毕业论文-数字随动系统的实验装置设计-

PAGE.目录摘要 3Abstract 40文献综述 51引言 8 本文研究的背景 8 本文研究的意义 82随动控制系统 92.1随动系统的分类 92.2随动系统的结构组成 102.3随动系统的控制要求 112.4应用随动系统的目的 123总体设计方案及论证 123.1设计任务及根本要求 123.2设计总体方案 12微处理器选择 133.3.1MCS—52系列单片机内部结构 133.3.2DSP系列微处理器 143PLC可编程控制器 14检测环节的方案论证 16外围电路设计 20系统设计总框架图 214硬件电路设计 214.1系统主控电路 214.2电动机驱动芯片选择 235系统软件设计 245.1数字控制器设计 245.2系统的主程序框图及程序清单 255.3数字触发器的软件设计 266数字随动系统控制精度分析 276.1检测误差 276.2系统误差 28扰动误差 29总结 29附录局部程序清单 301.1主程序清单 301.2T0中断效劳程序 31参考文献 33致谢 34

数字随动系统的实验装置设计林杨西南大学工程技术学院，重庆400716摘要：在控制系统中，假设给定的输入信号是预先未知且随时间变化的，并且系统的输出量随输入量的变化而变化，这种系统就称为随动系统。快速跟踪和准确定位是随动系统的两个重要技术指标。传统的伺服控制系统通常采用模拟随动系统，即用运算放大器及外围电阻、电容元件实现比例、微分、积分校正网络，来改善系统的动态及静态特性。实际工作中我们感到模拟伺服随动系统具有算法呆板，电路调试繁琐，系统响应慢等诸多缺乏。随着计算机技术、现代控制理论的迅猛开展，由数字控制装置组成的随动系统即数字随动系统应运而生。数字随动系统是输出量以一定精度复现输入量变化的自动控制系统,它在对生产过程和运动对象的控制中,以及在定位、瞄准、跟踪等装置中都占有显著的地位,现己成为各种自动调节系统的组成局部。本文的研究对象是数字随动系统,并结合数字随动系统的原理设计一个比拟简单的数字随动系统实验装置。关键词：快速跟踪；准确定位；伺服控制系统；数字控制装置；数字随动系统

DesignExperimentalInstrumentOfDigitalServoLINYangCollegeofEngineeringandTechnology,SouthwestUniversity,Chongqing400716,ChinaAbstract：Inthecontrolsystem,ifagiveninputsignalisknowninadvanceandchangeovertime,andtheoutputofthesystemvarieswiththechangeintheamountofinput,suchasystemiscalledservosystem.Fasttrackingandaccuratepositioningservosystemaretwoimportanttechnicalindicators.Thetraditionalservocontrolsystemisusuallyanalogservosystem,operationalamplifierandexternalresistors,capacitors,componentsachieveproportional,differentialandintegralcorrectionnetworktoimprovethedynamicandstaticcharacteristics.Practicalwork,wefeelthetheanalogservoservosystemalgorithmdull,circuitdebugcumbersome,systemresponseslow,andmanyotherdeficiencies.Withtherapiddevelopmentofcomputertechnology,moderncontroltheory,digitalcontrolunitoftheservosystemdigitalservosystemcameintobeing.Digitalservosystemchangesbytheamountofoutputtoacertainprecisioncomplexnowentertheamountoftheautomaticcontrolsysteminthecontroloftheproductionprocessandmovementobject,aswellasinpositioning,targeting,trackingandotherdevicesareoccupiesasignificantposition,hasbevariousautomaticadjustingcomponentsofthesystemnow.Theobjectofthispaperisadigitalservosystem,andcombinedwithdigitalservosystemdesignprinciplesofarelativelysimpledigitalservosystemexperimentaldevice.KeyWords：Fast-track；Accuratepositioning；Servocontrolsystem；Digitalcontrolunit；DigitalServoSystem

