畢業(yè)設(shè)計論文—單片機直流伺服控制系統(tǒng)設(shè)計

1、摘摘 要要 半個世紀(jì)來，直流伺服控制系統(tǒng)己經(jīng)在精密數(shù)控機床、加工中心、 機器人等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著伺服電動機技術(shù)、電力電子技術(shù)、 計算機控制技術(shù)的發(fā)展，使得伺服控制系統(tǒng)朝著控制電路數(shù)字化和功率 器件的模塊化的方向發(fā)展。 本文介紹了微機直流伺服系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計方案。硬件設(shè)計主 要包括:總體方案設(shè)計、單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計、驅(qū)動電路設(shè)計和測量電 路設(shè)計。單片機用系統(tǒng)采用了基于總線的模塊式單片機通用開發(fā)設(shè)計方 案，配置靈活，可根據(jù)需要組合成各種應(yīng)用系統(tǒng)。功率驅(qū)動采用 pwm 伺 服生成模塊，使系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡潔、性能可靠的特點，可以滿足不同結(jié) 構(gòu)的直流伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計要求。軟件編制采用模塊化

2、的設(shè)計方式， 主要包括主程序設(shè)計、t0 中斷服務(wù)(采樣定時控制)程序及數(shù)字控制算法 程序的設(shè)計。 通過系統(tǒng)的整體設(shè)計，完成了系統(tǒng)的基本要求，系統(tǒng)可以穩(wěn)定的運 行。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：位置伺服系統(tǒng)；直流電機；單片機 high precision position servo microcomputer control system design abstractabstract for a half of century，the dc servo control system has been widely used in the nc machine tool，machining center，a

3、nd 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 inclu

4、des 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 nee

5、d. 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 de

6、al 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 operation keywordskeywords: : position servo system；dc motor; microcontroller 目目 錄錄 第一章緒論 .1 1.1 課題研究的目的和意義 .1 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

7、以及發(fā)展趨勢 .2 1.3 設(shè)計要求及參數(shù) .4 第二章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 .6 2.1 系統(tǒng)控制方案的選擇 .6 2.2 直流伺服電機的數(shù)學(xué)模型 .6 2.3 控制器的設(shè)計 .8 2.3.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計.8 2.3.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計.9 2.4 位置控制器設(shè)計 .9 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 .11 31 控制單元電路設(shè)計 .11 3.1.1 引腳特性.12 3.1.2 時鐘電路設(shè)計 .13 3.1.3 復(fù)位電路設(shè)計 .14 3.2 信號檢測電路設(shè)計 .14 3.2.1 位置轉(zhuǎn)速檢測電路 .14 3.2.2 電流檢測電路的設(shè)計.15 3.3 控制電路設(shè)計 .16 3.3.1 運動控制電

8、路設(shè)計.16 3.3.2 電機驅(qū)動電路的設(shè)計.17 3.4 顯示電路的設(shè)計 .18 3.5 按鍵電路的設(shè)計 .20 3.6 電源電路的設(shè)計 .21 第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 .22 4.1 總體設(shè)計思想 .22 4.1.1 系統(tǒng)的工作過程.22 4.1.2 程序設(shè)計方法選擇 .22 4.1.3 程序設(shè)計語言的選擇 .22 4.2 主程序設(shè)計 .24 4.3 數(shù)據(jù)采集（轉(zhuǎn)速檢測）子程序的設(shè)計 .25 4.3.1 外部中斷 0 服務(wù)程序 .25 4.3.2 定時器 0 中斷服務(wù)程序.25 4.3.3 外部中斷 1 服務(wù)程序.26 4.4 pi 算法子程序設(shè)計 .26 總 結(jié) .28 致 謝 .29 參

9、考文獻 .30 附錄一：系統(tǒng)原理圖 .32 附錄二：部分程序清單 .33 第一章緒論第一章緒論 1.11.1 課題研究的目的和意義課題研究的目的和意義 伺服系統(tǒng)也稱為隨動系統(tǒng)，屬于自動控制系統(tǒng)的一種，它是用 來控制被控對象的轉(zhuǎn)角或位移，使其能自動的、連續(xù)的、精確地復(fù) 現(xiàn)輸入指令的變化規(guī)律，它通常具有負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，有的 場合也可以用開環(huán)控制系統(tǒng)來實現(xiàn)其功能，伺服系統(tǒng)在電機設(shè)備中 具有很重要的地位，高性能的伺服系統(tǒng)可以提供靈活、方便、準(zhǔn)確、 快速的驅(qū)動【1】。 位置伺服系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟的各個工業(yè)部門，例如機床 加工行業(yè)、冶金加工、機器人或機械手的控制、火炮群跟蹤雷達和 陀螺儀慣性導(dǎo)航

10、系統(tǒng)等，都涉及到了位置定位和軌跡跟蹤，因此位 置伺服技術(shù)的高低，將直接影響我們國家的工業(yè)技術(shù)的發(fā)展水平【2】。 位置伺服系統(tǒng)是通過控制器來實現(xiàn)自動控制理論的各種控制算 法，通過執(zhí)行機構(gòu)電力電子功率變換裝置實現(xiàn)對電機的控制，來達 到位置伺服的目的【3】。其中控制器可以說是整個系統(tǒng)的心臟，其設(shè) 計的好壞直接影響整個系統(tǒng)的性能。有些伺服系統(tǒng)的控制器主要由 模擬控制器來實現(xiàn)的，但對于那些較復(fù)雜控制算法，單靠硬件電路 來實現(xiàn)系統(tǒng)控制相對比較困難【4】。隨著微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，研 發(fā)出各種高性能數(shù)字信號處理器，其運算能力強而且具有豐富的外 部接口。將數(shù)字信號處理器應(yīng)用在位置伺服系統(tǒng)，構(gòu)成數(shù)字位置伺 服系

