10×2m时
K=（1/4）×2m（m=0，1，2，3…，7）（3.2）
另外，分频数K随转速n变化时，在每一个转换点上还需要一个滞环，其作用是防止K在转换点反复变化，滞环对应在T上的宽度设定为0.1ms，这个滞环由软件判断来实现。
3.2输入输出通道设计
3.2.1电流反馈通道
电流反馈通道由霍尔元件、两级放大器LF356和A/D转换器组成。
本次系统设计是采用霍尔元件作为检测电动机电枢电流的传感器，其电流容量为50A，转换比例为1000:
1.霍尔元件检测到得弱电流信号经转换、滤波、放大后变成与电枢电流成比例的0-5V的直流电压信号，再经A/D转换电路，将模拟电压转换成数字量，输入微型计算机处理，电路原理图如图3.3所示。
在图3.3中R1为50Ω，是霍尔元件的负载电阻，R2=10KΩ，远大于R1，C1、C2为滤波电容。
由于运算放大器AM1输入阻抗很高，可忽略R2对霍尔元件输出电流的分流作用，则R1将霍尔元件输出的电流信号线性转换为电压信号Um，再经过两级运算放大器的放大和滤波后到达微型计算机8097内部的A/D转换电路输入口，其中第二级放大器输入端引入-5V电压信号是为了将第一级放大器输出的双极性电压信号转换成单极性的电压信号。
电枢电流是双极性的，变化范围在±20A之内，设电枢电流为20A时，A/D转换电路模拟输入电压为5V，当电流为-20A时，输入电压为0V，当电枢电流为0时，A/D输入电压为2.5V，则第一级放大器的放大倍数为2.5，第二级放大器的放大倍数为0.5。
当参考电压为5V时，输入电压为5V则A/D转换结果为1023，输入电压为0V时，A/D转换结果为0，输入电压为2.5V时，A/D转换结果为512。
由此可知，电流反馈回路反馈系数
α=
=24.6/A（3.1）
电流测量分辨率为0.04A，整个反馈通道滤波的时间常数为0.5ms。
图3.3电流反馈信号放大滤波电路图
3.2.2转速反馈通道
转速反馈通道由光电脉冲发成器、光电隔离器PC900、可编程门阵列GAL16V8和计数器、定时器等组成。
光电脉冲发成器和电动机转子同轴，它输出的A、B两相脉冲信号必须经过GAL16V8的分频、鉴相，而且进入微处理机控制电路之前，必须经过光电隔离器PC900，防止电磁干扰影响微处理器机控制电路的正常工作。
在电机高速运转时，A、B两相脉冲信号的频率也很高，要求光电隔离的元件有比较快的响应速度，所以本次设计中我们选用PC900。
采用光电隔离器来隔离具有显著的优点:
单方向传递信号,寄生反馈小,传输信号的频带宽;抗干扰能力强,不容易受周围电磁场的影响。
光电脉冲发生器是增量式光电编码器的一种,它由光源、光电转盘、光敏元件和光电放大整形电路组成如图3.4所示。
光电转盘与被测轴连接,光源通过光电转盘的透光孔射到光敏元件上，当转盘旋转时光敏元件便发出与转速成正比的脉冲信号。
电机轴上的光电编码器产生两路编码脉：
A相和B相脉冲。
我们选用的光电脉冲发生器每转刻度为2500，其输出的A、B两相脉冲经四倍频后，可获得每转10000个脉冲的角位移分辨率。
图3.4光电脉冲发生器部件分解示意图
3.2.3位置反馈通道
位置反馈通道由光电脉冲发生器、光电隔离器PC900、可编程门阵列GAL16V8（和速度反馈通道共用），以及计数器T1和计数器T2组成。
位置的反馈数字量可用可逆计数方式获得。
如将A、B的4倍频信号输入8097内部的T1、T2的脉冲输入端，T1工作于受控方式，控制信号为电动机的转向信号
，T2对所有的4A脉冲信号计数，则电动机正转时，
为低电平封锁T1，反转时允许T1对4A脉冲信号计数，则电动机在一个位置环的采样周期内位置偏移量为
ΔP（k）=ΔT2（k）-2ΔT1（k）（3.2）
（3.3）