0文献综述随动系统〔也叫伺服系统〕是自动控制系统中的一类，是用来控制被控对象的某种状态，使其能够自动地、连续地、精确地重复输入信号的变化规律[1]。随着科学技术的飞速开展，特别是微电子技术、计算机技术和电力电子技术以及其他技术的开展，伺服技术更是开展迅速，它的应用几乎普及社会生产各领域[2]。在控制系统中，假设给定的输入信号是预先未知且随时间变化的，并且系统的输出量随输入量的变化而变化，这种系统就称为随动系统。快速跟踪和准确定位是随动系统的两个重要技术指标。传统的伺服控制系统通常采用模拟随动系统，即用运算放大器及外围电阻、电容元件实现比例、微分、积分校正网络，来改善系统的动态及静态特性[1]。实际工作中我们感到模拟伺服随动系统具有算法呆板，电路调试繁琐，系统响应慢等诸多缺乏。随着计算机技术、现代控制理论的迅猛开展，由数字控制装置组成的随动系统即数字随动系统应运而生。数字随动系统通常以微处理器为核心器件，通过数学模型计算实现比例、微分、积分控制算法，从而快速而有效地实现被控对象的精确定位。与传统的模拟系统相比，数字随动系统控制是从计算机接收控制命令，它具有设计简单，体积小，修改方便，精度高，可靠性高等优点[2]。数字随动控制系统应用领域非常广泛，主要是机械制造行业，运输行业，冶金工业，军事上。这就使得我们对数字随动系统进行学习和研究变得尤为重要，尤其是对其应用进行了解和学习。数字式随动系统的根本类型有以下三种：1、数字式相位控制随动系统[8]如图1-1所示，这是数控机床上广泛采用的一种随动系统，实质上是一个相位闭环〔又称锁相环〕的反锁控制系统。其位置环由数字相位给定、数字相位反锁和数字相位比拟三个局部组成。图1-1数字式相位控制随动系统原理框图Fig1-1Digitalphasediagramofcontrolservosystem2、数字式脉冲控制随动系统在数字式脉冲随动控制系统中，主张给定信号是指令脉冲数D*，作为位置检测用的光栅那么发出位置反应脉冲数D，它们分别进入可逆计数器的加法端和减法端。经运算后得到脉冲的误差量ΔD=D*-D+D0，其中是为了克服后级模拟放大器零飘影响而在计数器中预置的常数值。此误差信号经过数模转换后，作为速度控制器的给定信号，再经过功率放大，便使电机和机床工作台消除偏差的方向运动。由于数字光栅的精度可以做得很高，从而能保证这种系统获得很高的控制精度。3、数字式编码控制随动系统在这种系统中，给定往往是二进制数字码信号。检测元件一般是光电编码盘或其它的数字反应发送器，借助于转换得到二进制码信号，二者联合构成“角度—数码〞转换器或“线位移—数码〞转换器。不管是模拟式还是数字式的随动系统，其闭环结构都可以有不同的形式。位置随动系统按其组成中反应闭环的多少和结构复杂程度，一般可有五种控制方案：单环位置随动系统、双环位置随动系统、三环位置随动系统、变结构控制位置随动系统和复合控制位置随动系统。其中单环位置随动系统是系统中有一个位置负反应闭环，它由位置给定反应、位置比拟、检测变换、相敏整流及滤波电路、位置调节器、可逆功放、伺服电动机、减速器及负载等环节组成；双闭环随动系统由两个闭环组成，可以构成两种不同形式的双环位置随动系统，即位置-〔加〕速度双环随动系统和带速差校正的位置-电流双闭环随动系统；三环位置随动系统是在位置-速度双闭环内，再增加一个电流环，这就构成了所谓位置-速度-电流三环随动系统；变结构控制位置随动系统是指在高速时由速度环工作，而在低速时那么由位置环工作的特殊随动系统和调速与电轴两用系统；复合控制位置随动系统是指在前述各种反应控制位置随动系统的根底上，如果其动、稳态性能难以协调，在系统闭环稳定的前提下，可以利用速度信号进行前馈控制，构成前馈控制和反应控制相结合的复合控制位置随动系统[9]。

1引言本文研究的背景随动系统是自动控制系统中的一类，1934年第一次提出了伺服机构〔Servomechanism〕，1944年世界上第一个随动系统由麻省理工学院成功研制，随着自动控制理论的开展，到20世纪中期，数字随动系统的理论和实践均趋于成熟。在近几年新技术的推动下，特别是伴随着微电子和计算机技术的开展，数字随动系统应用几乎普及社会的各个领域。它的开展初期是以反应理论为根底的自动调节原理，随着工业生产和科学技术的开展，现在已开展成为一门独立的学科——控制论。在18世纪人们创造了两类机器：机器发电机和机器发动机，来代替人手和体力，开始实现机械化；在上世纪40、50年代即第二次世界大战期间及以后，由于军事和生产上的需要，自动控制技术开始迅速开展，创造了第三类机器——机器控制器，来代替人的局部简单的管理工作，形成了自动控制系统；到50年代末，自动控制理论已经形成比拟完整的理论体系，由于电子计算机技术的飞速开展，在客观上提供了必要的技术手段。随动系统作为自动化系统的一种，其研究和应用已较为广泛。从早期的模拟直流系统，到80年代后期的数字交流系统，随动系统大量应用于工业和国防领域。虽然新的控制结构和控制器不断出现，同时像自适应控制、最优控制、模糊控制、智能控制、神经网络控制等新算法也不断涌现。从实现手段上看,用单片机、可编程逻辑器件手段实现的较多，用专门嵌入式控制计算机实现的还不多见。实时控制应用是计算机应用的一个重要而极富潜力的方面。【1】随着计算机技术的开展，实时计算机系统在工业控制、航空航天、交通管理、作战指挥控制系统的应用正越来越广泛。嵌入式实时应用是目前国内外蓬勃开展的方向之一，正被越来越多的研究和应用。由于它与一般计算机系统的差异，其开发系统与通用软件开发有明显不同，需要高实时性能的操作系统和开发环境。自20世纪70年代以来，由于开展了ink"力矩电机及高灵敏度测速机，使数字随动系统实现了直接驱动，革除或减小了齿隙和弹性变形等非线性因素，使带宽到达50赫，并成功应用在rch.e?sp=S%E8%BF%9C%E7%A8%8B%E5%AF%BC%E5%BC%B9&ch=w.search.yjjlink&cid=w.search.yjjlink"远程导弹、人造卫星、精密指挥仪等场所。