【正文】 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，向著便于計(jì)算機(jī)控制的方向發(fā)展。 其引腳說(shuō)明如下： IN0～ IN7： 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(hào) ； START：轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信 ； D0～ D7：數(shù)據(jù)輸線 ； OE：輸出允許信號(hào)，低電平允許轉(zhuǎn)換結(jié)果輸 出； CLOCK：時(shí)鐘信號(hào)輸入引腳，通常使用 500KHz； EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，為 0 代表正在轉(zhuǎn)換， 1 代表轉(zhuǎn)換結(jié)束 ； Vcc：＋ 5V 電壓 。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)。 測(cè)速電路圖如圖 34所示 ： 圖 34 位置檢測(cè) 電路圖 15 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(guò)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(duì)速度的測(cè)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(cè)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(hào)。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。它具有精度高、線性度好的優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)使用的是沈陽(yáng)光機(jī)研究所生產(chǎn)的增量式光電編碼器 【 22】 。一個(gè)完善的閉環(huán)伺服系統(tǒng)，其定位精度和加工、測(cè)量精度主要由測(cè)量元件決定，因此，高精度伺服系統(tǒng)對(duì)測(cè)量元件的質(zhì)量要求相當(dāng)高。當(dāng)電源接通時(shí)，只要 ccV 的上升時(shí)間不超過(guò) 1ms，就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位。 1230pFC130pFC2 圖 32 時(shí)鐘電路 14 復(fù)位電路設(shè)計(jì) AT89s52 的復(fù)位是由外部的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在此我選擇自動(dòng)上電復(fù)位電路。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。 XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端 【 21】 。 Flash存儲(chǔ)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。需注意的是：如果加密位 LBI 被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存 EA 端狀態(tài)。 EA / PPV ：外部訪問(wèn)允許。 PSEN ：程序儲(chǔ)存允許（ PSEN ）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選信號(hào)，當(dāng) AT89C51 由外部程序存儲(chǔ)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。 如有必要，可通過(guò)對(duì)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(huì)被激活。要注意的是：每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過(guò)一個(gè) ALE 脈沖。 ALE/ PROG 非：當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)， ALE 輸出脈沖用于鎖存地址的低8 位字節(jié)。 13 RST：復(fù)位輸入。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： P3 是一組帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。 Flash 編程和程序校驗(yàn)期間， P1 口接受底 8 位地址。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。 時(shí)鐘引腳 2 個(gè)時(shí)鐘引腳 XTAL XTAL2 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(hào)， 2 個(gè)時(shí)鐘引腳也可外接獨(dú)立的晶體振蕩器。 （ 1） ccV （ 40 引腳）：接 +5V 電源。在此設(shè)計(jì)方案中我選擇 AT89s51. AT89C51 是美國(guó) ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS8 位單片機(jī)。這樣一方面防止了一開始有過(guò)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】 。 積分分離的 PI 算法可以表示為： ? ? ? ? ? ?? ? ? ?kTekTkTekTekkTu ip 0?????? （ 215） ? ?? ?????????ooEkTe EkTe210? 式中， 0? 為邏輯系數(shù)。具體做法是：根據(jù)直流伺服電機(jī)的 10 特性，設(shè)定一個(gè)偏差門限 0 E ，當(dāng)控制過(guò)程中的偏差 e(kT)的絕對(duì)值大于此偏差門限 E? 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(duì)值小于 E? 時(shí)，才引入積分控制，即系統(tǒng)作 PI 控制。 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(guò)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(huì)造成積分累積，使控制量超過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)最大動(dòng)作范圍對(duì)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(huì)產(chǎn)生飽和效應(yīng)，引起過(guò)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。由于運(yùn)行較大的給定值變化及負(fù)載變化會(huì)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。