电磁驱动微运动的测量与控制方法毕业设计.docx
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电磁驱动微运动的测量与控制方法毕业设计
电磁驱动微运动的测量与控制方法毕业设计
摘要
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第1章绪论
1.1电磁驱动国内外研究现状和发展趋势
1.1.1电磁驱动定义
电磁驱动式微动台是靠电磁力直接驱动的，通过控制线圈中电流的大小来控制电磁力的大小，从而带动工作台产生相应的精密微位移。
由于电磁微动台是电磁驱动单元和并联机构相融合的产物，通过控制电磁驱动元件，可实现微动台的精密运动。
由于磁力的非接触性，可以达到很高的精度。
当在通电螺线管内部插入铁芯后，铁芯被通电螺线管的磁场磁化。
磁化后的铁芯也变成了一个磁体，这样由于两个磁场互相叠加，从而使螺线管的磁性大大增强。
为了使电磁铁的磁性更强，通常将铁芯制成蹄形。
但要注意蹄形铁芯上线圈的绕向相反，一边顺时针，另一边必须逆时针。
如果绕向相同，两线圈对铁芯的磁化作用将相互抵消，使铁芯不显磁性。
另外，电磁铁的铁芯用软铁制做，而不能用钢制做。
否则钢一旦被磁化后，将长期保持磁性而不能退磁，则其磁性的强弱就不能用电流的大小来控制，而失去电磁铁应有的优点。
1.1.2电磁驱动微工作台分类
目前电磁驱动工作台按其工作维数可以分为如下：
一维电磁微驱动装置：
当中目前主要是利用基于洛仑兹力的音圈电机作为微动驱动器。
音圈电机的行程为毫米级，闭环控制精度可以达到纳米级，非常适于小行程超精密运动驱动。
二维电磁微驱动装置：
主要是靠电磁驱动单元的组合驱动，平面支撑主要靠气浮或磁浮实现。
类似于平面电机，但与平面电机有着本质的不同之处是，不存在明显的齿槽效应，该类型机构主要应用于芯片光刻机、光纤对接装置和精密光学仪器中。
三维电磁微驱动装置：
与二维机构的工作原理类似，其多自由度的运动是靠多个驱动单元共同作用完成，该机构在半导体加工、显微镜扫描、微装配和快速
成型等领域有着重要的应用[3]。
1.1.3电磁驱动研究趋势
由于电磁驱动台的驱动是以磁场为介质的，因此磁场的分析和设计是电磁微动台整体结构设计的前提。
尽管目前学者已经对磁场分析、电磁力计算等重要问题进行了相关研究，但是还未形成一套完整的电磁微动台磁场分析和设计的理论。
特别是对边端效应、局部饱和、推力波动等影响定位性能的重要因素，以及如何实现长行程、大推力和高响应等问题都值得深入研究。
微动台的结构是电磁驱动单元和位置检测单元安装的主体，是微动台稳定工作的基础。
现有的电磁微动台在设计上虽然也以质量轻、结构紧凑、工艺性好和便于控制等为设计准则，但在如何保证质心驱动、散热和减少磁力耦合等方面考虑不够，因此鉴于上述方面设计更加合理和新颖的结构是提高工作台性能的重要途径之一。
电磁式微动台除了本身结构之外，其定位精度和响应速度，主要是靠控制系统来完成的。
现今的电磁力的控制系统大多基于电流控制模式，在这种控制模式中忽略了线圈电感对电流变化的抑制作用，若线圈中电流的变化过于剧烈时，系统中实际电流与参考电流之间将出现较大误差，影响定位精度。
因此，为获得高性能的电磁力控制系统，必须从电磁力的电压方程出发建立更能准确体现微动台电磁特性的数学模型，以设计电磁微动台的控制系统。
除此之外，可充分借鉴其他的控制原理和方法，如矢量控制理论、推力脉动抑制方法等[4]。
1.2电磁驱动研究意义
电磁微驱动技术是21世纪最重要的科学技术之一，由于微驱动技术研究微观尺度的物体和现象，因此微驱动技术也主要指微米和纳米尺度和精度的测量技术。
它具有被测量的尺度小以及以非接触测量手段为主等主要特点，由于电磁的一些优良特性如磁性的有无可以通过开关的通断来控制，磁性的大小可以通过电流的大小来控制，并且与电流的平方成正比，因此可以达到较高的精度。
