毕业设计基于单片机的直流伺服控制系统设计.doc

摘 要半个世纪来，直流伺服控制系统己经在精密数控机床、加工中心、机器人等领域得到了广泛的应用。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。本文介绍了微机直流伺服系统的硬件、软件设计方案。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。单片机用系统采用了基于总线的模块式单片机通用开发设计方案，配置灵活，可根据需要组合成各种应用系统。功率驱动采用PWM伺服生成模块，使系统具有结构简洁、性能可靠的特点，可以满足不同结构的直流伺服控制系统的设计要求。软件编制采用模块化的设计方式，主要包括主程序设计、T0中断服务(采样定时控制)程序及数字控制算法程序的设计。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。关键词：位置伺服系统；直流电机；单片机High Precision Position Servo Microcomputer Control System DesignAbstractFor a half of century，the DC servo control system has been widely used in the NC machine tool，machining center，and robot，etc. With the technical development of servo motor，electronies Power and computer control，the servo control system is making towards digitized and modular design.This paper introduces the hardware，software design plan of DC servo control system on microcomputer. The hardware designed includes mainly: the total project design，single-chip computer application system design，drive circuit design and measure circuit design. The single-chip computer system is a versatile module single-chip computer developing system，It can make up various kinds of application systems according to your need. The power drives adopts the PWM produce modular，and also meets the designing requirement of the DC servo control system in different structure. The sotfware a dots modular design，includes primarily the main procedure design, the service procedure of T0 break off and increases the design of the deal type arithmetic figure PID calculation way procedure.Through the integral design of the system, the completion of the basic requirements of the system, the system can stable operationKeywords: Position servo system；Dc motor; microcontroller目 录第一章绪论11.1课题研究的目的和意义11.2国内外研究现状以及发展趋势21.3 设计要求及参数4第二章 系统总体方案设计62.1系统控制方案的选择62.2 直流伺服电机的数学模型62.3控制器的设计82.3.1电流调节器的设计82.3.2转速调节器的设计92.4 位置控制器设计9第三章 系统硬件设计1131 控制单元电路设计113.1.1引脚特性123.1.2 时钟电路设计133.1.3 复位电路设计143.2 信号检测电路设计143.2.1 