主)()(1 )()()( ** ssW sWss mmm ??? ????)()(1 )()()( ** ssW sWssE mms ?? ????)()()( * sssE mms ?? ?? 29 要方面。 這是位置隨動(dòng)系統(tǒng)中開環(huán)傳遞函數(shù)的兩種結(jié)構(gòu)形式，統(tǒng)一用圖 61 成閉環(huán)系統(tǒng)的情況。顯然， )(sW 是 I 型系統(tǒng)。隨動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)屬于那種類型，與位置調(diào)節(jié)器的選取有關(guān)。檢測(cè)誤差是穩(wěn)態(tài)誤差的主要部分，這是系統(tǒng)無法克服的。影響隨動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度，導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差的因素主要有以下幾點(diǎn)：由檢測(cè)元件引起的檢測(cè)誤差；由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和輸入信號(hào)引起的原理誤差；負(fù)載擾動(dòng)引起的擾動(dòng)誤差。此時(shí)偏差可能消除，也可能繼續(xù)存在，造成所謂穩(wěn)態(tài)誤差。顯然，系統(tǒng)的精度是至關(guān)重要的。對(duì)于隨動(dòng)系統(tǒng)，給定量是任意變化的，要求輸出以一定的精度跟隨給定量的變化，所以我們關(guān)注的是被控量與給定量之間的誤差。 U(K) 為負(fù)值時(shí)整流電 壓波形 [14]。（產(chǎn)生 B 相同步信號(hào)）。（產(chǎn)生 C 相同信號(hào)）、 120176。處，此點(diǎn)距 A 相外同步脈沖恰好 60176。由于共陽極組 C 相自然換相點(diǎn)在橫軸下方距 A 相外同步脈沖信號(hào) 30176。當(dāng) U(K)為正時(shí)，正組開放，反組封鎖，晶閘管的觸發(fā)順序?yàn)?K1（ A 相）、 K3（ B 相）和 K5（ C 相），以后周而復(fù)始。周波對(duì)應(yīng) 20ms，所以 ? 對(duì)應(yīng)的時(shí)間 (式 5— 1) ??k? ?sKUt ?? )( 1020 3 ?????? 27 如果用 8031 定時(shí)器 T0完成該定時(shí)，則當(dāng)時(shí)鐘頻率取 6MHz 時(shí)，時(shí)間常數(shù) X 可由下式計(jì)算 (式 5— 2) 即 ? ?)( 16 KUX ??? 。當(dāng) U（ K） =127 最大值時(shí)， ? = 0，代入上 即 )(9 4 2 0 KU??? 。處，則 ? 的移相范圍 120176。主程序框圖如圖 53所示 26 圖 53 主程序框圖 The main program block diagram 數(shù)字觸發(fā)器的軟件設(shè)計(jì) 由于直流伺服電機(jī)的內(nèi)阻較大，可將該系統(tǒng)近似看成是純電阻負(fù)載 [13]。 1INT 中斷服務(wù)程序框圖如圖 52 所示： 圖 52 1INT 中斷服務(wù)程序框圖 1INT diagram of the interrupt service routine 系統(tǒng)的主程序框圖及程序清單 系統(tǒng)投入運(yùn)行時(shí)，首先運(yùn)行的是主程序。 8155 定時(shí)器輸出接入 89C51 的外部中斷（ 1INT ）引腳。 圖 51 位置隨動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 Fig51 Position servo system dynamic structure diagram PDPID 調(diào)節(jié)算法可由 89C51 單片微機(jī)實(shí)現(xiàn)，控制器差分方程為 25 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，位置對(duì)象采樣周期可取 20ms，在每個(gè)采樣周期內(nèi)完成一次 PID 控制器計(jì)算。此時(shí)積分作用起主導(dǎo)地位，消除了靜差 [8] 。即當(dāng)系統(tǒng)偏差較大時(shí) ( ae? ），為防止控制器積分飽和，提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)的快速性，可取消積分作用，采用 PD 校正。 