本文研究的意义自动控制系统不仅在理论上飞速开展，在其应用器件上也日新月异。模块化、数字化、高精度、长寿命的器件每隔3～5年就有更新换代的产品面市。传统的交流伺服电机特性软，并且其输出特性不是单值的;步进电机一般为开环控制而无法准确定位，电动机本身还有速度谐振区，PWM调速系统对位置跟踪性能较差，变频调速较简单但精度有时不够，直流电机伺服系统以其优良的性能被广泛的应用于位置随动系统中，但其也有缺点，例如结构复杂，在超低速时死区矛盾突出，并且换向刷会带来噪声和维护保养问题。目前，新型的永磁交流伺服电机开展迅速，尤其是从方波控制开展到正弦波控制后，系统性能更好，它调速范围宽，尤其是低速性能优越。【2】随动系统将向两个方向开展：一个是满足一般工业应用要求，对性能指标要求不高的应用场合，追求低本钱、少维护、使用简单等特点的驱动产品，如变频电机、变频器等。另一个就是代表着伺服系统开展水平的主导产品—伺服电机、伺服控制器，追求高性能、高速度、数字化、智能型、网络化的驱动控制，以满足用户较高的应用要求。数字随动系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标〔或给定值〕的任意变化的自动控制系统。随动的主要任务是按控制命令的要求、对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制的非常灵活方便。2随动控制系统2.1随动系统的分类伺服系统根据其处理信号的方式不同，可以分为模拟式伺服、数字模拟混合式、伺服和全数字式伺服；如果按照使用的伺服电动机的种类不同，又可分为两种：一种是用永磁同步伺服电动机构成的伺服系统，包括方波永磁同步电动机〔无刷直流机〕伺服系统和正弦波永磁同步电动机伺服系统；另一种是用鼠笼型异步电动机构成的伺服系统。二者的不同之处在于永磁同步电动机伺服系统中需要采用磁极位置传感器而感应电动机伺服系统中含有滑差频率计算局部。假设采用微处理器软件实现伺服控制，可以使永磁同步伺服电动机和鼠笼型异步伺服电动机使用同一套伺服放大器。[2]伺服控制单元的种类：1．别离型伺服控制单元其特点是数控系统和伺服控制单元相对独立，也就是说，它们可以与多种数控系统配用，NC系统给出的指令是与轴运动速度相关的DC电压。而从机床返回的是与NC系统匹配的轴运动位置检测信号〔例如编码器，感应同步器等输出信号〕。伺服数据的设定和调整都在伺服控制单元侧进行〔用电位器调节或通过数字方式输入〕。2．串行数据传输型伺服控制单元其特点是NC系统与伺服控制单元之间的数据传送是双向。与相关的指令数据、伺服数据和报警信号是通过相应的时钟信号线、选通信号号、发送数据线、接收数据线、报警信号线传送。3．网络数据传输型伺服控制单元其特点是控制单元密集安装在一起，由一个公用的DC电源单元供电。NC装置通过FCP板上的网络数据处理模块的连接点SR、ST与各个控制单元〔子站〕的网络数据处理模块的SR、ST点串联，组成伺服控制环[2]。各个轴的位置编码器与控制单元之间是通过二根高速通信线连接，反应的信息有位置和相关的状态信息。

串行数据传输型和网络数据传输型伺服控制单元的伺服参数在NC装置中用数字设定，开机初始化时装入伺服控制单元，修改和调整都十分方便。网络数据传输型伺服控制单元在相应的控制软件配合下，具有实时的调整能力，例如在定位加减速功能中，可以根据电机的速度和扭矩特性求应的函数，再以其函数控制高速定位时的加减速度，从而抑制高速定位时可能引起的振动。位速度的提高可以缩短时间，提高加工效率。

采用高速微处理器和专用数字信号处理机〔DSP〕的全数字化交流伺服系统出现后，硬件伺服控制变为软件伺服控制，一些现代控制理论的先进算法得到实现，进而大大地提高了伺服系统的控制性能。伺服控制单元是数控系统中与机械直接相关联的部件，它们的性能与机床的切削速度和位置精度关系很大，其价格也占数控系统的很大局部。相对来说，伺服部件的故障率也较高，约占电气故障的70%以上，所以选配伺服控制单元十分重要。伺服故障除了与伺服控制单元的可靠性有关外，还与机床的使用环境、机械状况和切削条件密切相关。例如环境温度过高，易引起器件过热而损坏；防护不严可能引起电机进水，造成短路；导轨和丝杠润滑不好或切削负荷过重会引起电机过流。机械传动机构卡死更会引起功率器件的损坏，虽然伺服控制单元本身有一定的过载保护能力，但是故障情况严重或者屡次发生时，仍然会使器件损坏。2.2随动系统的结构组成机电一体化的随动控制系统的结构,类型繁多,但从自动控制理论的角度来分析,伺服控制系统一般包括控制器,被控对象,执行环节,检测环节,比拟环节等五局部。1．比拟环节:是将输入的指令Search.e?sp=S%E4%BF%A1%E5%8F%B7%E4%B8%8E%E7%B3%BB%E7%BB%9F&ch=w.search.yjjlink&cid=w.search.yjjlink"信号与系统的反应信号进行比拟,以获得输出与输入间的偏差信号的环节,通常由专门的电路或计算机来实现。2．控制器:通常是计算机或PID控制电路,其主要任务是比照拟元件输出的偏差信号进行变换处理,以控制执行元件按要求动作。3．执行环节:作用是按控制信号的要求,将输入的各种形式的能量转化成机械能,驱动被控对象工作.机电一体化系统中的执行元件一般指各种电机或液压,气动伺服机构等。4．被控对象：机械参数量包括位移，速度，加速度，力，和sp=S%E5%8A%9B%E7%9F%A9&ch=w.search.yjjlink&cid=w.search.yjjlink"力矩为被控对象。5．检测环节:是指能够对输出进行测量并转换成比拟环节所需要的量纲的装置,一般包括传感器和转换电路[10]。