基于PID控制的直流伺服系统的设计

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1、德州学院 物理系 2012届 电子信息专业 毕业设计 基于PID控制的直流伺服系统的设计摘 要 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。此外，采用串口通信使伺服

2、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、速度环和位置环的控制。关键词 微型计算机； 8097； HIS； 8254； PID 1 绪论直流伺服电动机是近几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1。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

3、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2。伺服系统尤其在机械制造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3。传统的直流电机以其优良的转矩特性和调速性能在运动领域中有着广泛的应用， 但机械电刷却是它的致命弱点。伺服控制直流电动机就是为了既要保持有刷直流电动机的特性、又要革除电刷和换向器的目的研究开发的。控制系统中的执行电动机应该具有下列优点：快速性、可控性、可靠性、体积小、重量轻、节能、效率高、适重量轻、节能、效率高、适应环境和经济性4。为了实现快速的

4、起、停、加速、减速，要求电动机具有小的转动惯量和大的起动转矩和最大转矩，伺服控制直流电动机的转子主要是由永磁材料构成的磁极体组成，电枢绕组在定子上，因而转子外径可以相对较小，转子惯量也就较小转矩方面，只有直流电动机才能达到大的起动转矩和大的最大转矩，而伺服控制直流电动机具有直流电动机的特性，起动转矩和最大转矩都较大。这使得它具有快速性的特点。在可控性方面，直流电动机的输出转矩和绕组流过的电流成线性关系，直流电动机的起动转矩又大，因此可控性最好、最方便。伺服控制直流电动机具有一般有刷直流电动机的调速特性，只要简单地改变电动机的输入电压的大小就可以在广阔的范围内进行无级调速5。 在伺服控制直流电动

5、机的控制技术方面，伺服控制直流电动机控制系统正由传统的模拟技术转向微处理器控制的数字技术。数字控制技术使得许多硬件工作都由软件来完成。这样减少了硬件电路，提高了可靠性和性能，减小了尺寸，提高了效率。 数字控制技术不仅使系统获得高精度、高可靠性，还为新型控制理论(如矢量控制、直接转矩控制、参数自适应控制、模糊控制、滑模变结构控制等)的应用提供了物质基础6。特别是适用于实时控制的工业单片机和高速数字信号处理器在伺服系统的应用，这大大简化了系统结构，提高了系统性能。伺服控制直流电动机是伴随着数字控制技术而产生和发展起来的，发展全数字化的伺服系统将是以后的研究重点7。随着技术的进步和整个工业的不断发展

6、，伺服系统将逐渐走向数字化、高度集成化、智能化、网络化和模块化，其发展及应用也将会走向一个更大更广的空间。2 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=1000r/min；电枢回路总电阻R=2.4；电磁时间常数Tl=0.004s；机电时间常数Tm=0.07s。2.2 方案论证本系统设计为采用PID算法设计三环

7、全数字式控制方式，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，本系统的粗框图如图2.1所示。在设计中微型计算机为主要器件，此外还需要选择适当的电流检测传感器、速度检测传感器以及位置传感器来将系统的各个参量转化成相应的电信号送入微型计算机，以完成系统中信号采样和反馈信号的处理。本次共设计三套方案如以下所示。位置调节器速度调节器电流调节器M速度传感器位置传感器图2.1 系统组成粗框图给定输入方案一：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

8、动装置为大功率晶体管PWM功率放大器，执行电机为直流伺服电机，此方案系统框图如图2.2所示。单片机8051 光电解码器测速发电机MPWM功放D/AA/D图 2.2 基于8051的系统框图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/D转换电路，将模拟电压转换成数字量，输入微型计算机；角度反馈元件光电解码把角度转换成数字量直接输出，送入单片机测速发电机。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

9、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intel8086作为微处理器，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。系统框图如图2.3所示。 单片机8086并行I/O接口 8255A上位微型计算机A/D转换器可编程计数器8254 PWM功放M光电隔离倍频辨向PG图2.3 基于8086的系统框图电枢电流反馈信号经转换、滤波放大后输入到A/D转换器。定时器输出脉冲信号周期性启动A/D转换器，转换后的信号经并行I/O接口8255A输入微型计算机

10、8086。此外，并行I/O接口8255A还负责接收伺服系统的数字式给定输入作为和上位微型计算机进行并行通信的接口。编程计数器8254主要是产生定时中断信号、PWM控制输出信号以及作为电动机转速测量量和位置反馈测量的计数器，在将电流调节器的控制输出量转换为PWM控制信号的同时还将转速和位置反馈测量量输入微型计算机，进而达到控制的目的。方案三：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2.4所示。 单 片 机8097上位微型计算机计数器8254PWM功放放大器M

11、PG图2.4 基于8097的系统流程框图光电隔离分频辨向intel MCS96系列的8097是16位高性能单片机，有着很强的数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GAL16V8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

