單片機(jī)直流伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、i目 錄摘摘 要要iabstract1第 1 章 緒論11.1 電力電子技術(shù)11.2 伺服控制技術(shù)11.3 控制電機(jī)21.4 單片機(jī)21.4.1 單片機(jī)的發(fā)展21.4.2 單片機(jī)的應(yīng)用31.5 pwm 技術(shù)41.6 設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求5第 2 章 硬件電路設(shè)計(jì)62.1 總體方案62.2 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)62.2.1 mcs-51 單片機(jī)簡介72.2.2 mcs-51 單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)72.2.3 功能模塊的設(shè)計(jì)92.3 功率驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)142.3.1 功率驅(qū)動(dòng)模塊方案的選擇142.3.2 pwm 伺服放大器簡介152.3.3 kxa 結(jié)構(gòu)及接線152.4 測量電路設(shè)計(jì)162.4.1 光電編碼器16

2、2.4.2 整形辨相電路17第 3 章 直流伺服電動(dòng)機(jī)193.1 對(duì)直流伺服電動(dòng)機(jī)的要求193.2 直流伺服電動(dòng)機(jī)的分類193.2.1 高速直流伺服電動(dòng)機(jī)193.2.2 低速大扭矩寬調(diào)速電動(dòng)機(jī)203.3 直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩平衡方程式213.4 電動(dòng)機(jī)的電壓平衡方程式22ii第 4 章 單片機(jī)直流伺服系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)244.1 主程序設(shè)計(jì)244.2 監(jiān)控管理程序設(shè)計(jì)254.2.1 鍵盤/顯示器基本程序設(shè)計(jì) 254.2.2 功能鍵處理程序設(shè)計(jì)264.3 t0 中斷服務(wù)（控制）程序設(shè)計(jì)284.4 pid 控制算法子程序29結(jié)束語31參考文獻(xiàn)32致 謝33附錄 單片機(jī)直流伺服系統(tǒng)原理圖34i單片機(jī)直流伺服系

3、統(tǒng)設(shè)計(jì)摘摘 要要：隨著數(shù)字技術(shù)的高速發(fā)展和新型執(zhí)行機(jī)構(gòu)的出現(xiàn)、大功率電力電子器件的誕生以及數(shù)字技術(shù)的快速發(fā)展，伺服控制系統(tǒng)的優(yōu)勢在國民生產(chǎn)中發(fā)揮得淋漓盡致。通過調(diào)節(jié)電樞電壓可以很方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的控制，并能在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)位置控制，直流伺服系統(tǒng)因此被應(yīng)用于對(duì)系統(tǒng)性能要求較高的場合。本文詳細(xì)介紹了單片機(jī)直流伺服控制系統(tǒng)的組成和原理。著重介紹單片機(jī)直流伺服控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)，同時(shí)詳細(xì)介紹了模塊化 pwm 功率驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用及其相關(guān)的保護(hù)電路。認(rèn)真分析了各個(gè)模塊的功能及作用，較系統(tǒng)的介紹了模塊化程序設(shè)計(jì)。關(guān)鍵字：直流伺服；kax；模塊化功率驅(qū)動(dòng)；單片機(jī)；整形變相；1the design of

4、single-chip dc servo control system abstract: with the rapid development of digital technology and the emergence of new implementing agencies, high-power power electronic devices, as well as the birth of the rapid development of digital technology, the advantages of servo-control system of the natio

5、nal product on its head. by adjusting the armature voltage can be easily controlled to achieve speed, and can achieve a certain position control, dc servo system was used in higher performance requirements on the system to do so.this paper describes a single-chip dc servo control system and principl

6、es of composition. focused on single-chip dc servo control system hardware circuit design, while details of pwm power-driven modular structure and the application and its associated protection circuitry. a careful analysis of the various modules of the function and role, a more systematic introducti

7、on of a modular program design.keywords: dc servo；kax；modular power-driven；singlechip；plastic disguiser；1第第 1 章章 緒論緒論1.1 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)廣泛用于電氣工程中，各種電力電子裝置廣泛應(yīng)用與高壓直流輸電、靜止無功補(bǔ)償、電力機(jī)車牽引、交直流電力傳動(dòng)、電解、勵(lì)磁、電加熱、高性能交直流電源等電力系統(tǒng)和電氣工程中。電力電子技術(shù)是電氣工程學(xué)科中的一個(gè)最活躍的分支。控制理論廣泛用于電力電子技術(shù)中，它使電力電子裝置和系統(tǒng)的性能不斷滿足人們?nèi)找嬖鲩L的各種需求。電力電子技術(shù)可以看成是弱電控制

8、強(qiáng)電的技術(shù)，是弱電和強(qiáng)電之間的接口。而控制理論則是實(shí)現(xiàn)這種接口的一條強(qiáng)有力的紐帶。另外，控制理論和自動(dòng)化技術(shù)密不可分，而電力電子裝置則是自動(dòng)化技術(shù)的基礎(chǔ)元件和重要支撐技術(shù)。電力電子學(xué)是隨著電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展而發(fā)展的。1948 年晶體管的發(fā)明，使電子工業(yè)產(chǎn)生了一次革命。1957 年晶閘管的出現(xiàn)和在電力領(lǐng)域中的應(yīng)用，實(shí)質(zhì)上就是電力電子學(xué)的開端（晶閘管雛形再 1956 年由貝爾電話研究所 john moll 研制出來，1958年由通用電氣公司的 ra york 等完成了其生產(chǎn)工藝，并開始將其應(yīng)用于電力控制） 。1980 年可關(guān)斷晶閘管 gto 的商品化（2500v/1000v）,使電力電子學(xué)向前推

9、進(jìn)了一大步。1975 年美國 siliconix 公司制造出 v 型溝道的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)功率晶體管，即mosfet。1988 年 igbt 的出現(xiàn)，它集功率晶體管 bjt 和場效應(yīng)功率晶體管的優(yōu)點(diǎn)于一體，這是電力半導(dǎo)體器件向理想化方面邁進(jìn)的最重大事件，使電力電子學(xué)的發(fā)展進(jìn)入到一個(gè)日新月異的階段。1.2 伺服控制技術(shù)伺服控制技術(shù)是自動(dòng)化學(xué)科中與產(chǎn)業(yè)部門聯(lián)系最緊密、服務(wù)最廣泛的一個(gè)分支。自從第二次世界大戰(zhàn)期間雷達(dá)和火炮伺服系統(tǒng)出現(xiàn)以來，在近半個(gè)世紀(jì)中，伺服控制技術(shù)及其系統(tǒng)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防等各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。伺服控制經(jīng)歷了發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、交磁電機(jī)擴(kuò)大機(jī)控制、磁放大器控制、晶閘

10、管控制、晶體管控制、集成電路控制、計(jì)算機(jī)控制的發(fā)展過程，至今已經(jīng)進(jìn)入一個(gè)全新的鼎盛時(shí)期。反映這一時(shí)期的現(xiàn)代伺服控制技術(shù)及其系統(tǒng)的主要特征可以概況為：全控型電力電子器件組成的脈寬調(diào)制技術(shù)在伺服功率驅(qū)動(dòng)中的廣泛應(yīng)用；微處理機(jī)特別是單片數(shù)字信號(hào)處理器（dsp）在伺服系統(tǒng)中的普遍應(yīng)用，使得現(xiàn)代控制理論逐漸工程使用化；各種伺服控制原件與線路向著集成化、數(shù)字化、功能化、模塊化、智能化，以便于計(jì)算機(jī)控制的方向發(fā)展；伺服系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)及其自診斷技術(shù)伴隨著系統(tǒng)功能、性能以及復(fù)雜化2程度的升級(jí)而受到人們的普遍重視。1.3 控制電機(jī)在各類自動(dòng)控制系統(tǒng)、遙控和解算裝置中，需要用到大量的各種各樣的元件?？刂齐姍C(jī)就是其