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(huì)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】 ? ? ? ?ssKsW nnnA SR ?? 1?? （ 211） 式中 nK —— 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)， n? —— 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。 電流環(huán)的控制作用是雙慣性的，其傳遞函數(shù)為： ? ? ? ?ssKsW iiiASR ?? 1?? （ 26） 式中 iK —— 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) i?—— 電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間量常數(shù)。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】 。 傳遞函數(shù)： 無(wú)刷直流電機(jī)的運(yùn)行特性和傳統(tǒng)直流電機(jī)基本相同，其動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖可以采用直流電機(jī)通用的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖所示 ： C t3 6 5 / ( G D ^ 2 s )C e1 / RU ( s )++TL( s )TC( s )I ( s )N ( s ) 圖 22直流電機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 由無(wú)刷直流電機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖可求得其傳 遞函數(shù)為 : （ 25） 式中： K1 為電動(dòng)勢(shì)傳遞系數(shù)， ， Ce 為電動(dòng)勢(shì)系數(shù)； K2 為轉(zhuǎn)矩傳遞函數(shù)， ， R 為電動(dòng)機(jī)內(nèi)阻， Ct 為轉(zhuǎn)矩系數(shù)； Tm 為電機(jī)時(shí)間常數(shù)， ， G 為轉(zhuǎn)子重量， D 為轉(zhuǎn)子直徑。電角度，兩者應(yīng)嚴(yán)格同步。為產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，要求定子電流為方波，反電動(dòng)勢(shì)為梯形波，且在每半個(gè)周期內(nèi)，方波電流的持續(xù)時(shí)間為 120176。 6 第二章 系統(tǒng) 總體 方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng) 控制方案 的選擇 本系統(tǒng)是 三 閉環(huán)控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法是從內(nèi)環(huán)到外 環(huán)，逐個(gè)設(shè)計(jì)個(gè)環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)器，其中位置調(diào)節(jié)器 APR是位置換的校正裝置，他的類型和參數(shù)決定了位置隨動(dòng)系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差和動(dòng) 態(tài)性能，其輸出限幅值決定著電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，位置、轉(zhuǎn)速及電流 閉環(huán)畫成單位反饋，反饋系數(shù)或存儲(chǔ)系數(shù)都已計(jì)入各調(diào)節(jié)器的比例運(yùn)算系數(shù)中去。顯示器：能顯示給定設(shè)置、參數(shù)修改過(guò)程中的值及控制過(guò)程中的實(shí)時(shí)位置 (角度 )。 系統(tǒng)要求達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)為： （ 1）定位精度 ；（ 2）定位過(guò)程超調(diào)量 10%；（ 3）輸入階躍、速度、加速度轉(zhuǎn)角信號(hào)時(shí)，調(diào)節(jié)時(shí)間 its250ms；（ 4）跟隨速度信號(hào)時(shí)，無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差；（ 5）跟隨加速度信號(hào)時(shí)，穩(wěn)態(tài)誤差 。也可通過(guò)串行接口與可編程控制器（ PLC）的數(shù)控模塊相 連。 為適應(yīng)這一發(fā)展趨勢(shì)，最新的伺服系統(tǒng)都配置了標(biāo)準(zhǔn)的串行通信接口和專用的局域網(wǎng)接口。對(duì)于使用伺服單元的用戶來(lái)說(shuō)，這是新型伺服系統(tǒng)最具吸引力的特點(diǎn)之一。眾所周知，閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)整定是保證系統(tǒng)性能指標(biāo)的重要環(huán)節(jié)，也是需要耗費(fèi)較多時(shí)間與精力的工作。系統(tǒng)的所有運(yùn)行參數(shù)都可通過(guò)人機(jī)對(duì)話的方式由軟件來(lái)設(shè)置，保存在伺服單元內(nèi)部，通過(guò)通信接口，這些參數(shù)甚至可以在運(yùn)行途中由上位計(jì)算機(jī)加以修改，應(yīng)用方便； ② 都具有故障自診斷與分析功能。 （ 5）智能化 智能化是當(dāng)前一切工業(yè)控制設(shè)備的流行趨勢(shì)，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為一種高級(jí)的工業(yè)控制裝置也不例外。同一個(gè)控制單元，只要通過(guò)軟件設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)就可改變其性能，既可以使用電機(jī)本身配置的傳感器構(gòu)成半閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，又可以通過(guò)接口與外部的位置或速度或力矩 傳感器構(gòu)成高精度的全閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。它的應(yīng)用顯著地簡(jiǎn)化了伺服單元的設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)了伺服系統(tǒng)的小型化和微型化。 這種器 件將輸人隔離、能耗制動(dòng)、過(guò)溫、過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)及故障診斷等功能全部集成于一個(gè)不大的模塊中。這些先進(jìn)器件的應(yīng)用顯著降低了伺服單元輸出回路的功耗，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，降低了運(yùn)行噪聲。