其中，ΔT2（k）和ΔT1（k）分别为T2、T1在一个位置环采样周期内的计数值。
系统的绝对位置反馈量为
P（k）=
3.2.4伺服系统给定输入通道
在本设计中采用串行通信作为伺服系统的给定输入通道。
给定输入通道由上位微型计算机、电平转换电路、串行通信接口组成。
一旦上位微型计算机和伺服系统实现了通信联系，不仅可以通过上位微型计算机给伺服系统发送各种各样的运行命令，还可以随时修改伺服系统的参数，显示其运行过程中的状态变量，为系统调试提供了极大的方便[12]。
图3.58097控制的三环直流伺服系统
由8097控制的三环直流伺服控制系统图如图3.5所示。
霍尔元件检测的到得电流经放大滤波后输入8097内部的A/D转换器进行转换处理将模拟反馈信号转换为数字量，由光电脉冲器测得的速度量经由GAL16V8分频、鉴相之后输入微型计算机的HSI单元进行转速测量，而经由可逆计数方式得到的位置反馈数字量，8097内部的HSO单元将通过软件定时器以事件设置方式，确定电流环、速度环、位置环的采样周期并发出相应的中断信号，启动A/D转换器；SIO作为伺服系统给定串行输入通道的接口电路；计数器T2和8254的#2通道一起构成位置反馈通道的位置检测单元。
而8254的#0和#1计数器通道作为PWM信号发生器，在控制输出通道中将数字量的控制信号转换为脉宽调制控制信号。
3.3电源电路设计
本次系统设计的电源模块采用220V交流电，先经变压器降压，然后经过桥式整流再次经电容滤波，最后由7905、7805、7812三端集成稳压管分别得到-5V、+5V、＋12V电压，以此来为整个系统供电。
其原理图如图3.6所示。
图3.6电源电路图
第4章控制算法PID的设计
4.1电流环控制器设计
将电流环按典型I型系统校正，电流调节器应为PI调节器电流环的简化动态结构图如图4.1所示。
按典型I型系统的校正要求参数应选择：
Ti=TL=0.004s，T∑i=Tfi+Ts=0.00075s，阻尼比ξ=0.707，电流环开环截止频率为
（4.1）
由电流环的开环增益KI=ωci，所以电流调节器比例系数为
（4.2）
4.2速度环控制器设计
当速度环截止频率
时，电流环的等效传递函数近似为
（4.3）
将转速环校正成典II型系统，设其传递函数为
（4.4）
ST=Kn（1+
）
则速度环的简化动态结构图如图4.2所示。
速度环控制器的参数选择：
电流环等效惯性时间常数为2TΣi=0.0015s，速度反馈回路的滞后时间Tfn约为0.001s，速度环的小时间常数为TΣn=2TΣi+Tfn=0.0025s。
按跟随性能和抗干扰性能要求，取中频宽h=5，则积分时间常数为Tn=hTΣn=0.0125s。
速度环开环增益为
（4.5）
速度调节器比例系数为
（4.6）
4.3位置环控制器设计
系统设计要求伺服系统能准确、无超调定位，则位置环只能按照典型I型系统来校正[13]。
经PI调节器校正后的速度内环可等效为一惯性环节1/（1+TMs），则位置调节器为比例调节器。
位置环的简化动态结构图如图4.3所示，KJ为单位换算系数，当速度的单位是r/min，位置输出的单位为脉冲数时，KJ=1000/6。
位置环控制器参数选择：
取阻尼比ξ=1时，典型I型系统阶跃响应无超调，则伺服系统定位无超调。
位置环的开环截止频率为：
ωcp=1/4TM≈3.57s-1（4.7）
位置环的开环增益：
KP=ωcp=KpKJ，位置环的调节器比例系数：
Kp=ωcp/KJ≈0.0214。
（4.8）
4.4采样周期选择
位置环的开环截止频率ωcp=3.57s-1，选取位置环的采样角频率ωsp=35.7s-1,得位置环的采样周期Tp=0.176。
以上对各个控制闭环的采样周期进行的选择，只是确定了它们能保证一定控制性能指标的大致范围。