11、中的重要元件之一。它屬于機(jī)電元件，在系統(tǒng)中具有執(zhí)行、檢測和解算的功能。雖然從基本原理來說，控制電機(jī)與普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)沒有本質(zhì)上的差別，但后者著重于對(duì)電機(jī)的力能指標(biāo)方面的要求，而前者則著重于對(duì)特性、高精度和快速響應(yīng)方面的要求，滿足系統(tǒng)對(duì)它提出的要求?？刂齐姍C(jī)已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)、現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代軍事裝備中不可缺少的重要元件。它的應(yīng)用范圍非常廣泛，例如，火炮和雷達(dá)的自動(dòng)定位，艦船方向舵的自動(dòng)操縱，飛機(jī)的自動(dòng)駕駛，遙遠(yuǎn)目標(biāo)位置的顯示，機(jī)床加工過程的自動(dòng)控制和自動(dòng)顯示，閥門的遙控，以及機(jī)器人、電子計(jì)算機(jī)、自動(dòng)記錄儀表、醫(yī)療設(shè)備、錄音錄像設(shè)備等中的自動(dòng)控制系統(tǒng)。1.4 單片機(jī)隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展

12、，可以將 cpu、ram、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器以及輸入/輸出（i/o）接口電路等計(jì)算機(jī)部件，集成在一塊電路芯片上。這樣所組成的芯片級(jí)的微型計(jì)算機(jī)稱為單片微型計(jì)算機(jī)（single chip microcomputer） ，直譯為單片微機(jī)或單片機(jī)。雖然單片機(jī)只是一個(gè)芯片，但從組成和功能上，它已具有了微機(jī)系統(tǒng)的含義。由于單片機(jī)從功能和形態(tài)來說都是應(yīng)控制領(lǐng)域應(yīng)用的要求而誕生的，并且發(fā)展到新一代80c51、m68hco5、m68hc11 系列單片機(jī)時(shí)，在其中擴(kuò)展了各種控制功能，如a/d、pwm、pca、計(jì)數(shù)器的捕獲/比較邏輯、高速 i/o 口、wdt 等，已突破了微型計(jì)算機(jī)的傳統(tǒng)內(nèi)容，所以，更準(zhǔn)確地反映單片機(jī)

13、本質(zhì)的叫法應(yīng)是微控制器。 1.4.1 單片機(jī)的發(fā)展單片機(jī)發(fā)展到今天，經(jīng)歷了五個(gè)發(fā)展階段：第一階段（19741976）：單片機(jī)的初級(jí)階段。由于生產(chǎn)工藝水平和集成度的限制，單片機(jī)采用雙片形式，且功能比較簡單。第二階段（19761979）：為低性能單片機(jī)階段。此時(shí)的單片機(jī)是真正的 8 位單片微型計(jì)算機(jī)，體積小，功能全。在單塊芯片上已經(jīng)集成有 cpu、并行口、定時(shí)器、ram 和 rom 等器件。第三階段（19791982）：為高性能單片機(jī)階段。此時(shí)的單片機(jī)品種多，功能強(qiáng)，一般片內(nèi) ram、rom 都相對(duì)增大，尋址范圍可達(dá) 64kb，并有竄行輸入/輸出口，還可以進(jìn)行多級(jí)中斷處理。3第四階段（198219

14、90）：16 位單片機(jī)和 8 位高性能單片機(jī)并行發(fā)展階段。它們最大的特點(diǎn)是實(shí)時(shí)處理能力強(qiáng)，生產(chǎn)工藝先進(jìn)，集成度高、內(nèi)部功能強(qiáng)，而且允許用戶采用工業(yè)控制的專用語言編程，如 pl/m、c 語言、basic 語言等。第五階段（1990 至今）：1990 年 2 月美國推出的 i80860 超級(jí)單片機(jī)轟動(dòng)了整個(gè)計(jì)算機(jī)界，它的運(yùn)算速度為 1.2 億次/秒，可進(jìn)行 32 位整數(shù)運(yùn)算、64 位浮點(diǎn)運(yùn)算，同時(shí)片內(nèi)具有一個(gè)三維圖形處理器，可構(gòu)成超級(jí)圖形工作站。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，巨型計(jì)算機(jī)但片化將成為現(xiàn)實(shí)。目前，單片機(jī)正朝著高性能和多品種方向發(fā)展，尤其是 8 位單片機(jī)由于它具有價(jià)格低廉、應(yīng)用軟件齊全、開發(fā)應(yīng)用

15、方便等特點(diǎn)使它成為當(dāng)前單片機(jī)中的主流，16 位單片機(jī)和專用單片機(jī)也進(jìn)入普及應(yīng)用階段。1.4.2 單片機(jī)的應(yīng)用單片機(jī)廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專用設(shè)備的智能化管理及過程控制等領(lǐng)域，大致可分如下幾個(gè)范疇：（1）在智能儀器儀表上的應(yīng)用單片機(jī)具有體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于儀器儀表中，結(jié)合不同類型的傳感器，可實(shí)現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素、壓力等物理量的測量。采用單片機(jī)控制使得儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化，且功能比起采用電子或數(shù)字電路更加強(qiáng)大。例如精密的測量設(shè)備（功率計(jì)，示波器，各種分

16、析儀） 。（2）在工業(yè)控制中的應(yīng)用用單片機(jī)可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。例如工廠流水線的智能化管理，電梯智能化控制、各種報(bào)警系統(tǒng)，與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級(jí)控制系統(tǒng)等。（3）在家用電器中的應(yīng)用可以這樣說，現(xiàn)在的家用電器基本上都采用了單片機(jī)控制，從電飯褒、洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)機(jī)、彩電、其他音響視頻器材、再到電子秤量設(shè)備，五花八門，無所不在。（4）在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)代的單片機(jī)普遍具備通信接口，可以很方便地與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，為在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備間的應(yīng)用提供了極好的物質(zhì)條件，現(xiàn)在的通信設(shè)備基本上都實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)智能控制，從手機(jī)，電話機(jī)、小型程控交換機(jī)、樓宇自動(dòng)通信呼叫系統(tǒng)、列

17、車無線通信、再到日常工作中隨處可見的移動(dòng)電話，集群移動(dòng)通信，無線電對(duì)講機(jī)等。4（5）單片機(jī)在醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用單片機(jī)在醫(yī)用設(shè)備中的用途亦相當(dāng)廣泛，例如醫(yī)用呼吸機(jī)，各種分析儀，監(jiān)護(hù)儀，超聲診斷設(shè)備及病床呼叫系統(tǒng)等等。1.5 pwm 技術(shù)脈寬調(diào)制(pwm:(pulse width modulation)是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。pwm 控制的基本原理很早就已經(jīng)提出 ,但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約 ,在上世紀(jì) 80 年代以前一直未能實(shí)現(xiàn) .直到進(jìn)入上世紀(jì) 80 年代,隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)

