畢業(yè)論文--數(shù)字隨動系統(tǒng)的實驗裝置設(shè)計

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要3</b></p><p>　　Abstract4</p><p><b>　　0文獻(xiàn)綜述5</b></p><p><b>　　1 引言8</b></p>

2、<p>　　1.1本文研究的背景8</p><p>　　1.2本文研究的意義8</p><p>　　2 隨動控制系統(tǒng)9</p><p>　　2.1 隨動系統(tǒng)的分類9</p><p>　　2.2 隨動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成10</p><p>　　2.3 隨動系統(tǒng)的控制要求11</p>

3、;<p>　　2.4 應(yīng)用隨動系統(tǒng)的目的12</p><p>　　3 總體設(shè)計方案及論證12</p><p>　　3.1 設(shè)計任務(wù)及基本要求12</p><p>　　3.2 設(shè)計總體方案12</p><p>　　3.3 微處理器選擇13</p><p>　　3.3.1 MCS—52系

4、列單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)13</p><p>　　3.3.2 DSP系列微處理器14</p><p>　　3.3.3 PLC可編程控制器14</p><p>　　3.4 檢測環(huán)節(jié)的方案論證16</p><p>　　3.5 外圍電路設(shè)計20</p><p>　　3.6 系統(tǒng)設(shè)計總框架圖21</p>

5、;<p>　　4 硬件電路設(shè)計21</p><p>　　4.1 系統(tǒng)主控電路21</p><p>　　4.2 電動機驅(qū)動芯片選擇23</p><p>　　5 系統(tǒng)軟件設(shè)計24</p><p>　　5.1 數(shù)字控制器設(shè)計24</p><p>　　5.2 系統(tǒng)的主程序框圖及程序清單25&l

6、t;/p><p>　　5.3 數(shù)字觸發(fā)器的軟件設(shè)計26</p><p>　　6 數(shù)字隨動系統(tǒng)控制精度分析27</p><p>　　6.1 檢測誤差27</p><p>　　6.2 系統(tǒng)誤差28</p><p>　　6.3擾動誤差29</p><p><b>　　總結(jié)29&

7、lt;/b></p><p>　　附錄 部分程序清單30</p><p>　　1.1 主程序清單30</p><p>　　1.2 T0中斷服務(wù)程序31</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)33</b></p><p><b>　　致 謝34</b>&l

8、t;/p><p>　　數(shù)字隨動系統(tǒng)的實驗裝置設(shè)計</p><p>　　摘要：在控制系統(tǒng)中，若給定的輸入信號是預(yù)先未知且隨時間變化的，并且系統(tǒng)的輸出量隨輸入量的變化而變化，這種系統(tǒng)就稱為隨動系統(tǒng)?？焖俑櫤蜏?zhǔn)確定位是隨動系統(tǒng)的兩個重要技術(shù)指標(biāo)。傳統(tǒng)的伺服控制系統(tǒng)通常采用模擬隨動系統(tǒng)，即用運算放大器及外圍電阻、電容元件實現(xiàn)比例、微分、積分校正網(wǎng)絡(luò)，來改善系統(tǒng)的動態(tài)及靜態(tài)特性。實際工作中我們感到模擬

9、伺服隨動系統(tǒng)具有算法呆板，電路調(diào)試繁瑣，系統(tǒng)響應(yīng)慢等諸多不足。隨著計算機技術(shù)、現(xiàn)代控制理論的迅猛發(fā)展，由數(shù)字控制裝置組成的隨動系統(tǒng)即數(shù)字隨動系統(tǒng)應(yīng)運而生。</p><p>　　數(shù)字隨動系統(tǒng) 是輸出量以一定精度復(fù)現(xiàn)輸入量變化的自動控制系統(tǒng), 它在對生產(chǎn)過程和運動對象的控制中, 以及在定位、瞄準(zhǔn)、跟蹤等裝置中都占有顯著的地位, 現(xiàn)己成為各種自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成部分。</p><p>　　本文的研

10、究對象是數(shù)字隨動系統(tǒng),并結(jié)合數(shù)字隨動系統(tǒng)的原理設(shè)計一個比較簡單的數(shù)字隨動系統(tǒng)實驗裝置。</p><p>　　關(guān)鍵詞：快速跟蹤；準(zhǔn)確定位；伺服控制系統(tǒng)；數(shù)字控制裝置；數(shù)字隨動系統(tǒng)</p><p>　　Design Experimental Instrument Of Digital Servo</p><p><b>　　LIN Yang</b>

11、</p><p>　　College of Engineering and Technology, Southwest University, Chongqing 400716, China</p><p>　　Abstract：In the control system, if a given input signal is known in advance and change ove

12、r time, and the output of the system varies with the change in the amount of input, such a system is called servo system. Fast tracking and accurate positioning servo system are two important technical indicators. The tr

13、aditional servo control system is usually analog servo system, operational amplifier and external resistors, capacitors, components achieve proportional, differential and integral correction</p><p>　　Digital

14、 servo system changes by the amount of output to a certain precision complex now enter the amount of the automatic control system in the control of the production process and movement object, as well as in positioning, t

15、argeting, tracking and other devices are occupies a significant position, has bevarious automatic adjusting components of the system now.</p><p>　　The object of this paper is a digital servo system, and comb

16、ined with digital servo system design principles of a relatively simple digital servo system experimental device.</p><p>　　Key Words：Fast-track；Accurate positioning；Servo control system；Digital control unit；

17、Digital Servo System</p><p><b>　　0文獻(xiàn)綜述</b></p><p>　　隨動系統(tǒng)（也叫伺服系統(tǒng)）是自動控制系統(tǒng)中的一類，是用來控制被控對象的某種狀態(tài)，使其能夠自動地、連續(xù)地、精確地重復(fù)輸入信號的變化規(guī)律[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和電力電子技術(shù)以及其他技術(shù)的發(fā)展，伺服技術(shù)更是發(fā)展迅速，它的應(yīng)用幾乎遍

18、及社會生產(chǎn)各領(lǐng)域[2]。</p><p>　　在控制系統(tǒng)中，若給定的輸入信號是預(yù)先未知且隨時間變化的，并且系統(tǒng)的輸出量隨輸入量的變化而變化，這種系統(tǒng)就稱為隨動系統(tǒng)?？焖俑櫤蜏?zhǔn)確定位是隨動系統(tǒng)的兩個重要技術(shù)指標(biāo)。傳統(tǒng)的伺服控制系統(tǒng)通常采用模擬隨動系統(tǒng)，即用運算放大器及外圍電阻、電容元件實現(xiàn)比例、微分、積分校正網(wǎng)絡(luò)，來改善系統(tǒng)的動態(tài)及靜態(tài)特性[1]。實際工作中我們感到模擬伺服隨動系統(tǒng)具有算法呆板，電路調(diào)試繁瑣，系統(tǒng)

19、響應(yīng)慢等諸多不足。</p><p>　　隨著計算機技術(shù)、現(xiàn)代控制理論的迅猛發(fā)展，由數(shù)字控制裝置組成的隨動系統(tǒng)即數(shù)字隨動系統(tǒng)應(yīng)運而生。數(shù)字隨動系統(tǒng)通常以微處理器為核心器件，通過數(shù)學(xué)模型計算實現(xiàn)比例、微分、積分控制算法，從而快速而有效地實現(xiàn)被控對象的精確定位。與傳統(tǒng)的模擬系統(tǒng)相比，數(shù)字隨動系統(tǒng)控制是從計算機接收控制命令，它具有設(shè)計簡單，體積小，修改方便，精度高，可靠性高等優(yōu)點[2]。</p><p

