課程設(shè)計(jì)直流伺服電機(jī)數(shù)字調(diào)速控制系統(tǒng)

1、計(jì)算機(jī)控制課程設(shè)計(jì)報(bào)告題 目：直流伺服電機(jī)數(shù)字調(diào)速控制系統(tǒng)院 （系）：電子工程與自動(dòng)化學(xué)院 專 業(yè)： 自動(dòng)化 學(xué)生姓名： 張中華 學(xué) 號(hào)： 0700320233 指導(dǎo)教師： 趙學(xué)軍 龍超 2010年 9 月 18 日一、引言4二、設(shè)計(jì)任務(wù)42.1設(shè)計(jì)題目42.2設(shè)計(jì)要求4三、設(shè)計(jì)原理43.1步進(jìn)電機(jī)簡(jiǎn)介43.2 24c08簡(jiǎn)介63.3lm393 簡(jiǎn)介-73.4 ulm2003 簡(jiǎn)介-7四、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與比較-8五、主要模塊設(shè)計(jì)-85.1整體電路設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇-85.2驅(qū)動(dòng)電路-8六、系統(tǒng)調(diào)試與分析-12一摘要直流伺服電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性和良好的啟動(dòng)性能和調(diào)速特性,調(diào)速平滑、方便,調(diào)速范圍廣

2、;過載能力大,能承受頻繁的沖擊負(fù)載,可實(shí)現(xiàn)頻繁的無級(jí)快速起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn);并且可以輸出正弦信號(hào)，供測(cè)速使用，能夠滿足生產(chǎn)過程自動(dòng)化系統(tǒng)各種不同的特殊運(yùn)行要求，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，最大轉(zhuǎn)矩大，能在寬廣的范圍內(nèi)平滑、經(jīng)濟(jì)地調(diào)速，轉(zhuǎn)速控制容易，調(diào)速后效率很高。與交流調(diào)速相比，直流電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，維護(hù)工作量大。電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用微機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制,是電氣傳動(dòng)發(fā)展的主要方向之一。采用微機(jī)控制后,整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可靠性高,操作維護(hù)方便,電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)速精度可達(dá)到較高水平,靜動(dòng)態(tài)各項(xiàng)指標(biāo)均能較好地滿足工業(yè)生產(chǎn)中高性能電氣傳動(dòng)的要求。由于單片機(jī)性能優(yōu)越,具有較佳的性能價(jià)格比,所以單片

3、機(jī)在工業(yè)過程及設(shè)備控制中得到日益廣泛的應(yīng)用。pwm 調(diào)速系統(tǒng)與可控整流式調(diào)速系統(tǒng)相比有下列優(yōu)點(diǎn):由于pwm 調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率較高,僅靠電樞電感的濾波作用就可獲得平穩(wěn)的直流電流,低速特性好;同樣,由于開關(guān)頻率高,快速響應(yīng)特性好,動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng),可以獲得很寬的頻帶;開關(guān)器件只工作在開關(guān)狀態(tài),主電路損耗小,裝置效率高。pwm 調(diào)速系統(tǒng)很早已出現(xiàn),但是因?yàn)槿狈Ω咚匍_關(guān)元件而未能在生產(chǎn)實(shí)際中推廣應(yīng)用。在近年來,由于大功率開關(guān)器件的制造成功和成本的不斷下降, pwm調(diào)速系統(tǒng)又受到重視。關(guān)鍵字：伺服電機(jī)，單片機(jī)，pwm，調(diào)速二、設(shè)計(jì)任務(wù)1、 設(shè)計(jì)題目：直流伺服電機(jī)數(shù)字調(diào)速控制系統(tǒng)。2、 課設(shè)內(nèi)容： 通過

4、鍵盤設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)速（給定值），通過控制程序使直流電機(jī)達(dá)到給定轉(zhuǎn)速；直流伺服電機(jī)反饋的正弦信號(hào)經(jīng)過處理來檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率； 通過pid調(diào)節(jié)，來輸出校正后的pwm脈沖；三、設(shè)計(jì)原理1. 直流伺服電機(jī)簡(jiǎn)介直流伺服電機(jī),它包括定子、轉(zhuǎn)子鐵芯、電機(jī)轉(zhuǎn)軸、伺服電機(jī)繞組換向器、伺服電機(jī)繞組、測(cè)速電機(jī)繞組、測(cè)速電機(jī)換向器,所述的轉(zhuǎn)子鐵芯由矽鋼沖片疊壓固定在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上構(gòu)成, 直流伺服電機(jī)的種類 小慣量直流電機(jī)印刷電路板的自動(dòng)鉆孔機(jī) 中慣量直流電機(jī)（寬調(diào)速直流電機(jī)）數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng) 大慣量直流電機(jī)數(shù)控機(jī)床的主軸電機(jī) 特種形式的低慣量直流電機(jī) 直流伺服電機(jī)的基本特性 1、機(jī)械特性 在輸入的電樞電壓ua保持不變時(shí)，