18、展 ,pwm 控制技術(shù)才真正得到應(yīng)用 .隨著電力電子技術(shù) ,微電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展以及各種新的理論方法 ,如現(xiàn)代控制理論 ,非線性系統(tǒng)控制思想的應(yīng)用 ,pwm 控制技術(shù)獲得了空前的發(fā)展 .到目前為止 ,已出現(xiàn)了多種 pwm控制技術(shù)。pwm 控制方法有以下幾種:(1) 等脈寬 pwm 法vvvf(variable voltage variable frequency)裝置在早期是采用 pam(pulse amplitude modulation)控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的 ,其逆變器部分只能輸出頻率可調(diào)的方波電壓而不能調(diào)壓 .等脈寬 pwm 法正是為了克服 pam 法的這個(gè)缺點(diǎn)發(fā)展而來的 ,是pw

19、m 法中最為簡單的一種 .它是把每一脈沖的寬度均相等的脈沖列作為pwm 波,通過改變脈沖列的周期可以調(diào)頻 ,改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓 ,采用適當(dāng)控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化 .相對(duì)于 pam 法,該方法的優(yōu)點(diǎn)是簡化了電路結(jié)構(gòu),提高了輸入端的功率因數(shù) ,但同時(shí)也存在輸出電壓中除基波外 ,還包含較大的諧波分量。(2)等面積法該方案實(shí)際上就是 spwm 法原理的直接闡釋 ,用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替正弦波 ,然后計(jì)算各脈沖的寬度和間隔 ,并把這些數(shù)據(jù)存于微機(jī)中 ,通過查表的方式生成 pwm 信號(hào)控制開關(guān)器件的通斷 ,以達(dá)到預(yù)期的目的 .由于此方法是以 spwm 控制的基本原

20、理為出發(fā)點(diǎn) ,可以準(zhǔn)確地計(jì)算出各開關(guān)器件的通斷時(shí)刻 ,其所得的的波形很接近正弦波 ,但其存在計(jì)算繁瑣 ,數(shù)據(jù)占用內(nèi)存大 ,不能實(shí)時(shí)控制的缺點(diǎn)。(3)軟件生產(chǎn)法由于微機(jī)技術(shù)的發(fā)展使得用軟件生成spwm 波形變得比較容易 ,因此,軟件生成5法也就應(yīng)運(yùn)而生 .軟件生成法其實(shí)就是用 軟件來實(shí)現(xiàn)調(diào)制的方法 ,其有兩種基本算法,即自然采樣法和規(guī)則采樣法。以正弦波為調(diào)制波 ,等腰三角波為載波進(jìn)行比較 ,在兩個(gè)波形的自然交點(diǎn)時(shí)刻控制開關(guān)器件的通斷 ,這就是自然采樣法 .其優(yōu)點(diǎn)是所得 spwm 波形最接近正弦波 ,但由于三角波與正弦波交點(diǎn)有任意性 ,脈沖中心在一個(gè)周期內(nèi)不等距 ,從而脈寬表達(dá)式是一個(gè)超越方程 ,

21、計(jì)算繁瑣,難以實(shí)時(shí)控制。規(guī)則采樣法是一種應(yīng)用較廣的工程實(shí)用方法 ,一般采用三角波作為載波 .其原理就是用三角波對(duì)正弦波進(jìn)行采樣得到階梯波 ,再以階梯波與三角波的交點(diǎn)時(shí)刻控制開關(guān)器件的通斷 ,從而實(shí)現(xiàn) spwm 法.當(dāng)三角波只在其頂點(diǎn) (或底點(diǎn))位置對(duì)正弦波進(jìn)行采樣時(shí) ,由階梯波與三角波的交點(diǎn)所確定的脈寬 ,在一個(gè)載波周期 (即采樣周期)內(nèi)的位置是對(duì)稱的 ,這種方法稱為對(duì)稱規(guī)則采樣 .當(dāng)三角波既在其頂點(diǎn)又在底點(diǎn)時(shí)刻對(duì)正弦波進(jìn)行采樣時(shí) ,由階梯波與三角波的交點(diǎn)所確定的脈寬 ,在一個(gè)載波周期(此時(shí)為采樣周期的兩倍 )內(nèi)的位置一般并不對(duì)稱 ,這種方法稱為非對(duì)稱規(guī)則采樣 。規(guī)則采樣法是對(duì)自然采樣法的改進(jìn)

22、,其主要優(yōu)點(diǎn)就是是計(jì)算簡單,便于在線實(shí)時(shí)運(yùn)算,其中非對(duì)稱規(guī)則采樣法因階數(shù)多而更接近正弦.其缺點(diǎn)是直流電壓利用率較低,線性控制范圍較小。1.6 設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求(1) 本課題的主要任務(wù)以 8051 單片機(jī)為控制核心，以直流伺服電機(jī)為控制對(duì)象，設(shè)計(jì)一個(gè)以鍵盤給定為輸入，以轉(zhuǎn)角為輸出的位置伺服控制系統(tǒng)。(2) 技術(shù)參數(shù)及性能參數(shù) 控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求控制精度：無差最大超調(diào)量：25調(diào)節(jié)時(shí)間：0.3s 系統(tǒng)控制功能要求：單片機(jī)控制對(duì)鍵盤輸入的給定轉(zhuǎn)角（0360），實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的輸出轉(zhuǎn)角定位。 原系統(tǒng)對(duì)象參數(shù)直流伺服電機(jī)型號(hào) s221d；額定電流 in=1.5a；額定電壓 un=24v；額定功率 pn

23、=13w；額定轉(zhuǎn)速 nn=3600rpm；減速器速度比 i=100：1。6第第 2 章章 硬件電路設(shè)計(jì)硬件電路設(shè)計(jì)2.1 總體方案本次設(shè)計(jì)課題是個(gè)位置隨動(dòng)控制系統(tǒng)，它要求系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確快速的跟蹤給定，給定變化了，系統(tǒng)也要隨之快速變化。由于本課題是要求控制伺服電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)角，控制轉(zhuǎn)角可以通過控制電機(jī)電樞電流控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)角的目的。電機(jī)的轉(zhuǎn)速很高（nn=3600rpm） ，而控制對(duì)象是電機(jī)的角度，這就要求電機(jī)不能運(yùn)行在高速狀態(tài)下，所以要用減速器對(duì)電機(jī)減速。反饋檢測部分采用光電編碼器進(jìn)行檢測，考慮到轉(zhuǎn)角有正反轉(zhuǎn)，增量式光電編碼器可以方便的檢測出電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，并且可以根據(jù)光電編碼器的輸

24、出脈沖數(shù)計(jì)算出轉(zhuǎn)角，所以增量式光電編碼器是很好的選擇。因此可以將系統(tǒng)設(shè)計(jì)為如圖 2-1 所示的位置閉環(huán)控制系統(tǒng)。單 片 機(jī)a/d轉(zhuǎn)換運(yùn)放轉(zhuǎn)換pwm調(diào)制及功率驅(qū)動(dòng)m減速機(jī)構(gòu)光電編碼器測速整形及辨向可逆計(jì)數(shù)鍵盤給定顯示輸出uia相脈沖b相脈沖cp+cp-圖圖 2-12-1 單片機(jī)直流伺服系統(tǒng)框圖單片機(jī)直流伺服系統(tǒng)框圖單片機(jī)模塊主要實(shí)現(xiàn)給定轉(zhuǎn)角輸入、輸出轉(zhuǎn)角顯示；大功率驅(qū)動(dòng)模塊將實(shí)現(xiàn) pwm波形產(chǎn)生、電機(jī)輸入信號(hào)的產(chǎn)生；測量檢測模塊作為反饋部分，它要完成一下幾點(diǎn)要求：首先，它必須要檢測出當(dāng)前系統(tǒng)輸出的轉(zhuǎn)角以便與給定做比較；其次，轉(zhuǎn)角檢測出來后要經(jīng)過一些變換為單片機(jī)能夠處理的數(shù)字信號(hào)。主要的控制思想如

