【正文】 于關(guān)閉狀態(tài)，同時(shí)，段碼線上輸出相應(yīng)位要顯示的字符的段碼。正因?yàn)槿绱?，靜態(tài)顯示器的亮度都較高。1．LED 靜態(tài)顯示方式 LED 顯示器工作于靜態(tài)顯示方式時(shí)，各位的共陰極或共陽極連接在一起并接地；每位的段碼線分別與 1 個(gè) 8 位的鎖存器輸出相連。LED 顯示器是由發(fā)光二極管構(gòu)成的， LED顯示器在單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用非常普遍 【27】 。在本系統(tǒng)中，采用價(jià)格低廉，接口電路靈活的 LED 顯示器，下面先介紹一下 LED 顯示器。 A+CKDIR3PWM5V6ThermalF0untSBk4GN7OU1o*L 顯示電路的設(shè)計(jì)在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，除了要使用鍵盤外，還要用相應(yīng)的顯示器，常用的有 LED 和 LCD 兩種，這兩種顯示器成本低廉，配置靈活，與單片機(jī)接口方便。雙極性驅(qū)動(dòng)是指在一個(gè) PWM 周期里，電動(dòng)機(jī)電樞的電壓極性呈正負(fù)變化。過熱信號還可通過引腳 9 輸出，當(dāng)結(jié)溫達(dá)到 145 度時(shí)引腳 9 有輸出信號。內(nèi)部保護(hù)電路設(shè)置的過電流閾值為 10A，當(dāng)超過該值時(shí)會自動(dòng)封鎖輸出，并周期性的自動(dòng)恢復(fù)輸出。引腳 10 接直流電機(jī)電樞，正轉(zhuǎn)時(shí)電流的方向應(yīng)該從引腳步到引腳 10；反轉(zhuǎn)時(shí)電流的方向應(yīng)該從引腳 10 到引腳 2。通過充電泵電路為上橋臂的 2 個(gè)開關(guān)管提供柵極控制電壓，充電泵電路由一個(gè) 300kHz 左右的工作頻率。由于單片機(jī)上電復(fù)位時(shí) P0 端口輸出全“1”，使用 4585 的 B 組與 P0 端口相連，升速時(shí) P0 端口輸出 X 按一定規(guī)律減少，降速時(shí)按一定規(guī)律增大 【25】 。隨著計(jì)數(shù)值的增加，Q3～Q10由全“1”變?yōu)槿?”時(shí)，(AB)輸出端又變?yōu)榈碗娖?，這樣, 在 U2 的(AB)端得到 PWM 的信號，其占空(255X)/255100%，改變 X 值可改變 PWM 信號的占空比，進(jìn)行直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。晶振選用 12MHz 時(shí)，經(jīng) Q1～Q2 的 4 分頻，Q3～Q10 的 256 分頻，產(chǎn)生的 PWM 波形的頻率為 ，適合光耦及功率開關(guān)管的合理工作范圍。改變 P1 端口的輸出值，可使 PWM 信號的占空比產(chǎn)生變化，進(jìn)行調(diào)速控制。經(jīng)綜合分析，本系統(tǒng)采用兩片 4 位數(shù)值比較器 4585 和一片 12 位串行計(jì)數(shù)器 4040 組成了 PWM 信號發(fā)生電路。PWM波形發(fā)生電路如圖 37 所示。PWM 波可由具有PWM 輸出的單片機(jī)(如 80C198 等)通過編程產(chǎn)生，也可采用 PWM 專用芯片來實(shí)現(xiàn)?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)選擇 PWM 控制技術(shù)。（5）功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高。（3）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá) 1：10000 左右。PWM 斬波調(diào)壓相對于晶閘管相控調(diào)壓又有如下優(yōu)點(diǎn)： （1）主電路線路簡單，需用的功率器件少。為了使器件能夠可靠地長期運(yùn)行，除了充分留有余地合理選擇晶閘管器件處，必須對過電壓和過電流發(fā)生的原因采取恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。 運(yùn)動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用直流伺服電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，目前對其常用驅(qū)動(dòng)方式有晶閘管驅(qū)動(dòng)和 PWM 驅(qū)動(dòng)。隨著大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展，以及微處理器在伺服系統(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。其引腳說明如下：IN0～I(xiàn)N7：8 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；START：轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信；D0～D7：數(shù)據(jù)輸線；OE：輸出允許信號，低電平允許轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出；CLOCK：時(shí)鐘信號輸入引腳，通常使用 500KHz；EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，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)。測速電路圖如圖34所示：圖34 位置檢測電路圖固定在直流電機(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)對速度的測量、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 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 。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、測量精度主要由測量元件決定，因此，高精度伺服系統(tǒng)對測量元件的質(zhì)量要求相當(dāng)高。