電機(jī)與運(yùn)動控制系統(tǒng)

1、青島理工大學(xué)自動化工程學(xué)院電機(jī)與運(yùn)動控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報告題目：某金屬切削加工微機(jī)控制直流伺服三環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)專 業(yè) 自動化 班 級 自動化143班 姓 名 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 趙宏才 2017 年 6 月 28 日成績評語電機(jī)與運(yùn)動控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、設(shè)計(jì)題目 題目5：某金屬切削加工微機(jī)控制直流伺服三環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)二、目的意義直流傳動系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是控制特性優(yōu)良，能在很寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)速，調(diào)速比大，起制動性能好，定位精度高。本課程設(shè)計(jì)是自動化專業(yè)學(xué)生在學(xué)完專業(yè)課程“電機(jī)與運(yùn)動控制系統(tǒng)”之后進(jìn)行的一項(xiàng)實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。通過此環(huán)節(jié)，使學(xué)生能結(jié)合已完成的基礎(chǔ)課、技術(shù)基礎(chǔ)課和專業(yè)課對“電機(jī)與運(yùn)動控制系統(tǒng)”課

2、程的主要內(nèi)容進(jìn)行較為綜合的實(shí)際運(yùn)用，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)的理論知識解決實(shí)際設(shè)計(jì)問題的能力，初步掌握設(shè)計(jì)的方法和步驟，增強(qiáng)獨(dú)立查閱資料、分析問題和解決問題的能力，以及刻苦鉆研的工作作風(fēng)和嚴(yán)肅認(rèn)真的工作態(tài)度。為畢業(yè)設(shè)計(jì)和將來從事實(shí)際工作奠定基礎(chǔ)。三、電動機(jī)參數(shù)和設(shè)計(jì)要求金屬加工是機(jī)械加工生產(chǎn)的重要領(lǐng)域。工藝上要求電動機(jī)調(diào)速范圍寬、起制動性能好，定位準(zhǔn)確。本課題針對這一生產(chǎn)要求設(shè)計(jì)一套直流伺服控制系統(tǒng)，除前面的要求外，還要求定位過程無超調(diào)。要求采用大功率PWM電源為電動機(jī)供電?？刂品绞讲捎萌]環(huán)（電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)）全數(shù)字式。三閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)中重要的拖動控制系統(tǒng)，應(yīng)用很廣泛。本專業(yè)學(xué)生

3、應(yīng)充分掌握位置速度和電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)構(gòu)成、設(shè)備及器件選擇、參數(shù)整定計(jì)算以及繪制系統(tǒng)電路原理圖等內(nèi)容，并能用先進(jìn)控制器實(shí)現(xiàn)控制策略（一） 基本參數(shù)直流電動機(jī)：額定功率 ，電樞回路總電阻，電動勢系數(shù) （二） 設(shè)計(jì)要求1. 采用三環(huán)全數(shù)字式控制方式，即位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)；由大功率晶體管脈寬調(diào)制放大器給電動機(jī)供電2. 穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：調(diào)速范圍寬D=20、靜差率5%、穩(wěn)態(tài)無靜差、定位無靜差2. 動態(tài)指標(biāo)：起制動性能好、定位過程無超調(diào)量、；理想空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量3.系統(tǒng)具有過流、過壓、過載、過熱保護(hù)四、 設(shè)計(jì)內(nèi)容（一）主回路選擇和計(jì)算1. 選擇整流變壓器包括：選擇整流器（建議選三

4、相全控橋）、變壓器二次電壓計(jì)算、二次相電流和一次相電流計(jì)算、變壓器容量計(jì)算。2功率器件及驅(qū)動器件的選擇3電路保護(hù)環(huán)節(jié)的選擇和計(jì)算（二）輸入輸出通道及其接口設(shè)計(jì)包括：電流反饋通道、轉(zhuǎn)速反饋通道、位置反饋通道； 控制輸出通道、伺服系統(tǒng)給定輸入通道； 微型計(jì)算機(jī)選擇。 （三）系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)控制算法設(shè)計(jì)：電流環(huán)控制器設(shè)計(jì)、速度環(huán)控制器設(shè)計(jì)、位置環(huán)控制器設(shè)計(jì)（四）繪圖畫出控制系統(tǒng)主電路電氣原理圖和和控制電路組成結(jié)構(gòu)圖，采用標(biāo)準(zhǔn)圖紙打印。五、設(shè)計(jì)報告（說明書）要求1. 論述全面，敘述簡潔，層次分明，書寫清楚，圖形、符號、曲線、數(shù)據(jù)等符合規(guī)范；2. 有完整的設(shè)計(jì)說明、計(jì)算過程和系統(tǒng)工作原理；3. 圖紙清晰，

