【正文】 下，速度 轉矩曲線表述的是在一恒定電壓 U 下電機的機械表現(xiàn)，該曲線可由兩點法給出 :空載轉速 n。堵轉轉矩 :它是電機在堵轉條件下的轉矩值，也叫起動轉矩 )，如圖 所示。它相當于速度一轉矩曲線在特性曲線上平移，如圖所示。單片機輸出二進制控制量，經(jīng) D/A 轉換電路將對應模擬電壓送到直流伺服放大器的設定值輸入端。和直流電機同軸的光電編碼器 E 輸出 A、 B 兩路方波信號送到伺服放大器和整形電路，通過整形電路送到單片機用于測量轉速。顯示部分顯示各段設定的時間值、轉速值和測量的轉速值 。 系統(tǒng)選型 直流電機選型 根據(jù)系統(tǒng)技術要求，本文的直流電機選用 maxon 集團的高級精密電機 Amax 32Ф32rnrn，石墨電刷，性能指標如下所示 : 標稱功率 15w 額定電壓 空載轉速 5860rPm 堵轉轉矩 129mNm 速度 /轉矩斜率 空載電流 74mA 堵轉電流 3370mA 電機電阻 最大允許轉速 6000rPm 最大連續(xù)電流 1020mA 最大連續(xù)轉矩 北華大學畢業(yè)設 計（論文） 9 最大輸出功率 19200mw 最大效率 72% 轉矩常數(shù) 速度常數(shù) 250rpm/V 機械時間常數(shù) 20ms 轉子慣量 電機電感 機殼到環(huán)境的熱阻抗 轉子到機殼的熱阻抗 繞組的熱時間常數(shù) 17S 光電數(shù)字編碼器 光電數(shù)字編碼器選用 maxon 集團的數(shù)字 MR 編碼器， L 型。 D/A轉換器芯片選擇 D/A 轉換器是一種線性器件，將輸入的數(shù)字量轉化為之成正比的模擬量輸出。此芯片是 10 位具有串行接口的 D/A 轉換器，其輸出為電壓型。 TLC5615 的管腳圖如圖 所示 D I NS C L KC SD O U TV c cO U TR E F I NA G N D12346758 圖 TLC5615 管腳圖 TLC5615 的主要性能特點 北華大學畢業(yè)設 計（論文） 10 （ 1） 單 5V 電源工作 （ 2） 3 線串行接口 （ 3） 高阻抗基準輸入 （ 4） DAC 最大輸出電業(yè)是基準點壓值得兩倍，且單調變化。 （ 7） 數(shù)據(jù)更新速率為 ，典型建立時間為 單片機選型 由單片機實現(xiàn)檢測控制，其中一個首要的工作就是選擇合適的單片機。下面對STC89C5 單片機作較詳細介紹。 本章小結 本章分析了直流電機的能量轉換和特性曲線，依據(jù)系統(tǒng)技術要求進行了整體方案設計，分析了系統(tǒng)工作原理，依據(jù)系統(tǒng)技術要求和方案對直流電機、伺服放大器、光電數(shù)字編碼器、 D/A 轉換芯片、單片機等進行了選型。一些由硬件實現(xiàn)的功能可用軟件來實現(xiàn)，反過來一些由軟件實現(xiàn)的功能也可用硬件來完成。但是用軟件實現(xiàn)硬件的功能可以簡化硬件結構，提高硬件電路的可靠性，還可降低成本。 (2)可靠性及抗干擾設計。 (3)靈活的功能擴展。功能擴展時系統(tǒng)應該在原有設計不需要很大改變的情況下，修改軟件和少量硬件甚至不修改硬件就能完成。 根據(jù)系統(tǒng)要求及上面幾個硬件設計原則，系統(tǒng)以單片機 STC89C51 為中央處理單元，由鍵盤輸入電路， D/A 轉換電路，數(shù)字顯示，串行通信電路，直流伺服放大器連接電路等組成。 直流伺服放大器連接電路 直流伺服放大器與電源、直流電機及光電編碼器的連接電路如圖 所示。直流 25V 電源 連接到伺服放大器的 4 端，為伺服放大器供電 。伺服放大器 1 15 腳輸出的 +5V 電壓為光電編碼器供電 。圖 路輸出的模擬電壓加到伺服放大器的 7 端，當 +Set 與 Set 間的電壓為 0—10V 時，通過調節(jié)伺服放大器的調諧電位器使電機轉速為 0—4000rPm。運算放大 0P—07 要 177。D/A 轉換芯片 TLC5615 電源要 +5V。考慮到本系統(tǒng)的情況，采用了直接從市場上購買開關電源來滿足要求，如圖 所示 : 1 2 3 4 5 6 7 8ABCD87654321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eA3D a t e : 1 4 J u n 2 0 08 S he e t o f F i l e : C : \ D o c u m e n t s a n d S e t t i n g s \光明使者 \桌面 \原理圖 \大輝 . d dbD ra w n B y:2 20 V 交流電源+ 25 V+ 15 V1 5 V+ 5V0V開關電源 圖 開關電源 基準電壓電路 TLC5615 所需的 基準電壓電路如圖 所示。