【正文】 /s（ 1+T∑ is） ia ugi/a + — — 圖 電流環(huán)簡化動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 （ ） （ ） （ ） 德州學(xué)院 物理系 2020 屆 電子信息 專業(yè) 畢 業(yè)設(shè)計 16 位置環(huán)控制器設(shè)計 系統(tǒng)設(shè)計要求伺服系統(tǒng)能準(zhǔn)確、無超調(diào)定位，則位置環(huán)只能按照典型 I 型系統(tǒng)來校正 [13]。經(jīng) PI 調(diào)節(jié)器校正后的速度內(nèi)環(huán)可等效為一慣性環(huán)節(jié) 1/(1+TMs)，則位置調(diào)節(jié)器為比例調(diào)節(jié)器。位置環(huán)的簡化動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 所示， KJ為單位換算系數(shù)，當(dāng)速度的單位是 r/min，位置輸出的單位為脈沖數(shù)時， KJ=1000/6。 位置環(huán)控制器參數(shù)選擇：取阻 尼比 ξ=1 時，典型 I 型系統(tǒng)階躍響應(yīng)無超調(diào)，則伺服系統(tǒng)定位無超調(diào)。位置環(huán)的開環(huán)截止頻率為： ωcp=1/4TM≈ ,位置環(huán)的開環(huán)增益： KP=ωcp=KpKJ，位置環(huán)的調(diào)節(jié)器比例系數(shù)： Kp=ωcp/KJ≈ 。 KP 1/(1+TMs) KJ/s (Kp﹒ KJ)/s(1+TMs) ugp ugp + _ + _ P P 圖 位置環(huán)簡化動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 Kn(1+1/Tns) (1/a)/(1+2T∑ is) R/(TnCes) 1/(1+Tfns) KN(1+Tns)/s2(1+T∑ ns) n n ugn ugn + _ + _ iL ia ugi + _ 圖 速度環(huán)的簡化動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 德州學(xué)院 物理系 2020 屆 電子信息 專業(yè) 畢 業(yè)設(shè)計 17 采樣周期選擇 根據(jù)采樣周期的經(jīng)驗公式 cs 10ωω ? 來選擇電流環(huán)、速度環(huán)和的位置環(huán)的采樣周期。其中， sω 為采樣角頻率， cω 為系統(tǒng)開環(huán)頻率特性的截止頻率。系統(tǒng)電流環(huán)的開環(huán)截止角頻率 ciω =667s1，選取電流環(huán)的采樣角頻率 ωsi=6670s1，則可得電流環(huán)采樣周期 T1=/2πω1si=；速度環(huán)的開環(huán)截止角頻率 ω=sT121h? =240s1，選取速度環(huán)采樣角頻 率 ωsn=2400s1，可得速度環(huán)采樣周期 TN=/2πω1sn=；位置環(huán)的開環(huán)截止頻率 ωcp=，選取位置環(huán)的采樣角頻率 ωsp=,得位置環(huán)的采樣周期Tp=。 以上對各個控制閉環(huán)的采樣周期進(jìn)行的選擇，只是確定了它們能保證一定控制性能指標(biāo)的大致范圍。我們?nèi)〉牟蓸又芷跒?TI=， TN=1ms， Tp=4ms。 控制算式和運(yùn)算流程圖 電流環(huán)數(shù)字?jǐn)?shù)字控制算式求取如下，將式 （ ） 寫成微分方程形式： ?????? ?? ? (t )d teT1(t )eK(t )U t0 iIiic 選 定的采樣周期 TI，將上述方程離散成差分方程式。 Uc(k)=Ki′ei(k)Kiei(k1)+Uc(k1) 式中 Ki′=(1+TI/Ti)Ki，將各個參數(shù)帶入式中得， Uc(k)=(k)(k1)+Uc(k1) 上式 ()即為可供編程的電流控制器算式，它是全量輸出，輸出對應(yīng)著線性關(guān)系，PWM 控制信號的占空比。 