5、規(guī)范，使用標(biāo)準(zhǔn)A×號圖紙；4. 封面、任務(wù)書、圖紙、須打?。徽n設(shè)報告摘要、正文、參考文獻(xiàn)可手寫或打印，統(tǒng)一為A4紙；5. 報告字?jǐn)?shù)不少于4000字(不含圖紙)。中文摘要（200字左右），英文摘要、關(guān)鍵字（3個），列出參考文獻(xiàn)（格式規(guī)范）；6. 裝訂：頁面左側(cè)裝訂。裝訂順序：封面，任務(wù)書，中、英文摘要，目錄，正文，參考文獻(xiàn)，附錄1：電氣元器件明細(xì)表，附錄2：控制系統(tǒng)主電路電氣原理圖，附錄3：控制電路組成結(jié)構(gòu)原理圖。六、設(shè)計(jì)時間和選題安排20162017學(xué)年 第2學(xué)期 第17周注：學(xué)號尾數(shù)為4、9的同學(xué)選該題 2017-6-16基于微機(jī)控制直流伺服三環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要設(shè)計(jì)以微型計(jì)算機(jī)80

6、97為主控器，采用PID算法設(shè)計(jì)三環(huán)全數(shù)字式控制器。在本次設(shè)計(jì)中選擇霍爾元件做為電流檢測傳感器，將檢測到的弱電信號用過運(yùn)算放大器LF356組成的兩級放大電路放大濾波后，輸入8097內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換進(jìn)而得到電流反饋量，光電脈沖發(fā)生器作為速度檢測傳感器以及位置傳感器，通過光電隔離器PC900和GAL16V8的分頻鑒相得到速度反饋量，同時與8097內(nèi)部的計(jì)時器和計(jì)數(shù)器8254結(jié)合以可逆計(jì)數(shù)方式得到位置反饋量，通過軟件設(shè)置電流環(huán)，速度環(huán)和位置環(huán)的工作方式。此外，采用串口通信使伺服系統(tǒng)與上位微型計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)通信聯(lián)系以發(fā)送各種運(yùn)行指令，最終實(shí)現(xiàn)微型計(jì)算機(jī)對電流環(huán)，速度環(huán)和位置環(huán)的控制。關(guān)鍵字: 微型

7、計(jì)算機(jī)，8097，三閉環(huán)，PIDABSTRACTDesign with microcomputer 8097 as the master controller, the PID algorithm three-ring full digital controller is designed. Selection of hall element in the design as current sensor, used to detect the weak current signal two-stage amplifier circuit composed of operational amp

8、lifiers LF356 after amplification filter, enter 8097 internal A/D conversion circuit current feedback is obtained, the photoelectric pulse generator as speed detection sensor and position sensor, through the optoelectronic isolator PC900 and GAL16V8 frequency phase velocity feedback, at the same tim

9、e to the counter and within the 8097, 8254, combine with reversible counting way get position feedback, through the software set up the current loop, velocity loop and position loop way of working. In addition, the use of servo system and the upper microcomputer serial communication for all correspo

10、ndence to send operation instruction, finally realizes the microcomputer for the current loop, speed loop and position loop control. Key words: microcomputer,8097,three closed loop,PID目錄摘 要ABSTRACT.1緒論. . . . . . . . . .62 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 72.1 設(shè)計(jì)要求72.2 方案論證72.2.1方案一82.2.2 方案二92.3 方案選擇9 2.4 主回路選擇和計(jì)算10 2.4.1選擇