25、下：系統(tǒng)以 stc89c51 單片機(jī)為控制核心，由鍵盤輸入給定量（要求的轉(zhuǎn)角） ，給定量經(jīng)過單片機(jī)處理送入 d/a 轉(zhuǎn)換器，輸出模擬量控制信號(hào)，該模擬量控制信號(hào)再經(jīng)過功率驅(qū)動(dòng)模塊的 pwm 調(diào)制、功率放大輸出控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的電壓信號(hào) u，經(jīng)過減速器減速后，通過增量式光電編碼器檢測，輸出可以反映電機(jī)轉(zhuǎn)向的兩路相差 1/4 周期的方波信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過辨向電路和用來檢測轉(zhuǎn)角變化的測量電路反饋給單片機(jī)。2.2 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)單片機(jī)將 cpu、ram、rom、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、輸入/ 輸出（i/o）接口電路、中7斷、串行通信接口等主要計(jì)算機(jī)部件集成在一塊大規(guī)模集成電路芯片上，組成單片微型計(jì)算機(jī)。雖然它的形態(tài)

26、只是一塊芯片，但它已具有了微型計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)和功能，由于單片機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中常常將它完全融入應(yīng)用系統(tǒng)之中。單片機(jī)的特點(diǎn)除了體積小、功耗底、價(jià)格便宜外，還有通用性強(qiáng)；面向控制；可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)；具有掉電保護(hù)； i/o 接口功能很強(qiáng)，便于擴(kuò)展；應(yīng)用研制周期短，開發(fā)效率高等特點(diǎn)。由于我們是以 mcs-51 系列單片機(jī)為學(xué)習(xí)對(duì)象學(xué)習(xí)認(rèn)識(shí)單片機(jī)的，對(duì)該系列單片機(jī)較為熟悉，再者，根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，mcs-51 單片機(jī)足以勝任，所以我選用的是mcs-51 系列單片機(jī)的 stc89c51 單片機(jī)。2.2.1 mcs-51 單片機(jī)簡介通用型單片機(jī)的種類很多，且適合不同應(yīng)用場合的新產(chǎn)品不斷出現(xiàn)。就

27、目前我國的應(yīng)用情況看，以 8 位中檔 mcs-51 系列單片機(jī)的應(yīng)用最為普遍，并把它作為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測及控制等應(yīng)用領(lǐng)域中的優(yōu)選機(jī)種。mcs-51 系列單片機(jī)的主要性能如下：（1）8 位字長 cpu 和指令系統(tǒng)。（2）1 個(gè)片內(nèi)時(shí)鐘震蕩器和時(shí)鐘電路。（3）64k 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址空間。（4）64k 外部程序存儲(chǔ)器的地址空間。（5）32 條雙向且分別可位尋址的 i/o 口線。（6）128 的片內(nèi) ram。（7）兩個(gè) 16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。（8）具有 2 個(gè)優(yōu)先級(jí)的 5 個(gè)中斷源結(jié)構(gòu)。mcs-51 系列不同類型的單片機(jī)除上述主要特性外，還有一些不同的附加屬性。2.2.2 mcs-51 單片機(jī)的內(nèi)

28、部結(jié)構(gòu)mcs-51 單片機(jī)的功能模塊框圖如圖 2-2 所示。由圖可見，mcs-51 單片機(jī)是由 8 位 cpu、只讀存儲(chǔ)器 eprom/rom、讀寫存儲(chǔ)器ram、并行 i/0 口、串行 i/0 口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)、振蕩器和時(shí)鐘電路等部分組成，各部分之間通過內(nèi)部總線相連。8sfr和ram時(shí)鐘電路rom定時(shí)/計(jì)數(shù)器cpu并行i/o口串行i/o口中斷系統(tǒng)系統(tǒng)總線時(shí)鐘源t1t0int0int1txdrxdp0p3p2p1圖圖 2-22-2 mcs-51mcs-51 單片機(jī)的功能模塊框圖單片機(jī)的功能模塊框圖單片機(jī)的主要管腳是：數(shù)據(jù)總線；地址總線；控制總線wr、rd、ale、psen、rst；外

29、部中斷請(qǐng)求信號(hào) int0、int1；串行通信線rxd、txd；插口譯碼線 ps；電源 vcc、gnd 各兩根。都是采用 40 管腳雙列直插式封裝。圖 2-3 所示為 mcs-51 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。ram地址寄存器ramp0口鎖存器p2口鎖存器p0口驅(qū)動(dòng)器p2口驅(qū)動(dòng)器ram4k8acctmp2tmp1alupsw中斷 串行口定時(shí)器定時(shí)與控制指令寄存器dptrpc加法器程序計(jì)數(shù)器（pc)程序地址寄存器緩沖器pcp1口鎖存器p3口鎖存器p1口驅(qū)動(dòng)器p3口驅(qū)動(dòng)器振蕩器psenaleearstp1.0p1.7p3.0p3.7p0.0p0.7p2.0p2.7圖圖 2-32-3 mcs-51mcs-51 的

30、內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖mcs-51 單片機(jī)的核心部分是中央處理器 cpu，它由運(yùn)算器和控制器兩大部分組成。9運(yùn)算器用來完成算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算和進(jìn)行位操作，由算術(shù)邏輯單元（alu） 、位處理器、累加器 acc、寄存器 b、暫存器 tmp1 和 tmp2 等組成，與一般運(yùn)算器的作用類似?？刂破魇怯脕斫y(tǒng)一指揮和控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行工作的部件，它由定時(shí)和控制邏輯、內(nèi)部震蕩電路 osc、指令寄存器及其譯碼器、程序計(jì)數(shù)器 pc 及其增量器、程序地址寄存器、程序狀態(tài)字寄存器 psw、ram 地址寄存器、數(shù)據(jù)指針 dptr、堆棧指針 sp 等部分組成。2.2.3 功能模塊的設(shè)計(jì)mcs-51 單片機(jī)在簡單的場合下

31、應(yīng)用，幾乎不需要增加其他的硬件資源，就可構(gòu)成一個(gè)最小的應(yīng)用系統(tǒng)，使用非常方便。但是對(duì)于一般應(yīng)用系統(tǒng)，必須在片外擴(kuò)展相應(yīng)的硬件。我們以單片機(jī)的引腳為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了多種 i/o 接口通用模塊如：存儲(chǔ)器擴(kuò)展模塊（通過跳線可選擇用于程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展） 、a/d 轉(zhuǎn)換模塊（adc0809） 、d/a 轉(zhuǎn)換模塊（dac0832） 、鍵盤與顯示器控制模塊（8255） 、與 pc 通信的串行通信模塊（經(jīng) rs232 接口） 、定時(shí)/計(jì)數(shù)器模塊（8253） 、可編程接口模塊等，在實(shí)際應(yīng)用中使用者可根據(jù)需要選擇不同的模塊進(jìn)行配置。根據(jù)本系統(tǒng)的控制要求，cpu 主板上選用了 stc89c51 芯片，片內(nèi)有

