直流伺服电机调速系统(三闭环)要点
直流伺服电机的速度和位置控制原理
运动伺服一般都是三环控制系统，从内到外依次是电流环速度环位置环。
1、首先电流环：电流环的输入是速度环PID调节后的那个输出，我们称为“电流环给定”吧，然后呢就是电流环的这个给定和“电流环的反馈”值进行比较后的差值在电流环内做PID调节输出给电机，“电流环的输出”就是电机的每相的相电流，“电流环的反馈”不是编码器的反馈而是在驱动器内部安装在每相的霍尔元件（磁场感应变为电流电压信号）反馈给电流环的。
2、速度环：速度环的输入就是位置环PID调节后的输出以及位置设定的前馈值，我们称为“速度设定”，这个“速度设定”和“速度环反馈”值进行比较后的差值在速度环做PID调节（主要是比例增益和积分处理）后输出就是上面讲到的“电流环的给定”。
速度环的反馈来自于编码器的反馈后的值经过“速度运算器”得到的。
3、位置环：位置环的输入就是外部的脉冲（通常情况下，直接写数据到驱动器地址的伺服例外），外部的脉冲经过平滑滤波处理和电子齿轮计算后作为“位置环的设定”，设定和来自编码器反馈的脉冲信号经过偏差计数器的计算后的数值在经过位置环的PID调节（比例增益调节，无积分微分环节）后输出和位置给定的前馈信号的合值就构成了上面讲的速度环的给定。
位置环的反馈也来自于编码器。
编码器安装于伺服电机尾部，它和电流环没有任何联系，他采样来自于电机的转动而不是电机电流，和电流环的输入、输出、反馈没有任何联系。
而电流环是在驱动器内部形成的，即使没有电机，只要在每相上安装模拟负载（例如电灯泡）电流环就能形成反馈工作。
谈谈PID各自对差值调节对系统的影响：1、单独的P（比例）就是将差值进行成比例的运算，它的显著特点就是有差调节，有差的意义就是调节过程结束后，被调量不可能与设定值准确相等，它们之间一定有残差，残差具体值您可以通过比例关系计算出。
增加比例将会有效减小残差并增加系统响应，但容易导致系统激烈震荡甚至不稳定。
伺服运动控制的“位置环+电流闭环+速度环”控制模式
伺服运动控制的“位置环+电流闭环+速度环”控制模式如果速度环外面还有位置闭环，位置环可以根据位置偏差计算需要的速度值，把速度指令发送给速度环。
速度环不需要知道当前位置偏差的大小，速度指令的大小由位置闭环决定，速度环只要按照速度指令执行速度控制就行了，这就是伺服驱动器中的三闭环控制。
1、位置环，是给定指令脉冲与编码器检测的实际脉冲数比较，偏差是海量脉冲数，根据用户速度运行规划，产生启动、加速、匀速、减速、停车指令；2、加减速时间、运行速度，是用户规划的，速度的上限，是电子齿轮比确定的；3、位置环，没有调解器，位置环是编码器检测反应脉冲的一个计数器，只输出海量脉冲数，与电机以及工件位置相关；4、位置环只在启动与停车有确切位置时，才有用；5、如果不用编码器检测反应脉冲检测位置，直接用位置检测信号产生启动、加速、匀速、减速、停车指令也可以完成伺服位置控制；6、也可以用光学尺，直接检测准确地位置信号，产生启动、加速、匀速、减速、停车指令；7、所以位置环压根就不是“征”说得“位置环可以根据位置偏差计算需要的速度值，把速度指令发送给速度环。
”！8、在“征”看来，伺服运动过程只能是“速度闭环”控制一种模式；9、实际，伺服运动过程也可以是用户决定的“电流闭环”控制模式；10、那么伺服控制的运动过程，就是一个电流曲线梯形图，而不是一个速度曲线梯形图；11、说到这里，有很多人已经听不懂了！12、所谓伺服运行过程电流曲线梯形图，举例说，可以应用于收、放卷电机伺服控制中！13、当伺服运动，以“电流闭环”控制模式运行时，机械特性为软特性，可以应用于收放卷之类的运动控制中；14、当伺服运动，以“电流闭环”控制模式运行时，由“速度闭环”做内环控制，实现“飞车”超速运行保护！15、当伺服运动，以“电流闭环”控制模式运行时，构造与“速度闭环”控制运行模式，构造组成对称：1）位置环+速度闭环+电流环2）位置环+电流闭环+速度环。
基于DSP技术的三闭环直流调速系统设计
PE电力电子基于D SP技术的三闭环直流调速系统设计冯艳娜高满茹(北京联合大学师范学院，北京100011)摘要介绍了一种采用16位高精度D SP芯片T M S320L F2407A作为主控器件，由四只功率M O SFET构成桥式PW M变换器并与电机转速、电流和电压检测处理环节组成的模数混合型电机三闭环直流调速系统。
系统中内环与外环的控制器均采用D SP芯片软件生成，按照PI控制算法完成数字调节控制，并在此基础上进一步改进实现了抗积分饱和PI控制算法。
此系统结构新颖，是一个不同于常规调速系统的新型数模混合式直流调速系统。
关键词：D SP；PW M；三闭环控制The D e s i gn f or a T hr ee C l os ed-l oop Spee d C ont r ol Sys t em B as ed on D S PF e ng Y annaG ao M anr u(Teacher s’C ol l ege of Bei j i ng U ni on U ni vers i t y，Bei j i ng100011)A bs t r act I n t r od uci n g a t hr e e cl os ed—l oop s peed cont rol s ys t em used i n t he m i x ed D&AD C m ot or,w hi ch consi st s of m ai n cont r ol l er(a16bit hi gh—pr e ci s i on D SP chi p)，PW M conver ter(f our pow er M O SFE T com ponent s)and s pee d，curr ent and vol t a ge t e st i ng and process i ng uni t．T he i nt er n al l oo p and t he ext erna l l oo p ar e all cont rol l e d by D SP chi p，w hi ch can be pr ogr am m e d accor di ng t o PI c ont r ol al g or i t hm t o com pl et e di gi t al adj us t i ng cont r01．I n add i t i on，m aki ng t he furt he r i m pr ov em en t and has r e al i ze d t he pr event i ng i n t egr a l sa t ur at i on P I a l gori t hm．Thi s s ys t em is a new st y l e m i x ed D&Acont rol s ys t em t ha t is di f f e r ent f r om t he nor m al s peed c ont r ol s ys t em becaus e of i ts new c onst r uc t i on and hi ghl yi n t egr a l dens it y．K ey w or ds：D SP：P W M：t hr ee cl os ed—l oop c ont r ol1引言长期以来，直流调速系统以其优异的性能在工业生产过程控制【{】得到了广泛的应用。
运动控制课程设计三闭环控制系统详解