11、整流變壓器10 2.4.2功率器件及驅(qū)動器件的選擇10 2.4.3電路保護(hù)環(huán)節(jié)的選擇和計(jì)算102.5輸入輸出通道及其接口設(shè)計(jì) 103 微型計(jì)算機(jī)選擇及系統(tǒng)原理組成113.1控制器的選擇 113.1.1 輸入輸出通道及接口設(shè)計(jì) 123.1.2速度環(huán)控制器設(shè)計(jì) 133.1.3位置環(huán)控制器設(shè)計(jì)144 控制算法PID的設(shè)計(jì)154.1 電流環(huán)控制器設(shè)計(jì)164.2 速度環(huán)控制器設(shè)計(jì)164.3 位置環(huán)控制器設(shè)計(jì)175 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)206 參考文獻(xiàn)217 附錄22附錄一：電氣元部件明細(xì)表22附錄二：圖紙目錄231 緒論 傳統(tǒng)的直流電機(jī)以其優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩特性和調(diào)速性能在運(yùn)動領(lǐng)

12、域中有著廣泛的應(yīng)用，但機(jī)械電刷卻是它的致命弱點(diǎn)。伺服控制直流電動機(jī)就是為了既要保持有刷直流電動機(jī)的特性、又要革除電刷和換向器的目的研究開發(fā)的。控制系統(tǒng)中的執(zhí)行電動機(jī)應(yīng)該具有下列優(yōu)點(diǎn):快速性、可控性、可靠性、體積小、重量輕、節(jié)能、效率高、適應(yīng)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)性。下面將就這些方面具體分析伺服控制直流電動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)所在。  為了實(shí)現(xiàn)快速的起、停、加速、減速，要求電動機(jī)具有小的轉(zhuǎn)動慣量和大的起動轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩，伺服控制直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)子主要是由永磁材料構(gòu)成的磁極體組成，電樞繞組在定子上，因而轉(zhuǎn)子外徑可以相對較小，轉(zhuǎn)子慣量也就較小;轉(zhuǎn)矩方面，只有直流電動機(jī)才能達(dá)到大的起動轉(zhuǎn)矩和大的最大轉(zhuǎn)矩，而伺服控制直

13、流電動機(jī)具有直流電動機(jī)的特性，起動轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩都較大。這使得它具有快速性的特點(diǎn)。  在可控性方面，直流電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和繞組流過的電流成線性關(guān)系，直流電動機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩又大，因此可控性最好、最方便。伺服控制直流電動機(jī)具有一般有刷直流電動機(jī)的調(diào)速特性，只要簡單地改變電動機(jī)的輸入電壓的大小就可以在廣闊的范圍內(nèi)進(jìn)行無級調(diào)速。  在可靠性方面，消除了電刷，也就消除故障的主要根源，伺服控制直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)子上沒有繞組，因而在轉(zhuǎn)子上沒有電的損耗，又由于主磁場使恒定的，因此鐵損也是極小的，總的來說，除了軸承旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生摩擦損耗外，轉(zhuǎn)子方的損耗很小，進(jìn)一步增加了伺服控制直流電動機(jī)工作的可靠性。&

14、#160; 由此可知 ，和其它類型的電動機(jī)相比，伺服控制直流電動機(jī)不僅較為可靠而且損耗較小，它的電樞在定子上，直接和機(jī)殼相連，散熱條件好，熱傳導(dǎo)系數(shù)大。由于這樣的關(guān)系，在相同的條件下，在相同的出力要求下，伺服控制直流電動機(jī)可以設(shè)計(jì)得體積更小，重量更輕。不論是電機(jī)設(shè)計(jì)還是系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高效率、節(jié)約能量都具有重要意義，有著長遠(yuǎn)的社會、經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)報道，美國55%以上的電力是消耗在電動機(jī)的運(yùn)行上，美國GE公司曾預(yù)測，僅在制冷器具的應(yīng)用中，若用伺服控制電機(jī)取代傳統(tǒng)的異步電動機(jī)，其效率可提高20%，全美國一年可節(jié)約用電2.2MkWh。而異步電動機(jī)運(yùn)行在輕載時功率因素低，增加線路和電網(wǎng)的損耗，根據(jù)

15、有關(guān)報道我國消耗在電動機(jī)上的電力占整個電力的65%以上。因此，提高電動機(jī)的效率，選擇損耗最小、效率最高的電機(jī)是很重要的。從以上的分析可以看出，相對于其他類型的電機(jī)，伺服控制直流電動機(jī)的損耗最小、節(jié)能效率最高。一份資料作過對比分析，對于7.5kW的異步電動機(jī)系統(tǒng)效率可達(dá)86.4%，但是同樣容量的伺服控制直流電動機(jī)效率可達(dá)92.4%。  在環(huán)境適應(yīng)性方面，對于高性能系統(tǒng)，只能采用直流電動機(jī)，但在同時要求長壽命，免維修以及防爆、防燃的環(huán)境條件下，有刷直流電動機(jī)就無法適應(yīng)，伺服控制直流電動機(jī)才是最好的選擇。  在經(jīng)濟(jì)性方面，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子元器件的價格不斷的下降，伺服控制直