位置转速检测电路143.2.2电流检测电路的设计153.3控制电路设计163.3.1运动控制电路设计163.3.2电机驱动电路的设计173.4显示电路的设计183.5按键电路的设计203.6电源电路的设计21第四章 系统软件设计224.1总体设计思想224.1.1系统的工作过程224.1.2 程序设计方法选择224.1.3 程序设计语言的选择224.2 主程序设计244.3数据采集（转速检测）子程序的设计254.3.1 外部中断0服务程序254.3.2定时器0中断服务程序254.3.3外部中断1服务程序264.4 PI算法子程序设计26总 结28致 谢29参考文献30附录一：系统原理图32附录二：部分程序清单33第一章绪论1.1课题研究的目的和意义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，有的场合也可以用开环控制系统来实现其功能，伺服系统在电机设备中具有很重要的地位，高性能的伺服系统可以提供灵活、方便、准确、快速的驱动【1】。位置伺服系统广泛应用于国民经济的各个工业部门，例如机床加工行业、冶金加工、机器人或机械手的控制、火炮群跟踪雷达和陀螺仪惯性导航系统等，都涉及到了位置定位和轨迹跟踪，因此位置伺服技术的高低，将直接影响我们国家的工业技术的发展水平【2】。位置伺服系统是通过控制器来实现自动控制理论的各种控制算法，通过执行机构电力电子功率变换装置实现对电机的控制，来达到位置伺服的目的【3】。其中控制器可以说是整个系统的心脏，其设计的好坏直接影响整个系统的性能。有些伺服系统的控制器主要由模拟控制器来实现的，但对于那些较复杂控制算法，单靠硬件电路来实现系统控制相对比较困难【4】。随着微电子技术的迅猛发展，研发出各种高性能数字信号处理器，其运算能力强而且具有丰富的外部接口。将数字信号处理器应用在位置伺服系统，构成数字位置伺服系统，该系统就可以通过软件编程的方式完成各种简单或复杂的传动控制算法，通过外部接口实现与电力电子功率变换装置的连接，最终实现对电机的控制，这样既可以提高系统的灵活性的也可以减小系统的体积【5】。近几年基于数字信号处理芯片开发的位置伺服系统成为研究的热点，并且很多芯片厂家还开发一些电机专用控制芯片，并在芯片内部集成了PWM发生单元等，简化了与电力电子功率变换装置间的连接，而且具有强大的处理功能可以完成现代控制理论或智能控制理论的一些复杂算法，如果采用这些电机专用控制芯片来完成系统设计，即可以节省了开发周期，又简化了系统的硬件结构【6】。自上世纪80年代末以来的短短二十几年间，交流伺服系统取得了举世瞩目的发展，同时伴随着变频技术的发展，使系统已具备了宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能，其动、静态特性已完全可与直流伺服系统相媲美，对交流伺服系统的研究，仍然是电气传动领域的一个热点。现在，数字式交流位置伺服系统研究热点之一，就是以交流永磁伺服电机为控制对象。因为随着交流永磁电机制造工艺的不断进步，使其具有低惯性、快响应、高功率密度、低损耗、高效率等优点7。1.2国内外研究现状以及发展趋势伺服控制技术是自动化学科中与产业部门联系最紧密、服务最广泛的一个分支，它是伴随着电的应用二发展起来的，最早出现于20年代初，并且极大地提高了劳动生产率和产品质量，推动了现代工农业的巨大进步，1934年，的一次提出了伺服机构这个词，世界上第一个伺服系统是由美国麻省理工学院辐射实验室于1944年研制成功，这就是火炮自动跟踪目标的伺服系统，随着自动控制理论的发展，到20世纪中期，伺服系统理论与实践均趋于成熟，并得到广泛应用，在新技术革命的推动下，特别是伴随着微电子技术和计算机技术的飞速进步，伺服技术更加如虎添翼、突飞猛进，它的应用几乎遍布社会的各个领域8。随着控制技术的发展，对伺服系统的性能不断地提出新的要求，今年来，数字技术的飞速发展，将计算机与伺服控制系统相结合，是计算机称为伺服系统中的一个环节已成为现实。在直流伺服系统中，利用计算机来完成系统的校正，改变伺服系统的增益、带宽、完成系统的管理、监视等任务，是系统向智能化发展【9】。伺服控制技术在机械制造行业中用到的最多也最广，各种机床运动部分的速度控制、运动轨迹控制、位置控制等，都是伺服系统控制的，它们不仅能完成转动控制、直线运动控制，而且能依靠多套伺服系统的配合，完成负载的空间曲线运动的控制，如：仿型机床的控制、机器人手臂关节的运动控制等。它们可以完成的运动控制精度高、速度快，远非一般工人操作所能达到【10】。在冶金工业中，电弧炼钢炉，粉末冶金路等电极位置控制，水平连铸机的拉坯运动控制，轧钢机轧辊压下运动位置的控制等，都是依靠伺服控制技术来实现的，这些更是无法用人工代替的。