综上所述，本系统采用数字式编码随动控制系统。本系统包括两个环节：位置反应环节和速度反应环节，其系统结构图如图3-2所示。图2-1系统结构图Fig2-1Systemstructure2.3随动系统的控制要求1．系统精度随动系统精度指的是输出量复现输入信号要求的精确程度,以误差的形式表现,可概括为动态误差,稳态误差和静态误差三个方面组成。2．稳定性随动系统的稳定性是指当作用在系统上的干扰消失以后，系统能够恢复到原来稳定状态的能力；或者当给系统一个新的输入指令后，系统到达新的稳定运行状态的能力。随动系统正常运行的最根本条件是系统必须是稳定的，否那么其他性能指标都是毫无意义的。随动系统的稳定性包括两方面的含义：一是通常意义的稳定性；另一方面是系统的稳定程度，或者说系统震荡的程度，指系统的相对稳定性。例如，一个系统虽然是稳定的，但在收到扰动作用后，震荡倾向很强烈，而震荡的衰减却很慢，这种系统的稳定度就很差。必须注意的是，稳定性只表示系统本身的一种特性，它决定系统结构与元件参数，与外部输入指令或扰动信号无关。3．响应特性，如计算机的运行速度,运动系统的%E5%B0%BC&ch=w.search.yjjlink&cid=w.search.yjjlink"阻尼和质量等。4．工作频率工作频率通常是指系统允许输入信号的频率范围。当工作频率信号输入时，系统能够按技术要求正常工作；而其它频率信号输入时，系统不能正常工作。2.4应用随动系统的目的采用随动系统主要是为了到达下面几个目的：1．以小功率指令信号去控制大功率负载。火炮控制和船舵控制就是典型的例子。2．在没有机械连接的情况下，由输入轴控制位于远处的输出轴，实现远距同步传动。3．使输出机械位移精确地跟踪电信号，如记录和指示仪表等。3总体设计方案及论证3.1设计任务及根本要求采用数字系统装置能进行单环、闭环和随动系统演示实验执行对象是力矩电机调速范围0.2～300转/分跟踪角度不小于±160度电源交流220V、直流24/12V设计总体方案总体方案确实定是进行微机控制系统设计时最重要、最关键的一步，因为总体方案直接关系到整个控制系统的运行、调节性能以及实施的细节。由于位置随动系统的根本特征表达在位置环上，表达在位置给定信号和位置反应信号及两个信号的综合比拟上。因此，可根据这个特征将它划分为两个类型：一类是模拟式随动系统，一类是数字式随动系统。但是由于模拟式随动系统的检测装置的精度受到制造上的限制，不可能作的很高，从而影响了整个模拟式随动系统的精度。假设生产机械要求进一步提高，那么必须采用数字式检测装置来组成数字式随动系统。其中在里面的反应环是速度环，在外面的反应环是位置环。一般来说，双闭环系统具有比拟满意的动态性能：1、动态跟随性能双闭环系统在启动和升速过程中，能够在电流受到电机过载能力约束条件下，表现出很快的动态跟随性能。只要指定位置参数，它便迅速控制电机正转或反转，以到达指定的目的。2、动态抗扰性能当系统处于正常工作时，出现不正常的扰动干扰时，位置反应系统便把位置信号反应回主控制系统，之后，便会调节电机，使其转速提高或下降，最终到达控制稳定的目的。因此，本系统具有极强的抗干扰性能。为了提高系统快速跟随能力，要求外环即位置环有较高的截止频率，因为外环的截止频率表征了系统的快速性。如果在本系统根底上外加电流反应，组成三环随动系统。对于这样的一个三环系统，工程设计方法是由内环到外环逐一设计，那么系统稳定性是有了保证的。当速度环与电流环的某些参数发生了变化或受到扰动时，电流反应或速度反应能对它们起到有效的抑制作用，因而，对位置环的工作影响很小，但这种三环系统有明显的缺点，对控制作用的响应较慢，这是因为每次由内环设计到外环时，都要采用内环等效环节。而这种等效环节传递函数之所以能够成立，是以外环的截止频率远远低于内环为先决条件的。但系统的位置环的截止频率被限制的太低，从而影响了快速性。微处理器选择控制器的总类有很多，在自动化控制系统中较为常用的主要可分为MCS-52系列及其衍生系列微处理器、DSP系列微处理器、PLC系列微处理器。MCS—52系列单片机内部结构该系列微处理器在控制系统中的特点如下：1．小巧灵活、本钱低、易于产品化2．可靠性好，适应温度范围宽3．易扩展，很容易构成各种规模的应用系统，控制功能强4．可以很方便地实现多机和分布式控制[3]DSP系列微处理器DSP是数字信号处理器〔DigitalSignalProcessor〕的缩写，是一种特别适合与进行数字信号处理运算的微处理器，主要用于实时快速实现各种数字信号处理的运算。目前，DSP芯片的开展非常迅速。硬件结构方面主要是向多处理器的并行处理结构、便于外部数据交换的串行总线传输、大容量片上RAM和ROM、程序加密、增加I/O驱动能力、外围电路内装化、低功耗等方面开展。软件方面主要是综合开发平台的完善，使DSP的应用开发更加灵活方便。DSP在数字处理方面有以下特点：1．采用哈佛结构2．采用多总线结构3．采用流水线结构4．配有专用的硬件惩罚-累加器5．具有特殊的DSP指令6．拥有快速的指令周期7．硬件配置强8．支持多处理器结构9．省电管理和低功耗[4]3.3.3PLC可编程控制器PLC是可编程序逻辑控制器〔ProgrammableLogicalController〕的缩写，它是一种数字运算的电子系统，专为在工业环境下应用而设计的。它采用可编程序的存储器，用来在其内部执行逻辑运算、顺序控制、定时、计算和算术运算等操作指令，并通过数字式、模拟式的输入或输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC和计算机有根本类似的结构，但按其作用，它有自己的特点，其主要特点如下：1．编程简单，使用面向控制操作的控制逻辑语言。2．可靠性高，抗干扰能力强，适于在恶劣的生产环境下运行。