单片机直流伺服控制系统设计.docx
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单片机直流伺服控制系统设计
目录
第一章伺服控制直流电动机概述及原理1
1.1伺服控制直流电动机的特点1
1.2伺服控制直流电动机的基本组成1
1.2.1电动机本体2
1.2.2位置传感器2
1.2.3电子换向线路2
第二章伺服控制直流电动机的硬件设计4
2.1系统组成4
2.2单片机及接口电路设计5
2.2.1AT8051的引脚及功能5
2.3电动机PWM的设计7
2.4电动机换相8
2.4.1电动机的换相原理8
2.4.2电动机的可逆换相9
2.5转速环及电流环电路的设计9
2.5.1位置传感器9
2.6系统保护环节的设计12
2.6.1过压保护电路的设计12
2.7D/A转换电路的设计13
2.7.1D/A芯片选择与介绍13
2.7.2DAC0832芯片与单片机硬件接口设计14
2.7.3放大整形15
2.8显示电路及显示接口芯片选择15
2.8.1显示器的选择15
2.8.2LED与单片机的接口电路设计16
2.8.3按键电路的设计17
第三章系统软件设计19
3.1系统总程序19
3.2D/A转换20
3.3键扫描程序设计20
3.4显示程序设计21
第一章伺服控制直流电动机概述及原理
1.1伺服控制直流电动机的特点
传统的直流电机以其优良的转矩特性和调速性能在运动领域中有着广泛的应用，但机械电刷却是它的致命弱点。
伺服控制直流电动机就是为了既要保持有刷直流电动机的特性、又要革除电刷和换向器的目的研究开发的。
控制系统中的执行电动机应该具有下列优点:
快速性、可控性、可靠性、体积小、重量轻、节能、效率高、适应环境和经济性。
下面将就这些方面具体分析伺服控制直流电动机的优点所在。
为了实现快速的起、停、加速、减速，要求电动机具有小的转动惯量和大的起动转矩和最大转矩，伺服控制直流电动机的转子主要是由永磁材料构成的磁极体组成，电枢绕组在定子上，因而转子外径可以相对较小，转子惯量也就较小;转矩方面，只有直流电动机才能达到大的起动转矩和大的最大转矩，而伺服控制直流电动机具有直流电动机的特性，起动转矩和最大转矩都较大。
这使得它具有快速性的特点。
表1.1是对目前应用较广的几种类型电动机基本性能所做的比较:
表1.1基本性能比较表
基本
性能
电机
类型
效率
体积
控制特性
技术性能
结构
寿命
成本
（电机本体）
直流电动机
较高
小
好
短
高
伺服控制直流电动机
高
小
较好
长
高
交流电动机
低
大
一般
长
低
开关磁阻电动机
较低
较小
较好
长
低
直流电动机的机械电刷和换向器因强迫性接触，造成其结构复杂、可靠性差、变化的接触电阻、火花、噪声等一系列问题，影响了直流电动机的调速精度和性能。
随着电子技术、功率元件技术和高性能的磁性材料制造技术的发展，伺服控制直流电动机利用电子换向器取代了机械电刷和机械换向器。
因此，使这种电动机不仅保留了直流电动机的优点，而且又具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点。
在宇航、军事设施领域及工业和民用领域都得到了广泛的应用。
伺服控制直流电动机是伴随着数字控制技术而产生和发展起来的，因此，采用单片机为主的数字控制是伺服控制直流电动机的主要控制手段之一。
1.2伺服控制直流电动机的基本组成
伺服控制直流电动机主要由电动机本体，电子换向线路，位置传感器组成。
如图1.2所示：
图1.2伺服控制直流电动机组成方框图
1.2.1电动机本体
电动机本体在结构上与永磁式同步电动机相似，但没有笼型绕组和其他起动装置。
电动机本体的主要部件有主定子和主转子，其定子绕组一般制成多相（三相、四相、五相不等），转子由永久磁钢按一定极数（2P=2、4、……）组成。
它们首先必须满足电磁方面的要求，保证在工作气隙中产生足够的磁通，电枢绕组允许通过一定的电流，以便产一定的电磁转矩。
其次，要满足机械方面的要求，保证机械结构牢固和稳定，能传送一定的转矩，并能经受住一定环境条件的考验。
此外，还要考虑节约材料、结构简单、紧凑、运行可靠和温升不超过规定的限度。
主定子是电动机本体的静止部分，它由导磁的定子铁芯、导电的电枢绕组及固定铁芯和绕组用的一些零部件、绝缘材料、引出部分等组成，如机壳、绝缘片、槽楔、引出线及环氧树脂等。
1.2.2位置传感器
位置传感器在伺服控制直流电动机中起着测定转子磁极位置的作用，为电子换向线路提供正确的换向信息，即将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，然后去控制定子绕组换相。
可见位置传感器是实现无接触换向的一个极其重要部件。
因此，它是伺服控制直流电动机的一个关键部分。
位置传感器和电动机本体一样，也由静止部分和运动部分组成，即位置传感器定子和位置传感器转子。
位置传感器的种类很多，且各具特点，按动作原理可分为敏感式、藕合式、谐振式和接近式。
1.2.3电子换向线路
电子换向线路由控制电路和功率变换器两大部分组成，它与位置传感器相配合，去控制电动机定子各相绕组通电的顺序和时间，起到了与机械换向相类似的作用。