11、統(tǒng)，該系統(tǒng)就可以通過軟件編程的方式完成各種簡單或復(fù)雜的 傳動控制算法，通過外部接口實現(xiàn)與電力電子功率變換裝置的連接， 最終實現(xiàn)對電機的控制，這樣既可以提高系統(tǒng)的靈活性的也可以減 小系統(tǒng)的體積【5】。 近幾年基于數(shù)字信號處理芯片開發(fā)的位置伺服系統(tǒng)成為研究的 熱點，并且很多芯片廠家還開發(fā)一些電機專用控制芯片，并在芯片 內(nèi)部集成了pwm發(fā)生單元等，簡化了與電力電子功率變換裝置間的連 接，而且具有強大的處理功能可以完成現(xiàn)代控制理論或智能控制理 論的一些復(fù)雜算法，如果采用這些電機專用控制芯片來完成系統(tǒng)設(shè) 計，即可以節(jié)省了開發(fā)周期，又簡化了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)【6】。 自上世紀(jì)80年代末以來的短短二十幾年間，交

12、流伺服系統(tǒng)取得 了舉世矚目的發(fā)展，同時伴隨著變頻技術(shù)的發(fā)展，使系統(tǒng)已具備了 寬調(diào)速范圍、高穩(wěn)速精度、快速動態(tài)響應(yīng)及四象限運行等良好的技 術(shù)性能，其動、靜態(tài)特性已完全可與直流伺服系統(tǒng)相媲美，對交流 伺服系統(tǒng)的研究，仍然是電氣傳動領(lǐng)域的一個熱點?，F(xiàn)在，數(shù)字式 交流位置伺服系統(tǒng)研究熱點之一，就是以交流永磁伺服電機為控制 對象。因為隨著交流永磁電機制造工藝的不斷進步，使其具有低慣 性、快響應(yīng)、高功率密度、低損耗、高效率等優(yōu)點7。 1.21.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢 伺服控制技術(shù)是自動化學(xué)科中與產(chǎn)業(yè)部門聯(lián)系最緊密、服務(wù)最 廣泛的一個分支，它是伴隨著電的應(yīng)用二發(fā)展起來的，最

13、早出現(xiàn)于 20 年代初，并且極大地提高了勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，推動了現(xiàn)代 工農(nóng)業(yè)的巨大進步，1934 年，的一次提出了伺服機構(gòu)這個詞，世界 上第一個伺服系統(tǒng)是由美國麻省理工學(xué)院輻射實驗室于 1944 年研制 成功，這就是火炮自動跟蹤目標(biāo)的伺服系統(tǒng)，隨著自動控制理論的 發(fā)展，到 20 世紀(jì)中期，伺服系統(tǒng)理論與實踐均趨于成熟，并得到廣 泛應(yīng)用，在新技術(shù)革命的推動下，特別是伴隨著微電子技術(shù)和計算 機技術(shù)的飛速進步，伺服技術(shù)更加如虎添翼、突飛猛進，它的應(yīng)用 幾乎遍布社會的各個領(lǐng)域8。隨著控制技術(shù)的發(fā)展，對伺服系統(tǒng)的 性能不斷地提出新的要求，今年來，數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展，將計算 機與伺服控制系統(tǒng)相結(jié)合，是

14、計算機稱為伺服系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)已 成為現(xiàn)實。在直流伺服系統(tǒng)中，利用計算機來完成系統(tǒng)的校正，改 變伺服系統(tǒng)的增益、帶寬、完成系統(tǒng)的管理、監(jiān)視等任務(wù)，是系統(tǒng) 向智能化發(fā)展【9】。 伺服控制技術(shù)在機械制造行業(yè)中用到的最多也最廣，各種機床 運動部分的速度控制、運動軌跡控制、位置控制等，都是伺服系統(tǒng) 控制的，它們不僅能完成轉(zhuǎn)動控制、直線運動控制，而且能依靠多 套伺服系統(tǒng)的配合，完成負(fù)載的空間曲線運動的控制，如：仿型機 床的控制、機器人手臂關(guān)節(jié)的運動控制等。它們可以完成的運動控 制精度高、速度快，遠(yuǎn)非一般工人操作所能達到【10】。 在冶金工業(yè)中，電弧煉鋼爐，粉末冶金路等電極位置控制，水 平連鑄機的拉坯運動

15、控制，軋鋼機軋輥壓下運動位置的控制等，都 是依靠伺服控制技術(shù)來實現(xiàn)的，這些更是無法用人工代替的。 在運輸行業(yè)中，電氣機車的自動調(diào)速、高層建筑中電梯的升降 控制、船舶的自動操舵、飛機的自動駕駛等，都是由各種伺服系統(tǒng) 為之效力，從而減緩操作人的疲勞，同時也大大的提高了工作效率。 在軍事上，一定程度上提高了武器的精確度和威力，以雷達高 射炮為例，在敵方飛行器飛行時，雷達天線必須時刻旋轉(zhuǎn)，隨時自 動保持指向敵方飛行器。雷達測出敵方飛行器方位和仰角數(shù)據(jù)經(jīng)過 計算機監(jiān)工并計入射擊提前量后，又用來控制高射炮炮身的轉(zhuǎn)動， 使高射炮時刻保持瞄準(zhǔn)敵方飛行器，隨時準(zhǔn)備開火，而瞄準(zhǔn)的角度 誤差只有幾分，如不用控制技術(shù)

