一种基于单片机的直流伺服控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于单片机的直流伺服控制系统，该系统包括单片机控制器、D/A转换器、A/D转换器、PWM功率放大器、光电编码器、测速发电机以及直流伺服电机；所述的光电编码器将电机旋转角度转换为数字信号发送至单片机；所述测速发电机将电机转速发送至单片机；所述单片机控制器根据控制量与反馈量的误差进行计算，给出控制信号。本发明专利技术采用角度反馈环和速度反馈环的双环控制系统，改善了伺服系统的阻尼性能，提高系统的刚性，并减少局部环内的各种非线性的影响。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及直流伺服控制系统，具体涉及一种基于单片机的直流伺服控制系统。
技术介绍
伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，它的转矩和转速受信号电压控制。当信号电压的大小和相位发生变化时，电动机的转速和转动方向将非常灵敏和准确地跟着变化。当信号消失时，转子能及时地停转。进入21世纪，伺服系统越来越成熟，市场呈现快速多元化发展，国内外众多品牌进入市场竞争。目前直流伺服技术已成为工业自动化的支撑性技术之一。现代伺服系统最早被应用到宇航和军事领域，比如火炮、雷达控制。逐渐进入到工业领域和民用领域。工业应用主要包括高精度数控机床、机器人和其他广义的数控机械，比如纺织机械、印刷机械、包装机械、医疗设备、半导体设备、邮政机械、冶金机械、自动化流水线、各种专用设备等。其中伺服用量最大的行业依次是：机床、食品包装、纺织、电子半导体、塑料、印刷和橡胶机械，合计超过75％。直流伺服系统的相关技术，一直随着用户的需求而不断发展。电动机、驱动、传感和控制技术等关联技术的不断变化、造就了各种各样的配置。就电动机而言，可以采用盘式电机、无铁芯电机、直线电机、外转子电机等，驱动器可以采用各种功率电子元件，传感和反馈装置可以是不同精度、性能的编码器、旋变和霍尔元件，控制技术从采用PID控制开始，一直到采用单片机和各种可编程模块。目前，我国现有的常见的伺服控制系统主要采用单片机作为控制器进行伺服驱动，体积小、经济性好，但是计算性能不佳，难以应用于计算量大的现代控制算法例如模糊神经网络和神经元控制等控制策略。然而神经网络控制算法需要使用大量有标记的训练样本，且一个伺服控制器的神经网络模型，无法应用于另一个伺服控制器。然而在实际生产过程中，难以获得大量有标记的训练样本，通常是大量无标记的训练样本，因此神经网络模型难以推广应用。本专利技术使用单片机控制器，采用角度反馈环和速度反馈环的双环控制系统，改善了伺服系统的阻尼性能，提高系统的刚性，并减少局部环内的各种非线性的影响，避免了使用神经网络这一复杂、滞后性大的控制方法。
技术实现思路
本专利技术目的在于克服现有技术的不足，尤其解决现有的伺服控制系统中控制方法计算复杂、滞后性大等问题。提供一种基于单片机的直流伺服控制系统，采用角度反馈环和速度反馈环的双环控制系统，改善了伺服系统的阻尼性能，提高系统的刚性，并减少局部环内的各种非线性的影响。为解决上述技术问题，本专利技术采用如下的技术方案：一种基于单片机的直流伺服控制系统，该系统包括驱动部分和反馈部分，其特征在于，其中：所述驱动部分由单片机控制器、D/A转换器、PWM功率放大器以及直流伺服电机组成，其中：所述单片机经过D/A转换器与PWM功率放大器相连；所述PWM功率放大器与直流伺服电机相连；所述单片机控制器根据控制量与反馈量的误差进行计算，给出控制信号后经过D/A转换器，把数字信号变为模拟信号，再经PWM功率放大器工作，进而控制直流伺服电机向预定的方向运动。所述反馈部分由单片机控制器、A/D转换器、光电编码器、测速发电机以及直流伺服电机组成，其特征在于，其中：所述测速发电机与直流伺服电机相连，经过A/D转换器后与单片机控制器相连组成速度反馈部分，所述测速发电机获取直流伺服电机转速并转换为电压，经过A/D转换器转为数字信号，输入至单片机控制器；所述光电编码器与直流伺服电机、单片机控制器相连组成角度反馈部分，所述光电编码器获取直流伺服电机的转动角度并转换为数字信号，输入至单片机控制器。一种基于单片机的直流伺服控制系统所实现的双环反馈控制系统，其特征在于，控制系统由角度反馈环和速度反馈环组成，角度反馈环为主反馈环，反馈结果与给定输入相减，产生角度偏差信号，偏差信号由比例环节放大后送入下一环节；速度反馈环为局部反馈环，反馈结果与给定输入相减，产生速度偏差信号，用于局部反馈校正。附图说明图1是本专利技术的一个具体实施例的结构示意图。图2为本专利技术的一个具体实施方式中伺服控制系统的结构图。图3为本专利技术的一个具体实施方式中控制过程的流程图。具体实施方式下面结合附图及具体实施例对本专利技术进行更加详细与完整的说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本专利技术，而非对本专利技术的限定。