当系统运行时，功率变换器接受控制电路的控制信息，将系统工作电源的功率以一定的逻辑关系分配给伺服控制直流电动机定子上各相绕组，以便使电动机产生持续不断的转矩。
而各相绕组导通的顺序和时间主要取决于来自位置传感器的信号。
但位置传感器所产生的信号一般不能直接用来驱动功率变换器的功率开关元件，往往需要经过控制电路一定逻辑处理、隔离放大后才能去驱动功率变换器的开关元件。
由此可见，电子换向线路也是伺服控制直流电动机实现无接触换向的一个重要组成部分。
第二章伺服控制直流电动机的硬件设计
永磁伺服控制直流电机调速系统由8051单片机控制器、功率变换电路、伺服控制直流电动机、位置及电流传感器四大部分组成。
图3.1为伺服控制直流调速系统的原理结构框图。
其中带有箭头的线条为信号线及其信号流向。
设计系统时，以电机本体为一方，控制装置为另一方，两者是密切相关、不可分割的。
本章将讨论功率变换器、位置及电流传感器、控制器的工作原理和设计方法，给出上述各个部分的设计方案。
2.1系统组成
伺服控制直流电动机调速系统的总体结构框图如图2.1所示，基本可以分为四大部分，即电机本体、位置传感器、主回路和控制回路。
图2.1伺服控制直流电动机调速系统的总体结构框图
（1）机组部分:
电机定子绕组三相四极星形连接，电机转子磁场为梯形波；在转轴上安装有霍尔转子位置传感器，在机座上安装有三个互差120电角度的霍尔定子位置传感器，输出三个互差1200电角度、脉宽为1800电角度的位置信号，用作系统的位置及速度检测。
（2）主回路部分:
主回路主要包括工作电源、整流器、充电限流电阻R、储能滤波电容C、和智能功率模块（IPM）构成。
单相交流电压经整流二极管模块整流，大电容滤波之后，送到IPM逆变。
为典型的交—直—交电压型变频器结构。
其中的整流器和IGBT逆变桥都是模块形式，目都固定在同一片散热器上，简化了电路结构。
主电路通过直流斩波器以PWM方式向伺服控制直流电动机提供频率可变的矩形波形驱动电流。
主回路如图2.1.1。
图2.1.1伺服控制直流电动机主回路
（3）控制回路部分:
主要8051单片机、检测电路、保护电路和驱动电路组成。
8051是控制部分的核心，它参与整个系统的控制与管理，并用来完成速度、电流的双闭环控制，三路位置信号的逻辑处理以及输出三相六路的PWM波；检测电路完成系统的位置、速度和电流的检测处理，使系统有机地运行；保护电路完成系统的过压、欠压、过流等各种故障信号自诊断与保护功能，确保系统能安全可靠地工作:
驱动电路采用IGBT专用驱动模智能功率模块（IPM）。
整个控制系统我们是采用以8051单片机为核心的数字控制系统。
8051单片机负责电流及转速的采样，并完成控制策略的运算，然后输出控制量，以控制电机的转速。
2.2单片机及接口电路设计
2.2.1AT8051的引脚及功能
8051单片机的管脚说明如图2.2所示。
图2.28051单片机的管脚说明
（1）主要电源引脚
①VSS电源端
②GND接地端
（2）外接晶体引脚XTAL1和XTAL2
①XTAL1接外部晶体的一个引脚。
在单片机内部，它是构成片内振荡器的反相放大器的输入端。
当采用外部振荡器时，该引脚接收振荡器的信号，既把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。
②XTAL2接外部晶体的另一个引脚。
在单片机内部，它是上述振荡器的反相放大器的输出端。
采用外部振荡器时，此引脚应悬浮不连接。
（3）输入/输出引脚P0.0～P0.7、P10.～P1.7、P2.0～P2.7和P3.0～P3.7。
①P0端口（P0.0～P0.7）P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口。
作为输出口用时，每位能以吸收电流的方式驱动8个TTL输入，对端口写1时，又可作高阻抗输入端用。
在访问外部程序和数据存储器时，它是分时多路转换的地址（低8位）/数据总线，在访问期间激活了内部的上拉电阻。
②P1端口（P1.0～P1.7）P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
P1的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。
对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。
作输入口时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。
③P2端口（P2.0～P2.7）P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
P2的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。
对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。
