直流伺服电机调速系统

1、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勺分频鉴相得到速反馈量，同时与8097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

2、微型计算机对电流环、速度环和位置环的控制。 关键词：微型计算机， 8097 ， HIS ， 8254， PIDABSTRACTThis 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 filter

3、ed 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

4、frequency 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 positio

5、n 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 thecurrent loop, velocity loop and position loop.KEY WORD：SMicrocomputer ， 8097， HI

6、S， 8254， PID目录摘 要 0ABSTRACT 0第 1 章 绪论 0第 2 章 系统方案设计 02.1 设计要求 02.2 方案论证 02.3 方案选择 2第 3 章 系统硬件电路设计 23.1 微型计算机 8097 23.1.1 8097 的概述 23.1.2 变T法速度检测 33.2 输入输出通道设计 53.2.1 电流反馈通道 53.2.2 转速反馈通道 53.2.3 位置反馈通道 63.2.4 伺服系统给定输入通道 73.3 电源电路设计 7第 4 章控制算法 PID 的设计 84.1 电流环控制器设计 84.2 速度环控制器设计 94.3 位置环控制器设计 104.4 采样

7、周期选择 114.5 控制算式和运算流程图 11第 5章 系统软件设计 12第 6章 总结 14参考文献 15附录 1 :器件元件明细表 16附录 2: 电路原理图 16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，能在很宽的围平滑调 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

8、优点，又具有直流电动机的运行效率高、调速性 能好的特点， 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

9、、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 R=24 Q;电磁时间常数 TI=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PWMto率放大器，此方案系统框图如图 2.1所示图2.1基

10、于8051的系统框图测速发电机光电解码器单片机51 O8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、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 MCS 96系列的8097作为微处理

11、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所示显示模块显示计数器8254 PWMH算放大电路电机信号检测 8097光电隔离PG图2.2系统整体框图intel MCS 96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

12、隔离器和可编程门阵列电路GAL16V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

13、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, 片单通道高速 光隔离器 PC900。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。EocACH. 5/P

14、O. 5s 05 二£二 o .g、0 占£/" g .od/gIs -5I 5叱 I sy I 5VI 5* SY'Is 医)/気 (亘丟邑旨一ACIL 1/PO* 4ANGDVniiVEXTINT/P2.2RESETHSlRXD/P2TXD/P2PlPlPJ PlPl0Q140USl. 1HSO. 4/HSI. 2121 2122232425MCS9668脚8097顶视5755515352515049481746IBA)7/P：k 7ADW/P4, 0AIW/P3. 02$洱 29 30 31 32 33 34 35 36 3

15、7 38 39 40 4 J 421AD15/ n. 7T2CLK/P2. 3一:S一 一运9艮dL M二 dS一0 g二运.>=至SSN 區/ (嗟 郭 一?|一图3.18097管脚结构图在本系统中，我们将要用到的8097片资源有：10位单极性A/D转换器、高速输 入单元HIS、高速输出单元HSQ串行通信口 SI0、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；HS0各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；SI0作为伺服系统给定串行输入通道的

16、接口电路；计数器T2和8254的#0和#1计数器通道作为PWM&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

17、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在一定围变化。 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 HSIO, 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1/4，1/2，1, 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

18、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 S <1/ ，则脉冲周 期的最小值Tmin>24 (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 10X 2m-1< n 10X 2m 时K=(1/4) X2m (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

19、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。7bit图3.2 HIS的结构图3.2输入输出通道设计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50Q,是霍尔元件的负载电阻，R2=10KQ，远大于R1

20、, 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，变化围在土 20A之，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。

21、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1023=(20A)(20A) =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。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GAL16V昏口 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勺分频、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防止电磁图干扰影响流反

22、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PC90Q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

23、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Q，T2对所有的4A脉冲信号计数，则电动机正转时，Q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位置偏移量为 P(k)= T2(k)-2 T1(k)(

24、3.2)其中， T2(k)和厶T1(k)分别为T2、T1在一个位置环采样周期的计数值。系统的绝对位置反馈量为k(3.3)P(k)= P(i)i 1324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。*3上位机o klc2 klc1klc9AG+AGQuo*2 8254*1PWM电路f123-UXDYX*5709bp

25、672PclkoutA/DP2.6T2CLKHIS0HIS1HIS2HIS3号转换、*8*72A |Q AAA2GAL16V8 卫4*9PC900光耦隔-FG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

26、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!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。J121CoN2GNDC21043Vout4-VCC5VTVCC5VP112200uf104I

27、 C13 I C14 104L- C11C12-r 104-1-104Header 5VCC12V P3GND104VCC-5vP2OUTIN213A4790512345电源模块VCC-5vHeader 5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，TE i=Tfi+Ts=0.00075s，阻尼比E =0.707，电流环开环截止频率为667s(4.1)由电流环的开环增益Kl=® ci，所以电流调节器比例系数为

28、Ki3ciTi R667 0.004 2.4Ks a0.2 24.61.3Ugi/a图4.1电流环简化动态结构图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2T ziia S1/aUgi S 1 2TzS将转速环校正成典II型系统，设其传递函数为1ST=K（1+ 丄）Tn s(4.3)(4.4)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2Tzi=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 Tzn=2Tz.+Tfn=0.0025s。按跟 随性能和抗干扰性能要求，取中频宽 h=5,则积

29、分时间常数为Tn=hTzn=0.0125s。速度 环开环增益为Knh 12h2T|770s(4.5)速度调节器比例系数为Kn KNTnCeTm6.8i.图4.2速度环的简化动态结构图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环可等效为一惯性环节 1心+T Ms)，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，K)=1000/6。图4.3位置环简化动态结构图位置环控制器参数选择：取阻尼比 E =1时，典型I型系统阶跃

30、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：3 cp=1/4TM 3.57s-1(4.7)位置环的开环增益：KP=3 cp=KpKJ位置环的调节器比例系数：Kp=3 cp/KJ 0.0214。(4.8)4.4采样周期选择位置环的开环截止频率 3 cp=3.57s-1，选取位置环的采样角频率 3 sp=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围。我们取的采样周期为Ti=0.5ms, TNFlms Tp=4ms4.5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

31、微分方程形式：(4.9)(4.10)(4.11)1 tUc(t) Ki ei(t) 0ei(t)dtTI选定的采样周期T，将上述方程离散成差分方程式。U(k)=Ki'ei(k)-K ie(k-1)+U c(k-1)式中K '=(1+Ti/Ti)Ki，将各个参数带入式中得，UL(k)=1.46e i(k)-1.3e i(k-1)+U c(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,即卩Uc(0)=1000。同理，可导出速度控制器算式为Ugi(k) = Kn' en(k)-K

32、nen(k-1) + U gi(k-1)( 4.12)式中K1=(1+TNTn)Kn,将各个参数代入式中得ugi (k)=7.344e n(k)-6.8e n(k-1)+U gi(k-1)( 4.13)式(5.11)也是全量输出，Ui(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 Ui(0)=512。位置环控制算法为P调节器，则有U?n(k)=K pep(k)=0.0214e p(k)( 4.14)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