20、>　　數(shù)字隨動控制系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，主要是機械制造行業(yè)，運輸行業(yè)，冶金工業(yè)，軍事上。這就使得我們對數(shù)字隨動系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)習(xí)和研究變得尤為重要，尤其是對其應(yīng)用進(jìn)行了解和學(xué)習(xí)。數(shù)字式隨動系統(tǒng)的基本類型有以下三種：</p><p>　　1、數(shù)字式相位控制隨動系統(tǒng)[8]</p><p>　　如圖1-1所示，這是數(shù)控機床上廣泛采用的一種隨動系統(tǒng)，實質(zhì)上是一個相位閉環(huán)（又稱鎖相環(huán)）的反鎖控制系統(tǒng)

21、。其位置環(huán)由數(shù)字相位給定、數(shù)字相位反鎖和</p><p>　　數(shù)字相位比較三個部分組成。</p><p>　　圖1-1 數(shù)字式相位控制隨動系統(tǒng)原理框圖</p><p>　　Fig 1-1 Digital phase diagram of control servo system</p><p>　　2、數(shù)字式脈沖控制隨動系統(tǒng)</p&

22、gt;<p>　　在數(shù)字式脈沖隨動控制系統(tǒng)中，主張給定信號是指令脈沖數(shù)D*，作為位置檢測用的光柵則發(fā)出位置反饋脈沖數(shù)D，它們分別進(jìn)入可逆計數(shù)器的加法端和減法端。經(jīng)運算后得到脈沖的誤差量ΔD= D*-D+D0，其中是為了克服后級模擬放大器零飄影響而在計數(shù)器中預(yù)置的常數(shù)值。此誤差信號經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后，作為速度控制器的給定信號，再經(jīng)過功率放大，便使電機和機床工作臺消除偏差的方向運動。由于數(shù)字光柵的精度可以做得很高，從而能保證這種系

23、統(tǒng)獲得很高的控制精度。</p><p>　　3、數(shù)字式編碼控制隨動系統(tǒng)</p><p>　　在這種系統(tǒng)中，給定往往是二進(jìn)制數(shù)字碼信號。檢測元件一般是光電編碼盤或其它的數(shù)字反饋發(fā)送器，借助于轉(zhuǎn)換得到二進(jìn)制碼信號，二者聯(lián)合構(gòu)成“角度—數(shù)碼”轉(zhuǎn)換器或“線位移—數(shù)碼”轉(zhuǎn)換器。</p><p>　　不管是模擬式還是數(shù)字式的隨動系統(tǒng)，其閉環(huán)結(jié)構(gòu)都可以有不同的形式。位置隨動系統(tǒng)按

24、其組成中反饋閉環(huán)的多少和結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度，一般可有五種控制方案：單環(huán)位置隨動系統(tǒng)、雙環(huán)位置隨動系統(tǒng)、三環(huán)位置隨動系統(tǒng)、變結(jié)構(gòu)控制位置隨動系統(tǒng)和復(fù)合控制位置隨動系統(tǒng)。其中單環(huán)位置隨動系統(tǒng)是系統(tǒng)中有一個位置負(fù)反饋閉環(huán)，它由位置給定反饋、位置比較、檢測變換、相敏整流及濾波電路、位置調(diào)節(jié)器、可逆功放、伺服電動機、減速器及負(fù)載等環(huán)節(jié)組成；雙閉環(huán)隨動系統(tǒng)由兩個閉環(huán)組成，可以構(gòu)成兩種不同形式的雙環(huán)位置隨動系統(tǒng)，即位置-（加）速度雙環(huán)隨動系統(tǒng)和帶速差校正的

25、位置-電流雙閉環(huán)隨動系統(tǒng)；三環(huán)位置隨動系統(tǒng)是在位置-速度雙閉環(huán)內(nèi)，再增加一個電流環(huán)，這就構(gòu)成了所謂位置-速度-電流三環(huán)隨動系統(tǒng)；變結(jié)構(gòu)控制位置隨動系統(tǒng)是指在高速時由速度環(huán)工作，而在低速時則由位置環(huán)工作的特殊隨動系統(tǒng)和調(diào)速與電軸兩用系統(tǒng)；復(fù)合控制位置隨動系統(tǒng)是指在前述各種反饋控制位置隨動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，如果其動、穩(wěn)態(tài)性能難以協(xié)調(diào)，在系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定的前提下，可以利用速度信號進(jìn)行前饋控制，構(gòu)成前饋控制和反饋控制相結(jié)合的復(fù)合控制位置隨動系統(tǒng)[9]。

26、</p><p><b>　　1 引言</b></p><p><b>　　本文研究的背景</b></p><p>　　隨動系統(tǒng)是自動控制系統(tǒng)中的一類，1934年第一次提出了伺服機構(gòu)（Servomechanism），1944年世界上第一個隨動系統(tǒng)由麻省理工學(xué)院成功研制，隨著自動控制理論的發(fā)展，到 20世紀(jì)中期，數(shù)字隨動系統(tǒng)

27、的理論和實踐均趨于成熟。在近幾年新技術(shù)的推動下，特別是伴隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字隨動系統(tǒng)應(yīng)用幾乎遍及社會的各個領(lǐng)域。它的發(fā)展初期是以反饋理論為基礎(chǔ)的自動調(diào)節(jié)原理，隨著工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已發(fā)展成為一門獨立的學(xué)科——控制論。在18世紀(jì)人們發(fā)明了兩類機器：機器發(fā)電機和機器發(fā)動機，來代替人手和體力，開始實現(xiàn)機械化；在上世紀(jì)40、50年代即第二次世界大戰(zhàn)期間及以后，由于軍事和生產(chǎn)上的需要，自動控制技術(shù)開始迅速發(fā)展，發(fā)明了第三

28、類機器——機器控制器，來代替人的部分簡單的管理工作，形成了自動控制系統(tǒng)；到50年代末，自動控制理論已經(jīng)形成比較完整的理論體系，由于電子計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，在客觀上提供了必要的技術(shù)手段。隨動系統(tǒng)作為自動化系統(tǒng)的一種，其研究和應(yīng)用已較為廣泛。從早期的模擬直流系統(tǒng)，到80年代后期的數(shù)字交流系統(tǒng)，隨動系統(tǒng)大量應(yīng)用于工業(yè)和國防領(lǐng)域。雖然新的控制結(jié)構(gòu)和控制器不斷出</p><p>　　隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，實時計算機系統(tǒng)在

29、工業(yè)控制、航空航天、交通管理、作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)的應(yīng)用正越來越廣泛。嵌入式實時應(yīng)用是目前國內(nèi)外蓬勃發(fā)展的方向之一，正被越來越多的研究和應(yīng)用。由于它與一般計算機系統(tǒng)的差異，其開發(fā)系統(tǒng)與通用軟件開發(fā)有明顯不同，需要高實時性能的操作系統(tǒng)和開發(fā)環(huán)境。</p><p>　　自20世紀(jì)70年代以來，由于發(fā)展了力矩電機及高靈敏度測速機，使數(shù)字隨動系統(tǒng)實現(xiàn)了直接驅(qū)動，革除或減小了齒隙和彈性變形等非線性因素，使帶寬達(dá)到50赫，并成功

30、應(yīng)用在遠(yuǎn)程導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、精密指揮儀等場所。</p><p><b>　　本文研究的意義</b></p><p>　　自動控制系統(tǒng)不僅在理論上飛速發(fā)展，在其應(yīng)用器件上也日新月異。模塊化、數(shù)字化、高精度、長壽命的器件每隔3～5年就有更新?lián)Q代的產(chǎn)品面市。傳統(tǒng)的交流伺服電機特性軟，并且其輸出特性不是單值的;步進(jìn)電機一般為開環(huán)控制而無法準(zhǔn)確定位，電動機本身還有速度諧振區(qū)，PW