由以上的分析和目前的驅(qū)動(dòng)控制器選用芯片市場(chǎng)的芯片種類，我們選用驅(qū)動(dòng)控制器芯片 LMD18200。如果使用單片機(jī)控制，必須先通過 D/A 轉(zhuǎn)換。 圖 42 H型雙極可逆 PWM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) Fig42 H bipolar reversible PWM drive system 24 單片機(jī)的專用 PWM 口發(fā)出的 PWM 信號(hào)波沒有死區(qū)設(shè)置功能，因此必須外接能產(chǎn)生死區(qū)功能的芯片。在每個(gè) PWM周期里，當(dāng)控制信號(hào) UI1 為高電平時(shí)，開關(guān)管 V V4 導(dǎo)通，此時(shí) UI2 為低電平。 4 個(gè)開關(guān)分成兩組， V V4 為一組， V V3 為另一組。 圖 42 所示是 H 型雙極可逆 PWM 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。另一種稱為 H型，其形狀像 “H”字。雙極性驅(qū)動(dòng)電路有兩種，一種是稱為 T 型，它有 2 個(gè)開關(guān)組成，采用正負(fù)電源，相當(dāng)于 2 個(gè)不可逆系統(tǒng)的組合，由于形狀像倒放的 “ T” 字，所以稱為 T 型。在這里我們用雙極性驅(qū)動(dòng)可逆 PWM 系統(tǒng)。 23 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片選擇 直流電動(dòng)機(jī)常要求工作在正反轉(zhuǎn)的場(chǎng)合，這時(shí)需要使用可逆 PWM 系統(tǒng)。具體原理是，按下 S1按鍵，因此 5V 電壓經(jīng)過一個(gè) 200歐姆的電阻分壓后加到系統(tǒng)的 RST 上，手動(dòng)按鍵按下到抬起的過程足以使系統(tǒng)復(fù)位。在系統(tǒng)上電的一瞬間單片機(jī)上電復(fù)位，原理是利用電容兩端的電壓不能突變，在一上電的瞬間電容好比短路，所以加在第九腳 RST 的電平是高電平，雖然時(shí)間很短，但是足以讓單片機(jī)系統(tǒng)復(fù)位。 【 7】 單片機(jī)工 作的最小系統(tǒng)如圖 41 22 圖 41 最小系統(tǒng)原理圖 The principleof minimum system diagram 在這個(gè)電路中又可以分為復(fù)位電路和晶振電 路。并且管腳完全兼容，性能更好，驅(qū)動(dòng)力更強(qiáng)，功耗更低，價(jià)格也比傳統(tǒng)的 89 系列低。 STC89C52 是一款完全兼容 8051 內(nèi)核指令的芯片，是宏晶科技公司的新一代增強(qiáng)性的 8051 單片機(jī)。因?yàn)?Atmel 公司的 51 單片機(jī)需要專門的編程器，這樣無形中加重了系統(tǒng)的成本，而 STC 公司單片機(jī)不僅支持 ISP,還支持 IAP 等多種下載程序的方式，并且 STC 公司單片機(jī)工作在寬電壓范圍內(nèi)，電壓的波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響不大，這樣提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，另外 STC 單片機(jī)的加密性能也優(yōu)于其他單片機(jī)，并且 STC 的單片機(jī)是增強(qiáng)型的 51 單片機(jī)。 21 LM 18200 被控電機(jī)光電編碼盤LM 629單片機(jī) 8051光電編碼盤給定電機(jī)L 290辨向 /轉(zhuǎn)速 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總框架圖 圖 34 數(shù)字隨動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)的方框圖 Fig34 block of the digital servo system experimental device 4 硬件電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)主控電路 目前市場(chǎng)上的單片機(jī)的種類有很多種，最多的 51 單片機(jī)、 avr 單片機(jī)，和 Msp430，以及 PIC 單片機(jī)，但是由于單片機(jī)的種類很多，功能各不一樣，我們不需要多先進(jìn)，功能多強(qiáng)大的單片機(jī)，我們?cè)O(shè)計(jì)的要求就是夠用即可，因?yàn)樾阅艿土恿?