《控制系统设计》课程设计报告书题目：带电流变化率内环的三环直流调速系统设计与实践学院：信息工程学院专业：自动化学生姓名：陈臻誉学生学号： 2012550413组员姓名：张凯林完成时间： 2015年7月指导教师：李辉成绩评定：目录一、选题背景 (3)二、题目要求 (3)2.1设计目的 (4)2.2 设计内容 (4)2.3设计要求 (5)2.4电机拖动控制系统设计与仿真 (5)三、方案论证 (5)四、过程论述 (6)4.1电流调节器设计 (6)4.1.1确定时间常数 (6)4.1.2选择电流调节器结构 (7)4.1.3计算调节器电阻和电容 (8)4.2速度调节器设计 (8)4.2.1计算转速调节器参数 (8)4.2.2计算调节器电阻和电容 (9)4.2.3校核转速超调量 (9)五、结果分析 (10)5.1利用MATLAB 仿真软件系统建模及仿真实验及实验结果 (10)双闭环仿真实验 (10)5.1.2双闭环调速系统调节参数 (11)5.1.3双闭环系统仿真模型 (13)5.1.4仿真波形分析 (14)5.2三闭环仿真实验 (16)波形结果 (18)六、课程设计总结 (19)七、参考文献 (20)带电流变化率内环的三环直流调速系统设计与实践一、选题背景本课题为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在V-M调速系统中设计两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈。
二者之间实行嵌套联接。
把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。
从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环，形成转速、电流双闭环调速系统。
采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。
为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值I的恒流过程。
按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可dm以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。
伺服系统中的伺服电机调速技巧和方法
伺服系统中的伺服电机调速技巧和方法伺服系统中的伺服电机是自动化设备中的重要组成部分，控制伺服电机的转速和位置是自动化过程中的基本需求之一。
虽然现代伺服电机已经具有多种高级特性，开发者们依然需要了解伺服电机调速的基本技巧和方法。
下面我们将介绍一些关于伺服电机调速的技术要点和注意事项。
1. 伺服系统中的PID 算法伺服系统中的PID算法是指通过分析当前误差、速度和加速度等参数来自动调整电机转速。
PID算法是实现伺服电机控制的基本方式，因此理解PID算法原理对伺服电机调速技巧的熟练应用非常重要。
尽管这些算法看起来有些复杂，但对于熟悉控制系统的工程师而言，设置PID参数确实可以在很大程度上实现伺服电机控制。
2. 伺服电机的机械参数在伺服系统中，精确的伺服电机行为由许多因素决定。
其中包括许多机械参数，比如惯性力、摩擦力、热响应、负载惯量和操作速度等等。
尤其是对于需要快速反应的应用领域而言，了解伺服电机的机械参数需要有足够的重视。
了解并正确处理这些机械参数有助于提高伺服电机的响应速度和精度，从而实现比较理想的调速效果。
3. 合理的控制器设置控制器设置是实现伺服电机调速的关键，尤其是对于数字电机来说。
虽然数字电机通常是从控制器或电源中获得控制信号，但是数字电机的控制信号还是需要通过控制器来处理，这不仅需要控制周期合理，还需要调整疊加控制器参数。
通过合理地设置控制器，可以减少电机控制过程中的速度误差、抖动和不稳定现象。
4. 伺服电机的反馈系统伺服电机反馈系统可以帮助控制器确定当前位置、速度和时间，从而帮助控制器计算出所需的控制信号，实现对伺服电机的精确控制。
在伺服电机控制中，反馈系统通常采用编码器、脉冲信号、霍尔传感器等传感器，从伺服电机中获得准确的反馈位置信息。
正确设置反馈系统可以实现更为精确的位置控制和快速响应。
小结：在伺服系统中，伺服电机控制是实现系统高效自动化的一项重要工作。
采取正确的调速技巧和方法，改进PID算法、了解机械参数、合理设置控制器、优化伺服电机反馈系统等等，都有助于提升伺服电机控制效率。
直流伺服电机的调速原理与方法
直流伺服电机的调速原理与方法摘要: 组成：由磁极（定子）、电枢（转子）、电刷与换向片三部分组成。
结构上做的细长一些，主要是为了减小转动惯量，从而满足伺服电机快速响应的要求。
工作原理：直流电源接在两电刷间，电流通入电枢线圈，切割磁力线，...组成：由磁极（定子）、电枢（转子）、电刷与换向片三部分组成。
结构上做的细长一些，主要是为了减小转动惯量，从而满足伺服电机快速响应的要求。
工作原理：直流电源接在两电刷间，电流通入电枢线圈，切割磁力线，产生电磁转矩。
电流方向为：N 极下的有效边中的电流总是一个方向，而S 极上的有效边中的电流总是另一个方向。
这样使两个边上受到的电磁力的方向一致，电枢因而转动。
因此，当线圈的有效边从N 极下转到S 极下时，其中电流的方向必须同时改变，以使电磁力的方向不变。
这必须通过换向器得以实现。
电磁转矩感应电势与转速关系电枢回路电压平衡方程式他励式直流伺服电机的转速公式直流电机转速与转矩的关系n=f(T)称机械特性(静态特性)。
电机转速与理想转速的差Δn，反映了电机机械特性硬度，Δn越小(转矩对转速变化的影响程度越小)，机械特性越硬。
直流电机的基本调速方式有三种：调节电阻Ra、调节电枢电压Ua 和调节磁通Φ的值。
电枢电阻调速很少采用，其缺点：不经济，要得到低速，R 很大，则消耗大量电能；低速，特性很软，运转稳定性很差；调节平滑性差，操作费力。
调节电枢电压（调压调速）时，直流电机机械特性为一组平行线，只改变电机的理想转速n0，保持了原有较硬的机械特性，所以调压调速主要用于伺服进给驱动系统电机的调速。
如果Δn值较大，不可能实现宽范围的调速。
永磁式直流伺服电机的Δn值较小，因此，进给系统常采用永磁式直流电机。
调节磁通（调磁调速）不但改变了电机的理想转速，而且使直流电机机械特性变软，所以调磁调速主要用于机床主轴电机调速。
三闭环
Double Loop DC Speed Control System Description According to dynamic and static performance indicators of the speed system, this paper uses engineering design to set parameters of controllers based on principle of three close loop speed system. The approach using electrical principle and toolbox of simulink and power system in the Matlab completes the model and simulation of system. The model of current rate loop and mutual inductance in DC motors are introduced emphatically. Simulation result obtained is close to actual situation which shows the correction of the model Three closed loop DC main circuit is composed of double closed loop DC speed control system improvement. When the double closed loop DC speed