31、M調(diào)速系統(tǒng)對位置跟蹤性能較差，變頻調(diào)速較簡單但精度有時不夠，直流電機伺服系統(tǒng)以其優(yōu)良的性能被廣泛的應(yīng)用于位置隨動系統(tǒng)中，但其也有缺點，例如結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在超低速時死區(qū)矛盾突出，并且換向刷會帶來噪聲和維護(hù)保養(yǎng)問題。目前，新型的永磁交流伺服電機發(fā)展迅速，尤其是從方波控制發(fā)展到正弦波控制后，系統(tǒng)性能更好，它調(diào)速范圍寬，尤其是低速性能優(yōu)越。【2】</p><p>　　隨動系統(tǒng)將向兩個方向發(fā)展：一個是滿足一般工業(yè)應(yīng)用要求，對性

32、能指標(biāo)要求不高的應(yīng)用場合，追求低成本、少維護(hù)、使用簡單等特點的驅(qū)動產(chǎn)品，如變頻電機、變頻器等。另一個就是代表著伺服系統(tǒng)發(fā)展水平的主導(dǎo)產(chǎn)品—伺服電機、伺服控制器，追求高性能、高速度、數(shù)字化、智能型、網(wǎng)絡(luò)化的驅(qū)動控制，以滿足用戶較高的應(yīng)用要求。數(shù)字隨動系統(tǒng)是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)（或給定值）的任意變化的自動控制系統(tǒng)。</p><p>　　隨動的主要任務(wù)是按控制命令的要求、對功率進(jìn)行放大、

33、變換與調(diào)控等處理，使驅(qū)動裝置輸出的力矩、速度和位置控制的非常靈活方便。</p><p><b>　　2 隨動控制系統(tǒng)</b></p><p>　　2.1 隨動系統(tǒng)的分類</p><p>　　伺服系統(tǒng)根據(jù)其處理信號的方式不同，可以分為模擬式伺服、數(shù)字模擬混合式、伺服和全數(shù)字式伺服；如果按照使用的伺服電動機的種類不同，又可分為兩種：一種是用永磁

34、同步伺服電動機構(gòu)成的伺服系統(tǒng)，包括方波永磁同步電動機（無刷直流機）伺服系統(tǒng)和正弦波永磁同步電動機伺服系統(tǒng)；另一種是用鼠籠型異步電動機構(gòu)成的伺服系統(tǒng)。二者的不同之處在于永磁同步電動機伺服系統(tǒng)中需要采用磁極位置傳感器而感應(yīng)電動機伺服系統(tǒng)中含有滑差頻率計算部分。若采用微處理器軟件實現(xiàn)伺服控制，可以使永磁同步伺服電動機和鼠籠型異步伺服電動機使用同一套伺服放大器。[2]</p><p>　　伺服控制單元的種類：</p

35、><p>　　1．分離型伺服控制單元</p><p>　　其特點是數(shù)控系統(tǒng)和伺服控制單元相對獨立，也就是說，它們可以與多種數(shù)控系統(tǒng)配用，NC系統(tǒng)給出的指令是與軸運動速度相關(guān)的DC電壓。而從機床返回的是與NC系統(tǒng)匹配的軸運動位置檢測信號（例如編碼器，感應(yīng)同步器等輸出信號）。伺服數(shù)據(jù)的設(shè)定和調(diào)整都在伺服控制單元側(cè)進(jìn)行（用電位器調(diào)節(jié)或通過數(shù)字方式輸入）。</p><p>　　

36、2．串行數(shù)據(jù)傳輸型伺服控制單元</p><p>　　其特點是NC系統(tǒng)與伺服控制單元之間的數(shù)據(jù)傳送是雙向。與相關(guān)的指令數(shù)據(jù)、伺服數(shù)據(jù)和報警信號是通過相應(yīng)的時鐘信號線、選通信號號、發(fā)送數(shù)據(jù)線、接收數(shù)據(jù)線、報警信號線傳送。</p><p>　　3．網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸型伺服控制單元</p><p>　　其特點是控制單元密集安裝在一起，由一個公用的DC電源單元供電。NC裝置通過FC

37、P板上的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理模塊的連接點SR、ST與各個控制單元（子站）的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理模塊的SR、ST點串聯(lián)，組成伺服控制環(huán)[2] 。各個軸的位置編碼器與控制單元之間是通過二根高速通信線連接，反饋的信息有位置和相關(guān)的狀態(tài)信息。 </p><p>　　串行數(shù)據(jù)傳輸型和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸型伺服控制單元的伺服參數(shù)在NC裝置中用數(shù)字設(shè)定，開機初始化時裝入伺服控制單元，修改和調(diào)整都十分方便。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸型伺服控制單元在相應(yīng)的控

38、制軟件配合下，具有實時的調(diào)整能力，例如在定位加減速功能中，可以根據(jù)電機的速度和扭矩特性求應(yīng)的函數(shù)，再以其函數(shù)控制高速定位時的加減速度，從而抑制高速定位時可能引起的振動。位速度的提高可以縮短時間，提高加工效率。 采用高速微處理器和專用數(shù)字信號處理機（DSP）的全數(shù)字化交流伺服系統(tǒng)出現(xiàn)后，硬件伺服控制變?yōu)檐浖欧刂?，一些現(xiàn)代控制理論的先進(jìn)算法得到實現(xiàn)，進(jìn)而大大地提高了伺服系統(tǒng)的控制性能。</p><p>

39、　　伺服控制單元是數(shù)控系統(tǒng)中與機械直接相關(guān)聯(lián)的部件，它們的性能與機床的切削速度和位置精度關(guān)系很大，其價格也占數(shù)控系統(tǒng)的很大部分。相對來說，伺服部件的故障率也較高，約占電氣故障的70%以上，所以選配伺服控制單元十分重要。伺服故障除了與伺服控制單元的可靠性有關(guān)外，還與機床的使用環(huán)境、機械狀況和切削條件密切相關(guān)。例如環(huán)境溫度過高，易引起器件過熱而損壞；防護(hù)不嚴(yán)可能引起電機進(jìn)水，造成短路；導(dǎo)軌和絲杠潤滑不好或切削負(fù)荷過重會引起電機過流。機械傳動

40、機構(gòu)卡死更會引起功率器件的損壞，雖然伺服控制單元本身有一定的過載保護(hù)能力，但是故障情況嚴(yán)重或者多次發(fā)生時，仍然會使器件損壞。</p><p>　　2.2 隨動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成</p><p>　　機電一體化的隨動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),類型繁多,但從自動控制理論的角度來分析,伺服控制系統(tǒng)一般包括控制器,被控對象,執(zhí)行環(huán)節(jié),檢測環(huán)節(jié),比較環(huán)節(jié)等五部分。</p><p>　　1

41、．比較環(huán)節(jié):是將輸入的指令信號與系統(tǒng)的反饋信號進(jìn)行比較,以獲得輸出與輸入間的偏差信號的環(huán)節(jié),通常由專門的電路或計算機來實現(xiàn)。</p><p>　　2．控制器:通常是計算機或PID控制電路,其主要任務(wù)是對比較元件輸出的偏</p><p>　　差信號進(jìn)行變換處理,以控制執(zhí)行元件按要求動作。</p><p>　　3．執(zhí)行環(huán)節(jié):作用是按控制信號的要求,將輸入的各種形式的能量