16、的相關(guān)支持，折現(xiàn)顯然是做不到的。 現(xiàn)代軍用飛行器速度很快，炮身又沉重，用人力直接轉(zhuǎn)動炮身是完 全不可能適應(yīng)戰(zhàn)陣需求的。 在航天、制導(dǎo)、核能等方面，控制技術(shù)更是不可缺少，比如， 要把重達數(shù)噸的人造衛(wèi)星準(zhǔn)確的送入位于數(shù)百公里高空的預(yù)先計算 好的軌道和指定的位置，并一直保持他的姿態(tài)正確，是他的太陽能 電池一直朝向太陽，無線電天線一直指向地球，還要保持衛(wèi)星內(nèi)的 正常，使他攜帶的各種儀器自動準(zhǔn)確的工作，所有的這一切都是以 高水平的控制系統(tǒng)為前提的。 伺服控制技術(shù)和控制技術(shù)還處于發(fā)展的過程中，由于計算機的 誕生和迅速發(fā)展，控制技術(shù)一定會不斷地提高水平，以適應(yīng)難度系 數(shù)日益增大的控制要求，在未來的幾年中，伺

17、服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是： 作為數(shù)控機床的重要功能部件，伺服系統(tǒng)的特性一直是影響系 統(tǒng)加工性能的重要指標(biāo)。圍繞伺服系統(tǒng)動態(tài)特性與靜態(tài)特性的提高， 近年來發(fā)展了多種伺服驅(qū)動技術(shù)?？梢灶A(yù)見，隨著超高速切削、超 精密加工、網(wǎng)絡(luò)制造等先進制造技術(shù)的發(fā)展，具有網(wǎng)絡(luò)接口的全數(shù) 字伺服系統(tǒng)、直線電動機及高速電主軸等將成為數(shù)控機床行業(yè)關(guān)注 的熱點，并成為伺服系統(tǒng)的發(fā)展方向11。 （1）交流化 伺服技術(shù)將繼續(xù)迅速地由 dc 伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)向 ac 伺服系統(tǒng)。從目 前國際市場的情況看，幾乎所有的新產(chǎn)品都是 ac 伺服系統(tǒng)。在工業(yè) 發(fā)達國家，ac 伺服電機的市場占有率已超過 80 。國內(nèi)生產(chǎn) ac 伺 服電機的廠家也越來越多

18、，正逐步超過生產(chǎn) dc 伺服電機的廠家。可 以預(yù)見，在不遠(yuǎn)的將來，除了在某些微型電機領(lǐng)域之外，ac 伺服電 機將完全取代 dc 伺服電機。 （2）全數(shù)字化 采用新型高速微處理器和專用數(shù)字信號處理機（dsp）的伺服控 制單元將全面代替以模擬電子器件為主的伺服控制單元，從而實現(xiàn) 完全數(shù)字化的伺服系統(tǒng)。全數(shù)字化的實現(xiàn)，將原有的硬件伺服控制 變成了軟件伺服控制，從而使在伺服系統(tǒng)中應(yīng)用現(xiàn)代控制理論的先 進算法（如：最優(yōu)控制、人工智能、模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等）成 為可能。 （3）采用新型電力電子半導(dǎo)體器件 目前，伺服控制系統(tǒng)的輸出器件多采用開關(guān)頻率很高的新型功 率半導(dǎo)體器件，主要有大功率晶體管（gtr）、

19、功率場效應(yīng)管 （mosfet）和絕緣門極晶體管（igbt）等。這些先進器件的應(yīng)用顯 著降低了伺服單元輸出回路的功耗，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，降低 了運行噪聲。尤其是，最新型的伺服控制系統(tǒng)已開始使用一種把控 制電路功能和大功率電子開關(guān)器件集成在一起的新型模塊，稱為智 能控制功率模塊。這種器件將輸人隔離、能耗制動、過溫、過壓、 過流保護及故障診斷等功能全部集成于一個不大的模塊中。其輸入 邏輯電平與 ttl 信號完全兼容，與微處理器的輸出可直接接口。它 的應(yīng)用顯著地簡化了伺服單元的設(shè)計，并實現(xiàn)了伺服系統(tǒng)的小型化 和微型化。 （4）高度集成化 新的伺服系統(tǒng)產(chǎn)品改變了將伺服系統(tǒng)劃分為速度伺服單元與位 置伺

20、服單元 2 個模塊的做法，代之以單一、高度集成化、多功能的 控制單元。同一個控制單元，只要通過軟件設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)就可改變 其性能，既可以使用電機本身配置的傳感器構(gòu)成半閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)， 又可以通過接口與外部的位置或速度或力矩傳感器構(gòu)成高精度的全 閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。高度的集成化，顯著縮小了整個控制系統(tǒng)的體積， 使伺服系統(tǒng)的安裝與調(diào)試工作都得到簡化。 （5）智能化 智能化是當(dāng)前一切工業(yè)控制設(shè)備的流行趨勢，伺服驅(qū)動系統(tǒng)作 為一種高級的工業(yè)控制裝置也不例外。最新數(shù)字化的伺服控制單元 通常都設(shè)計為智能型產(chǎn)品，其智能化特點表現(xiàn)在： 都具有參數(shù)記 憶功能。系統(tǒng)的所有運行參數(shù)都可通過人機對話的方式由軟件來設(shè) 置，保存在

21、伺服單元內(nèi)部，通過通信接口，這些參數(shù)甚至可以在運 行途中由上位計算機加以修改，應(yīng)用方便； 都具有故障自診斷與 分析功能。無論什么時候，只要系統(tǒng)出現(xiàn)故障，就會將故障類型及 可能引起故障的原因通過用戶界面清楚地顯示出來，這就簡化了維 修與調(diào)試的復(fù)雜性；有的伺服系統(tǒng)還具有參數(shù)自整定的功能。眾 所周知，閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)整定是保證系統(tǒng)性能指標(biāo)的重要環(huán)節(jié)， 也是需要耗費較多時間與精力的工作。帶有自整定功能的伺服單元 可通過幾次試運行，自動將系統(tǒng)的參數(shù)整定出來，并自動實現(xiàn)其最 優(yōu)化。對于使用伺服單元的用戶來說，這是新型伺服系統(tǒng)最具吸引 力的特點之一。 （6）模塊化和網(wǎng)絡(luò)化 在國外，以工業(yè)局域網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的

