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伺服电机控制电路设计

攀枝花学院专科毕业设计（论文）

伺服电机控制电路设计

学生姓名：

王金诚

学生学号：

0033

院（系）：

工程技术学院

年级专业：

生产过程自动化

指导教师：

周登荣副教授

二〇一〇年十月

摘　要

微电子学的突飞猛进，规模集成电路成批生产，计算机的广泛应用，使得伺服控制技术获得迅猛发展。

由于有了微计算机，使现代控制理论在伺服系统中的应用得到有力的支持，架起了现代控制理论通向伺服系统的桥梁，大大改善了控制性能。

而电力电子学的最新成就，又促使了伺服系统的不断发展。

展望未来，新器件、新理论、新技术必将驱使伺服系统朝着“智能化”的方向发展，赋予人工智能特性的伺服系统必将获得广泛应用。

本文采用微机直流伺服系统硬件、软件的设计。

包括系统总体方案设计，单片机应用系统设计，驱动电路设计，测量电路设计，以及系统软件的设计方法.系统以MCS-51单片机为控制核心，控制量经D/A（数/模）转换送大功率驱动模块以控制直流伺服电机，直流伺服电机的输出经减速器减速后送输出指针。

采用光电编码器实现对系统输出转角的测量，光电编码器输出的两路相差1/4周期的方波信号，经脉冲变换电路整形辨相为两路反映电机转向的脉冲信号，由可逆计数器计数后，反馈回单片机内。

单片机主要完成定时采样、偏差计算、控制算法运算及控制输出等功能。

关键词：

单片机，伺服电机，光电编码器，驱动，逆变

ABSTRACT

Therapiddevelopmentofmicroelectronics,scaleintegratedcircuitmassproduction,theextensiveapplicationofcomputers,makingaccesstotherapiddevelopmentoftheservocontroltechnology.Thankstomicro-computer,themoderncontroltheoryintheservosystemtoenjoystrongsupport,hassetupservosystemofmoderncontroltheoryleadstothebridge,hasgreatlyimprovedthecontrolperformanceThelatestachievementsinpowerelectronics,butalsotopromotethecontinuousdevelopmentoftheservosystem.Lookingtothefuture,newdevices,newtheories,newtechnologieswilldriveservosysteminthe"intelligent"direction,givingAIservosystemfeatureswillbewidelyused.

Thisservosystemusingcomputerhardwareandsoftwaredesign.Includingoverallsystemdesign,microcomputerapplicationsystemdesign,drivecircuitdesign,circuitdesign,measurement,andsystemsoftwaredesign.SystemforthecontrolofMCS-51microcontrollercore,controlvolumebytheD/A（D/A）conversiontosendlargepowermoduletocontroltheDCservomotors,DCservomotorgearreduceroutputbytheevacuationoftheoutputpointer.Photoelectricencoderimplementationonthesystemoutputanglemeasurement,opticalencoderoutputdifferencebetweenthetwoAB1/4cyclesquarewavesignal,identifiedbythepulseshapingcircuittransformationphasetwomotorrotationpulsesignalreflectedbythereversiblecountercount,thefeedbacktothemicrocontroller.ThemainMCUtocompletethesamplingtime,deviation,controlalgorithmcomputationandcontroloutputfunctions.

Keywords:

Single-ChipComputer，motor，photoelectric，drive，inversion

第一章绪论

电力电子技术的进步，导致控制技术的大变革。

微处理机和数字信号处理器的出现，使得伺服系统电脑化，控制装置的功能由软件决定。

惊人的设计趋向是在现代伺服回路的反馈部分，基于“if（如）……then（则）”规则的动态变化的数字式反馈补偿，在现代的最新设计中，可显著提高伺服软系统的性能。

也就是说，现代伺服回路预示着“专家”回路的出现。

总而言之，微电子学的突飞猛进，规模集成电路成批生产，计算机的广泛应用，使得伺服控制技术获得迅猛发展。

由于有了微计算机，使现代控制理论在伺服系统中的应用得到有力的支持，架起了现代控制理论通向伺服系统的桥梁，大大改善了控制性能。

而电力电子学的最新成就，又促使了伺服系统的不断发展。

展望未来，新器件、新理论、新技术必将驱使伺服系统朝着“智能化”的方向发展，赋予人工智能特性的伺服系统必将获得广泛应用。

第二章设计方案分析

可行性分析

系统以MCS-51单片机为控制核心，控制量经D/A（数/模）转换送大功率驱动模块以控制直流伺服电机，直流伺服电机的输出经减速器减速后送输出指针。

采用光电编码器实现对系统输出转角的测量，光电编码器输出的两路相差1/4周期的方波信号，经脉冲变换电路整形辨相为两路反映电机转向的脉冲信号，由可逆计数器计数后，反馈回单片机内。

