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1、目录1 引言 02 课程设计任务和要求 23 直流伺服电机控制系统概述 23.1 直流伺服系统的构成 23.1.1 伺服系统的定义 33.1.2 伺服系统的组成 33.1.3 伺服系统的控制器的分类 43.1.4 直流伺服系统的工作过程 54 直流伺服电机控制系统的设计 64.1方案设计步骤64.2总体方案的设计7 4.3控制系统的建模和数字控制器设计 104.4数字PID工作原理104.5数字PID算法的simulink仿真115 硬件的设计和实现 125.1 选择计算机机型（采用51内核的单片机）125.1.1 80C51 电源135.1.2 80C51 时钟145.1.3 80C51 控
2、制线145.1.4 80C51 I/O 接口 145.2 设计支持计算机工作的外围电路（键盘、显示接口电路等）. 155.2.1数据锁存器 155.2.2键盘 155.2.3显示器 165.2.4数模转换器ADC0808 165.3 其它相关电路的设计或方案 185.3.1 供电电源设计 185.3.2 检测电路设计 185.3.3 功率驱动电路 195.4 仿真原理图 196软件设计196.1 程序设计思想196.2 主程序模块框图206.3编写主程序207 总结21附录1 ADC0808程序22附录2数字控制算法程序 23参考文献2 51 引言半个世纪来，直流伺服控制系统己经得到了广泛的应
3、用。随着伺服电 动机技术、电力电子技术、计算机控制技术的发展，使得伺服控制系统朝 着控制电路数字化和功率器件的模块化的方向发展。本文介绍直流伺服电机实验台的硬件、软件设计方案。通过传感器对 电机位移进行测量，控制器将实际位移量及给定位移量进行比较，控制信 号驱动伺服电机控制电源工作，实现伺服电机的位置控制。其电机位置随 动系统硬件设计主要包括:总体方案设计、单片机应用系统设计、驱动电路 设计和测量电路设计。软件编制采用模块化的设计方式，通过系统的整体 设计，完成了系统的基本要求，系统可以稳定的运行。本次设计说明书主要包括主要包括主程序设计、模数转换器ADC0809 程序及数字控制算法程序的设计
4、等内容。通过本次设计，加深在计算机控制系统课程中所学的知识的理解，提 高电气设计及分析的能力，为今后的工作打下基础。计算机控制技术课程设计2 课程设计任务和要求课程设计对象是直流伺服电机实验台，设计一个计算机控制的直流伺 服电机控制系统。由测量元件（位移传感器）对被控对象（电机）的被控参数 （位移）进行测量，由变换发送单元（AD转换器）将被控参数（位移）变成一定 形式的信号，送给控制器CPU，控制器将测量信号（实际位移量）及给定信 号（位移量）进行比较，若有误差则按预定的控制规律产生一控制信号驱动 执行机构（伺服电机控制电源）工作，使被控参数（实际位移量）及给定值（给 定位移量）保持一致。其电
5、机位置随动系统：式中，K=50, T1=1-l，T2=0-15, T3=0-2控制算法选用数字PID控制。要求根据所给条件确定能够根据功能要求查找相关的元器件的说明 书。能够对元器件的说明书进行学习并掌握元器件的控制方法和时序要 求。能够利用相关仿真软件对电路进行仿真调试。能够按着规范的课程设 计的格式完成课程设计报告。按照任务书要求，提交一份纸制课程设计报 告，控制程序工程文件。3 直流伺服电机控制系统概述伺服系统也称为随动系统，属于自动控制系统的一种，它是用来控制 被控对象的转角或位移，使其能自动的、连续的、精确地复现输入指令的 变化规律，它通常具有负反馈的闭环控制系统。3.l 直流伺服系