32、4k flash 程序存儲(chǔ)器已可以滿足需要，另還須配置數(shù)/模轉(zhuǎn)換、鍵盤/顯示器控制、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器以及控制程序存儲(chǔ)器等模塊。（1）定時(shí)/計(jì)數(shù)器模塊由于 stc89c51 中僅有兩個(gè)計(jì)數(shù)器，而系統(tǒng)采樣定時(shí)需占用一個(gè)計(jì)數(shù)器。本系統(tǒng)中要求伺服電動(dòng)機(jī)可以正反向轉(zhuǎn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)角測量要求能進(jìn)行可逆計(jì)數(shù)，所以必須進(jìn)行計(jì)數(shù)器擴(kuò)展。可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器芯片的型號(hào)類型多種多樣，大部分的外型引腳及功能設(shè)置都相差無幾，只是在工作的最高頻率上有些差別，例如：8253-5 型為 5mhz，5254-2型為 10mhz，另外還有其它頻段的兼容芯片。本設(shè)計(jì)采用了可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器芯片8253 作為可逆計(jì)數(shù)器。定時(shí)/計(jì)數(shù)器 8253

33、 是 24 腳雙列直插式芯片，+5v 電源供電。每個(gè)芯片內(nèi)部有 3 個(gè)獨(dú)立的計(jì)數(shù)器，每個(gè)計(jì)數(shù)器都有自己的時(shí)鐘輸入 clk、計(jì)數(shù)輸出 out 和門控制信號(hào)gate。通過編程選擇計(jì)數(shù)器和設(shè)置工作方式，計(jì)數(shù)器既可以作計(jì)數(shù)器用，也可作定時(shí)器用。 error!error!、error!error!讀寫引腳，低電平有效，是 cpu 對(duì) 8253 進(jìn)行讀寫操作的命令輸入端；a1 和 a0 是地址線，它們和片選信號(hào)error!error!一起確定了 8253的命令寄存器和 3 個(gè)計(jì)數(shù)器的端口地址。通過編程可設(shè)置計(jì)數(shù)器的工作方式和選擇哪個(gè)計(jì)數(shù)器工作。定時(shí)計(jì)數(shù)模塊的功能：10要了解計(jì)數(shù)模塊的工作情況，先要了解下其

34、基本的計(jì)數(shù)原理，然后加以利用。圖 2-4 為計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)示意圖。它包括：16 位的計(jì)數(shù)初值寄存器 cr，16 位的計(jì)數(shù)執(zhí)行部件 ce 和 16 位的輸出鎖存器 ol。計(jì)數(shù)器的基本操作過程如下：cpu 對(duì)計(jì)數(shù)器初始化，寫入控制字和計(jì)數(shù)初值，計(jì)數(shù)初值寫入計(jì)數(shù)初值寄存器 cr。觸發(fā)計(jì)數(shù)工作時(shí)，cr 內(nèi)容送入計(jì)數(shù)執(zhí)行部件 ce，由計(jì)數(shù)執(zhí)行部件 ce 對(duì) clk 端輸入的脈沖進(jìn)行減一計(jì)數(shù)，減一結(jié)果同時(shí)送入 ol 鎖存。cpu 用 out 指令向 cr 預(yù)置計(jì)數(shù)初值，用 in 指令讀出ol 的數(shù)值。計(jì)數(shù)初值寄存器cr計(jì)數(shù)執(zhí)行單元ce輸出鎖存器olclkgateout內(nèi)部總線圖圖 2-42-4 計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)示意

35、圖計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)示意圖由上面的計(jì)數(shù)器操作過程可以看出 cpu 可以讀出輸出鎖存器 ol 中的值，也即可以得到計(jì)數(shù)初值寄存器 cr 中初值的變化情況，所以我們可以把給定量存放在 cr 中，每個(gè)采樣周期讀取 ol 中的值，計(jì)算出偏差，從而調(diào)整輸入量。clk0/clk1 分別接收來自整形變相電路送來的兩個(gè)脈沖信號(hào) cp+/cp-，ol 中的值隨著這兩個(gè)脈沖信號(hào)而改變。因此設(shè)計(jì)了如圖 2-5 所示的計(jì)數(shù)電路。a1a0rdwrcsd7d0clk0clk1cp+cp-d7d0a1a0rdwrcsstc89c518253圖圖 2-52-5 定時(shí)定時(shí)/ /計(jì)數(shù)模塊電路計(jì)數(shù)模塊電路（2）鍵盤/顯示器控制模塊在單片機(jī)

36、應(yīng)用系統(tǒng)中，為了了解控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)以及向系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)和控制命令，一般都需要設(shè)置人機(jī)交互界面，即鍵盤/顯示器電路。本系統(tǒng)的鍵盤/顯示器控制模塊是以 8255 接口芯片為核心構(gòu)成的。 鍵盤模塊鍵盤模塊單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)所用的鍵盤有編碼鍵盤和非編碼鍵盤兩種。編碼鍵盤除了按鍵外，11還包括產(chǎn)生鍵碼的硬件電路、去抖動(dòng)電路和多鍵串鍵保護(hù)電路。每按下一個(gè)鍵，能自動(dòng)產(chǎn)生這個(gè)鍵的鍵碼，與此同時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，通知 cpu 接收。這種鍵盤使用方便，接口程序簡單，但需要較多的硬件。非編碼鍵盤僅由排成行列矩陣形式的按鍵組成，其大小可在單片機(jī)內(nèi)存范圍內(nèi)進(jìn)行任意設(shè)定。按鍵的作用只是簡單的實(shí)現(xiàn)接點(diǎn)的接通和斷開，鍵的去抖

37、動(dòng)、鍵的編碼的形成和鍵的識(shí)別等均由軟件實(shí)現(xiàn)。非編碼鍵盤的硬件電路簡單，構(gòu)成所需要組成元件經(jīng)濟(jì),但程序較復(fù)雜。為了降低系統(tǒng)硬件的復(fù)雜程度，采用的是非編碼鍵盤。由于本系統(tǒng)所需的按鍵較多所以鍵盤的接口方式采用的是矩陣方式。本系統(tǒng)由 8255 芯片和單片機(jī)組成矩陣式鍵盤接口。8255 是個(gè)典型的可編程通用并行接口芯片，它有三個(gè) 8 位的并行口 pa、pb、pc 口。有三種工作方式。通過編程可以選擇其工作方式，并且可以使三個(gè)口作為輸出口或者輸入口。該鍵盤是由 8255 的pb0pb4 口作為輸入口線及 pc0pc3 口作為輸出口線構(gòu)成的 5 行 4 列矩陣式鍵盤。在接口方面，8255 是通過片選端、端口

38、地址選擇信號(hào) a0、a1、讀寫控制信號(hào)cs、，來實(shí)現(xiàn) cpu 與芯片間命令字或數(shù)據(jù)傳送。rdwr鍵盤接口電路如圖 2-6 所示。pswrrda1a0d7d0d7d0a0a1rdwrcspb0pb1pb2pb3pb4pc0pc1pc2+5v+5v+5v+5v+5vstc89c5182558pc3圖圖 2-62-6 系統(tǒng)鍵盤接口電路系統(tǒng)鍵盤接口電路 顯示模塊顯示模塊單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)顯示電路一般都采用點(diǎn)陣式或是數(shù)碼管（led）或者是液晶（lcd）顯示方法。lcd 顯示器具有體積小、質(zhì)量輕，低電壓、微功耗、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但其價(jià)格較貴，而且顯示需要相應(yīng)的字模程序，較為麻煩。數(shù)碼管具有既省電、成本低，