Uc(k)在初始狀態(tài)為 1000，即 Uc(0)=1000。 同理，可導(dǎo)出速度控制器算式為 Ugi(k)=Kn′en(k)Knen(k1)+Ugi(k1) 式 中 Kn=(1+TN/Tn)Kn，將各個參數(shù)代入式中得 Ugi(k)=(k)(k1)+Ugi(k1) 式 ()也是全量輸出， Ugi(k)對應(yīng)著采樣時刻電流控制回路的數(shù)字給定輸入值。此處，Ugi的初始狀態(tài)為 Ugi(0)=512。 位置環(huán)控制算法 為 P 調(diào)節(jié)器，則有 Ugn(k)=Kpep(k)=(k) （ ） （ ） （ ） （ ） （ ） （ ） 德州學(xué)院 物理系 2020 屆 電子信息 專業(yè) 畢 業(yè)設(shè)計 18 PI調(diào)節(jié)程序 讀給 定值 ug(k) 讀反饋值 uf(k) 求當(dāng)前誤差值 e(k)=ug(k)uf(k) 帶符號的 16 16bit 乘法指令 求 Ke(k1)， K’e(k) e(k1) ← e(k) 32bit 加減法運(yùn)算 求 u（ k） =K′e(k)Ke(k1)+u(k1) u(k)取整數(shù) → u′（ k） u′(k)umax? u′(k)umin? u′(k)作為控制輸出 結(jié)束 umax → u′(k) umax → u(k1)整數(shù)部分 0 → u（ k1）小數(shù)部分 umin → u′(k) umin → u(k1)整數(shù)部分 0 → u（ k1）小數(shù)部分 N N Y Y 圖 PI 控制算法及輸出限幅程序流程圖 其中 Ugn(k)也是全量輸出，它對應(yīng)速度環(huán)的數(shù)字給定值。由式 ()、 ()、 ()可編制電流環(huán)速度環(huán)和位置環(huán)控制器的算法程序如圖 所示。 德州學(xué)院 物理系 2020 屆 電子信息 專業(yè) 畢 業(yè)設(shè)計 19 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計 系統(tǒng)軟件程序總體結(jié)構(gòu) 整個系統(tǒng)的控制任務(wù)由硬件和軟件共同承擔(dān)，具體完成某一特定功能時，也常常需要軟件和硬件的相互配合 [14]。 系統(tǒng)軟件的主要任務(wù)有：系統(tǒng)的初始化；對電流反饋，速度反 饋，位置反饋采樣 ； 對電流反饋，速度反饋，位置反饋的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲得相 應(yīng)的數(shù)字式反饋標(biāo)定量；完成電流，速度，位置的控制規(guī)律運(yùn)算，并對輸出分別作限幅處理；讀串行口的數(shù)據(jù)，且按先進(jìn) 先出（ FIFO） 方式存儲；接收上位微型計算機(jī)發(fā)送來的指令，并解釋，分解和執(zhí) 行指令。按指令要求，采集系統(tǒng)運(yùn)行的有關(guān)信息和系統(tǒng)參數(shù)，并通過串行通信反饋到上位微型計算機(jī)中進(jìn)行顯示和信息存儲。其總體程序結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。在圖中為了便于程序的編寫，閱讀，調(diào)試和修改，將系統(tǒng)控制程序的任務(wù)按功能分類，歸結(jié)為十一個功能模塊，并對各功能模塊的工作方式做了一個安排。 控制的過程就是單片機(jī)執(zhí)行程序的過程，程序需要一條一條來執(zhí)行，在本次系統(tǒng)設(shè)計中我們設(shè)計一種循環(huán)、定時和隨機(jī)中斷相結(jié)合的分時控制時序，如 圖 所 示。 