在运输行业中，电气机车的自动调速、高层建筑中电梯的升降控制、船舶的自动操舵、飞机的自动驾驶等，都是由各种伺服系统为之效力，从而减缓操作人的疲劳，同时也大大的提高了工作效率。在军事上，一定程度上提高了武器的精确度和威力，以雷达高射炮为例，在敌方飞行器飞行时，雷达天线必须时刻旋转，随时自动保持指向敌方飞行器。雷达测出敌方飞行器方位和仰角数据经过计算机监工并计入射击提前量后，又用来控制高射炮炮身的转动，使高射炮时刻保持瞄准敌方飞行器，随时准备开火，而瞄准的角度误差只有几分，如不用控制技术的相关支持，折现显然是做不到的。现代军用飞行器速度很快，炮身又沉重，用人力直接转动炮身是完全不可能适应战阵需求的。在航天、制导、核能等方面，控制技术更是不可缺少，比如，要把重达数吨的人造卫星准确的送入位于数百公里高空的预先计算好的轨道和指定的位置，并一直保持他的姿态正确，是他的太阳能电池一直朝向太阳，无线电天线一直指向地球，还要保持卫星内的正常，使他携带的各种仪器自动准确的工作，所有的这一切都是以高水平的控制系统为前提的。伺服控制技术和控制技术还处于发展的过程中，由于计算机的诞生和迅速发展，控制技术一定会不断地提高水平，以适应难度系数日益增大的控制要求，在未来的几年中，伺服系统的发展趋势是：作为数控机床的重要功能部件，伺服系统的特性一直是影响系统加工性能的重要指标。围绕伺服系统动态特性与静态特性的提高，近年来发展了多种伺服驱动技术。可以预见，随着超高速切削、超精密加工、网络制造等先进制造技术的发展，具有网络接口的全数字伺服系统、直线电动机及高速电主轴等将成为数控机床行业关注的热点，并成为伺服系统的发展方向11。（1）交流化伺服技术将继续迅速地由DC伺服系统转向AC伺服系统。从目前国际市场的情况看，几乎所有的新产品都是AC伺服系统。在工业发达国家，AC伺服电机的市场占有率已超过80 。国内生产AC伺服电机的厂家也越来越多，正逐步超过生产DC伺服电机的厂家。可以预见，在不远的将来，除了在某些微型电机领域之外，AC伺服电机将完全取代DC伺服电机。（2）全数字化采用新型高速微处理器和专用数字信号处理机（DSP）的伺服控制单元将全面代替以模拟电子器件为主的伺服控制单元，从而实现完全数字化的伺服系统。全数字化的实现，将原有的硬件伺服控制变成了软件伺服控制，从而使在伺服系统中应用现代控制理论的先进算法（如：最优控制、人工智能、模糊控制、神经元网络等）成为可能。（3）采用新型电力电子半导体器件 目前，伺服控制系统的输出器件多采用开关频率很高的新型功率半导体器件，主要有大功率晶体管（GTR）、功率场效应管（MOSFET）和绝缘门极晶体管（IGBT）等。这些先进器件的应用显著降低了伺服单元输出回路的功耗，提高了系统的响应速度，降低了运行噪声。尤其是，最新型的伺服控制系统已开始使用一种把控制电路功能和大功率电子开关器件集成在一起的新型模块，称为智能控制功率模块。这种器件将输人隔离、能耗制动、过温、过压、过流保护及故障诊断等功能全部集成于一个不大的模块中。其输入逻辑电平与TTL信号完全兼容，与微处理器的输出可直接接口。它的应用显著地简化了伺服单元的设计，并实现了伺服系统的小型化和微型化。（4）高度集成化 新的伺服系统产品改变了将伺服系统划分为速度伺服单元与位置伺服单元2个模块的做法，代之以单一、高度集成化、多功能的控制单元。同一个控制单元，只要通过软件设置系统参数就可改变其性能，既可以使用电机本身配置的传感器构成半闭环调节系统，又可以通过接口与外部的位置或速度或力矩传感器构成高精度的全闭环调节系统。高度的集成化，显著缩小了整个控制系统的体积，使伺服系统的安装与调试工作都得到简化。（5）智能化 智能化是当前一切工业控制设备的流行趋势，伺服驱动系统作为一种高级的工业控制装置也不例外。最新数字化的伺服控制单元通常都设计为智能型产品，其智能化特点表现在： 都具有参数记忆功能。系统的所有运行参数都可通过人机对话的方式由软件来设置，保存在伺服单元内部，通过通信接口，这些参数甚至可以在运行途中由上位计算机加以修改，应用方便； 都具有故障自诊断与分析功能。无论什么时候，只要系统出现故障，就会将故障类型及可能引起故障的原因通过用户界面清楚地显示出来，这就简化了维修与调试的复杂性；有的伺服系统还具有参数自整定的功能。众所周知，闭环调节系统的参数整定是保证系统性能指标的重要环节，也是需要耗费较多时间与精力的工作。带有自整定功能的伺服单元可通过几次试运行，自动将系统的参数整定出来，并自动实现其最优化。对于使用伺服单元的用户来说，这是新型伺服系统最具吸引力的特点之一。（6）模块化和网络化 在国外，以工业局域网技术为基础的工厂自动化（Factory Automation，简称FA）工程技术在近十年来得到了长足发展，并显示出良好的发展势头。为适应这一发展趋势，最新的伺服系统都配置了标准的串行通信接口和专用的局域网接口。