直流伺服电机调速系统(三闭环)要点

1、 =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

2、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图3.4 光电脉冲发

3、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(3.3)P(k)=3.2.4 伺服系统给定输入通道

4、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，

5、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

6、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） （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）a/(1+Ta/(1+TFis)Ki(1+1/Tis)Ks/(1+Tss)(1/R)/(1+TLs)iauaucugi/a+ _KI/s（1+Tis）iaugi/a+ 图4

7、.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（4.3）（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+)（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）（4.5）速度调节器比例系数为 （4.6）KKn(1+1/Tns)(1/

8、a)/(1+2Tis)R/(TnCes)1/(1+Tfns)KN(1+Tns)/s2(1+Tns)nnugnugn+ _+ _iLiaugi+_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。KKP1/(1+TMs)KJ/s(KpKJ)/s(1+TMs)ugpugp+ _+ _PP图4.3

9、 位置环简化动态结构图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

10、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） （4.9）（4.10）选定的采样周期T（4.10）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)+U（4.11）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)=Knen(k)-Knen(k-1)+U（4.12）（4.

11、13）式中Kn=(1+TN/Tn)K（4.13）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)=0.0214e（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。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；

12、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。系统复位系统复位设置堆栈指针，主程序标志寄存器赋初值初始化8254计数器初始化HIS单元初始化SIO设

13、置A/D工作方式电流调节器赋初值速度调节器赋初值位置调节器赋初值主回路上电，运行？设置中断系统控制字设定软定时，起动电流环主程序模块YN图5.1 初始化程序模块的流程图第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

14、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。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

15、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1微型计算机809712光电隔离芯片PC90013GAL16V814CTR65霍尔电压传感器CHB-300S16825417光电编码器18矩阵键盘19三相变压器110PT10011

16、1780511278122137905114电阻2415电容32附录2:电路原理图图1 主控制电路图2 检测电路附录资料：不需要的可以自行删除常用电工与电子学图形符号序号符号名称与说明1直流 注：电压可标注在符号右边，系统类型可标注在左边2直流 注：若上述符号可能引起混乱，也可采用本符号3交流 频率或频率范围以及电压的数值应标注在符号的右边，系统类型应标注在符号的左边50Hz示例1： 交流 50Hz100600Hz示例2：交流 频率范围100600Hz380/220V 3N 50Hz示例3：交流，三相带中性线， 50Hz， 380V（中性线与相线之间为220V）。3N可用3+ N代替3N 50

17、Hz/TN-S示例4：交流，三相，50Hz，具有一个直接接地点且中性线与保护导线全部分开的系统4低频（工频或亚音频）5中频（音频）6高频（超音频，载频或射频）7交直流8具有交流分量的整流电流注：当需要与稳定直流相区别时使用9N中性（中性线）10M中间线11+正极12-负极13热效应14电磁效应过电流保护的电磁操作15电磁执行器操作16热执行器操作（如热继电器、热过电流保护）17电动机操作18正脉冲19负脉冲20交流脉冲21正阶跃函数22负阶跃函数23锯齿波24接地一般符号25无噪声接地（抗干扰接地）26保护接地27接机壳或接底板28等电位29理想电流源30理想电压源31理想回转器32故障（用以

18、表示假定故障位置）33闪绕、击穿34永久磁铁35动触点注：如滑动触点36测试点指示示例点，导线上的测试37交换器一般符号/转换器一般符号注：若变换方向不明显，可用箭头表示在符号轮廓上38电机一般符号，符号内的星号必须用下述字母代替C同步交流机 G 发电机G8同步发电机 M电动机MG拟作为发电机或电动机使用的电机MS同步电动机 注：可以加上符号或SM伺服电机 TG测速发电机TM力矩电动机 IS感应同步器39三相笼式异步电动机40三相线绕转子异步电动机41并励三相同步变速机42直流力矩电动机步进电机一般符号43电机示例：短分路复励直流发电机示出接线端子和电刷44串励直流电动机45并励直流电动机46