control system, in the current rising phase, the current rises sharply, the rate of change is very big, will have serious consequences in the DC motor, such as generating additional electromotive force and mechanical transmission mechanism of high produced strong impact. In order to solve this problem, a current changes in the current ring rate ring, three-ring system composed of speed, current, the current rate of change. Speed regulator ASR to set the output limiting, to limit the maximum starting current. According to the needs of system, when the given voltage, ASR output saturation, the motor to the maximum allowed current starting, at the same time as the rate of change of current ADR ring role, so that the current rising slope has certain limit, when overshoot reaches a given speed speed, ASR desaturation, motor armature current decreases slowly. In this way, the three regulator role, enables the system to quickly achieve stability.With the current rate of change in the three-loop control system, the given signal output of ASR is ACR, and its limit to limit the maximum current; the output of the ACR is not directly control trigger circuit, but as the rate of change of current given input regulator of ADR, ADR negative feedback signal obtained from the current detection by differential link LD, ACR output limit limit current the biggest change rate. Finally, by the third output regulator of ADR limit determines the minimum control pulse trigger angleⅠ.system analysis and synthesis1.1．Analysis1.1.1 In the speed and current dual closed-loop speed control system, in order to change the motor speed, what parameters should be regulating? Change speed regulator Kn magnification work? Power electronic converter to change the magnification factor Ks work? Change the speed of the feedback coefficient of work? To change the motor's stall current system should adjust the parameters of what?A: To change the motor speed, change speed regulator Kn magnification and power electronic converters will not work magnification factor Ks, stable when n = Un = Un *, so the only change in the value of a given coefficient of Un * and feedback before. To change the motor's stall current, only need to change the same value given Uim * and feedback coefficient, because the stability, Uim * = Idm, can be drawn from the type1.1.2 Speed, the current double closed-loop speed control system when the steady-state operation, the two regulator input voltage and output voltage deviation is the number?A: The speed and current dual closed-loop speed control system when the steady-state operation, the two regulators are the input bias voltage is zero, by the formula n = Un = Un *, n = n; Uim * = Idm, Idm = Idl.1.1.3 In the speed and current dual closed-loop speed control system, the two regulators are PI regulator. When the system is running with rated load, the speed feedback line suddenly disconnected, the system re-enter the steady-state, the current regulator is the input bias voltage to zero? Why?A: When the system is running with rated load, the speed feedback line suddenly disconnected, then Un = 0, = Un *- Un = Un *, so that Ui to reach Uim, 0, rate of increase in n, when the system after re-entering the steady-state , that is, Id = Idl, then, = Uim *- Idl 0, are no longer changes, changes