这些接口的设置显著增强了伺服单元与其它控制设备问的互联能力，从而，与CNC系统问的连接也变得简单，只需1根电缆或光缆就可将数台，甚至数十台伺服单元与上位计算机连接为整个数控系统。也可通过串行接口与可编程控制器（PLC）的数控模块相连。1.3 设计要求及参数高精度位置伺服系统采用一个功率为2.5Kw的宽调速电动机作为执行电机，拖动负载运动。系统要求达到的技术指标为：（1）定位精度<0.4º；（2）定位过程超调量<10%；（3）输入阶跃、速度、加速度转角信号时，调节时间its<250ms；（4）跟随速度信号时，无稳态误差；（5）跟随加速度信号时，稳态误差<0.02。控制系统功能要求：键盘有：复位、给定转角设置、控制参数修改、控制启动等功能键。显示器：能显示给定设置、参数修改过程中的值及控制过程中的实时位置(角度)。系统工作不正常时能实现报警并停机，防止故障扩大。第二章 系统总体方案设计2.1系统控制方案的选择本系统是三闭环控制系统，调节器的设计方法是从内环到外环，逐个设计个环节的调节器，其中位置调节器APR是位置换的校正装置，他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，其输出限幅值决定着电机的最高转速，位置、转速及电流闭环画成单位反馈，反馈系数或存储系数都已计入各调节器的比例运算系数中去。图2-1 直流伺服控制系统方框图2.2 直流伺服电机的数学模型无刷直流电机的电磁转矩方程与普通直流电动机相似，其电磁转矩大小与磁通和电流幅值成正比 (2-1)所以控制逆变器输出方波电流的幅值即可以控制BLDC电机的转矩。为产生恒定的电磁转矩，要求定子电流为方波，反电动势为梯形波，且在每半个周期内，方波电流的持续时间为120°电角度，梯形波反电动势平顶部分也为120°电角度，两者应严格同步。由于在任何时刻，定子只有两相导通，则：电磁功率可表示为： (2-2)电磁转矩又可表示为： (2-3)无刷直流电机的运动方程为： (2-4)其中为电磁转矩；为负载转矩；B为阻尼系数；为电机机械转速；J为电机的转动惯量。传递函数：无刷直流电机的运行特性和传统直流电机基本相同，其动态结构图可以采用直流电机通用的动态结构图，如图所示：图2-2直流电机动态结构图由无刷直流电机动态结构图可求得其传递函数为: （2-5）式中： K1为电动势传递系数，Ce 为电动势系数； K2为转矩传递函数，R 为电动机内阻，Ct 为转矩系数； Tm 为电机时间常数，G 为转子重量，D 为转子直径。2.3控制器的设计为了使微机控制系统各个硬件设备能够正常运行，有效的实现电机各个控制环节的实时控制和管理，除了要有合理设计的硬件电路外，还必须要有高质量的软件支持，尤其是采用什么样的控制算法直接影响到能否提高控制系统的各项性能。因此，编写电机微机实时控制系统的应用程序（控制算法），也是系统设计中十分重要的内容【14】。2.3.1电流调节器的设计在此系统从稳态要求上看希望电流无静差，已得到理想的堵转特性，从动态要求上看，系统不允许电枢电流突加控制作用是有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过如允许值而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，因此，典型型系统适用在此方案中。电流环的控制作用是双惯性的，其传递函数为： （2-6）式中 电流调节器的比例系数 电流调节器的超前时间量常数。为了让调节零点与控制零点的大时间常数几点对消，选择 （2-7）则电流环动态结构框图便成为图（2-1）所示的典型形式，其中图2-1 校正成典型型系统的电流环 （2-8）在一般情况下，可选，则 （2-9） （2-10）2.3.2转速调节器的设计为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，他应该包含在转速调节器中，现在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。至于其阶跃响应超调量较大，那是按照线性系统理论计算的数据，实际系统中转速调节器的饱和非线性性质会使超调量大大降低由此可见，ASR也采用PI调节器，其传递函数为2-11【15】 （2-11）式中 转速调节器的比例系数， 转速调节器的超前时间常数。调速系统的开环传递函数为 （2-12）其中 （2-13） （2-14）2.4 位置控制器设计 典型的PID 算法存在积分饱和与微分突出两个弊端。由于运行较大的给定值变化及负载变化会导致控制器变量及输出的饱和与溢出，这种非线性可能增加系统的超调量和调整时间，导致系统动态性能变差。因此，位置控制器采用积分分离PID控制算法。