1.3毕业设计任务
此次课题为电磁驱动式微运动测量与控制系统设计，即利用电磁驱动器来驱动铁芯运动，测量出其运动位移并控制铁芯的运动精度。
课题名称：
电磁驱动微运动的测量与控制方法。
主要任务与目标：
采用电磁驱动、电感传感器和PID控制方法，设计一套一维电磁式微驱动器的测量与控制系统，该驱动器的运动范围是5mm、分辨率是1µm。
完成一维电磁式微驱动器的机构设计与分析，完成电感式传感器的信号处理电路设计和PID控制方法的设计，以及单片机接口与显示电路的设计等，包括相关机构、电子电路、软件程序等部分的详细设计，并绘制出相应的方案图、原理图、电路图、流程图等。
主要内容：
掌握电磁式微驱动器的设计和分析方法、掌握电感传感器的原理、掌握PID控制方法的原理。
设计一维电磁式微驱动器，并进行理论解析分析。
设计电感传感的信号处理电路。
设计电磁式微驱动器控制的软硬件方法。
设计单片机处理电路、接口与显示电路及其软件。
第2章系统总体方案设计
2.1电磁驱动系统原理总体框图
图2-1系统总体方案图
系统总体方案如图2-1所示，电磁铁通电使铁芯磁化，吸引运动机构移动。
运动机构的移动（运动范围0-5mm）改变了电感传感器的空气间隙从而改变电感值。
电感值的变化会在信号处理电路上用输出电压表现出来。
测得的电压变化量接入A/D转换片，转换后得到的数字量送入单片机处理并显示结果。
这样就可以把电磁驱动铁芯的实际位移测量出来，将所要得到的位移与实际需要量进行比较后送PID控制部分根据得到的电压信号来判断实际位移量是否符合预想值并进行调节，精度为1微米。
最后控制电磁铁的来对实际位移量来调节。
2.2电磁铁驱动的理论分析
图2-1电磁铁原理图
电磁铁的引力公式为[6]
（2-1）
式中B为电磁场磁通密度
为导磁率
S为磁极截面面积
电磁铁引力：
线圈电流与磁通密度关系为
（2-2）
N为线圈的匝数
为磁路长度
磁性材料导磁率
空气导磁率
为空气隙长度
为电流强度
由于
则
（2-3）
（2-4）
（2-5）
改变电流后空气隙长度发生变化，衔铁发生移动从而实现了微位移运动
2.3电感传感器理论分析
图2-3电感传感器
如图所示的自感传感器，当衔铁产生位移时，气隙厚度
发生变化导致电感L发生变化[7]。
磁路中的交变磁通为
（2-6）
线圈感生电动势
（2-7）
得线圈电感
（2-8）
第3章系统具体设计方案
3.1电感传感器信号采集电路设计
电感传感器的等效电路图如图3-1所示:
图3-1电感传感器等效电路
自感式传感器将被测量变化转换成电感变化，接入不同的电路，将电感变化转换成电压（或电流）的幅值、频率或相位的变化。
实际应用中调频和调相电路较少，主要用调幅电路。
经常用的是电桥式。
图3-2电感传感器信号采集电路
如图3-2所示，
与
为与传感器并联的两个电阻，另两相邻臂为变压器二次绕组，耦合电压各为u/2.空载时输出电压为
（3-1）
当
=
=Z，处于平衡状态时，输出电压
=0。
当衔铁偏离零点位置时，
代入式（3-1），有
（3-2）
传感器线圈阻抗Z=R+jωL，其变化ΔZ是由损耗电阻变化ΔR和感抗变化ωΔL两部分组成，即
（3-3）
代入（3-2）式并考虑到电感线圈品质因数
，有
=
（3-4）
提高激励频率f，使Q较大,
可忽略，
（3-5）
再由式（3-2）可知，（3-4）式可以写为
（3-6）
3.2电感传感器信号调理电路设计
电感位移传感器具有灵敏度及分辨力高、线性度好、工作可靠、寿命长等优点,作为一种精密的位移检测部件在很多领域有着广泛的应用。
在位置自动测控系统中，通常采用微机或来处理位移信号并进行控制,这就要设计与传感器配套的信号变送电路，将电感式位移传感器输出的交变信号转变为与位移成正比的直流信号,经转换后输入微机中。
图3-3AD698管脚图
AD698是一种完整的单片式线位移差动传感器信号调节系统[8]。