12、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：该方案由8086CPU及其RAM、ROM小系统，再加上一些接口电路和器件组成，能够完成三环全数字式伺服系统的控制任务。此方案的不足之处是硬件电路比较复杂。系统硬件电路增多，不仅系统的成本上升，而且可靠性下降。第三种方案：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

13、，本次设计采用第三种方案。3 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GAL16V8，两个运算放大器LF356，三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8。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。8097是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的

14、中央处理器CPU随机存储器RAM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能、还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D 转换器等电路集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统，并且它有优异的性能价格比；集成度高、体积小、可靠性高；控制功能强；低电压、低功耗9。 8097芯片主要包括16位的CPU，232个累加器，结构上采用寄存器寄存器结构；CPU的操作直接面向232字节的寄存器；高效的指令系统；具有三操作数指令，增加了十六位的乘、除法指令；10位A/D转换器等，此外8097芯片具有脉宽调制输出（PWM），可做为D/A转换输出，该信号可驱动电机，也可经积分处理获得直流输出。

15、两个16位定时器，定时器1在系统中做定时时钟；系统运行时不停的循环计数；定时器2主要用于对外部事件计数；四个软件定时器，它们均受高速输出（HSO）的控制。到达预定时间时，设置相应的软件定时标志，可以激活软件定时中断；16位监视定时器（watchdog timer）当用户的软硬件发生故障时WDT可使用户系统复位，重新启动用户程序。五个8位标准输入/输出口；可编程高速输入/输出口，高速输入口可用内部定时器1作实时时钟来记录外部事件发生的时间，一共可记录8个事件。全双工串行口，可方便地实现I/O扩展、多机通信及与CRT终端等设备进行通信等10。9个中断类型包括25个中断源。9个中断类型均有对应各自的

16、中断矢量，有8个中断类型可供用户使用。芯片配置寄存器CCR，通过对CCR的设定可动态地将系统总线配置成8位或16位；选择适当的总线控制方式、就绪控制方式和程序保密方式。其管脚图如图3.1所示。图3.1 8097管脚结构图Vcc：主电源电压（+5V）。Vss：数字电路地（0V），两个Vss引脚都必须接地。VPD：片内RAM掉电备用电源（+50.5V）正常运行时，应加此电源。VREF：片内A/D转换器的参考电压（+5V）。ANGND：A/D转换器的参考地通常必须与Vss保持同电位。VPP：EPROM型芯片的编程电压（+12.5V）。XTAL1：片内震荡发生器中反相器的输入端，也是内部时钟发生器的输

17、入，常接外部石英晶体。XTAL2：片内震荡发生器中反相器的输出端，常接外部石英晶体。CLKOUT：内部时钟发生器A相信号的输出端频率为振荡器频率的1/3 控制信号线。：复位信号输入端。ALE/：地址锁存允许（ALE）/地址有效（）（输出脚）。 ：对外部存储器的读信号；低电平有效（输出脚）。每次按字读取。 /：对外部存储器的写信号。低电平有效（输出脚）。/：总线高位字节允许（）/写外部存储器高位字节（）。READY：准备就绪信号（输入脚 ）。NMI ：非屏蔽中断（输入脚）。INST：取指信号引脚。HSI.0HSI.3：高速输入口，共4个输入端。HSO.0HSO.5：高速输出口，共6个输出端。P0

18、.0P0.7：P0高阻抗输入口，既可做数字量输入口，也可作为A/D转换器的模拟量输入口（ACH.0ACH.7）。P1.0P1.7：P1准双向I/O口。P2.0/TXD：P2.0口/串行发送口（输出），IOC1.5=1选TXD方式。P2.1/RXD：P2.1口/串行接收口（输入），不受控制。P2.2/EXINT： P2.2口/外部中断（输入），IOC1.1=0选EXINT方式。P2.3/T2CLK：P2.3口/定时器2时钟（输入），IOC0.7=0选T2CLK方式。P2.4/T2RST：P2.4口/定时器2复位（输入），IOC0.5=0选T2RST方式。P2.5/PWM：P2.5口/脉宽调制（输

19、出），IOC1.0=1选PWM方式。P2.6：准双向入口。P2.7：准双向入口。P3.0 P3.7/ADL：具有漏极开路输出的8位双向口，内部有很强的上拉作用。用做多路复用的地址/数据总线（AD0AD7）。P4.0 P4.7/ADH：具有漏极开路输出的8位双向口，内部有很强的上拉作用。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T1、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

20、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。3.1.2 变T法速度检测根据HIS的功能特点用HIS作为T法测量转速的部件，HIS结构图如图3.2所示。本次设计中将光电脉冲发生器测得的A、B两脉冲的不同分频信号分别连接到HIS的四个输入通道，当转速变化时，HIS选取不同的分频信号进行T法转速测量，就可以克服T法测量转速的局限性，这也正是变T法的