在普通的数字PID 控制器中加入积分环节的主要目的是为了消除静差、提高精度，但是在过程的启动、结束或大幅度增减设定值时，短时间内系统输出有很大的偏差，会造成积分累积，使控制量超过执行机构最大动作范围对应的极限控制量，从而引起系统较大的超调，甚至造成系统振荡，即由于系统加入积分校正后，会产生饱和效应，引起过大的超调量，而采用积分分离算法，既可以保持积分的作用，又可以减少超调量，使得控制系统的性能有较大的改善。对于本系统而言，即是采用积分分离数字PI 控制算法。具体做法是：根据直流伺服电机的特性，设定一个偏差门限0 E ，当控制过程中的偏差e(kT)的绝对值大于此偏差门限 时，系统不引入积分控制，即为纯P控制；当e(kT)的绝对值小于 时，才引入积分控制，即系统作PI 控制。表述如下：当时，既偏差值较小时，采用PI 控制，保证系统精度；当时，既偏差值 较大时，采用纯P调节，使得超调量减少，系统反应加快。积分分离的PI 算法可以表示为： （2-15）式中，为逻辑系数。采用此种算法后，当被控制量与设定值的偏差较大时，取消积分作用，以免积分饱和时系统的稳定性减弱，超调量加大；当被控制量接近设定值即偏差较小时，才加入积分环节，以消除静差，提高控制精度。这样一方面防止了一开始有过大的控制量，另一方面即使发生饱和，因积分累积值小，也能较快的退出饱和，可减少超调【18】。第三章 系统硬件设计31 控制单元电路设计单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器，它最早是被用在工业控制领域，最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中【19】。在此设计方案中我选择AT89s51.AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机。片内含4K bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51 指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域,它由以下功能部件组成【20】：（1）微处理器（CPU）（2）数据存储器（RAM）（3）程序存储器（ROM/EPROM）（4）4个8位并行I/O口（P0口、P1口、P2口、P3口）（5）1个串行口 （6）2个16位定时器/计数器（7）中断系统（8）特殊功能寄存器图3-1 AT89s51引脚图3.1.1引脚特性1电源引脚电源引脚接入单片机的工作电源。（1）（40 引脚）：接+5V电源。（2）（20引脚）：接地。2、时钟引脚2个时钟引脚XTAL1、XTAL2外接晶体与片内的反相放大器构成了1个振荡器，它为单片机提供了时钟控制信号，2个时钟引脚也可外接独立的晶体振荡器。3I/O口引脚：电源电压GND：地P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。P0接受指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。Flash编程和程序校验期间，P1口接受底8位地址。P2口：P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。P3口：P3是一组带内部上拉电阻的8位双向I/O口。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。作输入口使用时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（I）。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是她的第二功能，见下表表3-1 P3口第二功能功能表口线引脚第二功能P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.71011121314151617RXD（串行输入口）TXD（串行输出口）INT0（外部中断0）INT1（外部中断1）T0（定时器0外部输入）T1（定时器1外部输入）WR（外部数据存储器写脉冲）RD（外部数据存储器读脉冲）P3口还接受一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ALE/ PROG非：当访问外部程序存储器时，ALE输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG非）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作，该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。