提供了用单片电路来调理线性可变差动变压器信号的完整解决方案，只需附加极少量的无源元件可实现位置的机械变量到直流电压的转换。
图3-4AD698信号调理电路图
3.351单片机技术
AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。
AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案[9]。
其外形及引脚排列如图所示：
图3-5AT89C51引脚图
VCC：
供电电压
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻抗输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：
管脚备选功能
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
振荡器特性:
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石英振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度
3.4A/D转换电路设计
系统要求工作台运动范围是0-5mm，当工作台运动到5mm时，对应的
=10V，即0-10V的输出电压
代表工作台0-5mm的运动范围。
在考虑精度要求时，A/D转换电路的分辨率至关重要。
此次设计所要求的1μm测量精度就要通过A/D转换来实现。
最小分辨力计算公式如下[10]：
其中n表示A/D转换电路的位数。
需选用至少13位A/D转换芯片方可满足1μm的精度要求。
AD7705/7706是应用于低频测量的2/3通道的模拟前端。
该器件可以接受直接来自传感器的低电平的输入信号，然后产生串行的数字输出。
利用Σ-∆转换技术实现了16位无丢失代码性能。
选定的输入信号被送到一个基于模拟调制器的增益可编程专用前端。
AD7705/7706包含一个片内低通数字滤波器，用它处理器件的Σ-∆调制器的输出信号。
所以，该器件不仅提供模数转换功能，而且还具备一定的滤波能力。
数字滤波与模拟滤波存在许多系统差异，用户务必注意。
一方面，数字滤波发生在模-数转换之后，它能消除模数转换过程中产生的噪声，而模拟滤波不能做到这一点。
此外，数字滤波比模拟滤波更容易实现可编程性。
依靠数字滤波器设计，用户可以编程截断频率和输出更新率。
另一方面，在模拟信号进入ADC之前，模拟滤波能够消除重叠在模拟信号上的噪声，数字滤波则不能做到这一点，并且寄生在信号上的噪声峰值接近满标度时，即使信号的平均值在极限范围内也有可能使模拟调制器和数字滤波器达到饱和状态。
为了解决这个问题，在AD7705/7706的Σ-∆调制器和数字滤波器内部，建立一个峰值储备，这允许超出模拟输入范围5%。
若噪声信号比这还要大，那么就得考虑输入端的模拟滤波，或降低输入通道电压，使输入电压的范围为模拟输入通道电压满标度范围的一半。
这样动态范围降低50%，将使超范围性能增加1倍[11]。
3.4.1AD7705的引脚排列
图3-6AD7705引脚图
1SCLK串行时钟，施密特逻辑输入。
将一个外部的串行时钟加于这一输入端口，以访问AD7705的串行数据。
该串行时钟可以是连续时钟以连续的脉冲串传送所有数据。
反之，它也可以是非连续时钟，将信息以小批型数据发送给AD7705
2MCLKIN为转换器提供主时钟信号。
能以晶体/谐振器或外部时钟的形式提供。
晶体/谐振器可以接在MCLKIN和MCLKOUT二引脚之间。
此外，MCLKIN也可用CMOS兼容的时钟驱动,而MCLKOUT不连接。
时钟频率的范围为500kHz～5MHz
3MCLKOUT当主时钟为晶体/谐振器时，晶体/谐振器被接在MCLKIN和MCLKOUT之间。
如果在MCLKIN引脚处接上一个外部时钟，MCLKOUT将提供一个反相时钟信号。