39、而且配置靈活、接口方便等優(yōu)點(diǎn)，相比較而言，本系統(tǒng)選用數(shù)碼管顯示方法更為合適。對(duì)于多位 led 顯示器，通常都是采用動(dòng)態(tài)掃描的方法進(jìn)行顯示，即逐個(gè)地循環(huán)點(diǎn)亮各位顯示器。這樣雖然在任一時(shí)刻只有一位顯示器被點(diǎn)亮，但是由于人眼具有視覺殘留效應(yīng)，看起來與全部顯示器持續(xù)點(diǎn)亮效果完全一樣。為了實(shí)現(xiàn) led 顯示器的動(dòng)態(tài)12掃描，除了要給顯示器提供段的輸入之外，還要對(duì)顯示器選擇位的控制，這就是通常所說的段控和位控。因此，多位 led 顯示器接口電路要有兩個(gè)輸出口，其中一個(gè)用于輸出 8 條段控線（含有小數(shù)點(diǎn)顯示） ；另一個(gè)用于輸出位控線，位控線等的數(shù)目等于顯示器的位數(shù)。為了減小 cpu 資源占用率，減少軟件的設(shè)

40、計(jì)量，顯示模塊選用了 intel 公司開發(fā)的接口芯片 8255。8255 作為輸出鎖存口。a 口作為段空口，輸出 8 位字形代碼。段控線的負(fù)載電流約為 8ma，為提高顯示亮度，通常用 74ls244 進(jìn)行段控輸出驅(qū)動(dòng)。c 口作為位控口，以 pc0pc7 輸出位控線。由于位控線的驅(qū)動(dòng)電流較大，8 段全亮?xí)r約為4060ma，因此位控信號(hào)加集電極開路門 74ls06 進(jìn)行反向和提高驅(qū)動(dòng)能力，然后再接各 led 顯示器的位控端。在接口方面，8255 是通過片選端、端口地址選擇信號(hào) a0、a1、讀寫控制信號(hào)cs、，來實(shí)現(xiàn) cpu 與芯片間命令字或數(shù)據(jù)傳送。 rdwr圖 2-7 所示為 8255 顯示器接

41、口電路。cswrrda1a0d7d0d7d0a0a1rdwrcs74ls24474ls06adpl0l7+5vstc89c518255led0led788888pa0pa7pc0pc788圖圖 2-72-7 82558255 顯示器接口電路顯示器接口電路（3）d/ad/a 轉(zhuǎn)換電路模塊轉(zhuǎn)換電路模塊系統(tǒng)中從單片機(jī)出來的是數(shù)字信號(hào)，而控制電機(jī)運(yùn)行的是電壓模擬信號(hào)，因此系統(tǒng)必須要用到 d/a 轉(zhuǎn)換電路將數(shù)字量控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬量控制信號(hào)。由于本人在學(xué)習(xí) d/a 轉(zhuǎn)換電路時(shí)，是以 intel 公司 d/a 轉(zhuǎn)換芯片 dac0832 為對(duì)象學(xué)習(xí) d/a 轉(zhuǎn)換電路，對(duì)該芯片比較熟悉，所以在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中 d

42、/a 轉(zhuǎn)換電路中的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片采用的是 dac0832 芯片。dac0832 是雙列直插式具有兩個(gè)輸入寄存器的 8 位 d/a 轉(zhuǎn)換器，可以直接與 8 位微處理器直接相連。其主要技術(shù)特性：分辨率為 8 位；基準(zhǔn)電壓工作范圍+10-refu10v；供電電源為+5+15v，電源穩(wěn)定時(shí)間為 1us，功耗為 20mw；所有引腳的邏輯電平與 ttl 電平兼容。由于 dac0832 具有兩級(jí)寄存器，因此有三種工作方式：直通方式、單緩沖方式和雙緩沖方式。兩級(jí)寄存器鎖存控制信號(hào)為：輸入鎖存允許信號(hào)、片選信號(hào)、寫ilecs13信號(hào) 1、寫信號(hào) 2和傳送控制信號(hào)，將它們與單片機(jī)進(jìn)行不同的連接wr1wr2xfer時(shí)

43、可獲得三種不同的工作方式。dac0832 是電流輸出型的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，而控制電機(jī)的信號(hào)是電壓信號(hào)，因此需要相應(yīng)的轉(zhuǎn)換電路將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。因此設(shè)計(jì)了圖 2-10 右半部分的運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換電路。圖 2-8 所示為 d/a 轉(zhuǎn)換模塊的原理圖，dac0832 的兩個(gè)寄存器同時(shí)選通和鎖存，即采用的是單緩沖型工作方式，雙極性輸出方式可以滿足系統(tǒng)的雙極性控制。cswrd7d0d7d0wr1csstc89c51dac08328rfbiout1iout2+5v+u5k10k10kwr2xfer圖圖 2-82-8 d/ad/a 轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換模塊（4）譯碼電路設(shè)計(jì)在單片機(jī)系統(tǒng)中為了使系統(tǒng)正常工作，在每次對(duì)存

44、儲(chǔ)器及接口操作時(shí)只能選中一個(gè)芯片。因此，在設(shè)計(jì)單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)，要讓每個(gè)芯片具有獨(dú)立的地址范圍或地址，也就是對(duì)每個(gè)芯片的片選信號(hào)能獨(dú)立控制。本系統(tǒng)用到了 8253、8255、0832 這三個(gè)芯片，因此要確定它們各自的地址范圍或地址。通常確定地址，也即控制片選的方法有線選法和譯碼法兩種。線選法是利用單片機(jī)高位沒有用到的地址線直接作擴(kuò)展芯片的片選信號(hào)。此法結(jié)構(gòu)簡單，易理解。在確定地址時(shí)，只要將接至該芯片的片選位取“0” ，其他位取“1”即可。但這種方法得到各個(gè)芯片的地址不是唯一地，也可能使各芯片的地址不連續(xù)。在設(shè)計(jì)單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)，利用單片機(jī)高位沒有用到的地址線經(jīng)過譯碼器后與擴(kuò)展的芯片的片選連接，此種方法

45、稱為譯碼法。譯碼法通常要用到譯碼器，例如：74ls139(兩組 2-4 譯碼器)、74ls138（3-8 譯碼器） 、74ls154（4-16 譯碼器）等。雖然譯碼法要用到譯碼器，而線選法不用，但線選法確定的芯片的地址不是唯一的，而且芯片的地址不連續(xù)，為了譯碼方便，決定還是用譯碼法。譯碼器選用 74ls138譯碼器。74ls138 譯碼器是用 ttl 與非門組成的 3 線-8 線二進(jìn)制譯碼器。根據(jù)輸入端的電平信號(hào)，8 個(gè)輸出只有一個(gè)輸出低電平，其他的輸出高電平。具體譯碼電路如圖2-9 所示。14ea/vp31x119x218reset9rd17wr16int012int113t014t115p

46、101p112p123p134p145p156p167p178p0039p0138p0237p0336p0435p0534p0633p0732p2021p2122p2223p2324p2425p2526p2627p2728psen29ale/p30txd11rxd10u?8051a1b2c3e14e25e36y015y114y213y312y411y510y69y77u?74als138vccvcc825382550832圖圖 2-92-9 譯碼電路譯碼電路由圖 2-9 可以看出，譯碼器 138 的輸入端分別接 stc89c51 的 p2 口的p2.5、p2.6、p2.7。輸出端的 y0、y1