，系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)不了，并且系統(tǒng)的穩(wěn)定性很差，用的單片機(jī)性能太好了，由于高性能的單片機(jī)不只是價(jià)錢昂貴，且有很多資源都不會(huì)用到，這樣造成了很大的浪費(fèi)。 因?yàn)楸鞠到y(tǒng)顯示的位數(shù)不是很多，就顯示轉(zhuǎn)速即可。鍵的閉合與否，反映在行線輸出電壓上就是呈現(xiàn)高電平 或低電平，如果高電平表示鍵斷開，低電平則表示閉合，通過對(duì)行線電平高低狀態(tài)的檢測(cè)，便可確認(rèn)按鍵按下與否。 鍵盤 /顯示電路是單片機(jī)控制系統(tǒng)中作為人機(jī)交換系統(tǒng)的一個(gè)不可缺少的部分，其主要由顯示器鍵盤電路接口器件組成。 外圍電路設(shè)計(jì) 選擇一個(gè)好的控制器可以使系統(tǒng)有好的性能；選擇適當(dāng)?shù)臋z測(cè)元件可以提高測(cè)量精度。 在本設(shè)計(jì)中需要將對(duì)被控電機(jī)的檢測(cè)信號(hào)送入單片機(jī)，單片機(jī)需要的是二進(jìn)制碼，而光電 編碼器的輸出恰好是二進(jìn)制碼。 A 線用來測(cè)量脈沖個(gè)數(shù) ,B 線與 A 線配合可測(cè)量出轉(zhuǎn)動(dòng)方向。 20 圖 33 光電編碼器原理示意圖 Fig33 Optical encoder schematic diagram 工作原理 :當(dāng)光電編碼器的軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) A、 B 兩根線都產(chǎn)生脈沖輸出 ,A、 B 兩相脈沖相差 90 度相位角，由此可測(cè)出光電編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)方向與電機(jī)轉(zhuǎn)速。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可提供相位相差 90186。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個(gè)長(zhǎng)方形孔。電源的工作電壓為 （ +5～ +24V）直流電源。光電編碼器每轉(zhuǎn)輸出 600 個(gè)脈沖，五線制。 當(dāng)分別向滑尺上的兩繞組施加不同的激磁電壓時(shí)，如式 3式 34 所示的 SV 和KV ，根據(jù)施加的激磁交變電壓信號(hào)的不同，感應(yīng)同步器也分為鑒相式和鑒幅式兩種工作方式，其原理與四極式旋轉(zhuǎn)變壓器完全相同。這樣，滑尺在移動(dòng)一個(gè)節(jié)距的過程中，感應(yīng)同步器定尺繞組的感應(yīng)電勢(shì)近似于余弦函數(shù)變化了一個(gè)周期。圖 32 給出了滑尺繞組 (滑尺 )相對(duì)于定尺繞組 (定尺 )處于不同的位置時(shí)，定尺繞組中感應(yīng)電勢(shì)的變化情況。 從感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)可看出，滑尺的兩個(gè)繞組中的任一繞組通以交變激磁電壓時(shí)，由于電磁效應(yīng)，定尺繞組上必然產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電勢(shì)。 感應(yīng)同步器具有兩種結(jié)構(gòu)形式，一種用來測(cè)角位移，叫圓形感應(yīng)同步器，另一種用來測(cè)直線位移，稱為直線式感應(yīng)同步器。因此，只要測(cè)量出轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電勢(shì)的幅值，便可間接地得到轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的位置，即θ 角的大小。 由式 3－ 2 可知，轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電 勢(shì) BV 為以角速度 ω 隨時(shí)間 t 變化的交變電壓信號(hào)。設(shè)加在定子繞組 1S 2S 的激磁電壓為 tSinVV ms ??? (式 3— 1) 18 圖 32 兩極旋轉(zhuǎn)變壓器 Fig32 Poles resolver 根據(jù)電磁學(xué)原理，轉(zhuǎn)子繞組 1B 、 2B 中的感應(yīng)電勢(shì)則為 tS i nS i nKVS inKVV MSB ??? ????? （式 3— 2） 式中 K—— 旋轉(zhuǎn)變壓器的變化； θ —— 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角，當(dāng)轉(zhuǎn)子和定子的磁軸垂直時(shí)，θ = 0 時(shí)。