这个时钟可以用来为外部电路提供时钟源，且可以驱动一个CMOS负载。
如果用户不需要，MCLKOUT可以通过时钟寄存器中的CLKDIS位关掉。
这样，器件不会在MCLKOUT脚上驱动电容负载而消耗不必要的功率
4CS片选，低电平有效的逻辑输入，选择AD7705。
将该引脚接为低电平，AD7705能以三线接口模式运行（以SCLK、DIN和DOUT与器件接口）。
在串行总线上带有多个器件的系统中，可由CS对这些器件作出选择，或在与AD7705通信时，CS可用作帧同步信号
5RESET复位输入。
低电平有效的输入，将器件的控制逻辑、接口逻辑、校准系数、数字滤波器和模拟调制器复位至上电状态
6AIN2（+）[AIN1]差分模拟输入通道2的正输入端。
7AIN1（+）[AIN2]差分模拟输入通道1的正输入端。
8AIN1（-）差分模拟输入通道1的负输入端。
9REFIN（+）基准输入端。
AD7705差分基准输入的正输入端。
基准输入是差分的，并规定REFIN（+）必须大于REFIN（-）。
10REFIN（-）基准输入端。
AD7705差分基准输入的负输入端。
REFIN（-）可以取VDD和GND之间的何值，且满足REFIN（+）大于REFIN（-）
11AIN2（-）差分模拟输入通道2的负输入端。
12DRDY逻辑输出。
这个输出端上的逻辑低电平表示可从AD7705的数据寄存器获取新的输出字。
完成对一个完全的输出字的读操作后，DRDY引脚立即回到高电平。
如果在两次输出更新之间，不发生数据读出，DRDY将在下一次输出更新前500×CLKIN时间返回高电平。
DRDY处于高电平时，不能进行读操作，以免数据寄存器中的数据正在被更新时进行读操作。
当数据被更新后，DRDY又将返回低电平。
DRDY也用来指示何时AD7705已经完成片内的校准序列
13DOUT串行数据输出端。
从片内的输出移位寄存器读出的串行数据由此端输出。
根据通讯寄存器中的寄存器选择位，移位寄存器可容纳来自通讯寄存器、时钟寄存器或数据寄存器的信息
14DIN串行数据输入端。
向片内的输入移位寄存器写入的串行数据由此输入。
根据通讯寄存器中的寄存器选择位，输入移位寄存器中的数据被传送到设置寄存器、时钟寄存器或通讯寄存器
15VDD电源电压，+2.7V～+5.25V
16GND内部电路的地电位基准点
3.4.2片内寄存器
AD7705片内包括8个寄存器，这些寄存器通过器件的串行口访问。
第一个是通信寄存器，它管理通道选择，决定下一个操作是读操作还是写操作，以及下一次读或写哪一个寄存器。
所有与器件的通信必须从写入通信寄存器开始。
上电或复位后，器件等待在通信寄存器上进行一次写操作。
这一写到通信寄存器的数据决定下一次操作是读还是写，同时决定这次读操作或写操作在哪个寄存器上发生。
所以，写任何其它寄存器首先要写通信寄存器，然后才能写选定的寄存器。
所有的寄存器（包括通信寄存器本身和输出数据寄存器）进行读操作之前，必须先写通信寄存器，然后才能读选定的寄存器。
此外，通信寄存器还控制等待模式和通道选择，此外DRDY状态也可以从通信寄存器上读出。
第2个寄存器是设置寄存器，决定校准模式、增益设置、单/双极性输入以及缓冲模式。
第3个寄存器是时钟寄存器，包括滤波器选择位和时钟控制位。
第4个寄存器是数据寄存器，器件输出的数据从这个寄存器读出。
最后一个寄存器是校准寄存器，它存储通道校准数据[12]。
图3-7AD7705与单片机连接图
3.5微机与单片机通信电路设计
MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5V单电源供电[13]。
图3-8MAX232引脚图
第一部分由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。
功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。