19、单相笼式有分相扇子的异步电动机47单相交流串励电动机48单向同步电动机49单向磁滞同步电动机自整角机一般符号符号内的星号必须用下列字母代替：CX 控制式自整角发送机 CT控制式自整角变压器TX 力矩式自整角发送机 TR 力矩式自整角接收机50手动开关一般符号51按钮开关（不闭锁）52拉拔开关（不闭锁）53旋钮开关、旋转开关（闭锁）54位置开关 动合触点限制开关 动合触点55位置开关 动断触点限制开关 动断触点56热敏自动开关 动断触点57热继电器 动断触点58接触器触点（在非动作位置断开）59接触器触点（在非动作位置闭合）60操作器件一般符号 注：具有几个绕组的操作器件，可由适当数值的斜线或重

20、复本符号来表示61缓慢释放（缓放）继电器的线圈62缓慢吸合（缓吸）继电器的线圈63缓吸和缓放继电器的线圈64快速继电器（快吸和快放）的线圈65对交流不敏感继电器的线圈66交流继电器的线圈67热继电器的驱动器件68熔断器一般符号69熔断器式开关70熔断器式隔离开关71熔断器式负荷开关72火花间隙73双火花间隙74 动合（常开）触点 注：本符号也可以用作开关一般符号75动断（常闭）触点76先断后合的转换触点77中间断开的双向触点78先合后断的转换触点（桥接）79当操作器件被吸合时延时闭合的动合触点80有弹性返回的动合触点81无弹性返回的动合触点82有弹性返回的动断触点83左边弹性返回，右边无弹性返

21、回的中间断开的双向触点84指示仪表的一般符号 星号须用有关符号替代，如A代表电流表等85记录仪表一般符号 星号须用有关符号替代，如W代表功率表等86指示仪表示例：电压表87电流表88无功电流表89无功功率表90功率因数表91相位表92频率表93检流计94示波器95转速表96记录仪表示例：记录式功率表97组合式记录功率表和无功功率表98记录式示波器99电度表（瓦特小时计）100无功电度表101灯一般符号 信号灯一般符号注：如果要求指示颜色则在靠近符号处标出下列字母：RD 红、YE 黄、GN 绿、BU蓝、WH白如要指出灯的类型，则在靠近符号处标出下列字母：Ne氖、Xe氦、 Na钠 、Hg汞、 I碘

22、、 IN白炽、EL电发光、ARC弧光、FL荧光、IR红外线、UV紫外线、LED发光二极管102闪光型信号灯103电警笛 报警器104优选型其它型峰鸣器105电动器箱106电喇叭107优选型其它型电铃108 可调压的单向自耦变压器109 绕组间有屏蔽的双绕组单向变压器110 在一个绕组上有中心点抽头的变压器111 耦合可变的变压器112 三相变压器星形三角形联结113 三相自耦变压器 星形连接114 单向自耦变压器115 双绕组变压器注：瞬时电压的极性可以在形式Z中表示示例：示出瞬时电压极性标记的双绕组变压器流入绕组标记端的瞬时电流产生辅助磁通116 三绕组变压器117 自耦变压器118电抗器

23、扼流圈119优选型其它型电阻器一般符号120可变电阻器 可调电阻器121压敏电阻器、变阻器 注：U可以用V代替122滑线式变阻器123带滑动触点和断开位置的电阻器124滑动触点电位器125优选型 其它型 电容器一般符号 注：如果必须分辨同一电容器的电极时，弧形的极板表示：在圈定的纸介质和陶瓷介质电容器中表示外电极在可调和可变的电容器中表示动片电极在穿心电容器中表示纸电位电极126优选型 其它型 极性电容器127优选型 其它型 可变电容器可调电容器128优选型 其它型 微调电容器129电感器 线圈 绕组 扼流圈130半导体二极度管一般符号131发光二极管一般符号132利用室温效应的二极管 Q可用