42、轉(zhuǎn)化成機械能,驅(qū)動被控對象工作.機電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行元件一般指各種電機或液壓,氣動伺服機構(gòu)等。</p><p>　　4．被控對象：機械參數(shù)量包括位移，速度，加速度，力，和力矩為被控對象。</p><p>　　5．檢測環(huán)節(jié):是指能夠?qū)敵鲞M(jìn)行測量并轉(zhuǎn)換成比較環(huán)節(jié)所需要的量綱的裝置,一般包括傳感器和轉(zhuǎn)換電路[10]。</p><p>　　綜上所述，本系統(tǒng)采用數(shù)字式編碼

43、隨動控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)包括兩個環(huán)節(jié)：位置反饋環(huán)節(jié)和速度反饋環(huán)節(jié)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3-2所示。</p><p>　　圖2-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　Fig2-1 System structure </p><p>　　2.3 隨動系統(tǒng)的控制要求</p><p><b>　　1．系統(tǒng)精度</b></p>

44、<p>　　隨動系統(tǒng)精度指的是輸出量復(fù)現(xiàn)輸入信號要求的精確程度,以誤差的形式表現(xiàn),可概括為動態(tài)誤差,穩(wěn)態(tài)誤差和靜態(tài)誤差三個方面組成。</p><p><b>　　2．穩(wěn)定性</b></p><p>　　隨動系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指當(dāng)作用在系統(tǒng)上的干擾消失以后，系統(tǒng)能夠恢復(fù)到原來穩(wěn)定狀態(tài)的能力；或者當(dāng)給系統(tǒng)一個新的輸入指令后，系統(tǒng)達(dá)到新的穩(wěn)定運行狀態(tài)的能力。隨動系

45、統(tǒng)正常運行的最基本條件是系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的，否則其他性能指標(biāo)都是毫無意義的。隨動系統(tǒng)的穩(wěn)定性包括兩方面的含義：一是通常意義的穩(wěn)定性；另一方面是系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，或者說系統(tǒng)震蕩的程度，指系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。例如，一個系統(tǒng)雖然是穩(wěn)定的，但在收到擾動作用后，震蕩傾向很強烈，而震蕩的衰減卻很慢，這種系統(tǒng)的穩(wěn)定度就很差。必須注意的是，穩(wěn)定性只表示系統(tǒng)本身的一種特性，它決定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與元件參數(shù)，與外部輸入指令或擾動信號無關(guān)。</p><

46、p><b>　　3．響應(yīng)特性</b></p><p>　　響應(yīng)特性指的是輸出量跟隨輸入指令變化的反應(yīng)速度,決定了系統(tǒng)的工作效率.響應(yīng)速度與許多因素有關(guān)，如計算機的運行速度,運動系統(tǒng)的阻尼和質(zhì)量等。</p><p><b>　　4．工作頻率</b></p><p>　　工作頻率通常是指系統(tǒng)允許輸入信號的頻率范圍。當(dāng)工作

47、頻率信號輸入時，系</p><p>　　統(tǒng)能夠按技術(shù)要求正常工作；而其它頻率信號輸入時，系統(tǒng)不能正常工作。</p><p>　　2.4 應(yīng)用隨動系統(tǒng)的目的</p><p>　　采用隨動系統(tǒng)主要是為了達(dá)到下面幾個目的：</p><p>　　1．以小功率指令信號去控制大功率負(fù)載。火炮控制和船舵控制就是典型的例子。</p><

48、p>　　2．在沒有機械連接的情況下，由輸入軸控制位于遠(yuǎn)處的輸出軸，實現(xiàn)遠(yuǎn)距同步傳動。</p><p>　　3．使輸出機械位移精確地跟蹤電信號，如記錄和指示儀表等。</p><p>　　3 總體設(shè)計方案及論證</p><p>　　3.1 設(shè)計任務(wù)及基本要求</p><p><b>　　采用數(shù)字系統(tǒng)</b><

49、/p><p>　　裝置能進(jìn)行單環(huán)、閉環(huán)和隨動系統(tǒng)演示實驗</p><p><b>　　執(zhí)行對象是力矩電機</b></p><p>　　調(diào)速范圍0.2～300轉(zhuǎn)/分</p><p>　　跟蹤角度不小于±160度 </p><p>　　電源交流220V、直流24/12V</p>&

50、lt;p>　　3.2 設(shè)計總體方案</p><p>　　總體方案的確定是進(jìn)行微機控制系統(tǒng)設(shè)計時最重要、最關(guān)鍵的一步，因為總體方案直接關(guān)系到整個控制系統(tǒng)的運行、調(diào)節(jié)性能以及實施的細(xì)節(jié)。</p><p>　　由于位置隨動系統(tǒng)的 基本特征體現(xiàn)在位置環(huán)上，體現(xiàn)在位置給定信號和位置反饋信號及兩個信號的綜合比較上。因此，可根據(jù)這個特征將它劃分為兩個類型：一類是模擬式隨動系統(tǒng)，一類是數(shù)字式隨動系

51、統(tǒng)。但是由于模擬式隨動系統(tǒng)的檢測裝置的精度受到制造上的限制，不可能作的很高，從而影響了整個模擬式隨動系統(tǒng)的精度。若生產(chǎn)機械要求進(jìn)一步提高，則必須采用數(shù)字式檢測裝置來組成數(shù)字式隨動系統(tǒng)。</p><p>　　其中在里面的反饋環(huán)是速度環(huán)，在外面的反饋環(huán)是位置環(huán)。一般來說，雙閉環(huán)系統(tǒng)具有比較滿意的動態(tài)性能：</p><p><b>　　1、動態(tài)跟隨性能</b></p&

52、gt;<p>　　雙閉環(huán)系統(tǒng)在啟動和升速過程中，能夠在電流受到電機過載能力約束條件下，表現(xiàn)出很快的動態(tài)跟隨性能。只要指定位置參數(shù)，它便迅速控制電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，以達(dá)到指定的目的。</p><p><b>　　2、動態(tài)抗擾性能</b></p><p>　　當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作時，出現(xiàn)不正常的擾動干擾時，位置反饋系統(tǒng)便把位置信號反饋回主控制系統(tǒng)，之后，便會調(diào)節(jié)電

53、機，使其轉(zhuǎn)速提高或下降，最終達(dá)到控制穩(wěn)定的目的。因此，本系統(tǒng)具有極強的抗干擾性能。為了提高系統(tǒng)快速跟隨能力，要求外環(huán)即位置環(huán)有較高的截止頻率，因為外環(huán)的截止頻率表征了系統(tǒng)的快速性。</p><p>　　如果在本系統(tǒng)基礎(chǔ)上外加電流反饋，組成三環(huán)隨動系統(tǒng)。對于這樣的一個三環(huán)系統(tǒng)，工程設(shè)計方法是由內(nèi)環(huán)到外環(huán)逐一設(shè)計，則系統(tǒng)穩(wěn)定性是有了保證的。當(dāng)速度環(huán)與電流環(huán)的某些參數(shù)發(fā)生了變化或受到擾動時，電流反饋或速度反饋能對它們起

54、到有效的抑制作用，因而，對位置環(huán)的工作影響很小，但這種三環(huán)系統(tǒng)有明顯的缺點，對控制作用的響應(yīng)較慢，這是因為每次由內(nèi)環(huán)設(shè)計到外環(huán)時，都要采用內(nèi)環(huán)等效環(huán)節(jié)。而這種等效環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)之所以能夠成立，是以外環(huán)的截止頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于內(nèi)環(huán)為先決條件的。但系統(tǒng)的位置環(huán)的截止頻率被限制的太低，從而影響了快速性。</p><p>　　3.3 微處理器選擇</p><p>　　控制器的總類有很多，在自動化控制系統(tǒng)