圖 32 為兩極旋轉(zhuǎn)變壓器電氣工作原理圖。其精度主要又函數(shù)誤差和零位誤差來衡量。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，定、轉(zhuǎn)子繞組間的相對(duì)位置隨之變化，使輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角呈一定的函數(shù)關(guān)系。兩臺(tái)自整角機(jī)轉(zhuǎn)子中的勵(lì)磁繞組接在同一個(gè)單相交流電源上 [12]。圖中，由結(jié)構(gòu)、參數(shù)均相同的兩臺(tái)自整角機(jī)構(gòu)成自整角機(jī)組，一臺(tái)用來發(fā)送轉(zhuǎn)角信號(hào)，稱自整角發(fā)送機(jī)，用 ZLF 表示；另一臺(tái)用來接收轉(zhuǎn)角信號(hào)，稱為自整角接收機(jī)，用 ZLJ 表示。 按用途可分為力矩式和控制式兩類。 自整角機(jī)是位移傳感器，在隨動(dòng)系統(tǒng)中總是成對(duì)應(yīng)用的。為了適應(yīng)高精度的及大中型數(shù)控系統(tǒng)必須有性能優(yōu)良的測(cè)量元件 于 PWM 系統(tǒng) 配套。 檢 測(cè)環(huán)節(jié)的方案論證 位置測(cè)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(cè)位移（角位移或線位移）并發(fā)出反饋信號(hào)，起著相當(dāng)于人眼睛的作用。 5．性能價(jià)格比高 由于單片機(jī)功能強(qiáng)，價(jià)格便宜，其應(yīng)用系統(tǒng)的印板小，接、插件少，安裝調(diào)試簡(jiǎn)單等一系列原因，使單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的性能價(jià)格比高于一般的微機(jī)系統(tǒng)。 4．使用方便 由于單片機(jī)內(nèi)部功能強(qiáng)，系統(tǒng)擴(kuò)展方便，因而應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，再加上國(guó)內(nèi)外提供了多種多樣的單片機(jī)開發(fā)工具，它們具有很強(qiáng)的軟件調(diào)試的功能和輔助設(shè)計(jì)的手段。在各種惡劣的環(huán)境下，都能可靠地工作。 3．抗干擾能力強(qiáng)， 16 單片機(jī)內(nèi) CPU訪問存儲(chǔ)器、 I/O 接口的信息傳輸線（即總線）大多數(shù)在芯片內(nèi)，因而，不易受到外界的干擾。因而，單片 機(jī)組成的應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小。通常在智能儀器、儀表及小型控制系統(tǒng)中采用這種方案。 綜上所述，選用一種單片機(jī)芯片，針對(duì)具體控制任務(wù)，自行設(shè)計(jì)一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)，起優(yōu)點(diǎn)是針對(duì)性強(qiáng)，靈活方便，所以元器件最少，投資少等。 PLC 的 CPU 模塊在工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中應(yīng)用的范圍比較廣泛，但是其只適合與應(yīng)用在大型的工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，因?yàn)椋?PLC 系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)較 DSP 系統(tǒng)簡(jiǎn)單，但是其整體的體積較大，在某些特定環(huán)境中不適合與應(yīng)用。單片機(jī)的編程語言是比較低級(jí)的匯編語言，該語言比 C 語 言好掌握，且在掌握得情況下易于編程，同時(shí)在程序出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，易于修改。 5．線對(duì)于繼電器邏輯控制而言， PLC 可節(jié)省大量繼電器，故降低成本且提高了可靠性。 3．系統(tǒng)采用了分散的模塊化結(jié)構(gòu)。 PLC 和計(jì)算機(jī)有基本類似的結(jié)構(gòu)，但按其作用，它有自己