16、流電動機(jī)驅(qū)動、控制器的價格己經(jīng)和異步機(jī)的變頻器相差不多了，只是由于稀土永磁材料的價格較貴，伺服控制直流電動機(jī)的成本也較高.但是在考慮綜合指標(biāo)(系統(tǒng)性能、重量、能量消耗)之后，伺服控制直流電動機(jī)的應(yīng)用仍呈上升趨勢。2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)2.1 設(shè)計(jì)要求 本次設(shè)計(jì)的主要對象是一個直流伺服系統(tǒng)，目的是為某生產(chǎn)機(jī)械設(shè)計(jì)一個調(diào)速性能好、起制動性能好、定位準(zhǔn)確且定位過程無超調(diào)的直流伺服系統(tǒng)，且擬定該伺服系統(tǒng)由大功率晶體管脈寬調(diào)制放大器給電動機(jī)供電，控制方式為三環(huán)全數(shù)字式即電流環(huán)控制器運(yùn)算、速度環(huán)控制器運(yùn)算、位置環(huán)控制器運(yùn)算?，F(xiàn)已知系統(tǒng)中直流電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速ne=1000r/min；電樞回路總電阻R=2.4；電磁時

17、間常數(shù)Tl=0.004s；機(jī)電時間常數(shù)Tm=0.07s。2.2 方案論證運(yùn)動伺服一般都是三環(huán)控制系統(tǒng)，從內(nèi)到外依次是電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)。 如下圖2.1所示 位置調(diào)解速度調(diào)解位置反饋電流反饋電流調(diào)解轉(zhuǎn)換驅(qū)動速度反饋工作臺MG圖2.1傳遞圖 1、首先電流環(huán)：電流環(huán)的輸入是速度環(huán)PID調(diào)節(jié)后的那個輸出，我們稱為“電流環(huán)給定”，然后就是電流環(huán)的這個給定和“電流環(huán)的反饋”值進(jìn)行比較后的差值在電流環(huán)內(nèi)做PID調(diào)節(jié)輸出給電機(jī)，“電流環(huán)的輸出”就是電機(jī)的每相的相電流，“電流環(huán)的反饋”不是編碼器的反饋而是在驅(qū)動器內(nèi)部安裝在每相的霍爾元件（磁場感應(yīng)變?yōu)殡娏麟妷盒盘枺┓答伣o電流環(huán)。

18、   2、速度環(huán)：速度環(huán)的輸入就是位置環(huán)PID調(diào)節(jié)后的輸出以及位置設(shè)定的前饋值，我們稱為“速度設(shè)定”，這個“速度設(shè)定”和“速度環(huán)反饋”值進(jìn)行比較后的差值在速度環(huán)做PID調(diào)節(jié)（主要是比例增益和積分處理）后輸出就是上面講到的“電流環(huán)的給定”。速度環(huán)的反饋來自于編碼器的反饋后的值經(jīng)過“速度運(yùn)算器”得到。   3、位置環(huán)：位置環(huán)的輸入就是外部的脈沖（通常情況下，直接寫數(shù)據(jù)到驅(qū)動器地址的伺服例外），外部的脈沖經(jīng)過平滑濾波處理和電子齒輪計(jì)算后作為“位置環(huán)的設(shè)定”，設(shè)定和來自編碼器反饋的脈沖信號經(jīng)過偏差計(jì)數(shù)器的計(jì)算后的數(shù)值在經(jīng)過位置環(huán)的PID調(diào)節(jié)（