：程序储存允许（）输出是外部程序存储器的读选信号，当 AT89C51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN非有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的PSEN非信号不出现。/：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），EA端必须得保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LBI被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端【21】。3.1.2 时钟电路设计本设计采用内部时钟方式，电容中和典型值通常选择为30pF左右，晶振的振荡频率的范围通常在1.212MHz之间。晶振的频率越高，则系统的时钟频率也就越高，单片机的运行速度也就越快。因此我选择12MHz。图3-2时钟电路3.1.3 复位电路设计AT89s52的复位是由外部的电路来实现的，在此我选择自动上电复位电路。自动上电复位电路是通过外部复位电路的电容充电来实现的。当电源接通时，只要的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位。图3-3 复位电路3.2 信号检测电路设计3.2.1 位置转速检测电路位置测量元件是闭环控制系统中的重要部件之一，它的作用是检测位移(角位移或线位移)并发出反馈信号，起着相当于人眼的作用。一个完善的闭环伺服系统，其定位精度和加工、测量精度主要由测量元件决定，因此，高精度伺服系统对测量元件的质量要求相当高。光电编码器是现代伺服系统中必不可少的一种数字式速度和位置测量元件，被广泛应用于微处理器控制的闭环控制系统中。本系统使用的是沈阳光机研究所生产的增量式光电编码器【22】。增量式光电编码器是目前广泛采用的测速手段。它具有精度高、线性度好的优点。它是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90º的两路脉冲信号【23】。测速电路图如图3-4所示：图3-4 位置检测电路图固定在直流电机主轴上的光电编码盘产生周期脉冲,经过施密特触发器进行脉冲整形后输入89C51的外部中断INT1和INT0，从而实现对速度的测量、计算为了实现可逆控制，用光电编码器的波形实现可逆位置检测时，必须将A、B两相方波形进行的整形和辨相处理，产生出反映电动机转向的脉冲信号。3.2.2电流检测电路的设计本系统通过驱动电路LMD18200的8引脚接个对地电阻来进行电枢电流的检测。将电流转换成电压，再经ADC0809转换成相应的数字量后送入AT89s51单片机。ADC0809是一种比较典型的8位8通道逐次逼近式A/D转换器CMOS工艺，可实现8路模拟信号的分时采集，片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道地址锁存用译码电路，其转换时间为100s左右，采用双排28引脚封装【24】。其引脚说明如下：IN0IN7：8路模拟量输入通道；ADDAADDC：地址线用于选择模拟量输入通道；ALE：地址锁存允许信号；START：转换启动信；D0D7：数据输线；OE：输出允许信号，低电平允许转换结果输出；CLOCK：时钟信号输入引脚，通常使用500KHz；EOC：转换结束信号，为0代表正在转换，1代表转换结束；Vcc：5V电压。 图3-5电流检测电路3.3控制电路设计在计算机控制的直流位置伺服电机调速系统中，计算机部分输出的控制电压一般是可连续变化的低电压，且只能提供小电流；而电机必须得到可连续变化的高电压及大电流，才能实现转度大小和方向的控制。随着大规模集成电路的飞速发展，以及微处理器在伺服系统中的普遍应用，伺服元件发生了巨大变革，向着便于计算机控制的方向发展。位置、速度等测量元件趋于数字化、集成化，由此可构成数字式的小型化、高可靠性运行的PWM伺服系统。3.3.1运动控制电路设计本系统采用直流伺服电动机作为执行机构，目前对其常用驱动方式有晶闸管驱动和PWM驱动。晶闸管承受过电压和过电流的能力较差很短时间的过电压和过电流会把器件损坏。为了使器件能够可靠地长期运行，除了充分留有余地合理选择晶闸管器件处，必须对过电压和过电流发生的原因采取恰当的保护措施。PWM驱动广泛应用于直流调速系统，例如，以往普遍应用的晶闸管相控整流直流电机调压调速系统，现在也发展了全波步控整流PWM斩波直流电压调速系统，开关磁阻电动机也是有直流斩波器供电的。