全數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)，將原有的硬件伺服控制變成了軟件伺服控制，從而使 在伺服系統(tǒng)中應(yīng)用現(xiàn)代控制理論的先進(jìn)算法（如：最優(yōu)控制、人工智能、模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等）成為可能?？梢灶A(yù)見，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，除了在某些微型電機(jī)領(lǐng)域之外， AC 伺服電機(jī)將完全取代 DC 伺服電機(jī)。在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家， AC 伺服電機(jī)的市場(chǎng)占有率已超過(guò) 80％ 。 （ 1）交流化 伺服技術(shù)將繼續(xù)迅速地由 DC 伺服系 統(tǒng)轉(zhuǎn)向 AC 伺服系統(tǒng)。圍繞伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性與靜態(tài)特性的提高，近年來(lái)發(fā)展了多種伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)。 在航天、制導(dǎo)、核能等方面，控制技術(shù)更是不可缺少，比如，要把重達(dá)數(shù)噸的人造衛(wèi)星準(zhǔn)確的送入位于數(shù)百公里高空的預(yù)先計(jì)算好的軌道和指定的位置，并一直保持他的姿態(tài)正確，是他的太陽(yáng)能電池一直朝向太陽(yáng)，無(wú)線電天線一直指向 3 地球，還要保持衛(wèi)星內(nèi)的正常，使他攜帶的各種儀器自動(dòng)準(zhǔn)確的工作，所有的這一切都是以高水平的控制系統(tǒng)為前提的。 雷達(dá)測(cè)出敵方飛行器方位和仰角數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)監(jiān)工并計(jì)入射擊提前量后，又用來(lái)控制高射炮炮身的轉(zhuǎn)動(dòng)，使高射炮時(shí)刻保持瞄準(zhǔn)敵方飛行器，隨時(shí)準(zhǔn)備開火 ，而瞄準(zhǔn)的角度誤差只有幾分，如不用控制技術(shù)的相關(guān)支持，折現(xiàn)顯然是做不到的。 在運(yùn)輸行業(yè)中，電氣機(jī)車的自動(dòng)調(diào)速、高層建筑中電梯的升降控制、船舶的自動(dòng)操舵、飛機(jī)的自動(dòng)駕駛等，都是由各種伺服系統(tǒng)為之效力，從而減緩操作人的疲勞，同時(shí)也大大的提高了工作效率。 它們可以完成的運(yùn)動(dòng)控制精度高、速度快，遠(yuǎn)非一般工人操作所能達(dá)到 【 10】 。 在直流伺服系統(tǒng)中，利用計(jì)算機(jī)來(lái)完成系統(tǒng)的校正，改變伺服系統(tǒng)的增益、帶寬、完成系統(tǒng)的管理、監(jiān)視等任務(wù)，是系統(tǒng)向智能化發(fā)展 【 9】 。 2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢(shì) 伺服控制技術(shù)是自動(dòng)化學(xué)科中與產(chǎn)業(yè)部門聯(lián)系最緊密、服務(wù)最廣泛的一個(gè)分支，它是伴隨著電的應(yīng)用二發(fā)展起來(lái)的，最早出現(xiàn)于 20 年代初，并且極大地提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，推動(dòng)了現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)的巨大進(jìn)步， 1934 年，的一次提出了伺服機(jī)構(gòu)這個(gè)詞，世界上第一個(gè)伺服系統(tǒng)是由美國(guó)麻省理 工學(xué)院輻射實(shí)驗(yàn)室于 1944 年研制成功，這就是火炮自動(dòng)跟蹤目標(biāo)的伺服系統(tǒng)，隨著自動(dòng)控制理論的發(fā)展，到 20 世紀(jì)中期，伺服系統(tǒng)理論與實(shí)踐均趨于成熟，并得到廣泛應(yīng)用，在新技術(shù)革命的推動(dòng)下，特別是伴隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速進(jìn)步，伺服技術(shù)更加如虎添翼、突飛猛進(jìn)，它的應(yīng)用幾乎遍布社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域 [8]。現(xiàn)在，數(shù)字式交流位置伺服系統(tǒng)研究熱點(diǎn)之一，就是以交流永磁伺服電機(jī)為控制對(duì)象。 近幾年基于數(shù)字信號(hào)處理芯片開發(fā)的位置伺服系統(tǒng)成為研究的熱點(diǎn)，并且很多芯片廠家還開 發(fā)一些電機(jī)專用控制芯片，并在芯片內(nèi)部集成了 PWM發(fā)生單元等，簡(jiǎn)化了與電力電子功率變換裝置間的連接，而且具有強(qiáng)大的處理功能可以完成現(xiàn)代控制理論或智能控制理論的一些復(fù)雜算法，如果采用這些電機(jī)專用控制芯片來(lái)完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)，即可以節(jié)省了開發(fā)周期，又簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 【 6】 。隨著微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，研發(fā)出各種高性能數(shù)字信號(hào)處理器，其運(yùn)算能力強(qiáng)而且具有豐富的外部接口。其中控制器可以說(shuō)是整個(gè)系統(tǒng)的心臟，其設(shè)計(jì)的好壞直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。 位置伺服系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)工業(yè)部門，例如機(jī)床加工行業(yè)、冶金加工、機(jī)器人或機(jī)械手的控制、火炮群跟蹤雷達(dá)和陀螺儀慣性導(dǎo)航系統(tǒng)等，都涉及到了位置定位和軌跡跟蹤，因此位置伺服技術(shù)的高低，將直接影響我們國(guó)家的工業(yè)技術(shù)的發(fā)展水平 【 2】 。 關(guān)鍵詞 ： 位置 伺服系統(tǒng)；直流電機(jī)； 單片機(jī) II High Precision Position Servo Microputer Control System Design Abstract For a half of century， the DC servo control system has been widely used in the NC machine tool， machining center， and robot… ， etc. With the technical development of servo motor， electronies Power and puter control， the servo control