6、统的构成3.1.1 伺服系统的定义“伺服系统”是指执行机构按照控制信号的要求而动作，即控制信号 到来之前，被控对象时静止不动的；接收到控制信号后，被控对象则按要 求动作；控制信号消失之后，被控对象应自行停止。伺服系统的主要任务是按照控制命令要求，对信号进行变换、调控和 功率放大等处理，使驱动装置输出的转矩、速度及位置都能灵活方便的控 制。3.1.2 伺服系统的组成伺服系统是具有反馈的闭环自动控制系统。它由检测部分、误差放大 部分、部分及被控对象组成。（1）功率变换器直流伺服系统功率变换器的主要功能是根据控制电路的指令，功率变 换器主要包括控制电路、驱动电路、功率变换主电路等。功率变换主电路主要
7、由整流电路、滤波电路和逆变电路三部分组成。控制电路主要由运算电路、PWM生成电路、检测信号处理电路、输 入输出电路、保护电路等构成，其主要作用是完成对功率变换主电路的控 制和实现各种保护功能等。驱动电路的作用是根据控制信号对功率半导体开关进行驱动，并为器 件提供保护，主要包括开关器件的前级驱动电路和辅助开关电源电路等。（2）传感器在伺服系统中，需要对伺服电机的绕组电流及转子速度、位置进行检 测，以构成电流环、速度环和位置环，因此需要相应的传感器及其信号变 换电路。电流检测通常采用电阻隔离检测或霍尔电流传感器。速度检测可采用无刷测速发电机或无刷旋转变压器。位置检测通常采用绝对式光电编码器或无刷旋
8、转变压器，也可采用增 量式光电编码器进行位置检测。（3）控制器在直流电机伺服系统中，控制器的设计直接影响着伺服电机的运行状 态，从而在很大程度上决定了整个系统的性能。位置伺服系统的伺服控制器主要包括电流控制器和速度控制器和位 置控制器。其中电流控制器是关键的环节。因为无论是速度控制还是位置控制，最终都将转换为对电机的电流控 制。电流环的响应速度要远远大于速度环和位置环。对于速度和位置控制，由于其时间常数较大，因此可借助计算机技术 实现许多复杂的基于现代控制理论的控制策略，从而提高伺服系统的性 能。3.1.3 伺服系统的控制器的分类伺服系统控制器主要有以下三种：电流控制器电流环由电流控制器和逆变
9、器组成，其作用是使电机绕组电流实时、 准确地跟踪电流指令信号。速度控制器速度环的作用是保证电机的转速及速度指令值一致，消除负载转矩扰 动等因素对电机转速的影响。速度指令及反馈的电机实际转速相比较，其差值通过速度控制器直接 产生交轴电流指令。并进一步用直轴电流指令共同作用，控制电机加速、减速或匀速旋转， 使电机的实际转速及指令值保持一致。速度控制器通常采用的是数字 PID 控制方式。位置控制器位置环的作用是产生电机的速度指令并使电机准确定位和跟踪。通过 比较设定的目标位置及电机的世纪位置，利用其偏差通过位置控制器来产 生电机的速度指令当电机启动后在大偏差区域，产生最大速度指令，使电 机加速运行后
10、以最大速度恒速运行；在小偏差区域，产生逐次递减的速度 指令，使电机减速运行直至最终定位。3.1.4 直流伺服系统的工作过程直流伺服电机采用改变电枢电压的电枢控制法。该方法以电枢绕组为 控制绕组，在负载转矩一定时，保持励磁电压恒定，通过改变电枢电压来 改变电动机的转速。直流伺服电动机输出恒定的电磁转矩，且电磁转矩只及电枢电流的大 小有关。直流伺服电动机通过转子位置传感器检测出转子的位置信号。经 过换相驱动电路驱动及电枢绕组连接的各功率开关管的导通及关断，从而 控制定子绕组的通电，在定子上产生旋转磁场，拖动转子旋转。随着转子 的转动，位置传感器不断地送出信号，以改变电枢的通电状态，使得在同 一磁极