47、、y2 分別接到芯片 8253、8255 和 0832 的片選端。因此很容易得到這三個(gè)芯片的端口地址分別是：1fffh、3fffh 和 5fffh。2.3 功率驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)2.3.1 功率驅(qū)動(dòng)模塊方案的選擇（1）h 型雙極模式 pwm 控制h 型雙極模式 pwm 功率驅(qū)動(dòng)電路主要由 pwm 功率轉(zhuǎn)換電路、脈寬調(diào)制電路、基極驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路組成，而控制核心是 pwm 功率轉(zhuǎn)換電路。h 型雙極模式 pwm 的功率轉(zhuǎn)換電路如圖 2-10 所示。它由四個(gè)大功率晶體管 gtr和四個(gè)續(xù)流二極管組成。四個(gè)大功率晶體管分為兩組，v1 和 v4 為一組，v2 和 v3 為一組。to 同一組中的兩個(gè)晶體管同時(shí)導(dǎo)

48、通和關(guān)斷，兩組晶體管之間是交替的輪流導(dǎo)通和截止的。也即基極驅(qū)動(dòng)信號(hào) ub1=ub4，ub2=ub3=-ub1。由于允許電流反向，所以雙極模式工作時(shí)電樞電流始終是連續(xù)的。1234abcd4321dcbatitlenumberrevisionsizebdate:22-may-2001sheet of file:d:program filesdesign explorer 99 se8051.ddbdrawn by:v1v2v3v4vd1vd3vd2vd4mub2ub4ub1ub315圖圖 2-102-10 h h 型雙極模塊式型雙極模塊式 pwmpwm 功率轉(zhuǎn)換電路功率轉(zhuǎn)換電路（2）模塊化 pwm

49、 功率驅(qū)動(dòng)控制隨著微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展以及工業(yè)界對(duì)系統(tǒng)可靠性和小型化的要求，許多廠商相繼推出了各種伺服電機(jī)控制的驅(qū)動(dòng)模塊。這類模塊化驅(qū)動(dòng)控制器件的相繼出現(xiàn)，不僅減小了驅(qū)動(dòng)裝置的尺寸和成本，且大大方便了使用，用戶可靈活地構(gòu)成直流模擬式或數(shù)字式的小型化/高可靠運(yùn)行的伺服系統(tǒng)。由美國 kollmorgen 公司生產(chǎn)的型號(hào)為 kxa-48-8-16/m /aux 的 pwm 伺服放大器（pwm servo amplifier）就是這種模塊化的驅(qū)動(dòng)控制器件。它集功率放大器模塊、pwm 調(diào)制模塊、電路保護(hù)模塊和電源模塊于一體，不需要使用者再具體設(shè)計(jì)這些模塊，為設(shè)計(jì)者帶來了極大的便利。對(duì)比上面兩種

50、方案，可以看出:h 型雙極模式 pwm 控制需要分別設(shè)計(jì)各個(gè)模塊，而模塊化 pwm 功率驅(qū)動(dòng)控制則不需要，因此本系統(tǒng)就是用 kax 作為功率驅(qū)動(dòng)模塊的。2.3.2 pwm 伺服放大器簡介kxa 是專為多種直流伺服電機(jī)設(shè)計(jì)的伺服驅(qū)動(dòng)器。它是一款采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)性能優(yōu)良的 pwm 伺服放大器，具有結(jié)構(gòu)緊湊、功能完善等特點(diǎn)。kxa 有兩種組裝形式，一種是單獨(dú)的伺服放大器組裝形式，另一種是具有電源模塊組裝形式。kxa 的主要部分為 pwm 調(diào)制和功率放大器模塊，它內(nèi)部還包含有主回路電流檢測傳感器，已經(jīng)具有一個(gè)電流控制回路。在模塊中還有輔助電源，可以為其他外圍設(shè)備提供供電電源。選用不同的組裝形式時(shí)

51、，放大器模塊可以由外部提供的直流電源供電或電池供電，也可以由外部提供交流電源到一個(gè)附加的變壓器，經(jīng)電源模塊整流濾波后供電。對(duì)于具有電源模塊組裝形式，只須在電源輸入模塊中增加一個(gè)變壓器，就可以使 kxa 成為一個(gè)獨(dú)立的放大器。kxa 具有強(qiáng)大的短路、過流和電源保護(hù)、主回路電流限定值的設(shè)定和保護(hù)電機(jī)的功能。在 kxa 伺服放大器中，為了防止轉(zhuǎn)速過大和反饋超過額定值，內(nèi)部電路中有一個(gè)并聯(lián)的速度調(diào)節(jié)器。由電路板上的跳線，可選擇 kxa 工作在有測速或無測速閉環(huán)控制模式。kxa 系列的開關(guān)頻率為 40khz，在這樣的頻率下，電流環(huán)具有很寬的頻帶，能滿足大部分伺服應(yīng)用場2.3.3 kxa 結(jié)構(gòu)及接線kxa

52、 伺服放大器方框圖（block diagram）如圖 3-11 所示16速度調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器pwm調(diào)制功率放大器電流檢測故障邏輯控制v電源模塊vvac輸入電動(dòng)機(jī)sw-2過溫dc-dc轉(zhuǎn)換器vv15v15v134591122610vvtb1tb2tb311過電流過電壓故障tach5in143in2gndgndfaultena輸入測速故障mmsw-1圖圖 2-112-11 kxakxa 模塊結(jié)構(gòu)示意圖模塊結(jié)構(gòu)示意圖由圖可見，kax 主要由功率放大器模塊、pwm 調(diào)制模塊、具有主回路電流檢測及電流調(diào)節(jié)器構(gòu)成的電流控制回路、故障邏輯控制電路和電源模塊。kax 的最大特點(diǎn)是它的故障邏輯控制模塊，它包括故

53、障檢測、過電流檢測、過電壓檢測和過溫檢測。這些保護(hù)措施是設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)必須考慮的，而且往往較為麻煩。kax 的這種設(shè)計(jì)為工程設(shè)計(jì)人員帶來了極大的方便。設(shè)置開關(guān)和在不同位置以及不同的輸入信號(hào)時(shí)，可以得到已經(jīng)具有sw1sw2電流控制回路的不同結(jié)構(gòu)的直流伺服控制系統(tǒng)。當(dāng)開關(guān) sw-1 處于下位、sw-2 處于上位時(shí)，可以構(gòu)成一個(gè)具有電流環(huán)和速度環(huán)的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。當(dāng)開關(guān) sw-2 處于下位，不經(jīng)過速度調(diào)節(jié)器時(shí)，可以構(gòu)成一個(gè)具有位置環(huán)和電流環(huán)的位置控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)就是利用它的位置環(huán)和電流環(huán)位置控制構(gòu)成方式來控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)角，因此 kax 的接線方式是：d/a 模塊輸出的模擬量控制信號(hào)由 i