PWM斩波调压相对于晶闸管相控调压又有如下优点： （1）主电路线路简单，需用的功率器件少。（2）开关频率好，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小。（3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1：10000左右。（4）若与快速响应的电机相配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强。（5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高。（6）直流电源采用整流时，电网功率因数比相控整流器高。基于以上优点，本系统选择PWM控制技术。PWM控制技术是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变成电压脉冲序列，并通过控制电压脉冲宽度或周期以达到变压目的，或者控制电压脉冲宽度和脉冲序列的周期以达到变压变频目的的一种控制技术。PWM波可由具有PWM输出的单片机(如80C198 等)通过编程产生，也可采用PWM专用芯片来实现。由于测速中占用了两个定时器T0，T1，如果再将PWM波形发生交给89C51则会加大软件的任务，并且影响整个系统的控制效果，因此将PWM的波形发生交给外电路，89s51只提供控制参数来改变脉宽占空比，从而控制电机的转速。PWM波形发生电路如图3-7所示。图3-6可逆PWM驱动电路PWM波的频率太高时，对直流电机驱动的功率管要求太高，太低时产生电磁噪声较大。经综合分析，本系统采用两片4位数值比较器4585和一片12位串行计数器4040组成了PWM信号发生电路。两片比较器U3、U2的A组接4040计数输出Q3Q10 端，B组接单片微机的P0端口。改变P1端口的输出值，可使PWM信号的占空比产生变化，进行调速控制。计数4040的计数输入端CLK接单片机89C51晶振的振荡输出XTAL2。晶振选用12MHz时，经Q1Q2的4分频，Q3Q10的256分频，产生的PWM波形的频率为11.76kHz，适合光耦及功率开关管的合理工作范围。计数器4040每来4个脉冲，其输出Q3Q10加1，当计数值小于或等于单片机P0端口输出值X时，U 2的(A>B)输出端保持为低电平，当计数值大于X时U2的(A>B)输出端为高电平。随着计数值的增加，Q3Q10由全“1”变为全“0”时，(A>B)输出端又变为低电平，这样, 在U2的(A>B)端得到PWM的信号，其占空(255-X)/255×100%，改变X值可改变PWM信号的占空比，进行直流电机的转速控制。使用此方法单片机只需根据调整量输出X值，PWM信号由三片通用数字电路生成，使软件大大简化，有利于单片机系统正常工作。由于单片机上电复位时P0端口输出全“1”，使用4585的B组与P0端口相连，升速时P0端口输出X按一定规律减少，降速时按一定规律增大【25】。3.3.2电机驱动电路的设计LMD18200内部集成了四个 DMOS 管，组成一个标准的 H 型驱动桥。通过充电泵电路为上桥臂的 2 个开关管提供栅极控制电压，充电泵电路由一个 300kHz 左右的工作频率。可在引脚 1、11 外接电容形成第二个充电泵电路，外接电容越大，向开关管栅极输入的电容充电速度越快，电压上升的时间越短，工作频率可以更高。引脚 2、10 接直流电机电枢，正转时电流的方向应该从引脚步到引脚 10；反转时电流的方向应该从引脚 10 到引脚 2。电流检测输出引脚 8 可以接一个对地电阻，通过电阻来输出过流情况。内部保护电路设置的过电流阈值为 10A，当超过该值时会自动封锁输出，并周期性的自动恢复输出。如果过电流持续时间较长，过热保护将关闭整个输出。过热信号还可通过引脚 9 输出，当结温达到 145 度时引脚 9 有输出信号。LMD18200 提供双极性驱动方式和单极性驱动方式。双极性驱动是指在一个 PWM 周期里，电动机电枢的电压极性呈正负变化。双极性可逆系统虽然有低速运行平稳性的优点，但也存在着电流波动大，功率损耗较大的缺点，尤其是必须增加死区来避免开关管直通的危险，限制了开关频率的提高，因此只用于中小功率直流电动机的控制【26】。图3-7 驱动电路3.4显示电路的设计在单片机应用系统中，除了要使用键盘外，还要用相应的显示器，常用的有LED和LCD两种，这两种显示器成本低廉，配置灵活，与单片机接口方便。近年来也开始配置简易的CRT接口，可以方便的进行图形显示。在本系统中，采用价格低廉，接口电路灵活的LED显示器，下面先介绍一下LED显示器。LED是发光二极管英文的缩写。LED显示器是由发光二极管构成的，LED显示器在单片机系统中应用非