3．系统采用了分散的模块化结构。4．由于PLC采用了大规模集成电路技术和微处理器技术，故可将其设计的紧凑、巩固、小体积，在加上它的可靠性，PLC易于装入机械设备内部，实现机电一体化。5．线对于继电器逻辑控制而言，PLC可节省大量继电器，故降低本钱且提高了可靠性。6．中、高档PLC均具有极强的联网通讯能力MCS-51系列及其衍生系列的微处理器在工业自动化控制系统中的应用也比拟广泛，其适合与各种类型的工业自动化控制系统，其信号处理类型也属于数字信号，但是，由于其外部扩展芯片可以进行A/D、D/A转换，因此，也可以对模拟信号进行处理。单片机的编程语言是比拟低级的汇编语言，该语言比C语言好掌握，且在掌握得情况下易于编程，同时在程序出现错误时，易于修改。DSP芯片集成度高，运算速度快，但是其内部结构过于复杂，而且它主要用于对数字信号的处理，再加上DSP在编程时使用的是类似于C语言的高级语言进行编程，程序编写时较PLC的梯形图程序和单片机的汇编语言复杂，容易出错，且修改比拟麻烦。PLC的CPU模块在工业自动化控制系统中应用的范围比拟广泛，但是其只适合与应用在大型的工业自动化控制系统中，因为，PLC系统虽然结构较DSP系统简单，但是其整体的体积较大，在某些特定环境中不适合与应用。再者，PLC在编程时主要使用梯形图程序进行编程，虽然易于编程和修改，但是价格比拟昂贵。综上所述，选用一种单片机芯片，针对具体控制任务，自行设计一个单片机系统，起优点是针对性强，灵活方便，所以元器件最少，投资少等。缺点是硬件和软件都由拥护从头设计，工作量大，且周期长。通常在智能仪器、仪表及小型控制系统中采用这种方案。选用单片机芯片自行设计与其他的方法相比，具有如下的优点：1．集程度高，体积小在一块芯片上集成了构成一台微型机算机所需的CPU、ROM，RAM，I/O接口以及定时、计数器等不见，能够满足很多应用领域对硬件功能的要求。因而，单片机组成的应用系统结构简单，体积小。2．面向控制，功能强单片机面向控制，它的实时控制功能特别强，CPU可以直接对I/O接口进行各种操作，能针对性的完成从简单到复杂的各类控制任务。3．抗干扰能力强，单片机内CPU访问存储器、I/O接口的信息传输线〔即总线〕大多数在芯片内，因而，不易受到外界的干扰。另外，由于单片机体积小，适应温度范围宽，在应用环境比拟差的情况下，容易采取对系统进行电磁屏蔽等措施。在各种恶劣的环境下，都能可靠地工作。所以，单片机应用系统可靠性高于一般的微机系统。4．使用方便由于单片机内部功能强，系统扩展方便，因而应用系统的硬件设计非常简单，再加上国内外提供了多种多样的单片机开发工具，它们具有很强的软件调试的功能和辅助设计的手段。这样使单片机的应用极为方便，大大的缩短了系统研制的周期，还可方便的实现多机和分布式控制，使整个控制系统的效率和可靠性大为提高。5．性能价格比高由于单片机功能强，价格廉价，其应用系统的印板小，接、插件少，安装调试简单等一系列原因，使单片机应用系统的性能价格比高于一般的微机系统。本设计采用8051型号的单片机作为微处理器。检测环节的方案论证位置测量元件是闭环控制系统中的重要部件之一，它的作用是检测位移〔角位移或线位移〕并发出反应信号，起着相当于人眼睛的作用。一个设计完善的闭环伺服系统，其定位精度合测量精度主要由检测元件决定，因此高精度的伺服系统对测量元件的质量要求上相当高的。为了适应高精度的及大中型数控系统必须有性能优良的测量元件于PWM系统配套。位置随动系统中常用的检测装置有自整角机、旋转变压器、感应同步器、光电编码盘等。自整角机是位移传感器，在随动系统中总是成对应用的。与指令轴相连的称为发送机，与执行轴相连的称为接收机。按用途可分为力矩式和控制式两类。力矩式自整角机的工作原理可以由图3-1来说明。图中，由结构、参数均相同的两台自整角机构成自整角机组，一台用来发送转角信号，称自整角发送机，用ZLF表示；另一台用来接收转角信号，称为自整角接收机，用ZLJ表示。两台自整角机中的整步绕组均接成星形，三对相序相同的相绕组分别连接成回路。两台自整角机转子中的励磁绕组接在同一个单相交流电源上[12]。图3-1力矩式自整角机的原理图Fig3-1Thetorquetypeselsynschematic旋转变压器实际上是一种特制的两相旋转电机，它有定子和转子两局部，在定子和转子上各有两套在空间上完全正交的绕组。当转子旋转时，定、转子绕组间的相对位置随之变化，使输出电压与转子转角呈一定的函数关系。其在随动系统中的主要用作角度传感器。其精度主要又函数误差和零位误差来衡量。由于旋转变压器在结构上保证了其定子和转子(旋转一周)之间空气间隙内磁通分布符合正弦规律，因此，当激磁电压加到定子绕组时，通过电磁耦合，转子绕组便产生感应电势。图3-2为两极旋转变压器电气工作原理图。图中Z为阻抗。设加在定子绕组的激磁电压为(式3—1)图3-2两极旋转变压器Fig3-2Polesresolver根据电磁学原理，转子绕组、中的感应电势那么为〔式3—2〕式中K——旋转变压器的变化；θ——转子的转角，当转子和定子的磁轴垂直时，θ=0时。如果转子安装在机床丝杠上，定子安装在机床底座上，那么θ角代表的是丝杠转过的角度，它间接反映了机床工作台的位移。由式3－2可知，转子绕组中的感应电势为以角速度ω随时间t变化的交变电压信号。其幅值K随转子和定子的相对角位移以正弦函数变化。因此，只要测量出转子绕组中的感应电势的幅值，便可间接地得到转子相对于定子的位置，即θ角的大小。自整角机与旋转变压器虽然测量角度精度较高，但对于高精度随动系统来说，它们的制造误差往往超过了系统所允许的误差范围，因此不能满足要求。感应同步器具有两种结构形式，一种用来测角位移，叫圆形感应同步器，另一种用来测直线位移，称为直线式感应同步器。