直流伺服电机调速系统三闭环.docx

1、直流伺服电机调速系统三闭环 摘 要本设计以微型计算机8097为主控器，采用PID算法设计三环全数字式控制器。在本次设计中选择霍尔元件做为电流检测传感器，将检测到的弱电信号通过运算放大器LF356组成的两级放大电路放大滤波后，输入8097内部的A/D转换电路转换进而得到电流反馈量；光电脉冲发生器作为速度检测传感器以及位置传感器，通过光电隔离器PC900和GAL16V8的分频鉴相得到速反馈量，同时与8097内部的计数器和计数器8254结合以可逆计数方式得到位置反馈量；通过软件设置电流环、速度环和位置环的工作方式。此外，采用串口通信使伺服系统与上位微型计算机实现通信联系以发送各种运行指令，最终实现微

2、型计算机对电流环、速度环和位置环的控制。关键词：微型计算机， 8097， HIS， 8254， PID ABSTRACT This design adopts the micro-computer 8097 as the main component, and chooses the PID algorithm to design. Hall element as a current detection sensor will get weak signals in the design. Then the weak signals will be amplified and filtered

3、 through the amplifier circuit which constructed by LF356 , and imports 8097-internal A/D converter circuit to switch so that get the feedback signal of current .As speed detection sensors and position sensors, the optical pulse generator through the optical isolator PC900 and GAL16V8 to division fr

4、equency and phase in order to get the feedback signal of speed .Combined with the 8097 internal counter and the counter 8254 we can get feedback signal of position relying on reversible counting. In this design, we adopt software to set the operation mode of current loop, velocity loop and position

5、loop work. In addition, we used the serial communication to set up the communications between system and upper monitor in order to send a variety of operating instructions, and ultimately system achieved control of the current loop, velocity loop and position loop. KEY WORDS：Microcomputer， 8097， HIS

6、， 8254， PID 目录摘 要 IABSTRACT I第1章 绪论 1第2章 系统方案设计 12.1 设计要求 12.2 方案论证 12.3 方案选择 3第3章 系统硬件电路设计 33.1 微型计算机8097 33.1.1 8097的概述 33.1.2 变T法速度检测 43.2 输入输出通道设计 63.2.1 电流反馈通道 63.2.2 转速反馈通道 73.2.3 位置反馈通道 73.2.4 伺服系统给定输入通道 83.3 电源电路设计 9第4章控制算法PID的设计 94.1 电流环控制器设计 94.2 速度环控制器设计 104.3 位置环控制器设计 114.4 采样周期选择 124.5

7、控制算式和运算流程图 12第5章 系统软件设计 13第6章 总结 15参考文献 16附录1:器件元件明细表 17附录2:电路原理图 17第1章 绪论直流伺服电动机是近几十年来随着电力电子技术的迅速发展而发展起来的一种新型电动机。近些年来，直流伺服控制系统被广泛应用于工业生产，这已经成为自动化领域的一项重要课题。伺服系统在机械制造行业中占据着重要位置，是用得最多最广泛的控制系统1。直流伺服系统的主要优点是控制特性优良，能在很宽的范围内平滑调速，调速比大，起制动性能好，定位精度高。直流伺服电动机既有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具有直流电动机的运行效率高、调速性能好的特点

8、，故在当今国民经济中直流伺服系统广泛应用于轧钢机及其辅助机械、造纸机、金属切割机床等众多自动控制中的各个领域2。伺服系统尤其在机械制造行业中占据着主导位置，同时也是应用的最为普遍的控制系统，到目前为止直流伺服仍占据着主要地位3。第2章 系统方案设计2.1 设计要求本次设计的主要对象是一个直流伺服系统，目的是为某生产机械设计一个调速性能好、起制动性能好、定位准确且定位过程无超调的直流伺服系统，且拟定该伺服系统由大功率晶体管脉宽调制放大器给电动机供电，控制方式为三环全数字式即电流环控制器运算、速度环控制器运算、位置环控制器运算。现已知系统中直流电动机额定转速ne=1000r/min；电枢回路总电阻

9、R=2.4；电磁时间常数Tl=0.004s；机电时间常数Tm=0.07s。2.2 方案论证本系统设计为采用PID算法设计三环全数字式控制方式，要求微型计算机完成电流环控制器运算、速度环控制器运算、位置环控制器运算，以及对它们相应反馈信号的采样和数字信号处理。方案一：选用8051单片机作为控制器，以测速发电机作为速度反馈元件，以光电解码为角位置反馈元件，霍尔元件作为检测电动机电枢电流的传感器，驱动装置为大功率晶体管PWM功率放大器，此方案系统框图如图2.1所示。速度检测元件采用测速发电机，它把转速换成电压后，再由A/D转换器转换成数字信号，输入微型计算机8051；霍尔元件检测到得弱电流信号经转换

10、、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。光电解码是将由直流伺服电机带动的单片机处理给定量和上面检测元件的测量量的偏差处理后输出信号，经D/A转换器把数字信号转变为模拟电压，再经放大器放大后，去控制PWM功率放大器工作，进而控制直流电机向着预定的方向转动。方案二：采用intel MCS96系列的8097作为微处理器外，采用霍尔元件作为检测电动机电枢电流的传感器，光电脉冲信号发生器作为速度反馈测量元件和数字式角位移传感器。此方案的系统框图如图2.2所示。 显示模块显示单片机8097电机PWM运算放大电路计数器8254信