19、比例增益調(diào)節(jié)，無積分微分環(huán)節(jié)）后輸出和位置給定的前饋信號的合值就構(gòu)成了上面講的速度環(huán)的給定。位置環(huán)的反饋也來自于編碼器。編碼器安裝于伺服電機(jī)尾部，它和電流環(huán)沒有任何聯(lián)系，他采樣來自于電機(jī)的轉(zhuǎn)動而不是電機(jī)電流，和電流環(huán)的輸入、輸出、反饋沒有任何聯(lián)系。而電流環(huán)是在驅(qū)動器內(nèi)部形成的，即使沒有電機(jī)，只要在每相上安裝模擬負(fù)載（例如電燈泡）電流環(huán)就能形成反饋工作。為此共有以下設(shè)計(jì)將方案可供選擇：2.2.1方案一：方案一：選用8051單片機(jī)作為控制器，以測速發(fā)電機(jī)作為速度反饋元件，以光電解碼為角位置反饋元件，霍爾元件作為檢測電動機(jī)電樞電流的傳感器，驅(qū)動裝置為大功率晶體管PWM功率放大器，執(zhí)行電機(jī)為直流伺服電

20、機(jī)，此方案系統(tǒng)框圖如圖2.2所示。單片機(jī)8051 光電解碼器測速發(fā)電機(jī)MPWM功放D/AA/D 圖2.2 基于8051的系統(tǒng)框圖速度檢測元件采用測速發(fā)電機(jī)，它把轉(zhuǎn)速換成電壓后，再由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，輸入微型計(jì)算機(jī)8051；霍爾元件檢測到得弱電流信號經(jīng)轉(zhuǎn)換、濾波、放大后變成與電樞電流成比例的0-5V的直流電壓信號，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路，將模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，輸入微型計(jì)算機(jī)；角度反饋元件光電解碼把角度轉(zhuǎn)換成數(shù)字量直接輸出，送入單片機(jī)測速發(fā)電機(jī)。光電解碼是將由直流伺服電機(jī)帶動的單片機(jī)處理給定量和上面檢測元件的測量量的偏差處理后輸出信號，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器把數(shù)字信號轉(zhuǎn)變?yōu)槟M電壓，再經(jīng)放大器放大

21、后，去控制PWM功率放大器工作，進(jìn)而控制直流電機(jī)向著預(yù)定的方向轉(zhuǎn)動。2.2.2 方案二：采用intel MCS96系列的8097作為微處理器外，采用霍爾元件作為檢測電動機(jī)電樞電流的傳感器，光電脈沖信號發(fā)生器作為速度反饋測量元件和數(shù)字式角位移傳感器。此方案的系統(tǒng)框圖如圖2.3所示。 2.3 方案選擇為使本次的系統(tǒng)最終設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化簡單，可靠性更強(qiáng)，精度更精確，現(xiàn)將三種方案做如下比較。 圖2.3 結(jié)構(gòu)框圖第一種方案：該方案以單片8051為主控器，采用測速發(fā)電機(jī)作為速度檢測傳感器來獲取轉(zhuǎn)速反饋信號，采用這種方案的缺點(diǎn)是測速發(fā)電機(jī)本身存在死區(qū)和非線性以及A/D轉(zhuǎn)換、濾波電路將帶來誤差和時滯。第二種方

22、案：該方案是由微型計(jì)算機(jī)8097及可編程計(jì)數(shù)器8254和可編程門列陣電路組成，此方案不僅具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力和精確的運(yùn)算精度，而且還能使系統(tǒng)設(shè)計(jì)中硬件結(jié)構(gòu)變得更加簡單，可靠性更強(qiáng)。經(jīng)過以上比較，本次設(shè)計(jì)采用第二種方案。2.4 主回路選擇和計(jì)算電機(jī)驅(qū)動電路選擇選擇H橋?yàn)殡姍C(jī)驅(qū)動。2.4.2功率器件及驅(qū)動器件的選擇選擇MOS作為功率器件及驅(qū)動器件。2.4.3電路保護(hù)環(huán)節(jié)的選擇和計(jì)算(1) 交流側(cè)過電壓保護(hù)用阻容保護(hù)(2) 交流側(cè)用壓敏電阻保護(hù)(3) 直流側(cè)過電壓保護(hù)：晶閘管的阻容保護(hù)2.5輸入輸出通道及其接口設(shè)計(jì) 電流反饋通道可由霍爾元件、兩級運(yùn)算放大器和 A/D 

