【正文】 這種位置控制器工作流程是這樣的：計(jì)數(shù)器 8254 由兩個(gè)計(jì)數(shù)通道接收光電編碼器反饋回來(lái)的脈沖信號(hào)， 將兩個(gè)計(jì)數(shù)通道的計(jì)數(shù)值相減作為反饋值，給定值減去反饋值，其差值通過(guò)數(shù)字。其主要性能指標(biāo)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(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院 畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 伺服運(yùn)動(dòng)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。 正是由于 PID 控制具有上述許多優(yōu)點(diǎn)，使得它仍然是在電氣傳動(dòng)和過(guò)程控制中應(yīng)最廣 泛的基本控制方式，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。 (4)PID 控制魯棒性較強(qiáng)，即其控制品質(zhì)對(duì)控制對(duì)象特性的變化不十分敏感。通過(guò)對(duì)比例系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)的適當(dāng)調(diào)整，可以達(dá)到良好的控制效果。這是因?yàn)镻ID 控制具有如下優(yōu)點(diǎn)： (1)PID 控制原理簡(jiǎn)單，使用方便，并且已經(jīng)形成了一套完整的參數(shù)設(shè)計(jì)和參數(shù)整定方法，很容易為工程技術(shù)人員所掌握。 3． 微分環(huán)節(jié) 能反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì) (變化速率 )，并能在偏差信號(hào)值變得 太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)早期的修正信號(hào)，從而加快 系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。 2．積分環(huán)節(jié) 主要用于消除靜差，提高 系統(tǒng)的無(wú)差度。 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(shí)際輸出值 c(t)構(gòu)成控制偏差 e(t)=r(t)c(t) (61) 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院 畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 伺服運(yùn)動(dòng)控制器的研制 28 將偏差的比例 (P)、積分 (I)和微分 (D)通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱 PID 控制器。 常規(guī) PID 控制系統(tǒng)原理框圖如圖 5l 所示。與此同時(shí)還涌現(xiàn)出了許多新型 P 工 D 控制算法和控制方式。經(jīng)過(guò) 50 多年來(lái)的不斷更新?lián)Q代， PID 控制得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。 PID 控制器早在 30 年代末期就已出現(xiàn)。除了中斷服務(wù)響應(yīng)時(shí)間，應(yīng)用程序與 VxD 通信耗費(fèi)時(shí)間，以及應(yīng)用程序讀寫操作耗費(fèi)時(shí)間，通過(guò) debt． 1g Monitor 測(cè)得定時(shí)精度平均為 6 μ s，可以滿足高精度的電機(jī)控制，證明借助于 VxD在 windows 環(huán)境下實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制是可行的。如圖 42 Debug Monitor 所顯示的內(nèi)容。 Default 輸出的是 VxD 在 debug 狀態(tài)下的輸出流。 Debug Monitor 是 NuMega VtoolsD 提供的開發(fā)工具之一，它可用來(lái)觀察長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院 畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 伺服運(yùn)動(dòng)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(gè)輸出通道 Monitor 和Default。因此測(cè)試中斷時(shí)間就顯得尤為重要。 return TRUE： ) 4． 3 中斷時(shí)間的測(cè)試 為了確定 vxD 的運(yùn)行性能，在程序中獲取時(shí)間值是必要的。 _outp(0x71， b)。 PMylRQphysicalUnmask()。 _outp(0x70， 0xb)。 ／／中斷頻率為 128Hz _outp(0x70， 0xb)。 _outp(0x70， 0x0a)。 _outp(0x70， 0x0a)。 ／／通知 VPICD 中斷結(jié)束 ) BOOL ClockDevice：： OnSysDynamicDeviceInit() { pMyIRQ=new MyHwInt ()。 ／／中斷處理 VWIN32_QueueUserApc(CallBackApc， (DWORD)＆ e， TheThread)。 VOID MyHwInt：： OnHardwareInt(VMHANDLE hVM) { _outp(0x70， 0xc)。 VirtualDWORDOnW32DeViceIoControl(PIOCTLPARAMSpDIoCParams)。 class ClockDevice ： public VDevice { public： virtual BOOL OnSysDynamicDeviceInit ()。下面是對(duì) RTC 的編程和對(duì) 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)。 VxD 可以包含必須在相應(yīng)設(shè)備上執(zhí)行的設(shè)備相關(guān)代碼，也可以依靠其它軟件去執(zhí)行這些對(duì)設(shè)備的操作。 VxD 在與 windows 的鏈接工作中處理中斷，并在不影響其它應(yīng)用程序執(zhí)行的情況下為特定的應(yīng)用程序執(zhí)行 I／ O操作。 VxD可以隨 VMM 一起靜態(tài)加載或卸載。 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(duì) RTC 編程的實(shí)現(xiàn) 在 windows 系統(tǒng)中，是通過(guò) VxD 來(lái)管理硬件設(shè)備或已安裝軟件等系統(tǒng)資源的。 (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。系統(tǒng) CMOS 的內(nèi)部寄存器有四個(gè)： A主要控制計(jì)時(shí)的基頻和輸出頻率； B控制 RTC 的工作方式； C 是一系列的標(biāo)志，它反映了芯片向 CPU 的申請(qǐng)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(dòng)清零； D 是 RAM 有效位的標(biāo)記寄存器；要控制和接管實(shí)時(shí)鐘，必須了解保存在 CMOS RAM 中的和實(shí)時(shí)鐘有關(guān)的狀態(tài)寄存器 A、狀態(tài)寄存器 B 中相關(guān)位的含義： (1)狀態(tài)寄存器 A 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院 畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 伺服運(yùn)動(dòng)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(biāo)志 DV2～ DV0：選擇 22 級(jí)分頻器的輸 入基準(zhǔn)頻率，系統(tǒng)初始化為 010，即 32768Hz。周期性中斷發(fā)生頻率的可編程范圍是 s～ 500ms。其功能包括不揮發(fā)日歷時(shí)鐘、報(bào)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。實(shí)時(shí)鐘的部分電路如圖 41所示。 4． 2 通過(guò)對(duì)系統(tǒng) CMOS／實(shí)時(shí)時(shí)鐘 (RTC)編程實(shí)現(xiàn)高精度定時(shí) 4． 2． 1 系統(tǒng) CMOS／實(shí)時(shí)時(shí)鐘簡(jiǎn)介 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院 畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 伺服運(yùn)動(dòng)控制器的研制 22 圖 41 實(shí)時(shí)鐘工作原理示意 從 AT 機(jī)開始， PC 機(jī)中配置了 RT／ CMOS RAM 芯片，該芯片裝有后備電池，在 PC機(jī)斷電后，該芯片仍能繼續(xù)工作。本課題在方案設(shè)計(jì)期間，綜合考慮了以上的 3 種定式方法，利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)鐘 CMOS，最終采用了外界硬件定時(shí)的方式。所以在實(shí)際應(yīng)用中，也可采用外界專門的硬件時(shí)鐘電路來(lái)獲取可靠的時(shí)間觸發(fā)信號(hào)，將外界的定時(shí)觸發(fā)作為一個(gè)硬件中斷，采用中斷的方式來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)系統(tǒng)中各種任務(wù)的處理。在實(shí)際應(yīng)用中，誤差較大，所以采用多媒體定時(shí)器提供的時(shí)間不能滿足實(shí)際加工過(guò)程的需要。由于 Windows 是一多任務(wù)的系統(tǒng)，它的 CPU 時(shí)間是根據(jù) 20ms的時(shí)間片在各個(gè)線程間分配的。因而在用完定時(shí)器后要及時(shí)的 終結(jié)這個(gè)定時(shí)器，可以采用系統(tǒng)提供的函數(shù)： MMRESULT timeKillEvent(UNIT uTimerID)：式中的 uTimerID 為由 timeSetEvent返回的定時(shí)器編號(hào)。