22、工廠自動化（factory automation，簡稱 fa）工程技術(shù)在近十年來得到了長足發(fā)展，并顯 示出良好的發(fā)展勢頭。為適應(yīng)這一發(fā)展趨勢，最新的伺服系統(tǒng)都配 置了標(biāo)準(zhǔn)的串行通信接口和專用的局域網(wǎng)接口。這些接口的設(shè)置顯 著增強了伺服單元與其它控制設(shè)備問的互聯(lián)能力，從而，與 cnc 系 統(tǒng)問的連接也變得簡單，只需 1 根電纜或光纜就可將數(shù)臺，甚至數(shù) 十臺伺服單元與上位計算機連接為整個數(shù)控系統(tǒng)。也可通過串行接 口與可編程控制器（plc）的數(shù)控模塊相連。 1.31.3 設(shè)計要求及參數(shù)設(shè)計要求及參數(shù) 高精度位置伺服系統(tǒng)采用一個功率為 2.5kw 的寬調(diào)速電動機作 為執(zhí)行電機，拖動負(fù)載運動。 系統(tǒng)要求

23、達到的技術(shù)指標(biāo)為：（1）定位精度0.4；（2）定位 過程超調(diào)量10%；（3）輸入階躍、速度、加速度轉(zhuǎn)角信號時，調(diào)節(jié) 時間 its250ms；（4）跟隨速度信號時，無穩(wěn)態(tài)誤差；（5）跟隨 加速度信號時，穩(wěn)態(tài)誤差b a=b ab a=b ab a=b ab a=b ab)輸出端保持為低電平，當(dāng)計數(shù)值大于 x 時 u2 的 (ab)輸出端為高電平。隨著計數(shù)值的增加，q3q10 由全“1”變 為全“0”時，(ab)輸出端又變?yōu)榈碗娖?，這樣, 在 u2 的(ab)端 得到 pwm 的信號，其占空(255-x)/255100%，改變 x 值可改變 pwm 信號的占空比，進行直流電機的轉(zhuǎn)速控制。使用此方法單

24、片機只需 根據(jù)調(diào)整量輸出 x 值，pwm 信號由三片通用數(shù)字電路生成，使軟件 大大簡化，有利于單片機系統(tǒng)正常工作。由于單片機上電復(fù)位時 p0 端口輸出全“1”，使用 4585 的 b 組與 p0 端口相連，升速時 p0 端 口輸出 x 按一定規(guī)律減少，降速時按一定規(guī)律增大【25】。 3.3.23.3.2 電機驅(qū)動電路的設(shè)計電機驅(qū)動電路的設(shè)計 lmd18200 內(nèi)部集成了四個 dmos 管，組成一個標(biāo)準(zhǔn)的 h 型驅(qū) 動橋。通過充電泵電路為上橋臂的 2 個開關(guān)管提供柵極控制電壓， 充電泵電路由一個 300khz 左右的工作頻率?？稍谝_ 1、11 外接 電容形成第二個充電泵電路，外接電容越大，向開

25、關(guān)管柵極輸入的 電容充電速度越快，電壓上升的時間越短，工作頻率可以更高。引 腳 2、10 接直流電機電樞，正轉(zhuǎn)時電流的方向應(yīng)該從引腳步到引腳 10；反轉(zhuǎn)時電流的方向應(yīng)該從引腳 10 到引腳 2。電流檢測輸出引 腳 8 可以接一個對地電阻，通過電阻來輸出過流情況。內(nèi)部保護電 路設(shè)置的過電流閾值為 10a，當(dāng)超過該值時會自動封鎖輸出，并周 期性的自動恢復(fù)輸出。如果過電流持續(xù)時間較長，過熱保護將關(guān)閉 整個輸出。過熱信號還可通過引腳 9 輸出，當(dāng)結(jié)溫達到 145 度時 引腳 9 有輸出信號。 lmd18200 提供雙極性驅(qū)動方式和單極性驅(qū)動方式。雙極性驅(qū)動 是指在一個 pwm 周期里，電動機電樞的電壓

26、極性呈正負(fù)變化。雙極 性可逆系統(tǒng)雖然有低速運行平穩(wěn)性的優(yōu)點，但也存在著電流波動大， 功率損耗較大的缺點，尤其是必須增加死區(qū)來避免開關(guān)管直通的危 險，限制了開關(guān)頻率的提高，因此只用于中小功率直流電動機的控 制【26】。 a - + c 22k dir 3 pwm 5 vcc 6 thermalf0 9 currents0 8 brake 4 gnd 7 out1 2 out2 10 boots2 11 boots1 1 * lmd18200 a 圖 3-7 驅(qū)動電路 3.43.4 顯示電路的設(shè)計顯示電路的設(shè)計 在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，除了要使用鍵盤外，還要用相應(yīng)的顯示 器，常用的有 led 和 lc