由这两种工作状态所构成的随动系统都能得到很高的精度。从感应同步器的结构可看出，滑尺的两个绕组中的任一绕组通以交变激磁电压时，由于电磁效应，定尺绕组上必然产生相应的感应电势。感应电势的大小取决于滑尺相对于定尺的位置。图3-2给出了滑尺绕组(滑尺)相对于定尺绕组(定尺)处于不同的位置时，定尺绕组中感应电势的变化情况。图中A点表示滑尺绕组与定尺绕组重合，这时定尺绕组中的感应电势最大；如果滑尺相对于定尺从A点逐渐向左(或右)平行移动，感应电势就随之逐渐减小，在两绕组刚好错开1／4节距的位置B点，感应电势减为零；假设再继续移动，移到1／2节距的C点，感应电势相应地变为与A位置相同，但极性相反，到达3／4节距的D点时，感应电势再一次变为零；其后，移动了一个节距到达E点，情况就又与A点相同了，相当于又回到了A点。这样，滑尺在移动一个节距的过程中，感应同步器定尺绕组的感应电势近似于余弦函数变化了一个周期。由上述及电磁学原理，定尺绕组上的感应电势为〔式3—3〕式中：K——耦合系数；θ——反映的是定尺和滑尺的相对移动的距离X；〔式3—4〕由式3-3和式3-4可知，感应同步器的工作原理与两极式旋转变压器的工作原理一样，只要测量出Sinθ的值，便可求出θ角，进而求得滑尺相对于定尺移动的距离X。当分别向滑尺上的两绕组施加不同的激磁电压时，如式3-3、式3-4所示的和，根据施加的激磁交变电压信号的不同，感应同步器也分为鉴相式和鉴幅式两种工作方式，其原理与四极式旋转变压器完全相同。光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。光电编码器每转输出600个脉冲，五线制。其中两根为电源线，三根为脉冲线(A相、B相、Z)。电源的工作电压为〔+5～+24V〕直流电源。光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通假设干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出假设干脉冲信号，其原理示意图如下列图3-3所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90º的两路脉冲信号。图3-3光电编码器原理示意图Fig3-3Opticalencoderschematicdiagram工作原理:当光电编码器的轴转动时A、B两根线都产生脉冲输出,A、B两相脉冲相差90度相位角，由此可测出光电编码器转动方向与电机转速。如果A相脉冲比B相脉冲超前那么光电编码器为正转,否那么为反转.Z线为零脉冲线,光电编码器每转一圈产生一个脉冲.主要用作计数。A线用来测量脉冲个数,B线与A线配合可测量出转动方向。光电编码器能将测到的信号转换为微处理器所需要的编码。在本设计中需要将对被控电机的检测信号送入单片机，单片机需要的是二进制码，而光电编码器的输出恰好是二进制码。于是在本设计中所用到的检测装置为光电编码盘。外围电路设计选择一个好的控制器可以使系统有好的性能；选择适当的检测元件可以提高测量精度。如果没有外围电路的显示、适时保护，随之报警等一系列的完善，那么要到达控制精度是非常困难的。键盘/显示电路是单片机控制系统中作为人机交换系统的一个不可缺少的局部，其主要由显示器键盘电路接口器件组成。键盘在单片机应用系统中能实现向单片机输入数据、传送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。键的闭合与否，反映在行线输出电压上就是呈现高电平或低电平，如果高电平表示键断开，低电平那么表示闭合，通过对行线电平上下状态的检测，便可确认按键按下与否。由于本设计为位置随动系统实验装置，为了防止在实验过程中，由于出现的接线错误等问题导致损坏电路，所以设置保护电路十分必要。因为本系统显示的位数不是很多，就显示转速即可。同时在本系统中不需要手动的数据的给定，所以就不需要扩展键盘。系统设计总框架图图3-4数字随动系统实验装置的设计的方框图Fig3-4blockofthedigitalservosystemexperimentaldevice硬件电路设计目前市场上的单片机的种类有很多种，最多的51单片机、avr单片机，和Msp430，以及PIC单片机，但是由于单片机的种类很多，功能各不一样，我们不需要多先进，功能多强大的单片机，我们设计的要求就是够用即可，因为性能低劣了，系统功能实现不了，并且系统的稳定性很差，用的单片机性能太好了，由于高性能的单片机不只是价钱昂贵，且有很多资源都不会用到，这样造成了很大的浪费。【3】【4】因此我们选用目前市场上用到比拟多的、且可以满足系统设计要求的51单片机。因为Atmel公司的51单片机需要专门的编程器，这样无形中加重了系统的本钱，而STC公司单片机不仅支持ISP,还支持IAP等多种下载程序的方式，并且STC公司单片机工作在宽电压范围内，电压的波动对系统的影响不大，这样提高了系统的稳定性，另外STC单片机的加密性能也优于其他单片机，并且STC的单片机是增强型的51单片机。对于STC89C52的单片机而言，程序不需要专门的编程器或者仿真器去下载程序，而只是使用串口通讯的两个引脚就可以把程序烧写到程序里，十分方便简洁，并且有相关配套的官方软件，使用起来也十分方便。STC89C52是一款完全兼容8051内核指令的芯片，是宏晶科技公司的新一代增强性的8051单片机。采用最新的加密技术解决了全球89系列单片机都被解密的困惑。并且管脚完全兼容，性能更好，驱动力更强，功耗更低，价格也比传统的89系列低。因此我们选用STC89C52单片机作为系统的主控芯片。【7】单片机工作的最小系统如图4-1图4-1

最小系统原理图Fig.4-1

The