當(dāng)電源接通時(shí)，只要 的上升時(shí)間不超過 1ms，就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位。30pF圖 32 時(shí)鐘電路 復(fù)位電路設(shè)計(jì)AT89s52 的復(fù)位是由外部的電路來實(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)部會鎖存 EA 端狀態(tài)。/ ：外部訪問允許。：程序儲存允許（ ）輸出是外部程序存儲器的讀選信號，當(dāng) PSENPSENAT89C51 由外部程序存儲器取指令（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，可通過對特殊功能寄存器（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 才會被激活。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí)將跳過一個(gè) ALE 脈沖。ALE/ PROG 非：當(dāng)訪問外部程序存儲器時(shí)，ALE 輸出脈沖用于鎖存地址的低8 位字節(jié)。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。s時(shí)鐘引腳2 個(gè)時(shí)鐘引腳 XTALXTAL2 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，2 個(gè)時(shí)鐘引腳也可外接獨(dú)立的晶體振蕩器。（1） （40 引腳）：接+5V 電源。在此設(shè)計(jì)方案中我選擇 AT89s51.AT89C51 是美國 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： （2????????kTekTekTuip0?????15） ????????oEkTe210?式中， 為邏輯系數(shù)。具體做法是：根據(jù)直流伺服電機(jī)的特性，設(shè)定一個(gè)偏差門限0 E ，當(dāng)控制過程中的偏差 e(kT)的絕對值大于此偏差門限 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E?值小于 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，會造成積分累積，使控制量超過執(zhí)行機(jī)構(gòu)最大動(dòng)作范圍對應(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，會產(chǎn)生飽和效應(yīng)，引起過大的超調(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】 （ 2???sKWnASR?1??11）式中 ——轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)，nK ——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： （2???sKWiASR?1??6）式中 ——電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)iK ——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)勢傳遞系數(shù)， ，Ce 為電動(dòng)勢系數(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。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)修改過程中的值及控制過程中的實(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）定位過程超調(diào)量10%；（3）輸入階躍、速度、加速度轉(zhuǎn)角信號時(shí)，調(diào)節(jié)時(shí)間its250ms；（4）跟隨速度信號時(shí)，無穩(wěn)態(tài)誤差；（5）跟隨加速度信號時(shí)，穩(wěn)態(tài)誤差 。也可通過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，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。對于使用伺服單元的用戶來說，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)都可通過人機(jī)對話的方式由軟件來設(shè)置，保存在伺服單元內(nèi)部，通過通信接口，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，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為一種高級的工業(yè)控制裝置也不例外。同一個(gè)控制單元，只要通過軟件設(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)、過溫、過壓、過流保護(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，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)國家， AC 伺服電機(jī)的市場占有率已超過 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，是他的太陽能電池一直朝向太陽，無線電天線一直指向地球，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)測出敵方飛行器方位和仰角數(shù)據(jù)經(jīng)過計(jì)算機(jī)監(jiān)工并計(jì)入射擊提前量后，又用來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】 。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢伺服控制技術(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)展起來的，最早出現(xiàn)于 20 年代初，并且極大地提