单片机主要完成定时采样、偏差计算、控制算法运算及控制输出等功能。

方案比较及确定

（1）微机直流伺服系统硬件、软件的设计。

包括系统总体方案设计，单片机应用系统设计，驱动电路设计，测量电路设计，以及系统软件的设计方法.

（2）直流伺服系统控制策略的研究。

考虑到基本PID控制在控制系统中已经能够取得基本满意的效果，首先讨论了直流伺服系统基本PID控制算法、参数整定及控制算法的实现方法。

滑模变结构控制是一种在给定超曲面上采用不同结构控制，滑模变结构控制的滑动模态对加给系统的干扰和系统的各种摄动具有完全的自适应性，所以完全能满足高精度伺服系统的控制要求处理。

论文讨论了滑模变结构控制的基本方法，设计了直流伺服系统滑模变结构控制器，并用MATLAB仿真比较了两种控制的控制效果。

（3）系统软、硬件的调试方法，以及采用PID控制的系统实验结果。

总体框图

图2-1总体框图

第三章伺服电机控制电路基本原理

设计原理

3.1.1伺服电机简介

伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。

分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。

20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。

3.1.2总体方案

位置随动系统的根本任务就是实现执行机构对给定量的准确跟踪，能使被控量准确无误地跟随并复现给定量。

为使系统获得所要求的性能指标，必须对直流伺服电动机的三个基本状态变量，即位置（转角）、转速和电枢电流中的一个、二个或三个进行测量，组成不同结构的控制系统.系统设计为如图1所示的具有位置环的闭环控制系统。

系统以MCS-51单片机为控制核心，控制量经D/A（数/模）转换送大功率驱动模块以控制直流伺服电机，直流伺服电机的输出经减速器减速后送输出指针。

采用光电编码器实现对系统输出转角的测量，光电编码器输出的两路相差1/4周期的方波信号，经脉冲变换电路整形辨相为两路反映电机转向的脉冲信号，由可逆计数器计数后，反馈回单片机内。

单片机主要完成定时采样、偏差计算、控制算法运算及控制输出等功能。

图1微机直流伺服系统

模块式单片机应用系统设计

作为微机家族的重要成员一一单片机，在工业生产等领域的应用极为广泛。

它是在一块芯片上集成的一台微型计算机，芯片内一般集成有微处理器（CPU）,存储器（RAM,ROM、或EPROM）,输入输出接口（I/0）、定时/计数器、时钟电路等。

有些单片机除了有并行的I/0接口外，还增添了串行接口、A/D转换接口等。

单片机的特点除了体积小、功耗底、价格便宜外，还有通用性强；面向控制:

可靠性高、抗干扰能力强:

具有掉电保护；I/0接口功能很强，便于扩展；应用研制周期短，开发效率高等特点。

鉴于本系统的设计要求，以及实验调试条件等情况，采用了MCS-51系列单片机。

3.2.1基于总线的模块式MCS-51单片机应用系统

随着微电子技术的迅速发展，单片机（微控制器）芯片的设计者和制造商不断推出性能优越且价格便宜的各类型号的单片机。

单片机的使用者则将其应用到越来越广泛的领域，应用模式也是各种各样。

虽然单片机应用的场合以及其作用各种各样，各系统的硬件结构也不相同，但是每个应用系统的组成原理大致相同，接口电路的设计方法是一样的，系统扩展都是基于其片外三总线实现的。