23、 轉(zhuǎn)換器組成。 轉(zhuǎn)速反饋通道由光速電脈沖發(fā)生器，光電隔離器 PC900 、可編程門陣列GAL16V8 和計(jì)數(shù)器、定時器等組成。 位置反饋通道由光電脈沖發(fā)生器、光電隔離器PC900 、可編程門陣列GAL16V8 以及計(jì)數(shù)器 T1和計(jì)數(shù)器 T2組成。 電動機(jī)在一個位置環(huán)采用周期內(nèi)位置偏移量為   控制輸出通道可由 8254 計(jì)數(shù)器的兩個計(jì)數(shù)通道#0計(jì)數(shù)器和#1計(jì)數(shù)器構(gòu)成。     伺服系統(tǒng)給

24、定輸入方式比較簡單的有撥碼開關(guān)、模擬旋鈕和脈沖發(fā)生器等。給定輸入通道由上位微型計(jì)算機(jī)、電平轉(zhuǎn)換電路 MC1488 、MC1489  和串行通信接口電路組成。3 微型計(jì)算機(jī)選擇及系統(tǒng)原理組成3.1控制器的選擇 以合適的微處理器為核心構(gòu)成全數(shù)字式三環(huán)直流伺服系統(tǒng)的控制方案，給出其原理框圖，如圖3.1以8051系列單片機(jī)為控制器等。                   圖3

25、.1 以8086CPU為控制器的三環(huán)伺服控制系統(tǒng)原理圖   圖3.1以8097單片機(jī)為控制器的三環(huán)伺服控制系統(tǒng)原理圖 3.1.1 輸入輸出通道及接口設(shè)計(jì) 1. 電流反饋 電流反饋可由霍爾元件、運(yùn)算放大器和A/D轉(zhuǎn)換器組成。 2. 速度反饋 可采用光電脈沖發(fā)生器加測速度。方法可采用變 T 法速度檢測方式。高速脈沖輸入單元（HSI）是MCS-96 系列單片機(jī)圖3.3  高速脈沖輸入單元HSI結(jié)構(gòu)有特點(diǎn)的內(nèi)部硬件資源。HIS單元的結(jié)構(gòu)如圖3.3所示： 

26、HIS 可以產(chǎn)生三種中斷形式：保持寄存器裝入數(shù)據(jù) ；FIFO有六個事件數(shù)據(jù)信息； HSI0 3. 位置反饋    位置檢測也可由光電脈沖發(fā)生器完成， 三、控制算法設(shè)計(jì) 數(shù)字控制器可以用直接數(shù)字的設(shè)計(jì)方法，也可以用模擬調(diào)節(jié)規(guī)律數(shù)字化 的設(shè)計(jì)方法。由于直流傳動系統(tǒng)的模擬調(diào)節(jié)規(guī)律設(shè)計(jì)方法比較成熟，應(yīng)用方便，在這里我們有后一種方法來設(shè)計(jì)電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)的數(shù)字控制器。 （一）電流環(huán)控制器設(shè)計(jì) 將電流環(huán)按典型I型系統(tǒng)校正，電流調(diào)節(jié)器應(yīng)為 PI 

27、;調(diào)節(jié)器，電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：  電流環(huán)的簡化動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 如下圖3.4 + +圖3.4電流環(huán)傳遞圖3.1.2速度環(huán)控制器設(shè)計(jì) 當(dāng)速度環(huán)截止頻率      時，電流環(huán)的等效傳遞函數(shù)近似為 將轉(zhuǎn)速環(huán)校正成典型型系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器也是 PI調(diào)節(jié)器，設(shè)其傳遞函 數(shù)為  則速度環(huán)的簡化動態(tài)結(jié)構(gòu)圖3.5如圖所示：  圖3.5 速度環(huán)結(jié)構(gòu)圖3.1.3位置環(huán)控制器設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)圖如圖3.6所示： ：

28、60;K1/S1/1+TmSKp U + P - Kp*K1/S（1+TmS）UP - 圖3.6位置環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)電流環(huán)的開環(huán)截止角頻率   ，選取電流環(huán)的采樣角頻率               ，得電流環(huán)采樣周期 ；    速度環(huán)的開環(huán)截止角頻率        ，