21、思路11。电动机转速n与A、B两脉冲周期T成反比，在对T的测量分辨率一定的条件下，T越小，n的测量精度越低。为了保证一定的测速精度和单位时间进入HIS的事件数量，当转速n升降时，进入HIS的分频信号的分频数K也要相应增大或减小，使进入HIS的脉冲周期T在一定范围内变化。若将A、B相脉冲的2倍频信号2A、A相脉冲信号A、A相脉冲的2分频信号A/2、4分频信号A/4、分别连到HIS的四个输入端口HSI0，HSI1，HSI2，HSI3，再通过对HIS事件形式的选择(正跳和负跳作为一个事件、每8个脉冲作为一个事件)和输入通道选择，可以得到分频数1/4，1/2，1，2，4，8，16，32的分频信号。在系

22、统控制程序的协调作用下，分频数K自动跟踪转速n的升降而增大和减小。本次系统设计中光脉冲发生器的刻度位2500/转，当转速n=1r/min时，1/4分频信号的周期T为6ms，转速n(r/min)分频数K，分频信号脉冲周期T(ms)之间的关系式为 n=24K/T (3.1)HIS对T的测量分辨率为2us，若要求速度测量的最低分辨率2（us）。根据对系统速度的测量值精度和实时性要求的综合考虑，设定当102m-1umax?u(k)0？设位置调节器输出反向饱和设位置调节器输出正向饱和字运算、调位置调节控制算法和输出限幅程序模块结束NYNY图5.5 位置采样及数处理程序模块流程图6 系统测试6.1 系统联

23、调首先检查各个元件的管脚及功能以确保各个电路元件能正常工作。其次检查各个模块的电路是否正常，能否正常工作。然后把程序经编译、下载到相应的8097芯片中，构建电路测试，各功能子程序系统进行软件仿真，全部通过再进行硬件仿真，要求能全部实现所要求实现的功能。联调分步进行，首选对系统的电流、速度和位置的控制回路进行开环调试，检测电流反馈值、速度反馈值和位置反馈值的准确性、精确度以及输入输出逻辑关系是否正确。然后再进行闭环调试，主要是调试各个控制器的参数以及采样周期的选择是否能满足系统的性能指标要求，从内环到外环逐一进行，以此来完成整个系统的调试。6.2 测试结果与分析按照以上所述方法进行测试可得结果如

24、图6.1和表6.1所示。图6.1三环控制器转速、位置仿真曲线表6.1 系统脉冲信号数据表十进制脉冲信号理论占空比实际占空比误差22489.7%89.8%+0.1%19275.3%73.6%-1.7%17669.0%68.6%-0.4%14456.5%56.6%+0.1%11243.9%44.1%+0.2%根据图6.1可知该系统的速度环、位置环控制设计基本实现了直流电机的转速响应快、无超调的目的基本满足了设计要求。由表6.1可知脉冲信号占空比误差值整体较小，且在允许范围内，则该系统的电流环控制设计精度基本达到准确。由于条件限制及客观因素的影响，使得测试结果与预想值出现误差，但是误差较小且在允许范

25、围内，所以从整体上来说本次系统设计基本成功。7 结论本次设计以微型计算机8097为核心元件，采用算法PID来设计三环全数字式控制器以此来实现对系统的自动控制。在本次设计中选择霍尔元件做为电流检测传感器，将测得的弱电流信号经过放大电路、A/D电路处理转换成数字信号送入CPU8097内；同理光电脉冲发生器作为速度和位置的检测传感器，将测得的系统的转速和位置电信号经光电隔离PC900和可编程门阵列电路GAL16V8转化成相应的脉冲信号送入微型计算机内。此次设计通过软件控制来确定电流环、速度环、位置环的工作方式，而且通过改变设定值达到改变受控对象的电流、速度和位置从而达到自动控制被控对象的目的。此外，

26、本次设计将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。本设计电路不仅结构简单可实现复杂的控制，而且控制精度高还能提高控制的灵活性和适应性。参考文献1赖寿宏微型计算机控制技术M北京：机械工业出版社，2008，5：196-2072胡汉才单片机原理及其接口技术（第三版）M北京：清华大学出版社，2010，5：421-4353盛珣华、李润梅主编计算机控制系统M北京：北京交通大学出版社，2011，7：39-574方大千、鲍乔伟主编实用电子控制电路M北京：国防工业出版

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30、 element as a current detection sensor will get weak signals in the design. Then the weak signals will be amplified and filtered through the amplifier circuit which constructed by LF356 , and imports 8097-internal A/D converter circuit to switch so that get the feedback signal of current .As speed d

31、etection sensors and position sensors, the optical pulse generator through the optical isolator PC900 and GAL16V8 to division frequency and phase in order to get the feedback signal of speed .Combined with the 8097 internal counter and the counter 8254 we can get feedback signal of position relying

32、on reversible counting. In this design, we adopt software to set the operation mode of current loop, velocity loop and position loop work. In addition, we used the serial communication to set up the communications between system and upper monitor in order to send a variety of operating instructions, and ultimately system achieved control of the current loop, velocity loop and position loop. Keywords Microcomputer； 8097； HIS； PID28