55、中較為常用的主要可分為MCS-52系列及其衍生系列微處理器、DSP系列微處理器、PLC系列微處理器。</p><p>　　3.3.1 MCS—52系列單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　該系列微處理器在控制系統(tǒng)中的特點如下：</p><p>　　1．小巧靈活、成本低、易于產(chǎn)品化</p><p>　　2．可靠性好，適應(yīng)溫度范圍寬</p&

56、gt;<p>　　3．易擴(kuò)展，很容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)，控制功能強</p><p>　　4．可以很方便地實現(xiàn)多機和分布式控制[3]</p><p>　　3.3.2 DSP系列微處理器</p><p>　　DSP是數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor）的縮寫，是一種特別適合與進(jìn)行數(shù)字信號處理運算的微處理器，主要用于實時快

57、速實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理的運算。目前，DSP芯片的發(fā)展非常迅速。硬件結(jié)構(gòu)方面主要是向多處理器的并行處理結(jié)構(gòu)、便于外部數(shù)據(jù)交換的串行總線傳輸、大容量片上RAM和ROM、程序加密、增加I/O驅(qū)動能力、外圍電路內(nèi)裝化、低功耗等方面發(fā)展。</p><p>　　軟件方面主要是綜合開發(fā)平臺的完善，使DSP的應(yīng)用開發(fā)更加靈活方便。DSP在數(shù)字處理方面有以下特點：</p><p><b>　　1．

58、采用哈佛結(jié)構(gòu)</b></p><p><b>　　2．采用多總線結(jié)構(gòu)</b></p><p><b>　　3．采用流水線結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　4．配有專用的硬件懲罰-累加器</p><p>　　5．具有特殊的DSP指令</p><p>　　6．擁有快速

59、的指令周期</p><p><b>　　7．硬件配置強</b></p><p>　　8．支持多處理器結(jié)構(gòu)</p><p>　　9．省電管理和低功耗[4]</p><p>　　3.3.3 PLC可編程控制器</p><p>　　PLC是可編程序邏輯控制器（Programmable Logical

60、Controller）的縮寫，它是一種數(shù)字運算的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的。它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計算和算術(shù)運算等操作指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入或輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC和計算機有基本類似的結(jié)構(gòu)，但按其作用，它有自己的特點，其主要特點如下：</p><p>　　1．編程簡單，使用面向控制操作的控制邏輯語言。</p>&l

61、t;p>　　2．可靠性高，抗干擾能力強，適于在惡劣的生產(chǎn)環(huán)境下運行。</p><p>　　3．系統(tǒng)采用了分散的模塊化結(jié)構(gòu)。</p><p>　　4．由于PLC采用了大規(guī)模集成電路技術(shù)和微處理器技術(shù)，故可將其設(shè)計的緊湊、堅固、小體積，在加上它的可靠性，PLC易于裝入機械設(shè)備內(nèi)部，實現(xiàn)機電一體化。</p><p>　　5．線對于繼電器邏輯控制而言，PLC可節(jié)省大量

62、繼電器，故降低成本且提高了可靠性。</p><p>　　6．中、高檔PLC均具有極強的聯(lián)網(wǎng)通訊能力MCS-51系列及其衍生系列的微處理器在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用也比較廣泛，其適合與各種類型的工業(yè)自動化控制系統(tǒng)，其信號處理類型也屬于數(shù)字信號，但是，由于其外部擴(kuò)展芯片可以進(jìn)行A/D、D/A轉(zhuǎn)換，因此，也可以對模擬信號進(jìn)行處理。單片機的編程語言是比較低級的匯編語言，該語言比C語言好掌握，且在掌握得情況下易于編程，同

63、時在程序出現(xiàn)錯誤時，易于修改。</p><p>　　DSP芯片集成度高，運算速度快，但是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，而且它主要用于對數(shù)字信號的處理，再加上DSP在編程時使用的是類似于C語言的高級語言進(jìn)行編程，程序編寫時較PLC的梯形圖程序和單片機的匯編語言復(fù)雜，容易出錯，且修改比較麻煩。</p><p>　　PLC的CPU模塊在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中應(yīng)用的范圍比較廣泛，但是其只適合與應(yīng)用在大型的工業(yè)

64、自動化控制系統(tǒng)中，因為，PLC系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)較DSP系統(tǒng)簡單，但是其整體的體積較大，在某些特定環(huán)境中不適合與應(yīng)用。再者，PLC在編程時主要使用梯形圖程序進(jìn)行編程，雖然易于編程和修改，但是價格比較昂貴。</p><p>　　綜上所述，選用一種單片機芯片，針對具體控制任務(wù)，自行設(shè)計一個單片機系統(tǒng)，起優(yōu)點是針對性強，靈活方便，所以元器件最少，投資少等。缺點是硬件和軟件都由擁護(hù)從頭設(shè)計，工作量大，且周期長。通常在智能儀器、

65、儀表及小型控制系統(tǒng)中采用這種方案。</p><p>　　選用單片機芯片自行設(shè)計與其他的方法相比，具有如下的優(yōu)點：</p><p>　　1．集程度高，體積小</p><p>　　在一塊芯片上集成了構(gòu)成一臺微型機算機所需的CPU、ROM，RAM，I/O接口以及定時、計數(shù)器等不見，能夠滿足很多應(yīng)用領(lǐng)域?qū)τ布δ艿囊?。因而，單片機組成的應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，體積小。</

66、p><p>　　2．面向控制，功能強</p><p>　　單片機面向控制，它的實時控制功能特別強，CPU可以直接對I/O接口進(jìn)行各種操作，能針對性的完成從簡單到復(fù)雜的各類控制任務(wù)。</p><p><b>　　3．抗干擾能力強，</b></p><p>　　單片機內(nèi) CPU訪問存儲器、I/O接口的信息傳輸線（即總線）大多數(shù)在

67、芯片內(nèi)，因而，不易受到外界的干擾。另外，由于單片機體積小，適應(yīng)溫度范圍寬，在應(yīng)用環(huán)境比較差的情況下，容易采取對系統(tǒng)進(jìn)行電磁屏蔽等措施。在各種惡劣的環(huán)境下，都能可靠地工作。所以，單片機應(yīng)用系統(tǒng)可靠性高于一般的微機系統(tǒng)。</p><p><b>　　4．使用方便</b></p><p>　　由于單片機內(nèi)部功能強，系統(tǒng)擴(kuò)展方便，因而應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)計非常簡單，再加上國內(nèi)外提

68、供了多種多樣的單片機開發(fā)工具，它們具有很強的軟件調(diào)試的功能和輔助設(shè)計的手段。這樣使單片機的應(yīng)用極為方便，大大的縮短了系統(tǒng)研制的周期，還可方便的實現(xiàn)多機和分布式控制，使整個控制系統(tǒng)的效率和可靠性大為提高。</p><p><b>　　5．性能價格比高</b></p><p>　　由于單片機功能強，價格便宜，其應(yīng)用系統(tǒng)的印板小，接、插件少，安裝調(diào)試簡單等一系列原因，使單片

69、機應(yīng)用系統(tǒng)的性能價格比高于一般的微機系統(tǒng)。本設(shè)計采用8051型號的單片機作為微處理器。</p><p>　　3.4 檢測環(huán)節(jié)的方案論證</p><p>　　位置測量元件是閉環(huán)控制系統(tǒng)中的重要部件之一，它的作用是檢測位移（角位移或線位移）并發(fā)出反饋信號，起著相當(dāng)于人眼睛的作用。一個設(shè)計完善的閉環(huán)伺服系統(tǒng)，其定位精度合測量精度主要由檢測元件決定，因此高精度的伺服系統(tǒng)對測量元件的質(zhì)量要求上相當(dāng)