29、選取速度角頻率                    ，得速度環(huán)采樣周期 位置環(huán)的開環(huán)截止頻率157.3-，選取位置環(huán)的采樣角頻率 17.35-=w，得位置環(huán)的采樣周期p。4 控制算法PID的設(shè)計(jì)4.1 電流環(huán)控制器設(shè)計(jì)將電流環(huán)按典型I型系統(tǒng)校正，電流調(diào)節(jié)器應(yīng)為PI調(diào)節(jié)器，傳遞函數(shù)為（4.1） 電流環(huán)的簡化動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖5.1所示。按典型I型系統(tǒng)的校正要求參數(shù)應(yīng)選擇：Ti=TL

30、=0.004s，Ti=Tfi+Ts=0.00075s，阻尼比 =0.707，電流環(huán)開環(huán)截止頻率為由電流環(huán)的開環(huán)增益KI=ci，即（4.2）所以電流調(diào)節(jié)器比例系數(shù)為。a/(1+TFis)Ki(1+1/Tis)Ks/(1+Tss)(1/R)/(1+TLs)iauaucugi/a+ _KI/s（1+Tis）iaugi/a+ 圖4.1 電流環(huán)簡化動態(tài)結(jié)構(gòu)圖4.2 速度環(huán)控制器設(shè)計(jì)當(dāng)速度環(huán)截止頻率時，電流環(huán)的等效傳遞函數(shù)近似為（4.3）將轉(zhuǎn)速環(huán)校正成典II型系統(tǒng)，設(shè)其傳遞函數(shù)為（4.4）ST=Kn(1+)則速度環(huán)的簡化動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖4.2所示。速度環(huán)控制器的參數(shù)選擇：電流環(huán)等效慣性時間常數(shù)為2Ti=0.

31、0015s，速度反饋回路的滯后時間Tfn約為0.001s，速度環(huán)的小時間常數(shù)為Tn=2Ti+Tfn=0.0025s。按跟隨性能和抗干擾性能要求，取中頻寬h=5，則積分時間常數(shù)為Tn=hTn=0.0125s。速度環(huán)開環(huán)增益為（4.5）速度調(diào)節(jié)器比例系數(shù)為 Kn(1+1/Tns)(1/a)/(1+2Tis)R/(TnCes)1/(1+Tfns)KN(1+Tns)/s2(1+Tns)nnugnugn+ _+ _iLiaugi+_圖.2 速度環(huán)的簡化動態(tài)結(jié)構(gòu)圖4.3 位置環(huán)控制器設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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

32、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4.3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。KP1/(1+TMs)KJ/s(KpKJ)/s(1+TMs)ugpugp+ _+ _PP圖4.3 位置環(huán)簡化動態(tài)結(jié)構(gòu)圖位置環(huán)控制器參數(shù)選擇：取阻尼比=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：cp=1/4TM3.57s-1,位置環(huán)的開環(huán)增益：KP=cp=KpKJ，位置環(huán)的調(diào)節(jié)器比例系數(shù)：Kp=cp/KJ0.0214。4.4 采樣周期選擇根據(jù)采樣周期的經(jīng)驗(yàn)公式來選擇電流環(huán)、速度環(huán)

33、和的位置環(huán)的采樣周期。其中，為采樣角頻率，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=667s-1，選取電流環(huán)的采樣角頻率si=6670s-1，則可得電流環(huán)采樣周期T1=0.00094s；速度環(huán)的開環(huán)截止角頻率cn=240s-1，選取速度環(huán)采樣角頻率sn=2400s-1，可得速度環(huán)采樣周期TN=0.026s；位置環(huán)的開環(huán)截止頻率cp=3.57s-1，選取位置環(huán)的采樣角頻率sp=35.7s-1,得位置環(huán)的采樣周期Tp=0.176。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)〉牟蓸又芷跒門I=0.5ms，TN=1ms，Tp=4ms。4

34、.5 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（4.1）寫成微分方程形式：（4.6） （4.7）選定的采樣周期TI，將上述方程離散成差分方程式。Uc(k)=Kiei(k)-Kiei(k-1)+Uc(k-1)式中Ki=(1+TI/Ti)Ki，將各個參數(shù)帶入式中得，（4.8）Uc(k)=1.46ei(k)-1.3ei(k-1)+Uc(k-1)上式(5.9)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（4.9）Ugi(k)=Knen(k)-Knen(k-1)+Ugi(k-1)（4.10）式中Kn=(1+TN/Tn)Kn，將各個參數(shù)代入式中得Ugi(k)=7.344en(k)-6.8en(k-1