輸出電壓 +。溫度漂移 10PPm/℃ 。輸入電壓范圍 —40V。溫度漂移 200nV/℃ 。增益帶寬積北華大學畢業(yè)設 計（論文） 14 GB=600kHz。消耗電流 。 MC1403 輸出 電壓，滿足 TLC5615 的要求。該標準定義了數(shù)據(jù)終端設備 (DTE)和數(shù)據(jù)通訊設備 (DCE)之間的連接信號的含義及其電壓信號規(guī)范等參數(shù)。 PC 機的串行口傳輸速度一般只能達到 115200ms，而有些較高檔的串行芯片可以提供到較高的傳輸速度，例如可達 921600ms。計算機輸出的邏輯信號不宜直接接到電話網(wǎng)中，因而要先通過調制解調器 (Modem)，把代表邏輯 1 和邏輯 O 的電平信號調制成音頻信號，然后再在電話網(wǎng)中傳送。下面以 DB9 為例，如圖 所示，介紹 PC 機串行接口的引腳功能定義，其中 DTE 可以是計算機， DCE 一般指調制解調器，表示 MODEM。 (2)對于接收有下 列信號 RTS 第 1 引腳，載波檢測，接收線信號側定器，由 MODEM 到計算機。RxD 第 2 引腳接收數(shù)據(jù)，由 MODEM 到計算機。DSR 第 6 引腳，數(shù)據(jù)裝置就緒或數(shù)傳機 .即MODEM 準備好，由 MODEM 到計算機，表示 MODEM 可以使用， 0 有效 。DTR 第 20 引腳，數(shù) 據(jù)終端就緒，由計算機到 MODEM，計算機收到 RI 信號，作為回答，就發(fā)出 DTR 信號到 MODEM， O 有效。如圖 所示 : P 1 . 0P 1 . 1P 1 . 2P 1 . 4P 1 . 3P 1 . 5P 1 . 6P 1 . 7P 3 . 0R S TP 3 . 1P 3 . 2P 3 . 3P 3 . 5P 3 . 4P 3 . 6P 3 . 7X T A L 2G N DX T A L 1V c cP 0 . 1P 0 . 2P 0 . 4P 0 . 3P 0 . 5P 0 . 6P 0 . 7A L EV P PF S E NP 2 . 7P 2 . 6P 2 . 5P 2 . 4P 2 . 3P 2 . 2P 2 . 0P 2 . 1P 0 . 0STC89C51+ 5 v2 2 u F1 K+ 5 V 圖 復位原理圖 北華大學畢業(yè)設 計（論文） 17 顯示和鍵盤輸入電路 根據(jù)要求，本文選擇 ZLG7289A 串行接口 8 位 LED 數(shù)碼管及 64 鍵鍵盤智能控制芯片 ZLG7289A 是一片具有串行接口的可同時驅動 8 位共陰式數(shù)碼管或 64 只獨立LED 的智能顯示驅動芯片該芯片同時還可連接多達 64 鍵的鍵盤矩陣單片即可完成LED 顯示﹑鍵盤接口的全部功能 。 ZLG7289A 具有片選信號 可方便地實現(xiàn)多于 8 位的顯示或多于 64 鍵的鍵盤接口。 如果不用鍵盤，則典型電路中連 接到鍵盤的 8 只 10K 電阻和 8 只 100K 下拉電阻均可以省去，如果使用了鍵盤，則電路中的 8 只 10K 電阻和 8 只 100K 下拉電阻均不得省略，除非不接數(shù)碼管否則串入 DP 及 SASG 連線的 8 只電阻均不能省去。下拉電阻的取值范圍是 10K100K，位選電阻的取值范圍是 1K10K。 因為采用循環(huán)掃描的工作方式，如果采用普通的數(shù)碼管亮度有可能不夠，采用高亮或超高亮的型號可以解決這個問題。 ZLG7289A 需要一外接晶體振蕩電路供系統(tǒng)工作，其典型值分別為 F=16MHz C=15P。 ZLG7289A 的 RESET 復位端在一般應用情況下可以直接和 VCC 相 連，在需要較高可靠性的情況下，可以連接一外部復位電路或直接由 MCU 控制。上電后所有的顯示均為空，所有顯示位的顯示屬性均為顯示及不閃爍。如果在沒有按鍵的情況下收到讀鍵盤指令。程序中盡可能地減少 CPU 對 ZLG7289A 的訪問次數(shù)，可以使得程序更有效率。電流較大且為動態(tài)掃描方式，故如果該部分電路電源連線較細較長，可能會引入較大的電源噪聲，干擾在電源的正負極并入 47U到 220U 的電容可以提高電路抗干擾的能力。一個完善的閉環(huán)伺服系統(tǒng)，其定位精度和測量精度主要由測量元件決定，因此，高精度伺服系統(tǒng)對測量元件的質量要求北華大學畢業(yè)設 計（論文） 19 相當高。 