我们取的采样周期为TI=0.5ms，TN=1ms，Tp=4ms。
4.5控制算式和运算流程图
电流环数字数字控制算式求取如下，将式（4.1）写成微分方程形式：
（4.9）
（4.10）
选定的采样周期TI，将上述方程离散成差分方程式。
Uc（k）=Ki′ei（k）-Kiei（k-1）+Uc（k-1）
式中Ki′=（1+TI/Ti）Ki，将各个参数带入式中得，
（4.11）
Uc（k）=1.46ei（k）-1.3ei（k-1）+Uc（k-1）
上式（5.9）即为可供编程的电流控制器算式，它是全量输出，输出对应着线性关系，PWM控制信号的占空比。
Uc（k）在初始状态为1000，即Uc（0）=1000。
同理，可导出速度控制器算式为
（4.12）
Ugi（k）=Kn′en（k）-Knen（k-1）+Ugi（k-1）
（4.13）
式中Kn=（1+TN/Tn）Kn，将各个参数代入式中得
Ugi（k）=7.344en（k）-6.8en（k-1）+Ugi（k-1）
式（5.11）也是全量输出，Ugi（k）对应着采样时刻电流控制回路的数字给定输入值。
此处，Ugi的初始状态为Ugi（0）=512。
位置环控制算法为P调节器，则有
（4.14）
Ugn（k）=Kpep（k）=0.0214ep（k）
其中Ugn（k）也是全量输出，它对应速度环的数字给定值。
由式（4.8）、（4.10）、（4.11）可编制电流环速度环和位置环控制器的算法程序。
第5章系统软件设计
主程序模块的任务是对SIO中断服程序接收到得数据进行处理：
解释、分析和执行微型计算机送来的指令；根据指令要求采集伺服系统的有关信息，并通过串行通信口反馈到上位微型计算机中。
主程序模块的流程图如图5.4所示。
其中的握手是指伺服系统和上位微型计算机之间通过串行通信取得相互认可的联系[15]。
而自动跟踪是伺服系统的一种运行状态，进入这种状态后，上位微型计算机送来的数据是伺服系统的位置给定偏移量，它以字为单位，在位置给定寄存器上累加。
该系统的电流环控制设计精度基本达到准确。
由于条件限制及客观因素的影响，使得测试结果与预想值出现误差，但是误差较小且在允许范围内，所以从整体上来说本次系统设计基本成功。
第6章总结
本次设计以微型计算机8097为核心元件，采用算法PID来设计三环全数字式控制器以此来实现对系统的自动控制。
在本次设计中选择霍尔元件做为电流检测传感器，将测得的弱电流信号经过放大电路、A/D电路处理转换成数字信号送入CPU8097内；同理光电脉冲发生器作为速度和位置的检测传感器，将测得的系统的转速和位置电信号经光电隔离PC900和可编程门阵列电路GAL16V8转化成相应的脉冲信号送入微型计算机内。
此次设计通过软件控制来确定电流环、速度环、位置环的工作方式，而且通过改变设定值达到改变受控对象的电流、速度和位置从而达到自动控制被控对象的目的。
此外，本次设计将上位微型计算机和伺服系统实现了通信联系，不仅可以通过上位微型计算机给伺服系统发送各种各样的运行命令，还可以随时修改伺服系统的参数，显示其运行过程中的状态变量，为系统调试提供了极大的方便。
本设计电路不仅结构简单可实现复杂的控制，而且控制精度高还能提高控制的灵活性和适应性。
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[5]Smithm Johns．ApplicationSpecificIntegratedCircuits．AddisonGeneva：
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附录1:
器件元件明细表
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