in rotational speed n is no longer, but at this time than the rotational speed n at the time of the feedback line speed to break big.1.1.4 Why is the speed with integral control system is not static poor? A: Speed regulator integral system, to achieve non-static error is due to the characteristics of integral control regulator, that is, the accumulation of points and the role of memory.1.1.5 Double-loop speed control system (PI), load changes, Idl> Idm, asked bicyclol speed control system ASR and ACR how-conditioning, the result?A: When the load changes, Idl> Idm, speed decreased rapidly, the current Id soon to Idm, and of limited amplitude, rapid rate of ASR saturation, ACR has been limiting conditions, to form a blocking phenomenon, long-running will damage the system.1.2. SystemSpeed regulator and current regulator in the Double Loop DC Motor Control System can be summarized as follows:1.2.1. The role of speed regulatorSpeed regulator is a speed control system of the dominant regulator, which allows speed n will soon change with a given voltage Un * changes in steady-state speed error can be reduced, if the PI regulator can achieve the non-static error.1) The effect of load changes in the role of anti-disturbance.2) The output amplitude of the decision limit the maximum allowable motor current.1.2.2 The role of current regulator1) As a regulator of the inner ring, outer ring at the speed of the adjustment process, it makes the current closely followed the given voltage Ui * (that is, the outer ring modulator output) changes.2) Fluctuations in voltage from the role of disturbance rejection in time.3) The speed of the dynamic process of ensuring that the maximum allowable motor current, thereby speeding up the dynamic process.4) When the motor overload or stall when the armature current limit of the maximum, automatic protection from the role of acceleration. Once the fault disappears, the system automatically return to normal. Yesterday, the role of the reliable operation is very important.2.Ⅱdouble-loop speed control system common faults analysis 2.1.Introduction of a system2.1.1. Double-loop speed control system components in Figure 1.1 Current loop: from the current regulator LT, trigger CF (input transformation for the CSR), silicon-controlled rectifier bridge, motor armature and current loop transform LB component. the speed of outer ring: the speed regulator from ST, current loop, such as link inertia, motor and load momentof inertia and the speed of transformation components SB. in the double-loop speed control system, the speed of the decision loop of the running characteristics of the whole system and stability, and play a leading role, and to change the current ring plays the role of the internal structure of the system is dependent, but since it is as a whole to participate in the closed-loop speed to the speed of a direct impact on the work of the closed-loop, it must first good debugging current loop, and then testing the speed of outer ring, so that the whole system has good dynamic performance.2.1.2. Double-loop speed control system of the typical working condition1) Start (or the speed):ST in the start-up process has been saturated, so that the speed of this loop in the equivalent open-loop state. System only in the constant current loop under the