P2作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。
在访问外部程序存储器和16位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@DPTR指令）时，P2送出高8位地址。
在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@Ri,A指令）时，P2口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容），在整个访问期间不会改变。
④P3端口（P3.0～P3.7）P3是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
P2的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。
对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。
P3作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。
在AT8051中，P3端口还用于一些专门功能，这些兼用功能如下：
（1）P3.0RXD（串行输入口）
（2）P3.1TXD（串行输出口）
（3）P3.2/INT0（外部中断0）
（4）P3.3/INT1（外部中断1）
（5）P3.4T0（记时器0外部输入）
（6）P3.5T1（记时器1外部输入）
（7）P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
（8）P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
（9）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号
3．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。
石晶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。
由于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。
4．芯片擦除：
整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，ALE管脚处于低电平10ms来完成。
在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。
2.3电动机PWM的设计
电动机PWM驱动模块的电路设计与实现具体电路见下图。
本电路采用的是基于PWM原理的H型桥式驱动电路。
PWM电路由四个大功率晶体管组成H型桥式电路构成，四部分晶体管以对角组合分为两组：
根据两个输入端的高低电平决定晶体管的导通和截止。
4个二极管在电路中起防止晶体管产生反向电压的保护作用。
4个电感在电路中是起防止电动机两端的电流和晶体管上的电流过大的保护作用。
在实验中的控制系统电压统一为5v电源，因此若达林顿管基极由控制系统直接控制，则控制电压最高为5V，再加上三极管本身压降，加到电动机两端的电压就只有4V左右，严重减弱了电动机的驱动力。
基于上述考虑，我们运用了4N25光耦集成块，将控制部分与电动机的驱动部分隔离开来。
输入端各通过一个三极管增大光耦的驱动电流；电动机驱动部分通过外接12V电源驱动。
这样不仅增加了各系统模块之间的隔离度，也使驱动电流得到了大大的增强。
在电动机驱动信号方面，我们采用了占空比可调的周期矩形信号控制。
脉冲频率对电动机转速有影响，脉冲频率高连续性好，但带带负载能力差脉冲频率低则反之。
经实验发现，脉冲频率在40Hz以上，电动机转动平稳，但加负载后，速度下降明显，低速时甚至会停转；脉冲频率在10Hz以下，电动机转动有明显跳动现象。
实验证明，脉冲频率在15Hz-30Hz时效果最佳。
而具体采用的频率可根据个别电动机性能在此范围内调节。
通过N1输入信号，N2输入低电平与N1输入低电平，N2输入信号分别实现电动机的正转与反转功能。
通过对信号占空比的调整来对车速进行调节。
速度分7档控制，从高电平（第6档）到低电平（第0档）中间占空比以20%逐极递减。
速度微调方面，可以通过对占空比以1%的跨度逐增或逐减分别实现对速度的逐加或逐减。
图2.3电动机PWM驱动模块原理图
2.4电动机换相
2.4.1电动机的换相原理
本系统利用转子位置传感器信号Sa、Sb、Sc控制三相绕组的通电顺序，三相绕组供电与否由功率变换器的开关管IGBT的导通与关断确定，而IGBT的通断顺序不仅和转子位置有关，还与电机的运行状态有关。
本系统的定子绕组工作在两相导通三相六拍运行状态。
在此换相方式下，不难给出本系统的转子位置信号、三相绕组相电流以及控制芯片内PWM电路六路换向控制输出信号的波形图。