11、下的导体中的电流方向不变。因此，就可产生恒定的转矩使直流伺 服电动机运转起来。将直流伺服电机及微型计算机连接，首先，用位移传感器将每个采样 周期内的直流电机控制试验台移动的距离进行检测，将控制信号传输到锁 存器中。然后经锁存器送到微型计算机，及数字给定值进行比较，并进行 数字PID运算；再经锁存器送到D/A转换器，将数字量变成脉冲信号， 再由脉冲发生器产生调节脉冲，经驱动放大后控制电机转动，从而控制试 验台的移动。4 直流伺服电机控制系统的设计4.1方案设计步骤一、总体方案设计二、控制系统的建模和数字控制器设计三、硬件的设计和实现1. 选择计算机机型（采用51 内核的单片机）；2. 设计支持计
12、算机工作的外围电路（EPROM、RAM、I/O端口、 键盘、显示接口电路等）；3. 设计输入信号接口电路；4. 设计信号输出控制电路；5. 其它相关电路的设计或方案（电源、通信等）四、软件设计1.分配系统资源，编写系统初始化和主程序模块框图；2编写A/D转换和位置检测子程序框图；3编写控制程序和D/A转换控制子程序模块框图；4.其它程序模块(显示及键盘等处理程序) 框图。五、编写课程设计说明书，绘制完整的系统电路图(A3幅面)42总体方案的设计本系统是采用闭环控制系统，调节器的设计方法是从内环到外环，逐 步设计各环节的调节器，为了使直流伺服控制系统各个硬件设备能够正常 运行，有效实现电机的实时
13、控制。在总体方案选择时，不仅要有合理设计 的硬件电路外，还要按照数字PID控制原理完成数字控制器的设计。其中位置调节器是位移的校正装置，它的类型和参数决定了位置随动 系统的系统误差和动态性能。从动态要求上看，系统通过电流调节器来实现电枢电流的控制，以保 证电枢电流不超过如允许值。位置控制器采用数字PID增量型控制算法。为了实现微机控制生产 过程变量，必须将模拟PID算式离散化，变为数字PID算式，为此，在 采样周期T远小于信号变化周期时，作如下近似(T足够小时，如下逼近相 当准确，被控过程及连续系统十分接近)：于是有：T k Tu(k) = K e(k) + 一 丈 e(j)+ de(k) 一
14、 e(k 一 1)p T Ti j=0u(k)是全量值输出，每次的输出值都及执行机构的位置(如控制阀门的 开度)一一对应，所以称之为位置型PID算法。在这种位置型控制算法中，由于算式中存在累加项，因此输出的控制 量u(k)不仅及本次偏差有关，还及过去历次采样偏差有关，使得u(k)产生 大幅度变化。这样会引起系统冲击，甚至造成事故。所以实际中当执行机构需要的不是控制量的绝对值，而是其增量时， 可以采用增量型PID算法。当控制系统中的执行器为步进电机、电动调节 阀、多圈电位器等具有保持历史位置的功能的这类装置时，一般均采用增 量型 PID 控制算法。Au(k) = K e(k) - e(k -1)
15、 + e(k) + L e(k) - 2e(k -1) + e(k - 2)pTTi图 4.1 基本原理图足F入丨J rriL 1 n O牝讥处文初妳化,+w#：牡皱愉入仇 讣歼初知J总比片幼业农L处“位伍MJ获*揍Will匕匕讨惮亍羽序怫r；H pw/vi JM/iJjtL+JL图4.2 程序流程图直流伺服电机控制系统由直流伺服电机，微控制器，位移传感器，计 数器，定时器，A/D转换器等组成。微控制器选用Atmel公司生产的89C51单片机。A/D转换器则选用ADC0808 8位精度转换器。4.3控制系统的建模和数字控制器设计图4.3 PID算法流程图4.4数字PID工作原理节器参数易于适用它是技术用最调节算机a/pMiHl-ahOC刃日據臨皿庭& ikjil-ff 4fcek!-rtk-Y01CH-S） h 亚 1总（1- l）PID调结
