基于pid控制的直流伺服系统的设计

基于pid控制的直流伺服系统的设计内容摘要：

级放大器的放大倍数20bit FIFO 保持寄存器 HSI形式 事件检测器 HSI状态 HSI时间 T1 7bit 16 20 16 4 8 当前 状态 4 HIS 触发形式 8个正跳变负跳变正跳变正或负跳变 HSI0 HSI1 HSI2 HSI3 时钟 图 HIS 的结构图 德州学院 物理系 2020 届 电子信息 专业 毕 业设计 11 为。 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 时， A/D 转换结果为 512。 由此可知，电流反馈回路反馈系数 α= 20A )((20A )1023=，电流测量分辨率为 ，整个反馈通道滤波的时间常数为。 ++C1 C25VR3R6R7R4R5R1R9R8R2GNDAM1 AM2 A/D 输入口Um5V 转度反馈通道 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 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图 电流反馈信号放大滤波电路图 德州学院 物理系 2020 届 电子信息 专业 毕 业设计 12 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。 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 T 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内位置偏移量为 ΔP(k)=ΔT2(k)2ΔT1(k) 其中， ΔT2(k) 和 ΔT1(k)分别为 T T1在一个位置环采样周期内的计数值。 系统的绝对位置反馈量为 P(k)=k1i ΔP(i) 控制输出通道 控制输出通道由 8254 计数器的两个计数通道 0 计数器和 1 计数器构成，它作为脉宽调制信号发生器，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。 8254 计数器中的 0 计数器做定时器用，它产生 2KHz 的脉冲信号，这个脉冲信号触发控制 1 计数器。 电流调节器的控制输出值在每个采样周期被送到 1 计数 器，作为计数初始设定值。 0 计数器 的输出脉冲使 1 计数器计数开始，并且使 1 计数器输出为低电平， 1 计数器对每一个频率时钟脉冲从设定的初始值开始做减 1 计数，减() () 图 光电脉冲发生器部件分解示意图 德州学院 物理系 2020 届 电子信息 专业 毕 业设计 13 到 0 之后输出为 高电平。 如果 1 没有得到新的计数初始值而 0 计数器的输出脉冲有到达后， 1 按上次初始值设定。 这样 1 计数器的输出就是和电流调节器控制输出值有对应占空比的脉宽调制信号。 那么，提高计数时钟信号的频率可增加脉宽调制信号的分辨率，通过软件编程的方式改变 1 的初始计数设定值，可以调整晶体管脉宽调制放大器的工作频率。 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]。 RXDA/DP26光隔T2CLKHSI0上位微型计算TXDCLKOUTHSI1HSI2信号转换、滤HSI3PC900离器率放大器分频辨向GAL16V8PWM 功GAT2OUT0 CLK2GAT1 CLK18254CLK0波和放大电路机PG12AQ QBAZ4AZBAAA/2A/48097 小系统M 图 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 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，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德州学院 物理系 2020 届 电子信息 专业 毕 业设计 14 号转换为 脉宽调制 控制信号。 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 790 780 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 所示。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 3 0 M a y 20 0 7 S he e t o f F i l e : D : \ 比 赛 \ 比 赛 . d d b D r a w n B y:C 2 10 . 1 UT1T R A N S 4 C 2 20 . 1 UC 2 30 . 1 U+ C 2 02 20 0 U+ C 1 92 20 0 UA C 2 20 V+ C 1 82 20 0 U2 31V VGNDIN OUTU 2 5 7 90 51 32V VGNDIN OUTU 2 3 7 81 21 32V VGNDIN OUTU 2 4 7 80 51234D1B R I D G E 1+ 12 V+ 5V 5 VGND 图 电源电路图 4 控制算法 PID 的设计 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，传递函数为 )T1(1KLT isi  电流环的简化动态结构图如图 所示。 按典型 I 型系统的 校正要求 参数 应选择： Ti=TL=， T∑ i=Tfi+Ts=，阻尼比 ξ=， 电流环开环截止频率为 1Σici667s2T1ω  由电流环的开环 增益KI=ωci， 即 cii is ωRT αKK  所以电流调节器比例系数为 24. 4667αK RTωK s icii  。 （ ） （ ） 德州学院 物理系 2020 届 电子信息 专业 毕 业设计 15 速度环控制器设计 当速度环截止频率Σici 2T1ω  时，电流环的等效传递函数近似为    s2T1 1/ αsu siΣigia  将转速环校正成 典 II 型系统，设其传递函数为 ST=Kn(1+sT1n) 则速度环的简化动态结构图如图 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 2TΣi=，速度反馈回路的滞后时间 Tfn 约为 ，速度环的小时间常数为 TΣn=2TΣi+Tfn=。 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=hTΣn=。 速度环开环增益为 12Σn2N 770 sT2h1hK  速度调节器比例系数为。 TCTKK menNn  a/(1+TFis) Ki(1+1/T∑ is) Ks/(1+Tss) (1/R)/(1+TLs) ia ua uc ugi/a + _ KI。