6 位置環(huán)采樣和原始數(shù)據(jù)處理程序模塊 7 位置調(diào)節(jié)算法和輸出限幅程序模塊 8 速度反饋原始數(shù)據(jù)處理程序模塊 9 速度調(diào)節(jié)控制算法和輸出限幅程序模塊 1 系統(tǒng)初始化程序模塊 5 HIS 事件預(yù)置程序模塊 （定時中斷） 2 主程序模塊 （循環(huán)工作） 3 HIS中斷服務(wù)程序模塊（隨機(jī)中斷） 4 SIO 中斷服務(wù)程序模塊（隨機(jī)中斷） 10 電流采樣程序模塊（ 定時中斷） 11 電流調(diào)節(jié)控制算法和輸出限幅程序模塊 圖 系統(tǒng)控制程序結(jié)構(gòu)框圖 德州學(xué)院 物理系 2020 屆 電子信息 專業(yè) 畢 業(yè)設(shè)計 20 在此我們假定速度環(huán)采樣周期 2 倍于電流采樣周期，位置環(huán)采樣周期 8 倍 于電流環(huán)采樣周期。 5 6 7 8 10 5 2 10 11 285119 2 9 10 11 同 kT(k+1)T ............3 4(k+8)T(k+3)TkT 系統(tǒng)初始化程序模塊 系統(tǒng)初始化包括設(shè)定堆棧指針，給主程序標(biāo)志寄存器送初始狀態(tài)值，對電流調(diào)節(jié)器、速度調(diào)節(jié)器、位置調(diào)節(jié)器設(shè)定初始狀態(tài)值和參數(shù)，給 A/D 轉(zhuǎn)換器， HSI、 SIO、8254 等硬件送控制字，確定它們的工作方式和初始工作參數(shù)。然后，檢查主電路是否上電和是否允許系統(tǒng)啟動運(yùn)行，設(shè)置軟件定時器起動系統(tǒng)控制程序。 其流程圖如圖 所示。 系統(tǒng)主程序模塊 主程序模塊的任務(wù)是對 SIO 中斷服程序接收到得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理：解釋、分析和執(zhí)行微 型計算機(jī)送來的指令；根據(jù)指令要求采集伺服系統(tǒng)的有關(guān)信息，并通過串行通信口反饋到上位微型計算機(jī)中。主程序模塊的流程圖如圖 所示。其中的握手是指伺服系統(tǒng)和上位微型計算機(jī)之間通過串行通信取得相互認(rèn)可的聯(lián)系 [15]。而自動跟蹤是伺服系統(tǒng)的一種運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)入這種狀態(tài)后，上位微型計算機(jī)送來的數(shù)據(jù)是伺服系統(tǒng)的位置給定偏移量，它以字為單位，在位置給定寄存器上累加。 位置采樣及數(shù)據(jù)處理程序模塊流程圖如圖 所示。 位置采樣包括位置給定采樣和位置反饋采樣，為保證伺服系統(tǒng)有足夠大的行程，位置給定和位置反饋都必須采用雙字寄存器 [16]。通過前面設(shè)計的位置測量方法可得每一個采用周期的位置偏移量，將每一采樣周期的位置偏移量和雙字的位置反饋寄存器累加，即可得到絕對位置坐標(biāo)的反饋值。圖 中的 Gp(k)為雙字結(jié)構(gòu)的位置給定， Bp(k)是雙字結(jié)構(gòu)的位置反饋， ep(k)為雙字結(jié)構(gòu)的位置誤差。 圖 系統(tǒng)控制的程序的時序 (k+1)T (k+2)T 德州學(xué)院 物理系 2020 屆 電子信息 專業(yè) 畢 業(yè)設(shè)計 21 系統(tǒng)復(fù)位 設(shè)置堆棧指針，主程序標(biāo)志寄存器賦初值 初始化 8254 計數(shù)器 初始化 HIS 單元 初始化 SIO 設(shè)置 A/D 工作方式 電流調(diào)節(jié)器賦初值 速度調(diào)節(jié)器賦初值 位置調(diào)節(jié)器賦初值 主回路上電，運(yùn)行？ 設(shè)置中斷系統(tǒng)控制字設(shè)定軟定時，起動電流環(huán) 主程序模塊 Y N 圖 初始化程序模塊的流程圖 德州學(xué)院 物理系 2020 屆 電子信息 專業(yè) 畢 業(yè)設(shè)計 22 主程序模塊 SI