70、高的。為了適應(yīng)高精度的及大中型數(shù)控系統(tǒng)必須有性能優(yōu)良的測量元件于PWM系統(tǒng)配套。</p><p>　　位置隨動系統(tǒng)中常用的檢測裝置有自整角機、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、光電編碼盤等。</p><p>　　自整角機是位移傳感器，在隨動系統(tǒng)中總是成對應(yīng)用的。與指令軸相連的稱為發(fā)送機，與執(zhí)行軸相連的稱為接收機。</p><p>　　按用途可分為力矩式和控制式兩類。力矩式自整

71、角機的工作原理可以由圖3-1來說明。圖中，由結(jié)構(gòu)、參數(shù)均相同的兩臺自整角機構(gòu)成自整角機組，一臺用來發(fā)送轉(zhuǎn)角信號，稱自整角發(fā)送機，用ZLF表示；另一臺用來接收轉(zhuǎn)角信號，稱為自整角接收機，用ZLJ表示。兩臺自整角機中的整步繞組均接成星形，三對相序相同的相繞組分別連接成回路。兩臺自整角機轉(zhuǎn)子中的勵磁繞組接在同一個單相交流電源上[12]。</p><p>　　圖3-1 力矩式自整角機的原理圖</p>&l

72、t;p>　　Fig3-1 The torque type selsyn schematic</p><p>　　旋轉(zhuǎn)變壓器實際上是一種特制的兩相旋轉(zhuǎn)電機，它有定子和轉(zhuǎn)子兩部分，在定子和轉(zhuǎn)子上各有兩套在空間上完全正交的繞組。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，定、轉(zhuǎn)子繞組間的相對位置隨之變化，使輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角呈一定的函數(shù)關(guān)系。其在隨動系統(tǒng)中的主要用作角度傳感器。其精度主要又函數(shù)誤差和零位誤差來衡量。</p>&

73、lt;p>　　由于旋轉(zhuǎn)變壓器在結(jié)構(gòu)上保證了其定子和轉(zhuǎn)子(旋轉(zhuǎn)一周)之間空氣間隙內(nèi)磁通分布符合正弦規(guī)律，因此，當(dāng)激磁電壓加到定子繞組時，通過電磁耦合，轉(zhuǎn)子繞組便產(chǎn)生感應(yīng)電勢。圖3-2為兩極旋轉(zhuǎn)變壓器電氣工作原理圖。圖中Z為阻抗。設(shè)加在定子繞組的激磁電壓為</p><p><b>　　(式3—1)</b></p><p>　　圖3-2 兩極旋轉(zhuǎn)變壓器</p&

74、gt;<p>　　Fig3-2 Poles resolver</p><p>　　根據(jù)電磁學(xué)原理，轉(zhuǎn)子繞組、中的感應(yīng)電勢則為</p><p><b>　?。ㄊ?—2）</b></p><p>　　式中K——旋轉(zhuǎn)變壓器的變化；θ——轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角，當(dāng)轉(zhuǎn)子和定子的磁軸垂直時，θ= 0時。如果轉(zhuǎn)子安裝在機床絲杠上，定子安裝在機床底座上，則

75、θ角代表的是絲杠轉(zhuǎn)過的角度，它間接反映了機床工作臺的位移。</p><p>　　由式3－2可知，轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電勢為以角速度ω隨時間t變化的交變電壓信號。 其幅值K隨轉(zhuǎn)子和定子的相對角位移以正弦函數(shù)變化。因此，只要測量出轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電勢的幅值，便可間接地得到轉(zhuǎn)子相對于定子的位置，即θ角的大小。</p><p>　　自整角機與旋轉(zhuǎn)變壓器雖然測量角度精度較高，但對于高精度隨動系統(tǒng)來說，它

76、們的制造誤差往往超過了系統(tǒng)所允許的誤差范圍，因此不能滿足要求。</p><p>　　感應(yīng)同步器具有兩種結(jié)構(gòu)形式，一種用來測角位移，叫圓形感應(yīng)同步器，另一種用來測直線位移，稱為直線式感應(yīng)同步器。由這兩種工作狀態(tài)所構(gòu)成的隨動系統(tǒng)都能得到很高的精度。</p><p>　　從感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)可看出，滑尺的兩個繞組中的任一繞組通以交變激磁電壓時，由于電磁效應(yīng)，定尺繞組上必然產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電勢。感應(yīng)電

77、勢的大小取決于滑尺相對于定尺的位置。圖3-2給出了滑尺繞組(滑尺)相對于定尺繞組(定尺)處于不同的位置時，定尺繞組中感應(yīng)電勢的變化情況。圖中A點表示滑尺繞組與定尺繞組重合，這時定尺繞組中的感應(yīng)電勢最大；如果滑尺相對于定尺從A點逐漸向左(或右)平行移動，感應(yīng)電勢就隨之逐漸減小，在兩繞組剛好錯開1／4節(jié)距的位置B點，感應(yīng)電勢減為零；若再繼續(xù)移動，移到1／2節(jié)距的C點，感應(yīng)電勢相應(yīng)地變?yōu)榕cA位置相同，但極性相反，到達(dá)3／4節(jié)距的D點時，感應(yīng)電

78、勢再一次變?yōu)榱?；其后，移動了一個節(jié)距到達(dá)E點，情況就又與A點相同了，相當(dāng)于又回到了A點。這樣，滑尺在移動一個節(jié)距的過程中，感應(yīng)同步器定尺繞組的感應(yīng)電勢近似于余弦函數(shù)變化了一個周期。</p><p>　　由上述及電磁學(xué)原理，定尺繞組上的感應(yīng)電勢為</p><p><b>　?。ㄊ?—3）</b></p><p>　　式中： K——耦合系數(shù)；<

79、;/p><p>　　θ——反映的是定尺和滑尺的相對移動的距離X； </p><p><b>　　（式3—4）</b></p><p>　　由式3-3和式3-4可知，感應(yīng)同步器的工作原理與兩極式旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理一樣，只要測量出Sinθ的值，便可求出θ角，進(jìn)而求得滑尺相對于定尺移動的距離X。當(dāng)分別向滑尺上的兩繞組施加不同的激磁電壓時，如式3-3、式

80、3-4所示的和，根據(jù)施加的激磁交變電壓信號的不同，感應(yīng)同步器也分為鑒相式和鑒幅式兩種工作方式，其原理與四極式旋轉(zhuǎn)變壓器完全相同。</p><p>　　光電編碼器是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。光電編碼器每轉(zhuǎn)輸出600個脈沖，五線制。其中兩根為電源線，三根為脈沖線(A相、B相、Z)。電源的工作電壓為 （+5～+24V）直流電源。光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是

81、在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。由于光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉(zhuǎn)時，光柵盤與電動機同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，其原理示意圖如下圖3-3所示；通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映當(dāng)前電動機的轉(zhuǎn)速。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可提供相位相差90º的兩路脈沖信號。</p><p>　　圖3-3 光電編碼器原理示意圖</p><

82、;p>　　Fig3-3 Optical encoder schematic diagram</p><p>　　工作原理:當(dāng)光電編碼器的軸轉(zhuǎn)動時A、B兩根線都產(chǎn)生脈沖輸出,A、B兩相脈沖相差90度相位角，由此可測出光電編碼器轉(zhuǎn)動方向與電機轉(zhuǎn)速。如果A相脈沖比B相脈沖超前則光電編碼器為正轉(zhuǎn),否則為反轉(zhuǎn).Z線為零脈沖線,光電編碼器每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生一個脈沖.主要用作計數(shù)。A線用來測量脈沖個數(shù),B線與A線配合可測量出