24、t代替133用作电容性器件的二极管（变容二极管）134隧道二极管135单向击穿二极管电压调整二极管江崎二极管136双向击穿二极管137反向二极管（单隧道二极管）138双向二极管交流开关二极管139三极晶体闸流管 注：当没有必要规定控制极的类型时，这个符号用于表示反向阻断三极晶体闸流管140反向阻断三极晶体闸流管N型控制极（阳极侧受控）141反向阻断三极晶体闸流管P型控制极（阴极侧受控）142可关断三极晶体闸流管，末规定控制极143可关断三极晶体闸流管 N型控制极 （阳极侧受控）144可关断三极晶体闸流管 P型控制极 （阴极侧受控）145反向阻断四极晶体闸流管146双向三极晶体闸流管三端双向晶体

25、闸流管147反向导通三极晶体闸流管，末规定控制极148反向导通三极晶体闸流管，N型控制极（阳极侧受控）149反向导通三极晶体闸流管，P型控制极（阴极侧受控）150光控晶体闸流管151PNP型半导体管152NPN型半导体管，集电极接管壳153NPN型雪崩半导体管154具P型基极单结型半导体管155具有N型基极单结型半导体管156N型沟道结型场效应半导体管注：栅极与源极引线应绘在一直线上157P型沟道结型场效应半导体管158增强型、单栅、P沟道和衬底无引出线绝缘相场效应半导体管159增强型、单栅、N沟道和衬底无引出线绝缘相场效应半导体管160增强型、单栅、P沟道和衬底有引出线绝缘相场效应半导体管1

26、61增强型、单栅、N沟道和衬底与源极在内部连接绝缘相场效应半导体管162耗尽型、单栅、N沟道和衬底无引出线的栅场效应半导体管163耗尽型、单栅、P沟道和衬底无引出线的栅场效应半导体管164耗尽型、单栅、N沟道和衬底有引出线的栅场效注：在多栅的情况下，主栅极与源极的引线应在一条直线上165光敏电阻具有对称导电性的光电器件166光电二极管具有非对称导电性的光电器件167光电池168光电半导体管（示出PNP型）169原电池或蓄电池170 原电池组或蓄电池组171“或”单元，通用符号只有一个或一个以上的输入呈现“1”状态，输出才呈现“1”状态注：如果不会引起意义混淆，“1”可以用“1”代替172“与”

27、单元，通用符号只有所有输入呈现“1”状态，输出才呈现“1”状态173逻辑门槛单元，通用符号只有呈现“1”状态输入的数目等于或大于限定符号中用m表示的数值，输出才呈现“1”状态注：m总是小于输出端的数目具有 m1的单元就是上述“或”单元174等于m单元，通用符号只有呈现“1”状态输入的数目等于限定符号中以m表示的数值，输出才呈现“1”状态注：m总是小于输出端的数目 m1的2输入单元就是通常所说的“异或”单元175多数单元，通用符号只有多数输入呈现“1”状态，输出才呈现“1”状态176逻辑恒等单元，通用符号只有所有输入呈现相同的状态，输出才呈现“1”状态177奇数单元（奇数校验单元）模z加单元，通

28、用符号只有呈现“1”状态的输入数目为（1、3、5等），输出才呈现“1”状态178偶数单元，（偶数校验单元）通用符号只有呈现“1”状态的输入数目为偶数（0、2、4等），输出就呈现“1”状态179异或单元，只有两个输入之一呈现“1”状态，输出才呈现“1”状态180输出无专门放大的缓冲单元只有输入呈现“1”状态，输出才呈现“1”状态181非门反相器（在用逻辑非符号表示器件的情况下）只有输入呈现外部“1”状态，输出才呈现外部“0”状态182反相器（在用逻辑极性符号表示器件的情况下），只有输入呈现H电平，输出才呈现L电平1833输入与非门例如：CTCT1010（国外对应号 SN7410）的一部分1843输入与非门例如：CTCT1027（国外对应号 SN7427）的一部分1852输入与非门（具有斯密特触发器）例如：CTCT1132（国外对应号 SN74132