参见图1，本专利技术的一种基于单片机的直流伺服控制系统，该系统包括驱动部分和反馈部分，其中：所述驱动部分由单片机控制器1、D/A转换器2、PWM功率放大器3以及直流伺服电机4组成，其中：所述单片机控制器1经过D/A转换器2与PWM功率放大器3相连；所述PWM功率放大器3与直流伺服电机4相连；所述单片机控制器1根据控制量与反馈量的误差进行计算，给出控制信号后经过D/A转换器2，把数字信号变为模拟信号，再经PWM功率放大器3工作，进而控制直流伺服电机4向预定的方向运动。所述反馈部分由单片机控制器1、A/D转换器5、光电编码器6、测速发电机7以及直流伺服电机4组成，其特征在于，其中：所述测速发电机7与直流伺服电机4相连，经过A/D转换器5后与单片机控制器1相连组成速度反馈部分，所述测速发电机7获取直流伺服电机4转速并转换为电压，经过A/D转换器5转为数字信号，输入至单片机控制器1；所述光电编码器6与直流伺服电机4、单片机控制器1相连组成角度反馈部分，所述光电编码器6获取直流伺服电机4的转动角度并转换为数字信号，输入至单片机控制器1。参见图2，一种基于单片机的直流伺服控制系统所实现的双环反馈控制系统，控制系统由角度反馈环和速度反馈环组成，角度反馈环为主反馈环，反馈结果与给定输入相减，产生角度偏差信号，偏差信号由比例环节放大后送入下一环节；速度反馈环为局部反馈环，反馈结果与给定输入相减，产生速度偏差信号，用于局部反馈校正。K2G1(s)是速度反馈环的放大环节，在本实施例中，速度反馈环采用PI调节器，用于克服静差，其中G1(s)表示为G1(s)＝Kτ+1/τ0s (1)其中Kτ是比例系数，τ0表示时间常数，s表示因变量。K3是PWM功率放大器的比例放大系数。G2(s)是速度反馈环的串联校正环节，表示为：G2(s)＝KG/(tjs+1)(tds+1) (2)其中，KG是静态放大系数，td是电磁时间常数，tj是机电时间常数。Hv(s)表示速度反馈环节的传递函数，在本实施例中，测速发电机与A/D转换器为比例环节，因此取Hv(s)＝Kv，Kv是速度反馈环的比例系数。Hθ(s)表示角度反馈环节的传递函数，在本实施例中，同样设为比例环节，取Hθ(s)＝Kθ，Kθ是角度反馈环节的比例系数。综合上述表示，控制量c(s)可以表示为：c(s)＝[K1Rθ(s)-K1Kθθ(s)-KvV][K2(Kτ+1/τ0s)] (3)其中，θ(s)表示角度值，Rθ(s)表示给定值，V表示速度值，K1和K2表示比例系数。由于单片机控制器处理的是数字信号，因此需要将控制量离散化，设采样周期为T，则离散化后的控制量c(z)表示为：c(z)＝[K1Rθ(z)-K1Kθθ(z)-KvV(z)][K2(Kτ+T(1+z-1)/2τ0(1-z-1))] (4)令a＝K2(T+2τ0Kτ)2τ0，b＝K2(T-2τ0Kτ)2τ0，将公式(4)转换为差分方程，得到离散化的控制量c(n)的差分表示：c(n)＝本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于单片机的直流伺服控制系统，该系统包括驱动部分和反馈部分，其特征在于，其中：所述驱动部分由单片机控制器、D/A转换器、PWM功率放大器以及直流伺服电机组成，其中：所述单片机经过D/A转换器与PWM功率放大器相连；所述PWM功率放大器与直流伺服电机相连；所述单片机控制器根据控制量与反馈量的误差进行计算，给出控制信号后经过D/A转换器，把数字信号变为模拟信号，再经PWM功率放大器工作，进而控制直流伺服电机向预定的方向运动。所述反馈部分由单片机控制器、A/D转换器、光电编码器、测速发电机以及直流伺服电机组成，其特征在于，其中：所述测速发电机与直流伺服电机相连，经过A/D转换器后与单片机控制器相连组成速度反馈部分，所述测速发电机获取直流伺服电机转速并转换为电压，经过A/D转换器转为数字信号，输入至单片机控制器；所述光电编码器与直流伺服电机、单片机控制器相连组成角度反馈部分，所述光电编码器获取直流伺服电机的转动角度并转换为数字信号，输入至单片机控制器。

【技术特征摘要】
1.一种基于单片机的直流伺服控制系统，该系统包括驱动部分和反馈部分，其特征在于，其中：所述驱动部分由单片机控制器、D/A转换器、PWM功率放大器以及直流伺服电机组成，其中：所述单片机经过D/A转换器与PWM功率放大器相连；所述PWM功率放大器与直流伺服电机相连；所述单片机控制器根据控制量与反馈量的误差进行计算，给出控制信号后经过D/A转换器，把数字信号变为模拟信号，再经PWM功率放大器工作，进而控制直流伺服电机向预定的方向运动。所述反馈部分由单片机控制器、A/D转换器、光电编码器、测速发电机以及直流伺服电机组成，其特征在于，其中：所述测速发电机与直流伺服电机相连，经过A/D转换器后...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑振兴，梁鹏，林泽芳，蓝钊泽，吴玉婷，
申请(专利权)人：广东技术师范学院，
类型：发明
国别省市：广东;44