11、号检测PG光电隔离 图2.2 系统整体框图intel MCS96系列的8097是16位高性能单片机，有着很强的数据处理能力和丰富的外部信号处理资源，其内部包含有A/D转换电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、显示驱动电路等所以系统设计的绝大部分控制任务由它承担。霍尔元件检测到电枢电流反馈信号经滤波放大后输入微型计算机8097，光电脉冲发生器作为速度和位置测量器件将所测得的信号输入光电隔离器和可编程门阵列电路GAL16V8进行分频和鉴相，然后输入微型计算机进行分析、处理。2.3 方案选择 为使本次的系统最终设计结构更加优化简单，可靠性更强，精度更精确，现将三种方案做如下比较。第一种方案：该方案以单

12、片8051为主控器，采用测速发电机作为速度检测传感器来获取转速反馈信号，采用这种方案的缺点是测速发电机本身存在死区和非线性以及A/D转换、滤波电路将带来误差和时滞。第二种方案：该方案是由微型计算机8097及可编程计数器8254和可编程门列阵电路组成，此方案不仅具有很强的数据处理能力和精确的运算精度，而且还能使系统设计中硬件结构变得更加简单，可靠性更强。经过以上比较，本次设计采用第二种方案。第3章 系统硬件电路设计本次系统设计除了以 8097 单片机控制器为主要元件外，还包括1片可编程计数器8254，1片可编程门阵列电路GAL16V8，两个运算放大器LF356，一片单通道高速光隔离器PC900。

13、3.1 微型计算机80973.1.1 8097的概述MCS-96系列单片机是目前性能较高的单片机系列产品之一，主要应用领域有：工业控制、仪器仪表、电信技术、办公自动化和计算机外部设备、汽车和节能、制导和导航等。而MCS-96系列单片机中的8097型号的产品特别适用于数据采集系统，控制系统和智能仪器系统等应用领域。图3.1 8097管脚结构图在本系统中，我们将要用到的8097片内资源有：10位单极性A/D转换器、高速输入单元HIS、高速输出单元HSO、串行通信口SIO、计数器T1、T2等。A/D转换器将电流反馈通道中模拟反馈信号转换为数字量；HIS作为速度反馈通道的数字式测速单元；HSO将通过软

14、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#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PWM控制信号。我们选用8097单片机根据其特点充分利用8097单片机资源，使得系统设计得到进一步的简化。3.1.2 变T法速度检测根据HIS的功能特点用HIS作为T法测量转速的部件，HIS结构图如图3.2所示。本次设计中将光电脉冲发生器测得的A、B两脉冲的不同分频信号分别连接到HIS的四个输入通道，当转速变化时，HIS选取不同的分频信号进行T法转

15、速测量，就可以克服T法测量转速的局限性，这也正是变T法的思路2。电动机转速n与A、B两脉冲周期T成反比，在对T的测量分辨率一定的条件下，T越小，n的测量精度越低。为了保证一定的测速精度和单位时间进入HIS的事件数量，当转速n升降时，进入HIS的分频信号的分频数K也要相应增大或减小，使进入HIS的脉冲周期T在一定范围内变化。若将A、B相脉冲的2倍频信号2A、A相脉冲信号A、A相脉冲的2分频信号A/2、4分频信号A/4、分别连到HIS的四个输入端口HSI0，HSI1，HSI2，HSI3，再通过对HIS事件形式的选择(正跳和负跳作为一个事件、每8个脉冲作为一个事件)和输入通道选择，可以得到分频数1/

16、4，1/2，1，2，4，8，16，32的分频信号。在系统控制程序的协调作用下，分频数K自动跟踪转速n的升降而增大和减小。本次系统设计中光脉冲发生器的刻度位2500/转，当转速n=1r/min时，1/4分频信号的周期T为6ms，转速n(r/min)分频数K，分频信号脉冲周期T(ms)之间的关系式为n=24K/T (3.1)HIS对T的测量分辨率为2us，若要求速度测量的最低分辨率2（us）。根据对系统速度的测量值精度和实时性要求的综合考虑，设定当102m-1n102m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

17、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50，是霍尔元件的负载电阻，R2=10K，远大于R1，C1、C2为滤波电容。由于运算放大器AM

18、1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102

19、3，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 = =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

20、、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10

21、000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 P(k)=T2(k)-2T1(k) (3.2)(3.3)其中，T2(k) 和T1

22、(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3.5 8097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

23、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

24、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，Ti=Tfi+Ts=0.00075s，阻尼比 =0.707，电流环开环截止频率为（4.1） 由电流环的开环增益KI=ci，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

25、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2Ti=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Tn=2Ti+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=hTn=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

26、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=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： cp=1/4TM3.57s-1 (4.7)位置环的开环增益：KP=cp=KpKJ，位置环的调节器比例系数： Kp=cp/KJ0.0214。 (4.8)4.4 采样周期选择位置环的开环截止频率cp=3.57s-1，选取位置环的采样角频率sp=35.7s-1,得位置环的采样周期Tp=0.176。以上对各个控制闭

27、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)=Kiei(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。

28、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)=Knen(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)、(

29、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

30、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

31、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。参考文献1赖寿宏微型计算机控制技术M北京：机械工业出版社，2008，5：196-2072胡汉才单片机原理及其接口技术（第三版）M北京：清华大学出版社，2010，5：421-4353朱慧明， 张爱武，高洪霞基于单片机的直流伺服电机转速控制实验系统山东建材学院学报，2005，13(2)：169- 1714王喜明，高伟单片机对直流伺服电机控制的研究M精密机械研究及应用，2010，(6)：1-25 SmithmJohnsApplication Specific Integrated CircuitsAddison Geneva：WHO，2008，25-36 附录1:器件元件明细表表1 元器件明细表序号器件名称数量