regulation to ensure the motor at a constant current of the maximum allowable under the start-up.Figure 1 double-loop speed control system structure2) slow down (or stop):ST at this time to reach the output amplitude of the reverse limit. Main circuit current by the bridge is reduced to zero after the inverter. LT and CSR output will soon reach the maximum reverse. CF pulse output to reach βmin, current loop for open-loop. motor torque under deceleration until the motor speed close to the given new value, current loop and speed loop one after another into the closed-loop work, motor in the new value of a given run .3) Grid voltage fluctuation: This motor because of the larger moment of inertia, which caused the first change in armature current, ST output also did not change the effect of current loop, LT rapidly changing the output so that angle α be adjusted quickly, so the impact on the speed .4）Small changes in load: in the operation, load changes, will cause the motor speeddeviation from the given value. speed up the recovery process and the aforementioned speed (or deceleration) is similar to the process.2. 2 Common Fault Analysis and Processing2.2.1 The normal supply voltage, thyristor rectifier output waveform arrhythmia caused by this phenomenon is due to trigger sawtooth slope caused inconsistency. Sawtooth slope adjust potentiometer, the output waveform uniformity could be achieved. in the adjustment process to strike a balance between Qi, this point should be paid attention to the actual debugging.2.2.2 DC Motor Analysis of mechanical properties of soft thyristor DC motor system, when the current intermittent mechanical properties when the first no-load speed is characterized by high ideals, and the second is characterized by mechanical properties of soft . The so-called mechanical features soft, that is, small changes in load will cause great changes in speed. oscilloscope to observe when using the bridge rectifier output waveform, one may find that missing relative. at this time need to check whether the trigger has pulse output, fast whether the fuse melting, whether the breakdown or thyristor circuit, synchronous transformer is damaged, whether the lack of power. to identify the problems, can be resolved.2.2.3The speed of the speed of instability caused by many factors of instability:1) Electric guns are not firmly fixed or with the host of different axis .2) The parameters of the speed regulator inappropriate. Respond to the dynamic parameters to adjust (change the ratio of integral parameters ) .3) Of a speed control system there are(or bad)4) May be caused as a result of interference. should be found to interfere with the reasons for taking anti-jamming measures.2.2.4 A little to the set rated motor speed is higher than that should first check whether it is normal for the external control system, such as outside the normal control system, it may be given points, speed regulator, current regulator, such as caused by link failure. Should be cut off the main circuit power supply, only the control system to the electricity, not a given in the case, testing each of the key points (such as the current regulator, voltage regulator, etc. of thepotential. and then given together with the former to one by one after each of the key points to check the potential