27、d 兩種，這兩種顯示器成本低廉，配置靈活， 與單片機接口方便。近年來也開始配置簡易的 crt 接口，可以方便 的進行圖形顯示。在本系統(tǒng)中，采用價格低廉，接口電路靈活的 led 顯示器，下面先介紹一下 led 顯示器。 led 是發(fā)光二極管英文的縮寫。led 顯示器是由發(fā)光二極管構(gòu)成 的，led 顯示器在單片機系統(tǒng)中應(yīng)用非常普遍【27】。 led 顯示器有動態(tài)顯示和靜態(tài)顯示兩種顯示方式。 1led 靜態(tài)顯示方式 led 顯示器工作于靜態(tài)顯示方式時，各位的共陰極或共陽極 連接在一起并接地；每位的段碼線分別與 1 個 8 位的鎖存器輸出相 連。之所以稱為靜態(tài)顯示，是因為各個 led 的顯示字符一經(jīng)確

28、定， 相應(yīng)鎖存器鎖存的段碼輸出將維持不變，直接送入另一個字符的段 碼為止。正因為如此，靜態(tài)顯示器的亮度都較高。 2led 動態(tài)顯示方式 在多位 led 顯示時，為簡化硬件電路，通常將所有位的段碼線 相應(yīng)段并聯(lián)在一起，由 1 個 8 位 i/o 口控制，形成段碼線的多路復(fù) 用，而各位的共陽極或共陰極分別由相應(yīng)的 i/o 線控制，形成各位 的分時選通。若要各位 led 能夠同時顯示出于本位相應(yīng)的顯示字符， 就必須采用動態(tài)顯示方式，即在某一時刻，只讓某一位的位選線處 于選通狀態(tài)，而其他各位的位選線處于關(guān)閉狀態(tài)，同時，段碼線上 輸出相應(yīng)位要顯示的字符的段碼。這樣，在同一時刻，4 位 led 中 只有選

29、通的那一位顯示出字符，而其他 3 位則是熄滅的。同樣，在 下一時刻，只讓下一位的位選線處于選通狀態(tài)，而其他各位的位選 線處于關(guān)閉狀態(tài)，在段碼線上輸出將要顯示字符的段碼，則同時刻， 只有選通位顯示出相應(yīng)的字符，而其他各位則是熄滅的。 根據(jù)設(shè)計要，我們需要設(shè)計顯示電路，顯示出電機的轉(zhuǎn)速，調(diào) 節(jié)速度以及其他的顯示數(shù)據(jù)，由于顯示功能較少，我選擇數(shù)碼管顯 示電路，電路圖如圖 3-8 所示。 圖 3-8 數(shù)碼管顯示電路 3.53.5 按鍵電路的設(shè)計按鍵電路的設(shè)計 1、鍵盤輸入的特點 鍵盤實際上是一組按鍵開關(guān)的集合。通常，鍵盤開關(guān)利用了機 械觸點的合、斷作用。一個電壓信號通過鍵盤開關(guān)機械出點的斷開、 閉合輸

30、出波形。 2、按鍵的確認(rèn) 鍵的閉合與否，反映在行線輸出電壓上就是呈現(xiàn)高電平或低電 平，如果高電平表示鍵斷開，低電平則表示鍵閉合，通過對行線電 平高低狀態(tài)的檢測，便可確認(rèn)按鍵按下與否。為了確保 cpu 對一次 按鍵動作只確認(rèn)一次按鍵有效，必須消除抖動期的影響。 3、消除按鍵的抖動 采用軟件延時來消除按鍵抖動的基本思想是：在第一次檢 測到有按鍵按下時，該鍵所對應(yīng)的行線為低電平，執(zhí)行一段延時 10ms 的子程序后，確認(rèn)該行線電平是否仍為低電平，如果仍為低電 平，則確認(rèn)為該行確實有按鍵按下。當(dāng)按鍵松開時，行線的低電平 變?yōu)楦唠娖?，?zhí)行一段延時 10ms 的子程序后，檢測到該行線為高電 平，說明按鍵確實

31、已經(jīng)松開。采取以上措施，躲開了兩個抖動期， 從而消除了按鍵抖動的影響。 根據(jù)設(shè)計要求，需要對系統(tǒng)進行實時的調(diào)節(jié)，因此需要輸入設(shè) 備，由于調(diào)節(jié)參數(shù)較少，可以使用符合按鍵，我選擇獨立按鍵，足 以滿足系統(tǒng)要求 獨立式鍵盤就是各鍵相互獨立，每個按鍵各接一根輸入線的電 平狀態(tài)可以很容易的判斷哪個按鍵被按下。 在按鍵數(shù)目較多時，獨立式鍵盤電路需要較多的輸入口線且電 路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故此種鍵盤適用于按鍵較少或操作速度較高的場合。 各種獨立式鍵盤中，各按鍵均采用了上拉電阻，這是為了保證 在按鍵斷開時，各 i/o 口有確定的低電平。 圖 3-9 按鍵電路 3.63.6 電源電路的設(shè)計電源電路的設(shè)計 電源電路是指提供

32、給用電設(shè)備電力供應(yīng)的電源部分的電路設(shè)計， 使用的電路形式和特點 【28】 。電源有交流電源也有直流電源 ，本 系統(tǒng)的電源電路如下所示： vinvout gnd 7805 t2 trans ideal d-37 bridge1 0.1uf c6 0.1uf c7 cap 220v d-38 bridge1 5v 2200pf c1 0.33uf c1 vinvout gnd 7824 0.1uf c6 0.1uf c7 cap24v 2200pf c1 0.33uf c1 - + + - 圖 3-10 電源電路 第四章第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件設(shè)計 4.14.1 總體設(shè)計思想總體設(shè)計思想 4.

