毕业设计基于单片机的直流伺服控制系统设计.doc

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1、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

2、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 d

3、evelopment 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 desig

4、n，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 p

5、roduce 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 calcul

6、ation 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

7、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

8、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

9、、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

10、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

11、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

12、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，

13、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

14、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

15、，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

16、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

17、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

18、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

19、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

20、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

21、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0.4；（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its250ms；（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B)输出端保持为低电平，当计数

22、值大于X时U2的(AB)输出端为高电平。随着计数值的增加，Q3Q10由全“1”变为全“0”时，(AB)输出端又变为低电平，这样, 在U2的(AB)端得到PWM的信号，其占空(255-X)/255100%，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

23、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

24、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