changes, you can find out the fault lies.2.2.5 Bridge rectifier output voltage is not high stressed1) the speed regulator and current regulator limiter too small, should be liberalizedin accordance with appropriate amplitude threshold .2) than the speed feedback signal, in that they can reduce the rate of appropriate feedback signals.2.2.6 To the timing system still in the absence of low-speed operation (that is, the phenomenon of emergence of reptiles) This is because the system of "zero drift" caused by. When the input signal is zero, the output voltage by the input amplification stage of the offset potentiometer decisions can be offset by adjusting the potential allows α = 90 °, at this time to zero output voltage rectification system, the electrical will not crawl.2.2.7 With a given system can not runShould first check whether it is normal for the external control system, such as outside the normal control system, it may be given points, speed regulator, currentregulator, such as caused by link failure. Shall be cut off main circuit power supply, only the control system to the electricity, not Add the given circumstances, the key points of each test (such as the current regulator, voltage regulator, etc.) of the potential. and then combined with a given, after the previous one by one to each of the key points to check the potential changes, that is, where to find fault.2.2.8 Lack of control accuracy in the distributor for a given run-time external control often requires precision sufficient parking in order to work properly. If poor precision parking, you can adjust the speed of the appropriate regulator of the PI link, generally by reducing the the ratio of the integral part of efforts to get satisfactory results.2.2.9 Reversible system oscillation1) open-loop system in the state (the main circuit disconnect) the oscillation can be changed at this time given the previous inspection to the key points of the potential changes. If a given unchanged, but the potential is still a point of change, here is the crux of .2) system in the state when the closed-loop oscillation, in which case in order to ensure the safety of the electrical load should be replaced by the general resistance of the load, if there is no suitable resistance box which can be used in place of the two electric sub-series. inspection methods and similar open-loop, focusing on the link to check is: given points, level detection, operation control, such as the speed regulator. oscillations are often caused as a result of operational amplifiers, such as damage to electronic components , system parameters caused by improper, according to the specific circumstances, properly addressed.This paper mainly introduces the structure，working principle and controller tuning method of boiler cascade three—parameter control system．And the characteristic of this control system iS simulated．Simulation results show that the control system can eliminate the interference caused by load(steam volume)changes and water flow，be able to guarantee safe and stable operation of generating units．