33、1.14.1.1 系統(tǒng)的工作過程系統(tǒng)的工作過程 高精度位置伺服系統(tǒng)采用位置調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)電流三閉環(huán)調(diào)節(jié) 環(huán)節(jié)組成，位置環(huán)檢測電機當(dāng)前所處的位置，轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn) 速，用光電編碼器可以檢測并計算出電動機的當(dāng)前的速度計運動方 向以及電動機的當(dāng)前的位置，若電動機的位置不在指定位置，并且 在轉(zhuǎn)速環(huán)的調(diào)節(jié)范圍之內(nèi)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速達到調(diào)節(jié) 電動機未知的目的；若電動機的位置不在指定位置，并且已經(jīng)超出 了轉(zhuǎn)速環(huán)的調(diào)節(jié)范圍，位置調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)電動機的運動方向，達到調(diào) 節(jié)電動機的位置。 4.1.24.1.2 程序設(shè)計方法選擇程序設(shè)計方法選擇 通常應(yīng)用程序設(shè)計的方法有：模塊化設(shè)計和結(jié)構(gòu)化設(shè)計。 模塊化設(shè)計

34、，簡單地說就是程序的編寫不是開始就逐條錄入計 算機語句和指令，而是首先用主程序、子程序、子過程等框架把軟 件的主要結(jié)構(gòu)和流程描述出來，并定義和調(diào)試好各個框架之間的輸 入、輸出鏈接關(guān)系。逐步求精的結(jié)果是得到一系列以功能塊為單位 的算法描述。以功能塊為單位進行程序設(shè)計，實現(xiàn)其求解算法的方 法稱為模塊化。模塊化的目的是為了降低程序復(fù)雜度，使程序設(shè)計、 調(diào)試和維護等操作簡單化 。 結(jié)構(gòu)化分析方法(structured method，結(jié)構(gòu)化方法)是強調(diào)開 發(fā)方法的結(jié)構(gòu)合理性以及所開發(fā)軟件的結(jié)構(gòu)合理性的軟件開發(fā)方法。 結(jié)構(gòu)是指系統(tǒng)內(nèi)各個組成要素之間的相互聯(lián)系、相互作用的框架。 結(jié)構(gòu)化開發(fā)方法提出了一組提高

35、軟件結(jié)構(gòu)合理性的準(zhǔn)則，如分解與 抽象、模塊獨立性、信息隱蔽等。針對軟件生存周期各個不同的階 段，它有結(jié)構(gòu)化分析 (sa)、結(jié)構(gòu)化設(shè)計(sd)和結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計 (sp)等方法。 根據(jù)系統(tǒng)的工作過程，本設(shè)計采用模塊化設(shè)計方法，主要包括： 主程序模塊、數(shù)據(jù)采集及處理子程序模塊、控制算法子程序模塊以 及鍵盤顯示程序模塊。 4.1.34.1.3 程序設(shè)計語言的選擇程序設(shè)計語言的選擇 常用的編程語言有：機器語言、匯編語言和高級語言。 機器語言是一組有意義的二進制代碼，指令的基本格式如： 操作碼字段地址碼字段其中操作碼指明了指令的操作性質(zhì)及功能， 地址碼則給出了操作數(shù)或操作數(shù)的地址 。 匯編語言是一種功能很

36、強的程序設(shè)計語言，也是利用 計算機 所有硬件特性并能直接控制硬件的語言。匯編語 言，作為一門語 言，對應(yīng)高級語言的編譯器，需要一個 “匯編器”來把匯編語言 源文件會變成機器語言課執(zhí)行的代碼。 高級的匯編器如 masm，tasm 等等為我們寫匯編 程序提供了很多類似于高級語言的 特征，比如結(jié)構(gòu)化、抽象等。在這樣的環(huán)境中編寫的匯編程序， 有很大一部分是面向匯編器的 偽指令，已經(jīng)類同于高級語言?，F(xiàn) 在的匯編環(huán)境已經(jīng)如此高級，即使全部用匯編語言來編寫 windows 的應(yīng)用程序也是可行的，但這不是匯編語言的長處。匯 編語言的長處在于編寫高效且需要對機器硬件精確控制的程序。 由于匯編語言依賴于硬件體系，

37、且助記符量大難記，于是人們 又發(fā)明了更加易用的所謂高級語言。在這種語言下，其語法和結(jié)構(gòu) 更類似普通英文，且由于遠(yuǎn)離對硬件的直接操作，使得一般人經(jīng)過 學(xué)習(xí)之后都可以編程。高級語言通常按其基本類型、代系、實現(xiàn)方 式、應(yīng)用范圍等分類。 本系統(tǒng)采用匯編語言編寫程序。 4.24.2 主程序設(shè)計主程序設(shè)計 本系統(tǒng)的主程序主要是完成對存儲單元、堆棧指針等的初 始化；對電流、轉(zhuǎn)速檢測子程序、pi 計算子程序、鍵盤、顯示子程 序的調(diào)用，最終實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的控制。程序流程圖如圖 4-1 所示 開始 初始化 送控制系數(shù) 調(diào)電流檢測子程 序 開外部中斷 調(diào)顯示子程序 調(diào)電流pi算法子程序 調(diào)轉(zhuǎn)速pi算法子程序 調(diào)鍵盤子程

38、序 關(guān)外部中斷 圖 4-1 主程序流程 4.34.3 數(shù)據(jù)采集（轉(zhuǎn)速檢測數(shù)據(jù)采集（轉(zhuǎn)速檢測）子程序的設(shè)計）子程序的設(shè)計 本程序由 2 個外部中斷、1 個定時中斷組成，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的測 量。 4.3.14.3.1 外部中斷外部中斷 0 0 服務(wù)程序服務(wù)程序 程序首先清軟件計數(shù)器，然后判斷定時器 0 是否進入定時狀態(tài)， 如果是，則對光電編碼盤發(fā)出的脈沖進行計數(shù)，否則，啟動定時器 0 后再對 plg 進行計數(shù)。外部中斷 0 服務(wù)程序流程圖如圖 4-2 所示。 中斷0入口 清計數(shù)器 啟動t0定時 對plg計數(shù) t0是否定時 返回 y n 圖 4-2 中斷程序流程圖 4.3.24.3.2 定時器定時器 0