54、n2（tb1 的 3 端）輸入kax，開關(guān) sw-2 處于下位，v-（tb2 的 4 端）接地、v+（tb2 的 3 端）接+24v 直流電壓，m-、m+接電機(jī)。2.4 測量電路設(shè)計(jì)位置測量元件是閉環(huán)控制系統(tǒng)中的重要部件之一，它的作用是檢測位移（角位移或線位移）并發(fā)出反饋信號(hào)，起著相當(dāng)于人眼的作用。一個(gè)完善的閉環(huán)伺服系統(tǒng)，其定位精度和加工、測量精度主要由測量元件決定，因此，高精度伺服系統(tǒng)對(duì)測量元件的質(zhì)量要求相當(dāng)高。光電編碼器是現(xiàn)代伺服系統(tǒng)中必不可少的一種數(shù)字式速度和位置測量元件，被廣泛應(yīng)用于微處理器控制的閉環(huán)控制系統(tǒng)中。本系統(tǒng)使用的是沈陽光機(jī)研究所生產(chǎn)的增量式光電編碼器。它的優(yōu)點(diǎn)是原理構(gòu)造簡單

55、，機(jī)械平均壽命可在幾萬17小時(shí)以上，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，適合于長距離傳輸它的優(yōu)點(diǎn)是原理構(gòu)造簡單，機(jī)械平均壽命可在幾萬小時(shí)以上，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，適合于長距離傳輸。2.4.1 光電編碼器增量式光電編碼器由光源、光電轉(zhuǎn)盤、光敏元件、光電整形放大電路四部分組成。光電轉(zhuǎn)盤與被測軸聯(lián)接，光源通過光電轉(zhuǎn)盤的透光孔射到光敏元件上，當(dāng)轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，光敏元件便發(fā)出與轉(zhuǎn)速成正比的脈沖信號(hào)。為了適應(yīng)可逆控制以及轉(zhuǎn)向的判別，光電編碼器輸出兩路（a 相、b 相）相隔脈沖周期的正交脈沖。若轉(zhuǎn)盤順時(shí)針轉(zhuǎn)時(shí) a 相4t超前 b 相，則逆時(shí)針轉(zhuǎn)時(shí) b 相超前 a 相，如圖 2-12 所示。因此可以利用它的輸出的a、b

56、兩相脈沖波形判斷電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。順時(shí)針轉(zhuǎn) 逆時(shí)針轉(zhuǎn))a)b圖圖 2-122-12 光電編碼器的輸出波形光電編碼器的輸出波形增量式光電編碼器的分辨率是以編碼器軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周所產(chǎn)生的輸出信號(hào)基本周期數(shù)，也就是用脈沖數(shù)/轉(zhuǎn)表示的，并以此定義編碼器的分辨率，因此光電轉(zhuǎn)盤上的槽或窗口數(shù)目等于編碼器的分辨率。為了提高測量精度，本系統(tǒng)中選用了分辨率為 2048編碼p/r器。2.4.2 整形辨相電路為了實(shí)現(xiàn)可逆控制，用光電編碼器的波形實(shí)現(xiàn)可逆位置檢測時(shí)，必須將 a、b 兩相方波形進(jìn)行的整形和辨相處理，產(chǎn)生出反映電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向的脈沖信號(hào)。雖然我們可以通過圖 2-12 可以很快的判斷出電機(jī)是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，但我們需要的是系統(tǒng)

57、自己作出判斷。因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)能夠判斷電機(jī)正反轉(zhuǎn)的辨相電路。在實(shí)際運(yùn)用中，由光電編碼器輸出的 a、b 兩路脈沖波形很不“理想” ，需要加工成比較規(guī)則的脈沖波形，因此需要設(shè)計(jì)脈沖整形電路。脈沖整形電路主要是由 lm339 芯片和輔助電路構(gòu)成。lm339 是四個(gè)電壓比較器集成的芯片，本系統(tǒng)的整形電路就是根據(jù)電壓比較器的單相比較電路設(shè)計(jì)的。單相比較電路如圖 2-13 所示。181/4lm339上上上上uruinuo+vcc-vcc 0uruouinuohuol(a) 單限比較電路 (b) 輸出特性圖圖 2-132-13 單限比較電路及其輸出特性單限比較電路及其輸出特性u(píng)in 為待比較電壓，ur

58、為門限電壓，當(dāng) uinur 時(shí)，uo 輸出高電平 uoh，否則，uo 輸出低電平 uol。整形辨相電路如圖 2-14 所示，它是采用邏輯門組合電路的思路進(jìn)行設(shè)計(jì)的，即將光電編碼器輸出的兩路信號(hào)，分別輸入到一個(gè)單穩(wěn)觸發(fā)器和一個(gè)非門，之后再將信號(hào)經(jīng)過一次與邏輯，得到反映電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)信號(hào)（cp+）和反轉(zhuǎn)信號(hào)（cp-） 。圖圖 2-142-14 整形辨相電路整形辨相電路用邏輯表達(dá)示表示即為：cpa bcpa b其中為信號(hào)的單穩(wěn)觸發(fā)脈沖。整形辨相電路的波形如圖 2-15 所示。由圖可知，aa當(dāng)超前到 t/4 周期時(shí)，cp+輸出信號(hào)，而 cp-沒有信號(hào)輸出，相反，就只有 cp-有ab信號(hào)輸出，從而實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)

59、機(jī)正反轉(zhuǎn)的識(shí)別。圖圖 2-152-15 整形辨相電路波整形辨相電路波19第第 3 章章 直流伺服電動(dòng)機(jī)直流伺服電動(dòng)機(jī)直流伺服電動(dòng)機(jī)是系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一。直流伺服電動(dòng)機(jī)有永磁式和電磁式兩種結(jié)構(gòu)型式。隨著磁性材料的發(fā)展，利用稀土材料（鋁-鎳=鈷、釤-鈷、釹鐵硼合金）制作的永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)其性能超過了電磁式伺服電動(dòng)機(jī)，目前已被廣泛使用于機(jī)床電力進(jìn)給驅(qū)動(dòng)、工業(yè)機(jī)器人、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備以及高精度伺服系統(tǒng)中。3.1 對(duì)直流伺服電動(dòng)機(jī)的要求伺服控制系統(tǒng)中使用的直流電動(dòng)機(jī)和一般動(dòng)力用的直流電動(dòng)機(jī)在工作原理上是完全相同的，但由于各自的功能和作用不同，因此他們的工作狀態(tài)和工作性能差別很大。在伺服系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)的

60、轉(zhuǎn)速和工作狀態(tài)要根據(jù)指令信號(hào)而改變，因此使用在伺服系統(tǒng)中的直流電動(dòng)機(jī)叫做直流伺服電動(dòng)機(jī)。根據(jù)伺服電動(dòng)機(jī)在系統(tǒng)中的作用和特點(diǎn)，系統(tǒng)對(duì)它的性能提出以下要求：（1）盡可能高的響應(yīng)頻率，亦即盡可能減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，增大轉(zhuǎn)矩-慣量比。（2）良好的低速平穩(wěn)性。（3）盡可能寬的調(diào)速范圍。（4）機(jī)械特性的硬度 t/n 的數(shù)值盡可能大。（5）換向器和電刷的接觸火花盡可能小，以減小伺服噪聲。（6）過載能力強(qiáng)。3.2 直流伺服電動(dòng)機(jī)的分類在伺服系統(tǒng)中使用的直流伺服電動(dòng)機(jī)，按轉(zhuǎn)速的高低可分為兩類：高速直流伺服電動(dòng)機(jī)和低速大扭矩寬調(diào)速電動(dòng)機(jī)。3.2.1 高速直流伺服電動(dòng)機(jī)高速直流伺服電動(dòng)機(jī)又可分為普通直流伺服電動(dòng)機(jī)和