It can be seen from the simulation results in figure, in the motor start-up phase, the current regulation motor armature current under the action of close to the maximum, the motor starts to rise time optimal criterion. It can be seen from the figure, in the current rising and falling stage, transition time of three closed-loop system than the transition time of double closed loop length, this is because when the current rate of change is too large, because the current regulator ADR, current rise and fall speed slow. In addition to the current rise and decline stage, the rate of change of current loop play a role, others in the same starting process and double closed loop. It not only keeps the advantages of double closed loop, but also overcomes the double closed loop current during start-up rate too much.闭环直流调速系统的说明1 背景在分析三闭环直流调速系统原理基础上，根据系统的动、静态性能指标采用工程设计方法设计调节器参数，并运用Matlab 的Simulink 和Power System 工具箱、面向系统电气原理结构图的仿真方法，实现了转速电流三闭环直流调速系统的建模与仿真；重点介绍了电流变化率环建模、直流电机模块互感等参数的设置，给出了直流可逆调速系统的仿真模型和结果，仿真结果验证了仿真模型及参数设置的正确性。
伺服控制器的速度闭环控制策略深度剖析
伺服控制器的速度闭环控制策略深度剖析伺服控制器是一种用于精确控制运动装置的电子设备，其核心功能是保持被控对象的速度在预定范围内，并能够对外部干扰作出快速而准确的响应。
速度闭环控制策略是伺服控制器中的一种常见控制策略，本文将对其进行深度剖析。
速度闭环控制是指将反馈的速度信号与设定的目标速度进行比较，并根据差异来调节输出信号，从而使实际速度逐渐趋近目标速度的控制策略。
它的基本原理是通过不断地修正控制信号，使实际速度与目标速度保持一定的误差范围内，以达到准确控制运动装置的目的。
速度闭环控制策略通常包括以下几个关键要素：速度反馈装置、误差计算器、控制信号调整器以及执行器。
首先，速度反馈装置是速度闭环控制中至关重要的组成部分。
它可以通过不同的方式来获取实际速度的反馈信息，如编码器、霍尔传感器等。
这些装置通常将实际速度转化为电信号，通过反馈给控制器进行处理。
其次，误差计算器是速度闭环控制中的核心组件。
它通过比较实际速度和目标速度之间的差异，计算出误差信号。
误差信号的大小和方向反映了实际速度相对于目标速度的偏差程度，是控制器根据这一信号来进行输出调整的基础。
控制信号调整器是速度闭环控制中的另一个关键组件。
它根据误差信号的大小和方向调整控制信号，以实现对实际速度的调节。
调整器通常采用比例-积分-微分（PID）控制算法，其中比例项负责减小误差、积分项用于消除稳态误差、微分项用于改善系统的动态响应。
最后，执行器将调整后的控制信号转化为相应的动作，对运动装置进行控制。
常见的执行器包括驱动器、电机等。
驱动器通过将控制信号转化为适当的电流或电压来驱动电机，从而调节运动装置的速度。
速度闭环控制策略有许多优点。
首先，它对外部干扰响应迅速，能够根据实际速度与目标速度之间的差异及时做出调整，使运动装置能够快速稳定地达到预定速度。
其次，它允许动态调整目标速度，以适应不同的工况要求。
此外，速度闭环控制策略还可以提供对实际运动装置的速度精准监测，为后续的运动控制提供准确的反馈信息。
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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，PIDABSTRACTThis design adopts the micro-computer 8097 as the main component, and chooses the PID algorithm to design. Hall 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 detection 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 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.KEY WORDS：Microcomputer，8097，HIS，8254，PID目录摘要 (1)ABSTRACT (1)第1章绪论 (1)第2章系统方案设计 (1)2.1 设计要求 (1)2.2 方案论证 (1)2.3 方案选择 (3)第3章系统硬件电路设计 (3)3.1 微型计算机8097 (3)3.1.1 8097的概述 (3)3.1.2 变T法速度检测 (4)3.2 输入输出通道设计 (6)3.2.1 电流反馈通道 (6)3.2.2 转速反馈通道 (7)3.2.3 位置反馈通道 (7)3.2.4 伺服系统给定输入通道 (8)3.3 电源电路设计 (9)第4章控制算法PID的设计 (9)4.1 电流环控制器设计 (9)4.2 速度环控制器设计 (10)4.3 位置环控制器设计 (11)4.4 采样周期选择 (12)4.5 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:电路原理图 (17)第1章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]。
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=1000r/min；电枢回路总电阻R=2.4Ω；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。
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。
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。
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 MCS —96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。
图2.2 系统整体框图 单片机8051 光电解码器 测速发电机 M PWM 功放 D/A A/D 图 2.1 基于8051的系统框图 单片机8097 显示模块显示 计数器8254 信号检测 光电隔离 PWM 运算放大电路 电机 PGintel MCS—96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GAL16V8，两个运算放大器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。
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 法的思路[2]。
电动机转速n 与A 、B 两图3.1 8097管脚结构图脉冲周期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。