光電編碼器 增量式光電編碼器有光源、光電轉盤、光敏元件、光電整形放大電路四部分組成。為了適應可逆控制以及轉向的判別，光電編碼器輸出兩路 (A 相、 B 相 )相隔 T/4 脈沖周期的正交脈沖若轉盤順時針轉時 A相超前 B 相，則逆時針轉 /時 B 相超前 A 相。本系統(tǒng)中選用了分辨率為 1024 編碼器。整形辨相電路如圖 所示，它是采用邏輯門組合電路的思路進行設計的，即將光電編碼器輸出的兩路信號，分別輸入到一個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和一個非門，之后再將信號經(jīng)過一次與邏輯，得到反映電動機正轉信號 (CP+)和反轉信號 (CP)。整形辨相電路的波形如圖 所示。 ABC P +C P ABABABC P +C P 圖 整形辯相波形 由于本系統(tǒng)不需要測量電機的正反轉。 本章小結 本章討論了系統(tǒng)硬件電路設計的原則 。著重分析了 D/A 轉換電路、鍵盤 顯示電路、轉速測量電路、單片機與上位機串行電路通訊 電路 的原理。本文在 前面 搭建了一個較為簡單的硬件電路，系統(tǒng)功能的主要實現(xiàn)依靠軟件的設計來完成的。 模糊 PID調速 在直流電動機閉環(huán)調速系統(tǒng)中 ,大多采用結構簡單、性能穩(wěn)定的常規(guī) PID控制技術。 模糊控制是一種較為典型的智能控制方法，其最大的特點是將專家的經(jīng)驗和知識表示為語言控制規(guī)則，并用這些控制規(guī)則去控制系統(tǒng)，這樣可以不依賴被控制對象的精確數(shù)學模型，對被控制對象的參數(shù)具有較強的魯棒性。第一是先通過傳感器把要監(jiān)測的物理量變成電量，再通過模數(shù)轉換器把它轉換成精確的數(shù)字量，精確輸入量輸入至模糊邏輯控制器后，首先要把這些精確的輸入量轉換成模糊 集合的隸屬函數(shù)，這一步稱為精確量的模糊化。第三是根據(jù)模糊邏輯推理得到的輸出模糊隸屬函數(shù)，用不同的方法找一個具有代表性的精確值作 為控制量，這一步稱為模糊輸出量的反模糊化。很多情況下還需要根據(jù)該偏差的變化率 EC 來進行綜合判斷。定義輸入量的隸屬函數(shù)可采用吊鐘形、梯形和三角形，理論上吊鐘形最為理想，但是為了簡化計算，現(xiàn)在常用的是三角形，其次是梯形。再把在 區(qū)間 [+6， 6]上的量根據(jù)需要劃分成若干等級，每個等級作為一個模糊變量，并對應一個模糊子集合或者隸屬函數(shù)。 “正中 ”(PM)，可取在 +4 附近 。 “正零 ”(PZ)，可取在比零稍大一點的地方 。 “負小 ”(NS)，可取在 2 附近 。 如果需要簡化，可以把 “正零 ”和 “負零 ”合并為 “零 ”（ ZO）取七個等 級。精確輸入量模糊化方法就是對論域中的每一個取值對不同的模糊語言集合或隸屬函數(shù)有不同的隸屬度。輸出控制量模糊化和輸入量模糊化方法類似。 “如果A 且 B,那么 C（ IF A AND B THEN C） ”類型的推理規(guī)則是模糊控制器最常用的規(guī)則形式 。 U 。這種方法不僅能保證系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性，而且還可以減少超調量和振蕩現(xiàn)象。在推理得到的模糊集合中取一個相對最能代表這個模糊集合的單值的過程稱作反模糊化。 1） 最大隸屬度函數(shù)法 —取所有規(guī)則推理結果的模糊集合中隸屬度最大的那個元素作為輸出值，即 U0= maxμr(u)u∈ U 最大優(yōu)缺點是 :最大隸屬度函數(shù)法不考慮隸屬度函數(shù)的形狀，只關心其最大隸屬度值處的輸出值，丟掉許多信息，但計算簡單。在輸出是離散值集合的情況下，控制作用可以用下式求得 : u= ???? ?nr rrnr r uuu 11 )(/)( ?? （ ） 3) 加權平均法 系數(shù)加權平均法的輸出如下 : u= ?? ?111 /)( kuk （ ） 北華大學畢業(yè)設 計（論文） 25 這里權系數(shù) k，的選擇要根據(jù)實際情況而定，不同的系數(shù)決定著系統(tǒng)有不同的響應特性。 調速系統(tǒng)的模糊控制模型 如圖 PID控制器結構圖，采用模糊控制器產(chǎn)生系統(tǒng)PID調節(jié)器的比例系數(shù)及積分系數(shù)。 圖 參數(shù)自整定的模糊控制器