39、 0 中斷服務(wù)程序中斷服務(wù)程序 在外部中斷 0 服務(wù)程序中，當(dāng)定時器定時到了以后，就進入此 程序。首先關(guān)掉外部中斷 0，保存計數(shù)值 m2，并且清定時器 th0、tl0 留作下次用，然后啟動定時器 1 定時，打開外部中斷 1。 定時器 0 中斷服務(wù)程序流程圖如圖 4-3 所示。 t0中斷入口 關(guān)外部中斷 返回 存m2 清定時器t0 開外部中斷 啟動t1定時 圖 4-3 定時器 0 中斷服務(wù)程序流程圖 4.3.34.3.3 外部中斷外部中斷 1 1 服務(wù)程序服務(wù)程序 在定時器 0 服務(wù)程序中，當(dāng) int0 端子接受上升沿時，就進入此 程序。關(guān)外部中斷 1，并且使定時器 1 停止計數(shù)，保存計數(shù)值 m

40、3。 外部中斷 1 服務(wù)程序流程圖如圖 4-4 所示。 中斷1入口 關(guān)外部中斷 返回 存m3 t1停止計數(shù) 圖 4-4 外部中斷 1 服務(wù)程序流程圖 4.44.4 pipi 算算法子程序法子程序設(shè)計設(shè)計 取給定與反饋值進行比較，求偏差，求控制增量，進而求控制 量，判斷控制量是否超過上限：是輸出上限，返回；否輸 出控制量，返回。程序流程圖如圖 4-5 所示. 圖 4-5 pi 算法子程序流程圖 開始 計算偏差e(k) 計算比例項 max uku1 max uku1 積分分離項 積分控制量u(k) 退出 ke ke y n n nn y yy 總總 結(jié)結(jié) 經(jīng)過了一學(xué)期的努力，畢業(yè)設(shè)計終于完成了，現(xiàn)

41、在回想起來整 個設(shè)計過程，我覺得受益匪淺。在這段時間里，我們不懈地努力、 全身心的投入，通過請教老師和查閱資料以及自己的學(xué)習(xí)，鞏固了 很多以前過的知識。 畢業(yè)設(shè)計是一個重要的教學(xué)環(huán)節(jié),它是將理論知識加以應(yīng)用的具 體體現(xiàn)，是對學(xué)生各方面能力的一種提高，也是對我們的一種鍛煉， 我們馬上要走向工作崗位，在接到工作任務(wù)時，我們就可以像現(xiàn)在 這樣有條不紊的做個計劃，分清主次，很好的完成任務(wù)。 這次的設(shè)計報告整體分五章，第一章對設(shè)計的目的、意義以伺 服控制系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀做了而一個概述，第二章對系統(tǒng)方案 進行了論證，第三章介紹了設(shè)計的硬件部分，第四章介紹了軟件流 程部分，第五章是對設(shè)計的總結(jié)。 作為高

42、精度位置伺服微機控制系統(tǒng)，其主要任務(wù)是保證電機的 安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行，減輕操作人員的勞動強度。采用微計算機 控制，能對電機進行過程的自動檢測、自動控制等多項功能。 通過此次設(shè)計，我不僅熟悉了高精度位置伺服微機控制系統(tǒng)的 相關(guān)指標(biāo)及要求，更大的收獲就是我熟悉了如何運用 pid 控制算法 實現(xiàn)對電機的控制。通過這次畢業(yè)設(shè)計，我明白了學(xué)習(xí)是一個長期 積累的過程，在以后的工作、生活中都應(yīng)該不斷的學(xué)習(xí)，不斷地給 自己“充電”,努力提高自己知識和綜合素質(zhì)。 致致 謝謝 經(jīng)過了一學(xué)期的學(xué)習(xí)和努力，我們學(xué)到了很多知識，在這段時 間里，我們不懈地努力、全身心的投入，一路走過來，從只知道些 課本的理論知識之外一

43、無所知的菜鳥開始，請教老師和同學(xué)，差閱 資料和書籍，自己動手實踐、摸索，這是一個美妙的過程，收獲的 結(jié)果并不重要，收獲的整個過程才是有價值的，我們從這個過程鍛 煉了很多能力，有的極其深遠(yuǎn)的意義。這個過程使我們對將來有了 一個新的認(rèn)識一個新的定位，也為我們指明了方向?；谖覀儗@ 方面感興趣，我們會繼續(xù)努力，有斗志躋身于自動化這個行業(yè)。最 后感謝于微波老師，感謝老師給我的指導(dǎo)和鼓勵，我很珍惜，在這 里祝愿老師身體健康，工作順利！ 雖然設(shè)計每位同學(xué)的課題都不盡相同，但是在設(shè)計的過程中一 些相似的地方，我與同學(xué)都積極地溝通交流，互相介紹一下自己的 經(jīng)驗體會以達到共同提高的目的。這樣的溝通也使我們少走

44、了很多 彎路，也節(jié)省了不少時間，大大提高了效率。在本次設(shè)計中，在與 他們的溝通交流中，我學(xué)到了很多知識，也吸取了他們的經(jīng)驗，使 得我少走了很多彎路，同時他們也對我的設(shè)計方案提出了很多寶貴 的意見，在此也向他們道一聲感謝！ 由于個人能力有限，所作設(shè)計一定會有一些錯誤和疏漏之處，敬 請各位老師批評指導(dǎo)。 參考文獻參考文獻 1 陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)m.北京:機械工業(yè)出版社, 1997 2 王森.儀表使用數(shù)據(jù)手冊m.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1998.7 3 張琳娜，劉武發(fā).傳感器檢測技術(shù)及應(yīng)用m.北京：中國計量 出版社,1999.12 4 劉金琨.先進 pid 控制及其 matlab 仿真m.北