5、電機(jī)的轉(zhuǎn)速n隨電磁轉(zhuǎn)矩m變化而變化的規(guī)律，稱直流電機(jī)的機(jī)械特性。 2、調(diào)節(jié)特性 直流電機(jī)在一定的電磁轉(zhuǎn)矩m（或負(fù)載轉(zhuǎn)矩）下電機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速n隨電樞的控制電壓ua變化而變化的規(guī)律，被稱為直流電機(jī)的調(diào)節(jié)特性。 3.3、動(dòng)態(tài)特性 從原來的穩(wěn)定狀態(tài)到新的穩(wěn)定狀態(tài)，存在一個(gè)過渡過程，這就是直流電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性。2. 電壓比較器lm339簡(jiǎn)介lm339集成塊內(nèi)部裝有四個(gè)獨(dú)立的電壓比較器，該電壓比較器的特點(diǎn)是：1）失調(diào)電壓小，典型值為2mv；2）電源電壓范圍寬，單電源為2-36v，雙電源電壓為1v-18v；3）對(duì)比較信號(hào)源的內(nèi)阻限制較寬；4）共模范圍很大，為0（ucc-1.5v）vo；5）差動(dòng)輸入電壓范圍較大，

6、大到可以等于電源電壓；6）輸出端電位可靈活方便地選用。lcd顯示模塊3.顯示模塊1602芯片介紹1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器（cgrom)已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號(hào)、和日文假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼，比如大寫的英文字母“a”的代碼是01000001b（41h），顯示時(shí)模塊把地址41h中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“a”。因?yàn)?602識(shí)別的是ascii碼，試驗(yàn)可以用ascii碼直接賦值，在單片機(jī)編程中還可以用字符型常量或變量賦值，如a。1602采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，其中：第1腳：vss為電源地第2腳：v

7、dd接5v電源正極第3腳：v0為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地電源時(shí)對(duì)比度最高（對(duì)比度過高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過一個(gè)10k的電位器調(diào)整對(duì)比度）。第4腳：rs為寄存器選擇，高電平1時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時(shí)選擇指令寄存器。第5腳：rw為讀寫信號(hào)線，高電平(1)時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平(0)時(shí)進(jìn)行寫操作。第6腳：e(或en)端為使能(enable)端。第714腳：d0d7為8位雙向數(shù)據(jù)端。第1516腳：空腳或背燈電源。15腳背光正極，16腳背光負(fù)極。lcd顯示電路4.pwm控制原理pwm（pulse width modulation）控制脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，通過對(duì)一系列脈

8、沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。 控制電機(jī)的時(shí)候，電源并非連續(xù)地向電機(jī)供電，而是在一個(gè)特定的頻率下以方波脈沖的形式提供電能。不同占空比的方波信號(hào)能對(duì)電機(jī)起到調(diào)速作用，這是因?yàn)殡姍C(jī)實(shí)際上是一個(gè)大電感，它有阻礙輸入電流和電壓突變的能力，因此脈沖輸入信號(hào)被平均分配到作用時(shí)間上，這樣，改變?cè)谑寄芏藀e2 和pd5 上輸入方波的占空比就能改變加在電機(jī)兩端的電壓大小，從而改變了轉(zhuǎn)速。此電路中用微處理機(jī)來實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制，通常的方法有兩種：（1）用軟件方式來實(shí)現(xiàn)，即通過執(zhí)行軟件延時(shí)循環(huán)程序交替改變端口某個(gè)二進(jìn)制位輸出邏輯狀態(tài)來產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)，設(shè)置不同的延時(shí)時(shí)間得到不同的占空比。（2）