principleof

minimum

system

diagram在这个电路中又可以分为复位电路和晶振电路。复位电路可以分为上电复位和手动按键复位两种。在系统上电的一瞬间单片机上电复位，原理是利用电容两端的电压不能突变，在一上电的瞬间电容好比短路，所以加在第九脚RST的电平是高电平，虽然时间很短，但是足以让单片机系统复位。手动按键复位的原理是，在系统正常工作的过程中可以手动触动按键使单片机复位。具体原理是，按下S1按键，因此5V电压经过一个200欧姆的电阻分压后加到系统的RST上，手动按键按下到抬起的过程足以使系统复位。对于单片机系统而言，晶振电路是一个跳动的动力来源，18,19号引脚接的是的晶振。4.2电动机驱动芯片选择直流电动机常要求工作在正反转的场合，这时需要使用可逆PWM系统。可逆PWM系统分为双极性和单极性驱动。在这里我们用双极性驱动可逆PWM系统。双极性驱动是指在一个PWM周期里，电动机电枢的电压极性呈正负变化。双极性驱动电路有两种，一种是称为T型，它有2个开关组成，采用正负电源，相当于2个不可逆系统的组合，由于形状像倒放的“T〞字，所以称为T型。T型双极性驱动由于开关要承受较高的反向电压，因此只用在低压小功率直流电动机驱动。另一种称为H型，其形状像“H〞字。H型双极性驱动应用较多，因此这里将详细介绍。图4-2所示是H型双极可逆PWM驱动系统。它由4个开关和4个续流二极管组成，单电源供电。4个开关分成两组，V1、V4为一组，V2、V3为另一组。同一组的开关管同步导通或关断，不同组的开关管的导通与关断正好相反。在每个PWM周期里，当控制信号UI1为高电平时，开关管V1、V4导通，此时UI2为低电平。因此V2、V3截止，电枢绕组承受从A到B的正相电压；当控制信号UI1为低电平时，开关管V1、V4截止，此时UI2为高电平，因此V2、V3导通，电枢绕组承受从B到A的反向电压，这就是所谓的“双极〞。图4-2H型双极可逆PWM驱动系统Fig4-2HbipolarreversiblePWMdrivesystem单片机的专用PWM口发出的PWM信号波没有死区设置功能，因此必须外接能产生死区功能的芯片。一种方式是采用专用PWM信号发生器集成电路，如SG1713、UC3637等，这些芯片都有PWM波发生电路、死区电路、保护电路，但是它们大多数采用模拟电压控制。如果使用单片机控制，必须先通过D/A转换。另一种方式仍使用单片机的PWM口，外接含有死区功能和驱动功能的专用集成电路，这对于小型直流电动机的控制，其电路是非常方便的。由以上的分析和目前的驱动控制器选用芯片市场的芯片种类，我们选用驱动控制器芯片LMD18200。5系统软件设计5.1数字控制器设计为了实现系统快速性好、超调小和无静差的控制要求，该系统采用了积分别离式的PID控制思想。即当系统偏差较大时(〕，为防止控制器积分饱和，提高系统调节的快速性，可取消积分作用，采用PD校正。当系统接近稳态时〔〕，再自动投入PID校正。此时积分作用起主导地位，消除了静差[8]。系统动态结构如图5-1示。图5-1位置随动系统动态结构图Fig5-1PositionservosystemdynamicstructurediagramPD-PID调节算法可由89C51单片微机实现，控制器差分方程为根据经验，位置对象采样周期可取20ms，在每个采样周期内完成一次PID控制器计算。考虑到89C51单片机内部定时器T0和T1均数字触发器占用，这里采用了8155内部定时器。8155定时器输出接入89C51的外部中断〔〕引脚。每隔20ms采样周期定时到，CPU接受一次中断申请，在中断效劳中完成一次上述控制器计算。中断效劳程序框图如图5-2所示：图5-2中断效劳程序框图diagramoftheinterruptserviceroutine5.2系统的主程序框图及程序清单系统投入运行时，首先运行的是主程序。在主程序中系统将设置各中断效劳程序的入口地址、设置堆栈指针、有关单元清零、接口和定时器初始化、设置中断方式、参数读取等。主程序框图如图5-3所示图5-3主程序框图Fig.5-3Themainprogramblockdiagram5.3数字触发器的软件设计由于直流伺服电机的内阻较大，可将该系统近似看成是纯电阻负载[13]。如将触发角的起点定在自然换相点后30°处，那么的移相范围120°。触发器控制信号U〔K〕与的关系为=120-kU(K)。当U〔K〕=127最大值时，=0，代入上式得即即。现将折算成时间：因50Hz工频360°周波对应20ms，所以对应的时间(式5—1)如果用8031定时器T0完成该定时，那么当时钟频率取6MHz时，时间常数X可由下式计算(式5—2)即。当控制顺的输出为U(K)时，利用该式可实时算出TO的时间常数，实现移相控制。当U(K)为正时，正组开放，反组封锁，晶闸管的触发顺序为K1〔A相〕、K3〔B相〕和K5〔C相〕，以后周而复始。当U(K)为负值时，反组开放，正组封锁，此时共阳极组工作。由于共阳极组C相自然换相点在横轴下方距A相外同步脉冲信号30°处，要保证对称，共阳极组的起点也应设在自然换相点后30°处，此点距A相外同步脉冲恰好60°。故当U(K)为负值时，T1定时器应连续工作三次，分别定时60°〔产生C相同信号〕、120°〔产生A相同步信号〕和120°〔产生B相同步信号〕。触发顺序应是K6〔C相〕、K2〔A相〕和K4〔B相〕。U(K)为负值时整流电压波形[14]。6数字随动系统控制精度分析一个控制系统稳定性是其正常工作的根本前期，稳态误差就是用来反映稳态控制精度的指标。对于随动系统，给定量是任意变化的，要求输出以一定的精度跟随给定量的变化，所以我们关注的是被控量与给定量之间的误差。