因此，本系统采用了一种基于MCS-51系列单片机三总线的通用应用系统设计方法。

这样设计的单片机应用系统不但可以用于直流伺服控制系统，还可以用于其他51系列单片机控制系统。

（1）单片机系统的总线结构

MCS-51系列单片机总线通用应用系统总线底板结构如图2所示。

图2底板总线结构

该总线共定义了40根线，分别是：

数据总线D0～D7；地址总线AO～A15；控制总线：

WR、RD、ALE、PSEN、RST；外部中断信号请求INT0、INT1；串行通信线RXD、TXD；插口译码线PS：

电源VCC、GND各两根。

底板上共有9个接插口，J1用于连接底板工作电源大于40脚插口的电源均由此接入，J2-J9为通用扩展口，其中一个用于安装带有CPU的主板，其余插口可任意插接各种用途的扩展模块板。

每个插口的地址可根据译码线PS的连接（DIP跳线）确定，译码方式非常灵活。

（2）CPU主板设计

基于上述总线设计的MCS-51系列单片机CPU主板如图3所示。

应用时单片机可采用与8031引脚兼容的芯片（如AT98C51、8751、87C51等）。

考虑到总线上可能要连接多块模板，将系统的3组总线经驱动后接到40脚总线接口，再通过40脚接插件与总线底板的插口连接，P1口及定时器输入T0、T1由16脚接插件引出。

而程序存储器选择逻辑是为了方便选用片内有或无程序存储器的芯片而设计的。

图3CPU主板模块原理框图

第四章伺服电机控制电路硬件设计

功能模块的设计

MCS-51单片机在简单的场合下应用，几乎不需要增加其他的硬件资源，就可构成一个最小的应用系统，使用非常方便.但是对于一般应用系统，必须在片外扩展相应的硬件。

我们以40总线为基础设计了多种I/0接口通用模块如:

存储器扩展模块（通过跳线可选择用于程序存储器或数据存储器的扩展）、A/D转换模块（ADC0809）,D/A转换模块（DAC0832）,键盘与显示器控制模块（8279）、与PC通信的串行通信模块（经RS232接口）、定时/计数器模块（8253）、可编程接口模块等，在实际应用中使用者可根据需要选择不同的模块进行配置。

根据本系统的控制要求，CPU主板上选用了AT89C51芯片，片内有4Kflash程序存储器已可以满足需要，另还须配置数/模转换、键盘/显示器控制、定时器/计数器以及控制程序存储器等模块。

.定时/计数器模块

由于AT89C51中仅有两个计数器，而系统采样定时需占用一个计数器。

本系统中要求伺服电动机可以正反向转动，在转角测量要求能进行可逆计数，所以必须进行计数器扩展。

可编程定时/计数器芯片的型号类型多种多样，大部分的外型引脚及功能设置都相差无几，只是在工作的最高频率上有些差别，例如:

8253-5型为5MHz,5254-2型为IOMHZ，另外还有其它频段的兼容芯片。

本设计采用了可编程定时/计数器芯片8253作为可逆计数器。

8253为24脚双列直插式芯片，每个芯片内有三个独立的计数器，每个计数器均有各自的时钟输入端CLK、计数输出端OUT和门控信号端（非）WR（非）读写引脚，低电平有效，是CPU对8253进行读写操作的命令输入端；Al和AO是地址线，它们和片选信号CS（非）一起确定了8253的命令寄存器和3个计数器的端口地址。

通过编程可设置计数器的工作方式和选择哪个计数器工作。

图4是8253模块及与总线连接图。

图48253模块电路

.键盘/显示器控制模块

在单片机应用系统中，为了了解控制系统的工作状态以及向系统输入数据和控制命令，一般都需要设置人机交互界面，即键盘/显示器电路。

单片机应用系统显示电路一般都采用点阵式或是数码管（LED）显示方法。

因为数码管具有既省电、成本低，而且配置灵活、接口方便等优点，本系统选用了数码管显示方法。

为了减小CPU资源占用率，减少软件的设计量，键盘和显示控制模块选用了Intel公司开发的专用接口芯片8279。

该芯片内部有16个单元的显示缓冲区，能对显示器实现8个数字或16个数字的自动扫描显示，能自动识别键盘的键号，大大的减轻了CPU的负担，若实现中断控制则几乎不占用CPU资源。