9、硬件實(shí)驗(yàn)自動(dòng)產(chǎn)生pwm 信號(hào)，不占用cpu 處理的時(shí)間。這就要用到atmega8515l 的在pwm 模式下的計(jì)數(shù)器1，具體內(nèi)容可參考相關(guān)書籍。四、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與比較（一）方案一：pwm波調(diào)速采用由達(dá)林頓管組成的h型pwm電路。用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高；h型電路保證了可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也極佳，是一種廣泛采用的pwm調(diào)速技術(shù)。我們采用了定頻調(diào)寬方式，因?yàn)椴捎眠@種方式，電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)比較穩(wěn)定；并且在采用單片機(jī)產(chǎn)生pwm脈沖的軟件實(shí)現(xiàn)上比較方便。且對(duì)于直流電機(jī)，采

10、用軟件延時(shí)所產(chǎn)生的定時(shí)誤差在允許范圍。pwm波調(diào)速電路其結(jié)構(gòu)圖如圖所示：?jiǎn)纹瑱C(jī)（速度的測(cè)量計(jì)算、輸入設(shè)定及系統(tǒng)控制）單片機(jī)（pid運(yùn)算控制器、pwm模擬發(fā)生器）電機(jī)速度采集電路電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路鍵 盤顯示器電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)框圖（二）方案二：晶閘管調(diào)速采用閘流管或汞弧整流器的離子拖動(dòng)系統(tǒng)是最早應(yīng)用靜止式變流裝置供電的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。1957年，晶閘管（俗稱“可控硅”）問世，到了60年代，已生產(chǎn)出成套的晶閘管整流裝置，并應(yīng)用于直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，即晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（v-m系統(tǒng)）。如圖1-3，vt是晶閘管可控整流器，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置gt的控制電壓來移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓，從

11、而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出較大的優(yōu)越性；晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在以上，其門極電流可以直接用晶體管來控制，不再像直流發(fā)電機(jī)那樣需要較大功率的放大器。在控制作用的快速性上，變流機(jī)組是秒級(jí)，而晶閘管整流器是毫秒級(jí)，這將大大提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。因此，在60年代到70年代，晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（v-m系統(tǒng)）代替旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（g-m系統(tǒng)），得到了廣泛的應(yīng)用。但是由于晶閘管的單向?qū)щ娦裕辉试S電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難；晶閘管對(duì)過電壓、過電流和過高的與都十分敏感，若超過允許值會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)損壞

12、器件。另外，由諧波與無功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設(shè)備，造成“電力公害”，因此必須添置無功補(bǔ)償和諧波濾波裝置。圖3 晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（v-m系統(tǒng)）兼于方案一調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過載能力大，因此本設(shè)計(jì)采用方案一。五、主要模塊的設(shè)計(jì)1pwm波軟件軟件設(shè)計(jì)程序流程圖：開始按鍵檢測(cè)設(shè)置轉(zhuǎn)速nhz初始化通過n來控制終端服務(wù)程序中高電平的時(shí)間比當(dāng)n個(gè)小周期完成后輸出電平相反，直到完成一個(gè)pwm周期引腳電平再取反結(jié)束2測(cè)速軟件設(shè)計(jì)開始初始化定時(shí)器t1開始計(jì)時(shí)對(duì)單位時(shí)間內(nèi)的脈沖計(jì)數(shù) n根據(jù)公式計(jì)算出電機(jī)的速度液晶顯示電機(jī)速度六.系統(tǒng)功能調(diào)試（一）調(diào)試軟件介紹ke

13、ilc51軟件提供豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全windows界面。另外重要的一點(diǎn)，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會(huì)到keilc51生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語(yǔ)句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)。keil c51編譯器由uvision2集成開發(fā)環(huán)境與編輯器和調(diào)試器以及c51編譯器組成。其中uvision2集成開發(fā)環(huán)境中的工程(project)是由源文件、開發(fā)工具選項(xiàng)以及編程說明三部分組成的;編輯器和調(diào)試器包括源代碼編輯器、斷點(diǎn)設(shè)置、調(diào)試函數(shù)語(yǔ)言、變量和存儲(chǔ)器。proteus軟件是一種低投資的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件，提供可仿真數(shù)字和模

14、擬、交流和直流等數(shù)千種元器件和多達(dá)30多個(gè)元件庫(kù)。proteus軟件提供多種現(xiàn)實(shí)存在的虛擬儀器儀表。此外，proteus還提供圖形顯示功能，可以將線路上變化的信號(hào)，以圖形的方式實(shí)時(shí)地顯示出來。這些虛擬儀器儀表具有理想的參數(shù)指標(biāo)，例如極高的輸入阻抗、極低的輸出阻抗，盡可能減少儀器對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，proteus軟件提供豐富的測(cè)試信號(hào)用于電路的測(cè)試。這些測(cè)試信號(hào)包括模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。提供schematic drawing、spice仿真與pcb設(shè)計(jì)功能，同時(shí)可以仿真單片機(jī)和周邊設(shè)備，可以仿真51系列、avr、pic等常用的mcu，并提供周邊設(shè)備的仿真，例如373、led、示波器等。proteus