位置随动系统稳态运行时，希望其输出量尽量复现输出量，即要求系统由一定的稳态精度，产生的位置误差越小越好。显然，系统的精度是至关重要的。当系统给定量发生变化(包括给定址的变化规律发生变化)或者由于外部扰动都会使系统的输出员与给定量之间产生偏差，系统经过过渡过程后到达稳态。此时偏差可能消除，也可能继续存在，造成所谓稳态误差。稳态误差的大小表达了控制准确度，因而它是系统稳态性能的重要指标。影响随动系统稳态精度，导致系统产生稳态误差的因素主要有以下几点：由检测元件引起的检测误差；由系统的结构和输入信号引起的原理误差；负载扰动引起的扰动误差。6.1检测误差检测误差取决与检测元件本身的精度，位置随动系统中常用的位置检测元件都有一定的精度等级，系统的精度不可能高于所用位置检测元件的精度。检测误差是稳态误差的主要局部，这是系统无法克服的。系统误差系统误差是由系统自身的结构形式，系统特征参数和输入信号的形式决定。随动系统的结构属于那种类型，与位置调节器的选取有关。假设位置调节器选用P调节器，那么：(式6—1)式中，——常数项为1的多项式。显然，是I型系统。假设位置调节器选用PI或PID调节器时，那么：(式6—2)这时的属于II型系统。这是位置随动系统中开环传递函数的两种结构形式，统一用图6-1成闭环系统的情况。＋＋－ 图6-1闭环系统框图Fig.6-1Closed-loopsystemblockdiagram原理误差用或表示，那么误差的拉氏变换为 (式6—3)(式6—4) 〔式6—5〕即系统的结构形式有关。在系统结构已定的情况下，输入信号将是影响原理的主要方面。常见的随动系统输入信号有以下三种形式：位置输入〔即位置阶跃输入〕、速度输入〔斜坡输入〕和加速度输入。在位置输入下，I型系统的稳态原理误差为零。I型系统只对位置输入是无静差的随动系统，有时又称为一阶无差系统。对速度输入是有静差的，静差的大小与开环增益成反比。加速度输入那么完全不能适应。II型系统对于位置输入和速度输入都是无差随动系统，有时称它为二阶无差系统。对于加速度输入，II型系统同样实用，稳态原理误差与开环增益成反比。假设要保证随动系统稳态跟踪的精度，显然II型系统是比拟理想的结构。扰动误差在分析原理误差时，仅仅考虑了给定输入信号的影响，实际上随动系统所承受的各种扰动都会影响到系统。可以将这些扰动归为三类：第一类时负载扰动，例如扎辊压下时的阻力是对压下装置随动系统的恒值负载扰动；阵风对雷达天线那么是一种随机性的负载扰动。第二类是系统参数发生变化时，如放大器零漂和元件老化所引起的增益变化，以及电源电压波动等。第三类是噪声干扰，通常各种噪声干扰大都是从检测装置经反应通常混入系统中的，可看作是与给定输入一起参加系统。这说明，在II型系统中由于调节器中具有积分环节，使得负载扰动不再产生扰动误差综上所述：在抵抗负载扰动的能力方面，II型系统的结构比I型系统好。总结设计提出了数字随动系统实验装置的设计。由于位置控制是设计中的重要环节，所以要使其按照一定的设计要求进行自动调节，以准确控制。我结合所学的知识对随动系统、检测方面及自动控制等各方面进行设计。设计的主要内容有位置检测、单片机系统等。整个系统能根本完成设计的要求，能应用于实际学习中，且能到达实验的目的。通过这次毕业设计，使我学得了许多新的知识，同时也是对大学四年学习生活的总结，它让我把所学的东西更加系统化。为我以后的专业课的稳固学习和以后工作上的学习研究打下了良好的根底,对自身素质的提高也有很大好处。在设计过程中，我翻阅了很多资料，增长很多的知识，包括课程中没有学到的一些控制算法。从中我提高了自身独立设计的能力，建立了信心。对以后的工作学习有很大的帮助。由于掌握知识有限，设计中还存在缺乏的地方，还请各位老师加以批评指教。附录局部程序清单1.1主程序清单:ORG0000HAJMPMAIN；转主程序ORG0003HAJMPINTOP；转INT0中断效劳程序ORG000BHAJMPTOP；转定时器T0中断效劳程序ORG0013HAJMPINT1P；转INT1中断效劳程序ORG001BHAJMPT1P；转定时器T1中断效劳程序ORG00A0H；主程序地址MAIN：MOVSP，#60H；设堆栈MOVR1，#7FH；20H～7FH单元清0MOVRO，#20HUP1：MOV@RO，#00HINCR0DJNZR1，UP1MOVTMOD，#11H；设TO，T1均为16位定时器MOVTCON，#05H；设置外部中断和为边沿触发MOVTH1，#OF2H；定时器T1置初始时间常数MOVTL1，#OFFHMOVTH0，#OF2H；TO置初始时间常数MOVTL0，#OFFHMOVIP，#09H；置和T1为高优先级MOVIE，#OFH；允许、、T0、T1中断MOVDPTR，#9100H；规定8155接口一A、B为输出口MOVA，#03H；C口为输入口MOVX@DPTR，AMOVDPTR，#9104H；8155接口一定时器置初始时间常数MOVA，#10H；定时20msMOVX@DPTR，AINCDPTRMOVA，#0A7HMOVX@DPTR,AMOVDPTR，#3100H；8155接口二初始化MOVA，#00H；A、B为输入口MOVX@DPTR，AMOV53H，#12H；比例标志P代码MOV52H，#10H；全黑标志代码MOV51H，#10HMOV50H，#10HACALLDIR；显示标志MOVR5，#03H；读比例系数，位数送R5MOVR1，#52H；显示缓冲区首址→R1MOVR0，#22H；备用地址首址→R0UP2：ACALLKEY；读键值MOV@R1，A；送显示缓冲区MOV@R0，A；送备用地址DECR1；修改地址DECR0ACALLDIRDJNZR5，UP2；未完返回；读积分系数；读微分系数；读阶跃给定CLRP；开放正组SETBP；封锁反组MOVDPT