83、轉(zhuǎn)動方向。光電編碼器能將測到的信號轉(zhuǎn)換為微處理器所需要的編碼。</p><p>　　在本設(shè)計中需要將對被控電機的檢測信號送入單片機，單片機需要的是二進(jìn)制碼，而光電編碼器的輸出恰好是二進(jìn)制碼。于是在本設(shè)計中所用到的檢測裝置為光電編碼盤。</p><p>　　3.5 外圍電路設(shè)計</p><p>　　選擇一個好的控制器可以使系統(tǒng)有好的性能；選擇適當(dāng)?shù)臋z測元件可以提高測

84、量精度。如果沒有外圍電路的顯示、適時保護(hù)，隨之報警等一系列的完善，那么要達(dá)到控制精度是非常困難的。</p><p>　　鍵盤/顯示電路是單片機控制系統(tǒng)中作為人機交換系統(tǒng)的一個不可缺少的部分，其主要由顯示器鍵盤電路接口器件組成。</p><p>　　鍵盤在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中能實現(xiàn)向單片機輸入數(shù)據(jù)、傳送命令等功能，是人工干預(yù)單片機的主要手段。鍵的閉合與否，反映在行線輸出電壓上就是呈現(xiàn)高電平或低電

85、平，如果高電平表示鍵斷開，低電平則表示閉合，通過對行線電平高低狀態(tài)的檢測，便可確認(rèn)按鍵按下與否。</p><p>　　由于本設(shè)計為位置隨動系統(tǒng)實驗裝置，為了避免在實驗過程中，由于出現(xiàn)的接線錯誤等問題導(dǎo)致?lián)p壞電路，所以設(shè)置保護(hù)電路十分必要。</p><p>　　因為本系統(tǒng)顯示的位數(shù)不是很多，就顯示轉(zhuǎn)速即可。同時在本系統(tǒng)中不需要手動的數(shù)據(jù)的給定，所以就不需要擴(kuò)展鍵盤。</p>&

86、lt;p>　　3.6 系統(tǒng)設(shè)計總框架圖</p><p>　　圖3-4 數(shù)字隨動系統(tǒng)實驗裝置的設(shè)計的方框圖</p><p>　　Fig3-4 block of the digital servo system experimental device </p><p><b>　　硬件電路設(shè)計</b></p><

87、p><b>　　4.1系統(tǒng)主控電路</b></p><p>　　目前市場上的單片機的種類有很多種，最多的51單片機、avr單片機，和Msp430，以及PIC單片機，但是由于單片機的種類很多，功能各不一樣，我們不需要多先進(jìn)，功能多強大的單片機，我們設(shè)計的要求就是夠用即可，因為性能低劣了，系統(tǒng)功能實現(xiàn)不了，并且系統(tǒng)的穩(wěn)定性很差，用的單片機性能太好了，由于高性能的單片機不只是價錢昂貴，且有很

88、多資源都不會用到，這樣造成了很大的浪費。【3】【4】因此我們選用目前市場上用到比較多的、且可以滿足系統(tǒng)設(shè)計要求的51單片機。因為Atmel公司的51單片機需要專門的編程器，這樣無形中加重了系統(tǒng)的成本，而STC公司單片機不僅支持ISP,還支持IAP等多種下載程序的方式，并且STC公司單片機工作在寬電壓范圍內(nèi)，電壓的波動對系統(tǒng)的影響不大，這樣提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，另外STC單片機的加密性能也優(yōu)于其他單片機，并且STC的單片機是增強型的51單片

89、機。對于STC89C52的單片機而言，程序不需要專門的編程器或者仿真器去下載程序，而只是使用串口通訊的兩個引腳就可以把程序燒寫到程序里，十分方便簡潔，并且有相關(guān)配套的官方軟件，使用起來也十分方便。STC89C52是一款完全兼容8051內(nèi)</p><p>　　圖4-1  最小系統(tǒng)原理圖</p><p>　　Fig.4-1  The principleof&#

90、160;minimum system diagram</p><p>　　在這個電路中又可以分為復(fù)位電路和晶振電路。復(fù)位電路可以分為上電復(fù)位和手動按鍵復(fù)位兩種。在系統(tǒng)上電的一瞬間單片機上電復(fù)位，原理是利用電容兩端的電壓不能突變，在一上電的瞬間電容好比短路，所以加在第九腳RST的電平是高電平，雖然時間很短，但是足以讓單片機系統(tǒng)復(fù)位。手動按鍵復(fù)位的原理是，在系統(tǒng)正常工作的過程中可以手動觸動按鍵使單

91、片機復(fù)位。具體原理是，按下S1按鍵，因此5V電壓經(jīng)過一個200歐姆的電阻分壓后加到系統(tǒng)的RST上，手動按鍵按下到抬起的過程足以使系統(tǒng)復(fù)位。對于單片機系統(tǒng)而言，晶振電路是一個跳動的動力來源，18,19號引腳接的是11.0592M的晶振。</p><p>　　4.2 電動機驅(qū)動芯片選擇</p><p>　　直流電動機常要求工作在正反轉(zhuǎn)的場合，這時需要使用可逆PWM系統(tǒng)?？赡鍼WM系統(tǒng)分為雙極性

92、和單極性驅(qū)動。在這里我們用雙極性驅(qū)動可逆PWM系統(tǒng)。雙極性驅(qū)動是指在一個PWM周期里，電動機電樞的電壓極性呈正負(fù)變化。雙極性驅(qū)動電路有兩種，一種是稱為T型，它有2個開關(guān)組成，采用正負(fù)電源，相當(dāng)于2個不可逆系統(tǒng)的組合，由于形狀像倒放的“T”字，所以稱為T型。T型雙極性驅(qū)動由于開關(guān)要承受較高的反向電壓，因此只用在低壓小功率直流電動機驅(qū)動。另一種稱為H型，其形狀像“H”字。H型雙極性驅(qū)動應(yīng)用較多，因此這里將詳細(xì)介紹。</p>&

93、lt;p>　　圖4-2 所示是H型雙極可逆PWM驅(qū)動系統(tǒng)。它由4個開關(guān)和4個續(xù)流二極管組成，單電源供電。4個開關(guān)分成兩組，V1、V4為一組，V2、V3為另一組。同一組的開關(guān)管同步導(dǎo)通或關(guān)斷，不同組的開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷正好相反。在每個PWM周期里，當(dāng)控制信號UI1為高電平時，開關(guān)管V1、V4導(dǎo)通，此時UI2為低電平。因此V2、V3截止，電樞繞組承受從A到B的正相電壓；當(dāng)控制信號UI1為低電平時，開關(guān)管V1、V4截止，此時UI2為高電

94、平，因此V2、V3導(dǎo)通，電樞繞組承受從B到A的反向電壓，這就是所謂的“雙極”。</p><p>　　圖4-2 H型雙極可逆PWM驅(qū)動系統(tǒng)</p><p>　　Fig4-2 H bipolar reversible PWM drive system</p><p>　　單片機的專用PWM口發(fā)出的PWM信號波沒有死區(qū)設(shè)置功能，因此必須外接能產(chǎn)生死區(qū)功能的芯片。一種方

95、式是采用專用PWM信號發(fā)生器集成電路，如SG1713、UC3637等，這些芯片都有PWM波發(fā)生電路、死區(qū)電路、保護(hù)電路，但是它們大多數(shù)采用模擬電壓控制。如果使用單片機控制，必須先通過D/A轉(zhuǎn)換。另一種方式仍使用單片機的PWM口，外接含有死區(qū)功能和驅(qū)動功能的專用集成電路，這對于小型直流電動機的控制，其電路是非常方便的。</p><p>　　由以上的分析和目前的驅(qū)動控制器選用芯片市場的芯片種類，我們選用驅(qū)動控制器芯片