15、提供了大量的元件庫(kù)，有ram、rom、鍵盤、馬達(dá)、led、lcd、ad/da、部分spi器件、部分iic器件，編譯方面支持keil和mplab等編譯器。一臺(tái)計(jì)算機(jī)、一套電子仿真軟件，在加上一本虛擬實(shí)驗(yàn)教程，就可相當(dāng)于一個(gè)設(shè)備先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室。以虛代實(shí)、以軟代硬，就建立一個(gè)完善的虛擬實(shí)驗(yàn)室。在計(jì)算機(jī)上學(xué)習(xí)電工基礎(chǔ)，模擬電路、數(shù)字電路、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)等課程，并進(jìn)行電路設(shè)計(jì)、仿真、調(diào)試等。當(dāng)電路設(shè)計(jì)完成之后，為了減少在電路板上調(diào)試時(shí)的難度，保證電路設(shè)計(jì)的正確性，將keil c51編譯生成的*.hex 文件載入proteus軟件，實(shí)現(xiàn)電路仿真。（二）直流電機(jī)的調(diào)速功能仿真說明：調(diào)試頻率計(jì)工作的時(shí)候使用信號(hào)

16、發(fā)生器模擬電機(jī)速度，平率能夠測(cè)量后就把線全接起來調(diào)試整體的程序。七小結(jié)通過本次課程設(shè)計(jì)，對(duì)伺服電機(jī)的運(yùn)用有了進(jìn)一步的了解，數(shù)字控制跟模擬控制有很大的不同，需要測(cè)試的數(shù)據(jù)及輸出的只能是數(shù)字量，這樣就要求在外圍電路上加上一些外圍電路了。在電路板的制作過程中遇到了一些問題，經(jīng)過老師的指點(diǎn)，我們最后把電路改好了。程序調(diào)節(jié)上比較麻煩，不過通過prutus仿真軟件調(diào)節(jié)起來就方便了許多，在硬件和軟件的調(diào)試過程中學(xué)到了很多東西，同時(shí)也對(duì)微機(jī)控制的一些原理和方法有了更深的了解。八附件最小系統(tǒng)原理圖：電壓比較器于電機(jī)h橋驅(qū)動(dòng)電路原理圖：最小系統(tǒng)pcb：程序：#include #define uchar unsig

17、ned char#define uint unsigned int#define lcd p0#define tim 500int e0=0,e1=0,e2=0,out,outt,s;uchar code str1=set:_ ;uchar code str2=y:_hz;uchar code str3=p:10 i:1 d:1;uchar ddisplay4=0,0,0,0;uchar sheding3=0,0,0;uchar c_pid4=1,0,1,1;uchar temp4,temps4;uchar dispcount=0,zkb1;uint tcount=0,tt0cct=0;uch

18、ar kp,ki,kd;sbit p2_3=p23;sbit p2_4=p24; sbit p2_5=p25; sbit p2_6=p26;sbit p2_7=p27; sbit rs=p20;sbit rw=p21;sbit en=p22;sbit p10=p10;sbit p11=p11;sbit p12=p32;sbit p13=p13;sbit p14=p14;sbit p15=p15;sbit p16=p16;bit ff,keyk,keyflag=0;int y,y0,yy=0,r,rr=10,u,du,uu,para,zhkbi=0;void delay1us(int k);vo

19、id wr_com(uchar com);void wr_dat(uchar dat);void lcd_init();void disp1();void key();void display(uchar *p);void init_play1();void cepinlv();void pwm_kongzhi(int uu);void pid();void delay1ms(uint ms) uint i,j; for(i=0;ims;i+) for(j=0;j9)sheding0=0; elsec_pid1+;if(c_pid19)c_pid1=0;c_pid0+;disp1();if(p11=0)delay1ms(15);if (p11=0)if(keyflag=0)sheding1+;if (sheding19)sheding1=0;elsec_pid2+;if(c_pid29)c_pid2=0;disp1();if(p12=0)delay1ms(20);if (p12=0)if(keyflag=0)sheding2+;if (sheding29)sheding2=0;elsec_pid3+;if(c_pid39)c_pid3=0;disp1();while(p12=0);r=sheding2*1