其中TIME— PERIOD 表示事件每 uDelay 毫秒發(fā)生一次。同時(shí)， Window 98 系統(tǒng)是搶先式的操作系統(tǒng)，在多媒體定時(shí)到來(lái)時(shí)能打斷當(dāng)前的運(yùn)行程序去執(zhí)行 Windows 提供的多媒體定時(shí)函數(shù)如下： MMRESULT 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院 畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 伺服運(yùn)動(dòng)控制器的研制 21 timeSetEvent(UNITuDelay,UNIT uResolution ， LPTIMECALLBACK IpTimeProc ，DWORDdwUser， UNIT fuEvent)。 Windows 多媒體定時(shí)器是 Window 系統(tǒng)的 32 位應(yīng)用接口 (API)程序提供的多媒體定時(shí)服務(wù)。所有這些對(duì)于欲記錄時(shí)間的實(shí)時(shí)系統(tǒng)是很不利的。計(jì)算公式為： 分頻數(shù) = 1000000 (51) 如果修改了 T／ C0 的預(yù)置計(jì)數(shù)器值，即改變了時(shí)鐘中斷的中斷頻率，這樣勢(shì)必影響到 Windows 本身的時(shí)鐘及其部分功能 (如鼠標(biāo)的雙擊功能等 )。修改系統(tǒng)的 T／ C0 的方法如下： T／ C0 的輸入頻率為 1． 193180MHz，來(lái)自于系統(tǒng)晶體振蕩器。其中， T／ C0 是系統(tǒng)時(shí)鐘定時(shí)器， INT 1CH 中斷每秒發(fā)生 次，中斷周期約 55ms。 windows 98 環(huán)境下獲得定時(shí)時(shí)鐘的方法有如下幾種： Windows 系統(tǒng)時(shí)鐘 Windows 提供的定時(shí)器是建立在 DOS 的 INT 1CH 中斷基礎(chǔ)之上的。另外，由于存在零點(diǎn)偏移、非線性誤差及溫度漂移等原因，為了得到一定精度的 D／ A轉(zhuǎn)換結(jié)果，外接了調(diào)零 和調(diào)滿刻度電位器。 為了增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力，需運(yùn)算放大器來(lái)進(jìn)行電壓放大，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)。 Y3 與 IOW 經(jīng)過(guò)或運(yùn)算接到鎖存器 74L8273 的時(shí)鐘端。 MX7545A 輸入數(shù)據(jù)線的低 8 位 DB7DB0，連到數(shù)據(jù)總線的 D7D0，高 4 位 DB11DB8，接到鎖存器 74LS273 的 4Q1Q。因此，在電路中加了鎖存器74LS273。 MX7545A 是分辨率為 12 的乘法型 DAC轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部帶有兩級(jí)緩沖器。計(jì)算機(jī)將實(shí)際位置與反饋位置做減法運(yùn)算，此位置誤差經(jīng)數(shù)字 PID 調(diào)節(jié)后送到數(shù)模轉(zhuǎn)換器， 經(jīng) D／ A轉(zhuǎn)換為直流電壓送到伺服電動(dòng)機(jī)的控制輸入端，驅(qū)動(dòng)電A1B2C L R3Q4Q13C e x t14R C e x t15U 2 4A7 4L S 2 21A1B2C L R3Q4Q13C e x t14R C e x t15U 2 4A7 4L S 2 21A1B2C L R3Q4Q13C e x t14R C e x t15U 2 5A7 4L S 2 21A1B2C L R3Q4Q13C e x t14R C e x t15U 2 5A7 4L S 2 21I0 A6I1 A51 2A41 3A3EA1ZA7I0 B10I1 B11I2 B12I2 C13EB15ZB9S014S12U 2 67 4L S 1 531 ,2 E N41AA21BA12AB62BB71Y32Y5U 2 3A7 51 7 51 ,2 E N41AA21BA12AB62BB71Y32Y5U 2 3B7 51 7 5R 1 5R 1 6+ 5V零點(diǎn)檢測(cè)電路R 1 7+ 5VC2C3R 1 9R 1 8 R 2 0C4+ 5VC5R 2 1+5U 1 0C L K 1U 1 0C L K 2M4M2零點(diǎn)檢測(cè)電路長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院 畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 伺服運(yùn)動(dòng)控制器的研制 18 動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)到指定的位置。 3． 7 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路 數(shù)模轉(zhuǎn)換的主要任務(wù)是把比較器的數(shù)字量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)。 8254 包含三個(gè)獨(dú)立的 16 位計(jì)