且对8279工作方式的修改只需改变命令字即可实现。

8279的内部结构主要是由数据缓冲器、I/0控制逻辑、控制和定时寄存器、定时控制电路、扫描计数器、回复缓冲器、键盘去抖动及控制电路、FIF0/传感器RAM及其状态寄存器、显示RAM及显示地址寄存器等部分组成，具体各个部分功能可查阅有关资料。

8279采用40引脚封装的双列直插式器件。

除了和一般的可编程芯片一样有

数据线（D0～D7，双向，三态总线）、数据选择线（A0=0时，CPU写入数据为命令字，读出为状态字；A0=1时，CPU读写均为数据）、读写控制等信号线外，还有用于扫描键盘和显示器的扫描线SL0～SL3、用于对键盘矩阵或传感器矩阵的行（或列）读入的回复线RL0～RL7、以及控制显示的2组显示信号：

OUTA0～OUTA3和OUTB0～在键盘工作方式时，当FIF0/传感器RAM中有数据时（有健按下）可由TRQ（中断请求）向CPU发出中断请求。

在接口方面，8279是通过片选端

、数据选择A0、读写控制信号

、

，来实现CPU与芯片间命令字或数据传送。

图5所示为8279键盘显示器控制模块原理图。

图58279键盘显示器控制模块

.D/A转换电路模块

D/A转换模块采用的是INTEL公司D/A转换芯片DAC0832。

DAC0832是双列直插式具有两个输入寄存器的8位D/A转换器，可以直接与8位微处理器直接相连。

其主要技术特性:

分辨率为8位：

基准电压UREF工作范围±10～–10V；供电电源为+5～+15V,电源稳定时N为1us，功耗为20mW；所有引脚的逻辑电平与TTL电平兼容。

DAC0832是电流输出型的数模转换器，使用时一般需要通过运算放大器转换为电压信号输出。

图6所示为D/A转换模块的原理图，DAC0832的两个寄存器同时选通和锁存，即采用的是单缓冲型工作方式，双极性输出方式可以满足系统的双极性控制。

功率驱动模块

随着微电子技术和电力电子技术的发展以及工业界对系统可靠性和小型化的要求，许多厂商相继推出了各种伺服电机控制的智能化功率集成电路，由这类电路可灵活地构成直流模拟式或数字式的小型化/高可靠运行的PWM伺服系统。

本系统选用了美国KOLLMORGEN公司型号为KXA-48-8-16/M/AUX的PWM伺服放大器（PWMServoAmplifier）作为功率驱动器。

KXA伺服放大器方框图（BlockDiagram）如图7

图7KXA模块结构示意图

由图可见，设置开关SW-1和SW-2在不同位置以及不同的输入信号时，可以得到已经具有电流控制回路的不同结构的直流伺服控制系统。

由于本系统设计的是一个具有位置环的闭环控制系统，因此采用的接线方法是：

D/A转换器输出的控制信号u由输入1，即由TB2的4端送入KXA；

速度检测信号未接入，开关SW-2位于下拨位置（速度调节器未接入）；

直流24V电源输入方式；

KXA功率放大信号由TB2的1,2端接直流伺服电机。

测量电路设计

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。

4.3.1光电编码器

增量式光电编码器由光源、光电转盘、光敏元件、光电整形放大电路四部分组成。

光电转盘与被测轴联接，光源通过光电转盘的透光孔射到光敏元件上，当转盘旋转时，光敏元件便发出与转速成正比的脉冲信号。

为了适应可逆控制以及转向的判别，光电编码器输出两路（A相、B相）相隔刀4脉冲周期的正交脉冲。

若转盘顺时针转时A相超前B相，则逆时针转时B相超前A相，如图8所示。

图8光电编码器的输出波形

a）顺时针转b）逆时针转

增量式光电编码器的分辨率是以编码器轴转动一周所产生的输出信号基本周期数，也就是用脉冲数/转表示的，并以此定义编码器的分辨率，因此光电转盘上的槽或窗口数目等于编码器的分辨率。

本系统中选用了分辨率为2048p/r编码器。

4.3.2整形辨相电路

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。

整形辨相电路如图9所示，它是采用逻辑门组合电路的思路进行设计的，即将光电编码器输出的两路信号，分别输入到一个单稳触发器和一个非门，之后再将信号经过一次与逻辑，得到反映电动机正转信号（CP+）和反转信号（CP-）。