96、LMD18200。</p><p><b>　　5 系統(tǒng)軟件設(shè)計</b></p><p>　　5.1 數(shù)字控制器設(shè)計</p><p>　　為了實現(xiàn)系統(tǒng)快速性好、超調(diào)小和無靜差的控制要求，該系統(tǒng)采用了積分分離式的PID控制思想。即當(dāng)系統(tǒng)偏差較大時(），為防止控制器積分飽和，提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)的快速性，可取消積分作用，采用PD校正。當(dāng)系統(tǒng)接近穩(wěn)態(tài)時（

97、），再自動投入PID校正。此時積分作用起主導(dǎo)地位，消除了靜差[8] 。系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)如圖5-1示。</p><p>　　圖5-1 位置隨動系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　Fig5-1 Position servo system dynamic structure diagram</p><p>　　PD-PID調(diào)節(jié)算法可由89C51單片微機實現(xiàn)，控制器差分方程

98、為</p><p>　　根據(jù)經(jīng)驗，位置對象采樣周期可取20ms，在每個采樣周期內(nèi)完成一次PID控制器計算。考慮到89C51單片機內(nèi)部定時器T0和T1均數(shù)字觸發(fā)器占用，這里采用了8155內(nèi)部定時器。8155定時器輸出接入89C51的外部中斷（）引腳。每隔20ms采樣周期定時到，CPU接受一次中斷申請，在中斷服務(wù)中完成一次上述控制器計算。 中斷服務(wù)程序框圖如圖5-2所示：</p><p>　　

99、圖5-2 中斷服務(wù)程序框圖</p><p>　　Fig.5-2 diagram of the interrupt service routine</p><p>　　5.2 系統(tǒng)的主程序框圖及程序清單</p><p>　　系統(tǒng)投入運行時，首先運行的是主程序。在主程序中系統(tǒng)將設(shè)置各中斷服務(wù)程序的入口地址、設(shè)置堆棧指針、有關(guān)單元清零、接口和定時器初始化、設(shè)置中斷方

100、式、參數(shù)讀取等。主程序框圖如圖5-3所示</p><p>　　圖5-3 主程序框圖</p><p>　　Fig.5-3 The main program block diagram</p><p>　　5.3 數(shù)字觸發(fā)器的軟件設(shè)計</p><p>　　由于直流伺服電機的內(nèi)阻較大，可將該系統(tǒng)近似看成是純電阻負(fù)載[13]。如將觸發(fā)角的起點定

101、在自然換相點后30°處，則的移相范圍120°。觸發(fā)器控制信號U（K）與的關(guān)系為=120-kU(K)。當(dāng)U（K）=127最大值時，= 0，代入上</p><p>　　式得即即?，F(xiàn)將折算成時間：因50Hz</p><p>　　工頻360°周波對應(yīng)20ms，所以對應(yīng)的時間</p><p><b>　　(式5—1)</b>

102、</p><p>　　如果用8031定時器T0完成該定時，則當(dāng)時鐘頻率取6MHz時，時間常數(shù)X可由下式計算</p><p><b>　　(式5—2)</b></p><p>　　即。當(dāng)控制順的輸出為U(K) 已知時，利用該式可實時算出TO的時間常數(shù)，實現(xiàn)移相控制。當(dāng)U(K)為正時，正組開放，反組封鎖，晶閘管的觸發(fā)順序為K1（A相）、K3（B相）

103、和K5（C相），以后周而復(fù)始。當(dāng)U(K) 為負(fù)值時，反組開放，正組封鎖，此時共陽極組工作。由于共陽極組C相自然換相點在橫軸下方距A相外同步脈沖信號30°處，要保證對稱，共陽極組的起點也應(yīng)設(shè)在自然換相點后30°處，此點距A相外同步脈沖恰好60°。故當(dāng)U(K) 為負(fù)值時，T1定時器應(yīng)連續(xù)工作三次，分別定時60°（產(chǎn)生C相同信號）、120°（產(chǎn)生A相同步信號）和120°（產(chǎn)生B相同步

104、信號）。觸發(fā)順序應(yīng)是K6（C相）、K2（A相）和K4（B相）。U(K) 為負(fù)值時整流電壓波形[14]。</p><p>　　6 數(shù)字隨動系統(tǒng)控制精度分析</p><p>　　一個控制系統(tǒng)穩(wěn)定性是其正常工作的基本前期，穩(wěn)態(tài)誤差就是用來反映穩(wěn)態(tài)控制精度的指標(biāo)。對于隨動系統(tǒng)，給定量是任意變化的，要求輸出以一定的精度跟隨給定量的變化，所以我們關(guān)注的是被控量與給定量之間的誤差。位置隨動系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行

105、時，希望其輸出量盡量復(fù)現(xiàn)輸出量，即要求系統(tǒng)由一定的穩(wěn)態(tài)精度，產(chǎn)生的位置誤差越小越好。顯然，系統(tǒng)的精度是至關(guān)重要的。當(dāng)系統(tǒng)給定量發(fā)生變化(包括給定址的變化規(guī)律發(fā)生變化)或者由于外部擾動都會使系統(tǒng)的輸出員與給定量之間產(chǎn)生偏差，系統(tǒng)經(jīng)過過渡過程后到達(dá)穩(wěn)態(tài)。此時偏差可能消除，也可能繼續(xù)存在，造成所謂穩(wěn)態(tài)誤差。穩(wěn)態(tài)誤差的大小體現(xiàn)了控制準(zhǔn)確度，因而它是系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的重要指標(biāo)。影響隨動系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度，導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差的因素主要有以下幾點：由檢測元件

106、引起的檢測誤差；由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和輸入信號引起的原理誤差；負(fù)載擾動引起的擾動誤差。</p><p><b>　　6.1 檢測誤差</b></p><p>　　檢測誤差取決與檢測元件本身的精度，位置隨動系統(tǒng)中常用的位置檢測元件都有一定的精度等級，系統(tǒng)的精度不可能高于所用位置檢測元件的精度。檢測誤差是穩(wěn)態(tài)誤差的主要部分，這是系統(tǒng)無法克服的。</p><p

107、><b>　　6.2 系統(tǒng)誤差</b></p><p>　　系統(tǒng)誤差是由系統(tǒng)自身的結(jié)構(gòu)形式，系統(tǒng)特征參數(shù)和輸入信號的形式?jīng)Q定。隨動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)屬于那種類型，與位置調(diào)節(jié)器的選取有關(guān)。若位置調(diào)節(jié)器選用P調(diào)節(jié)器，則：</p><p><b>　　(式6—1)</b></p><p>　　式中，——常數(shù)項為1的多項式。顯然，是

108、I型系統(tǒng)。</p><p>　　若位置調(diào)節(jié)器選用PI或PID調(diào)節(jié)器時，則：</p><p><b>　　(式6—2)</b></p><p>　　這時的屬于II型系統(tǒng)。</p><p>　　這是位置隨動系統(tǒng)中開環(huán)傳遞函數(shù)的兩種結(jié)構(gòu)形式，統(tǒng)一用圖6-1成閉環(huán)系統(tǒng)的情況。</p><p>　　圖6-1

109、 閉環(huán)系統(tǒng)框圖</p><p>　　Fig.6-1 Closed-loop system block diagram </p><p>　　原理誤差用或表示，則誤差的拉氏變換為</p><p><b>　　(式6—3)</b></p><p><b>　　(式6—4)</b></p>

110、;<p><b>　?。ㄊ?—5）</b></p><p>　　即系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式有關(guān)。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已定的情況下，輸入信號將是影響原理的主要方面。</p><p>　　常見的隨動系統(tǒng)輸入信號有以下三種形式：位置輸入（即位置階躍輸入）、速度輸入（斜坡輸入）和加速度輸入。</p><p>　　在位置輸入下，I型系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)原理誤差為零。I型