第二部分是数据转换通道。
由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。
其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。
8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。
TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。
第三部分是供电。
15脚GND、16脚VCC（+5v）。
MAX232与微机的接口电路如图[14]:
图3-9MAX232与单片机连接图
3.6LED显示电路设计
本次毕业设计中，需要对传感器测得的位移值进行显示，这里选用7段LED显示器，7段显示器也是微型计算机应用系统中常用的输出装置。
根据内部发光二极管的接线形式分成共阴极型和共阳极型。
计算机与7段显示器的接口，分成静态显示接口和动态显示接口。
静态接口是每个7段显示器单独用一组寄存器控制，将公共点接地。
动态接口使用2组寄存器。
几个显示器的7段用一组寄存器控制，该寄存器称作段选寄存器。
另一组寄存器控制这几个7段显示器的公共点，控制这几个显示器逐个循环点亮。
适当选择循环速度，利用人眼“视觉暂留”效应，使其看上去好像这几个7段显示器同时显示一样[15]。
控制公共点的寄存器称为位选寄存器。
图3-10LED数码管引脚
下图所示为7段LED数码显示管字形码表。
表3-1
显示字符共阴极段选码显示字符共阴极段选码
03FH56DH
106H67DH
25BH707H
34FH87FH
466H96FH
在这里，我选用5个LED显示管来用作显示。
因为我测量的位移最大值是5mm，而要求的测量精度是1μm，两者是5000细分的关系，需4个LED显示器精确位，1个LED显示估读位。
可用ZLG7290驱动数码管显示ZLG7290是广州周立功单片机发展有限公司自行设计的数码管显示驱动及键盘扫描管理芯片。
能够直接驱动8位共阴式数码管（或64只独立的LED）。
采用I2C总线方式，与微控制器的接口仅需两根信号线[16]。
图3-12ZLG7290引脚图
引脚序号引脚名称功能描述
1SC/KR2数码管c段／键盘行信号2
2SD/KR3数码管d段／键盘行信号3
3DIG3/KC3数码管位选信号3／键盘列信号3
4DIG2/KC2数码管位选信号2／键盘列信号2
5DIG1/KC1数码管位选信号1／键盘列信号1
6DIG0/KC0数码管位选信号0／键盘列信号0
7SE/KR4数码管e段／键盘行信号4
8SF/KR5数码管f段／键盘行信号5
9SG/KR6数码管g段／键盘行信号6
10DP/KR7数码管dp段／键盘行信号7
11GND接地
12DIG6/KC6数码管位选信号6／键盘列信号6
13DIG7/KC7数码管位选信号7／键盘列信号7
14INT键盘中断请求信号，低电平（下降沿）有效
15RST复位信号，低电平有效
16Vcc电源，＋3.3～5.5V
17OSC1晶振输入信号
18OSC2晶振输出信号
19SCLI2C总线时钟信号
20SDAI2C总线数据信号
21DIG5/KC5数码管位选信号5／键盘列信号5
22DIG4/KC4数码管位选信号4／键盘列信号4
23SA/KR0数码管a段／键盘行信号0
24SB/KR1数码管b段／键盘行信号1
ZLG7290B内部有8个显示缓冲寄存器DpRam0～DpRam7，它们直接决定数码管显示的内容。
ZLG7290B提供有两种显示控制方式，一种是直接向显存写入字型数据,另一种是通过向命令缓冲寄存器写入控制指令实现自动译码显示。
访问这些寄存器需要通过I2C总线接口来
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