图9整形辨相电路

用逻辑表达示表示即为：

CP+=

·B

CP—=

·

其中

为A信号的单稳触发脉冲。

整形辨相电路的波形如图10所示。

由图可知，当A超前B到T/4周期时，CP+输出信号，而CP—没有信号输出，相反，就只有CP—有信号输出，从而实现了电动机正反转的识别。

图10整形辨相电路波形

第五章伺服电机程序设计

在主程序中，主要完成对各个可编程芯片进行初始化，包括中断初始化、各存储单元赋初值、键盘显示器的各数据程序表赋常数、各种限定值装入数据存储器、设定堆栈指针、给主程序标志寄存器送初始值、控制器设定初值等。

键盘各种参数设置的处理也是主程序中的重要部分，在这部分程序设计时采用散转的方式，既实现了程序的模块化，又有效的解决了复杂的多重分支问题。

启动功能键按下时，系统开始启动采样定时并进入实时控制阶段，每次中断返回时若有复位键和新的参数设置键按下则返回键处理程序。

监控管理程序设计

（1）键盘/显示器基本程序设计

为了减小CPU资源占用率，减少软件的设计量。

系统选用了Intel公司开发的专用键盘和显示接口芯片8279。

8279芯片可以接8*8的键盘和16个LED显示器，本系统采用的是4*5的键盘和8个LED显示器。

根据系统控制要求及键盘显示器的设置情况，首先必须对8279芯片进行了初始化，设置8279为左进8位字符显示和双键锁定扫描键盘输入方式。

基本键盘子程序

系统的键盘接线及健功能值如图11所示

图11键盘示意图

a）键盘接线图b）键盘界面图C）键盘对应的健功能值

根据键盘接线及键盘对应的健功能值，编制了最基本的由所按健确定健功能

值的子程序如下:

KEYSCH:

MOVDPTR，#KEYBORD

MOVXA,@DPTR

ANLA,#3FH

MOVDPTR,#TAB1

MOVCA,@A+DPTR

RET

TAB1：

DB00H,01H,02H,03H,0CH,0FH,0FFH,0FH

DB04H,05H,06H,07H,0BH,0FH,0FH,0FFH

DB08H,09H,12H,13H,0AH,0FH,0FH,0FH

DB14H,15H,16H,17H,0FH,0FFH,0FFH,0FFH

基本显示子程序

在单片机内部RAM中，开辟了与8位LED对应的显示缓冲单元，把需要显示字符的字形码偏移量预置在显示缓冲区中，再调用显示子程序则可完成要求的显示。

显示子程序如下：

SHOW：

MOVA，@R1;把显示缓冲区的数调出来

MOVDRTP，TAB2

MOVCA,@DPTR+A;查表取字形码

MOVDPTR,#KEYBORD

MOVXDPTR,A;送到8279显示

INCR1;指向下一个显示内容单元

CJNER1,#38H,SHOW

RET

功能键处理程序设计

图12键功能处理程序框图

键功能处理程序框图如图12所示。

该程序是实现各种系统要求的键盘功能，在系统调试和运行过程中起关键作用的程序。

通过该段程序，操作人员可方便的设置给定转角、调节控制参数，启动或停止控制命令。

定设置程序GDPG

由于系统中要求输入其给定值参数.在给定程序段中要求能够实现给定显示标志，可根据按键判断正负给定，并将给定值显示出来。

当输入数据无误按下确认健时，则要将给定值转换为二进制数，存于PGDL（低位），PGDH（高位）中。

其流程图如图13所示。

图13给定程序框图

参数修改程序XGPG

PID控制器的参数KP、KI、KD的整定是十分重要的，参数整定的好坏直接影响系统的静、动态品质。

对于一个实际的控制系统，PID控制器的参数必须经过闭环实验，反复凑试，才能找出最佳调节参数，因此必须具备PID控制参数修改功能。

图14所示为PID参数修改程序框图。

启动控制程序QDPG

启动控制程序框图如图15所示。

当启动健按下时，系统开始启动采样定时，进入实时控制过程。

程序主要完成显示启动标志、启动TO采样时间、读位置初值、计算偏差初值，输出控制初值，然后等待执行TO中断服务程序，并查询键盘，看是否有新的命令键按下，以便随时响应功能键。

图14参数修改