直流伺服电机调速系统(三闭环)要点.docx

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1、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内部的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的分频鉴相得到速反馈量，同时与8097内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。止匕外，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，最终实现微型计算机对电流环、速度环和位置环

2、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 choosesthe PID algorithm to design. Hall element as a current detection sensor will get weaksignals in the design. Then the weak signals will be amplified and filtered through theamplifier

3、 circuit which constructed by LF356 , and imports 8097-internal A/D convertercircuit to switch so that get the feedback signal of current .As speed detection sensors andposition sensors, the optical pulse generator through the optical isolator PC900 andGAL16V8 to division frequency and phase in orde

4、r to get the feedback signal ofspeed .Combined with the 8097 internal counter and the counter 8254 we can get feedbacksignal of position relying on reversible counting. In this design, we adopt software to setthe operation mode of current loop, velocity loop and position loop work. In addition, weus

5、ed the serial communication to set up the communications between system and uppermonitor in order to send a variety of operating instructions, and ultimately system achievedcontrol of the current loop, velocity loop and position loop.KEY WORDS： Microcomputer, 8097, HIS, 8254, PID目录摘要1ABSTRACT1第1章绪论1

6、第2章系统方案设计12.1 设计要求12.2 方案论证12.3 方案选择3第3章 系统硬件电路设计33.1 微型计算机809733.1.1 8097 的概述33.1.2 变T法速度检测43.2 输入输出通道设计63.2.1 电流反馈通道63.2.2 转速反馈通道73.2.3 位置反馈通道73.2.4 伺服系统给定输入通道83.3 电源电路设计9第4章控制算法PID的设计94.1 电流环控制器设计94.2 速度环控制器设计104.3 位置环控制器设计114.4 采样周期选择124.5 控制算式和运算流程图12第5章系统软件设计13第6章总结15参考文献16附录1:器件元件明细表17附录2:电路原

7、理图17第1章绪论直流伺服电动机是近儿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。直流伺服系统的主要优点是控制特性优良，能在很宽的范围内平滑调速，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。伺服系统尤其在机械制造

8、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。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、位置环控制器运算。现已知系统中直流电动机额定转速ne=1000i7min；电枢回路总电阻R=2.4Q ；电磁时间常数Tl=0.004s；机电时间常数 Tm=0.07so2.2 方案论证本系统设计为采用PID算法设计三环全数字式

9、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PWM功率放大器，此方案系统框图如图2.1所示。图2.1基于8051的系统框图A/D光电解码器单片机8。5 一2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/

10、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 MCS96系列的8097作为微处理器外，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。显示模块显示单片机8097光电隔离电机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

11、据处理能力和丰富的外部信号处理资源，其内部包含有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隔离器和可编程门阵列电路GALI6V8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

12、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GALI6V8,两个运算放大器LF356, 一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

13、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。位SS1IniIN -X 屋IsS I8 .od/co5V II .Od/I .5V 0 .s/0 .sv IZ od/z .19od/9 ,SIL ./15v IACH. 5/P0. 5 _ACH. 4/P0. 4 _ANGND Vref Vpd _EXTINT/P2. 2 _RESET _RXD/P2. 1 _TXD/P2. 0 _Pl. 0 _Pl. 1 _Pl. 2 _Pl. 3 _Pl.

14、 4 _HSI. 0 _MSI. 1 _HSO. 4/HSI. 2 _AD0/P3. 01213141516171819202122232425MCS9668脚8097顶视5857565554535251504948474645AD7/P3.7_ AD8/P4. 02a28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 修AD15/P4. 7T2CLK/P2. 3eoSHZ .OSH9zd9 .IdLQ.IdI .OSH0 .OSHeO .OSHA置J展(匡11gl/(屋g .SI图3.1 8097管脚结构图在本系统中，我们将要用到的8097片内资源有：10位单极性A/D转换器、高速输入单元HIS、高速输出单元HSO、串行通信口 SIO、计数器Tl、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；HSO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#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。