45、京：電子工業(yè) 出版社，2003.1 5 陳汝全，林水生，夏利.實用微機與單片機控制技術(shù)m.成都： 電子科技大學(xué)出版社,1998.11 6 徐強等編著.脈寬調(diào)速系統(tǒng)m.上海：上海科學(xué)技術(shù)文獻出版 社，1984 7 呂俊方.傳感器接口與檢測儀器電路m.北京：航空航天大學(xué) 出版社,1998.5。 8 姚俊，馬松輝.simulink 建模與仿真m.西安電子科技大學(xué)出 版社，2002 年 9 薛定宇，陳陽泉?；?matlab/simulink 的系統(tǒng)仿真技術(shù)與 應(yīng)用m.北京：清華大學(xué)出版社，2002 10 章兼源.微機控制技術(shù)m.電子工業(yè)出版社，2003，7 11 劉原.直流伺服電機的微機控制調(diào)速裝置

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49、999 年 附錄一：系統(tǒng)原理圖附錄一：系統(tǒng)原理圖 12 30pf c1 30pf c2 vcc p1.0 1 p1.1 2 p1.2 3 p1.3 4 p1.4 5 p1.5 6 p1.6 7 p1.7 8 int1 13 int0 12 t0 14 t1 15 ea/vpp 31 xtal1 19 xtal2 18 reset 9 rd 17 wr 16 gnd 20 vcc 40 p0.0 39 p0.1 38 p0.2 37 p0.3 36 p0.4 35 p0.5 34 p0.6 33 p0.7 32 p2.0 21 p2.1 22 p2.2 23 p2.3 24 p2.4 25 p2

50、.5 26 p2.6 27 p2.7 28 psen 29 ale/prog 30 txd 11 rxd 10 at89s51 f 9 g 10 e 1 d 2 a 3 c 4 dp 5 b 6 a 7 a 8 ds1 f 9 g 10 e 1 d 2 a 3 c 4 dp 5 b 6 a 7 a 8 ds2 f 9 g 10 e 1 d 2 a 3 c 4 dp 5 b 6 a 7 a 8 ds3 f 9 g 10 e 1 d 2 a 3 c 4 dp 5 b 6 a 7 a 8 ds4 +5 clr clk a b qa qb qc qd qe qf qg qh 74 l s1 64 cl

51、r clk a b qa qb qc qd qe qf qg qh 74 l s1 64 clr clk a b qa qb qc qd qe qf qg qh 74 l s1 64 +5 clr clk a b qa qb qc qd qe qf qg qh 74 l s1 64 74ls08 txd vcc a - + c 22k 12 u1a 74ls14 +5 +5 +5 +5 +5 int0 int1 p2.5 p2.5 dir 3 pwm 5 vcc 6 thermalf0 9 currents0 8 brake 4 gnd 7 out1 2 out2 10 boots2 11 b

52、oots1 1 * lmd18200 專專專專專34 u1b 74ls14 56 u1c 74ls14 int0 int1 b0 b1 b2 b3 ab a=b ab a=b ab a=b ab a=b ab a0 a1 a2 a3 vdd vss 4585 q1 q2 q3 q4 q5 q6 q7 q8 q9 q10 q11 q12 vdd rst vss clk 4080 msb2-1 21 2-2 20 2-3 19 2-4 18 2-5 8 2-6 15 2-7 14 lsb2-8 17 eoc 7 add-a 25 add-b 24 add-c 23 enable 9 start 6

53、 ale 22 in-0 26 in-1 27 in-2 28 in-3 1 in-4 2 in-5 3 in-6 4 in-7 5 ref(+) 12 ref(-) 16 clock 10 u3 adc0809 0.1uf c4 vcc +24v 5 6 4 u4b sn74f02d wr wr p2.1 p2.1 u4a sn74f02d rd rd vcc n0 n1 n2 n3 n4 n5 n6 n7 p2.4 p2.4 p2.6 p2.6 p2.7 p2.7 cd 1 d 2 clk 3 sd 4 q 5 q 6 u6a 74ls74 vcc vcc ale ale 10k vinv

54、out gnd 7805 t2 trans ideal d-37 bridge1 0.1uf c2 0.1uf c4 cap 220v 專專 專專 專專 專專專專 專專專專 專專專 專專專 專專專 2011專6專9專 專專專專專專專專專專專專專專專專 a a n0 n1 n2 n3 n4 n5 n6 n7 d-38 bridge1 5v 2200pf c1 0.33uf c3 vinvout gnd 7824 0.1uf c6 0.1uf c7 cap24v 2200pf c5 0.33uf c8 r1 30pf c1 - + + - 附錄二：部分程序清單附錄二：部分程序清單 org 0000

55、h sjmp display org 0003h ljmp button org 000bh ljmp dingshi org 0013h ljmp button1 rs equ p3.0 rw equ p3.1 e equ p3.4 org 0030h display: setb ea setb ex0 setb it0 mov tmod,#01h mov tl0,#0ffh mov th0,#0ffh setb et0 clr p0.5 clr p0.6 clr p0.7 setb tr0 mov dptr,#tab mov r0,#00h mov r1,#16h mov r3,#00h mov r4,#00h lp9: lcall chushi lp2: acall busy mov a,#00h movc a,a+dptr mov p1,a acall datas inc dptr djnz r1,lp2 lp3: cjne r3,#00h,lp4 cjne r4,#00h,lp4 sjmp lp3 lp4: m