电机绕组电流的换相时刻是转子磁极位置确定的，可以把位置传感器编码结果与功率变换器的开关导通顺一一对应起来，当SaSbSc=101时，T1,T6相导通，A,B相通电；当SaSbSc=100时，T1,T2导通，A,C相通电，完成换相，如此往复，电机就能运转起来。
为了更清晰地说明问题，特将转子位置编码、功率变换器开关管导通状态列成一个换相表，见表2.3。
每个节拍对应转子位置600电度角，不同的节拍对应不同的PWM电路输出状态。
表中“通”表示PWM电路的有关管脚输出为低电平，因本系统的换相控制信号为低电平有效，故与本管脚相对应的开关管导通；“断”表示管脚相对应的开关管截止；“PWM”表示在管脚上出现PWM波形。
本系统中8051根据来自捕获管脚的三个转子位置信号Sa,Sb,Sc的编码，并通过PWM电路送出其管脚电平状态，就可以实现伺服控制直流电动机的定子绕组电流的换相。
表2.4.1三相全波换相表（正转）
节拍
位置编码
SaSbSc
导通管子
PWM电路管脚输出状态
PWM1
PWM2
PWM3
PWM4
PWM5
PWM6
0
101
T6，T1
通
断
断
PWM
断
断
1
100
T1，T2
通
断
断
断
断
PWM
2
110
T2，T3
断
断
通
断
断
PWM
3
010
T3，T4
断
PWM
通
断
断
断
4
011
T4，T5
断
PWM
断
断
通
断
5
001
T5，T6
断
断
断
PWM
通
断
2.4.2电动机的可逆换相
所谓电机的可逆换向控制就是电机的正反转控制。
在一般的直流电动机运行过程中，只要改变磁场方向或改变电枢电压的极性，均可改变其转向。
但这些方法在伺服控制直流电动机中行不通。
因为伺服控制直流电动机的磁通量由永久磁钢产生，无法改变方向；又由于功率开关元件的单向导电性，电源电压（指直流侧电压）反接很不方便，因此在这种情况下，一般都通过控制定子绕组的换相次序来改变其转动方向。
显然电机反转时位置传感器三路位置信号Sa,Sb,Sc的编码顺序与电机正转时会有所不同。
表2.4.2三相全波换相表（反转）
节拍
位置编码
SaSbSc
导通管子
PWM电路管脚输出状态
PWM1
PWM2
PWM3
PWM4
PWM5
PWM6
0
110
T6，T5
断
断
断
PWM
通
断
1
100
T5，T4
断
PWM
断
断
通
断
2
101
T4，T3
断
PWM
通
断
断
断
3
001
T3，T2
断
断
通
断
断
PWM
4
011
T4，T1
通
断
断
断
断
PWM
5
010
T1，T6
通
断
断
PWM
断
断
不难看出，要想改变定子绕组的换相次序，只需更换一下换向控制表，如表3.2所示。
这样一来，采用表3.1来控制换相，电动机就正转，而按表3.2来控制换相，则电动机就反转，非常方便。
2.5转速环及电流环电路的设计
2.5.1位置传感器
伺服控制直流电动机调速系统要实现在特定的转子位置导通电机相绕组以及转速的闭环控制，位置传感器显然是一个不可缺少的重要组成部分。
它的主要作用有两个:
一是检测电机定、转子的相对位置并提供电机相绕组的换相信号:
二是与控制器一起构成转速的反馈环节。
设计位置传感器应以可靠、精确、体积小、寿命长、价格适中以及安装方便为标准。
目前，伺服控制直流电动机调速系统的位置传感器多为光电式和霍尔元件式。
光电式位置传感器具有定位精度高、价格便宜、易加工等特点，但对恶劣环境的适应能力较差，输出信号沿需加以整形电路处理。
霍尔元件式位置传感器对环境适应能力较强，输出信号沿好，无需处理电路，但永磁块价格较高，加工不易，且各永磁块间的磁性不均匀。
本系统采用了霍尔元件式位置传感器。
霍尔元件是利用在霍尔效应产生电压输出的元件，它产生的电动势很低，在应用时往往要外接放大器，很不方便。
随着半导体集成技术的发展，将霍尔元件。
半导体集成电路一起制作在同一块硅芯片上，这就构成了霍尔集成电路。
它与一般的小型三极管相似，应用起来非常方便。
霍尔集成电路它是由稳压器、霍尔电压发生器、信号放大器、施密特触发器和输出驱动器组成的。
霍尔集成电路有线性型和开关型两种。
一般而言，伺服控制直流电动机的位置传感器宜选用开关型的位置传感器，其开关特性曲线如图2.5.1所示：
图2.5.1霍尔传感器的开关特性
霍尔元件式位置传感器由静止部分和转动部分两部分组成。
静止部分由一组霍尔元件及永磁块组成，固定在电机机座上；转动部分为一个开有齿、槽的遮挡盘（其赤、槽数分别与电机转子极对数相等）固定在电机转轴上，随转子同步旋转。
通过遮挡盘的齿部的遮挡与不遮挡，使霍尔元件产生高、低电平信号（注意单OC输出霍尔集成电路的输出应接上拉电阻），从而提供了伺服控制直流电动机的转子位置信息。
2.5.2转速环的设计
为了提高电动机的调速性能，如调速精度、稳定性和快速性，均需采用转速闭环控制，从而需要检测电机的转速。
测量电动机转速的方法有许多种，如测速发电机测速、光电测速、霍尔测速等，由于多数伺服控制直流电动机的容量都较小，一般不宜在其转轴上安装如测速发电机等附加的测速装置。
本文针对伺服控制直流电动机带有转子位置传感器这一特点，直接用位置传感器作为速度传感器。
下面介绍沿脉冲生成电路，并利用沿脉冲信号进行速度反馈。
在伺服控制直流电动机运行时，位置信号每次跳变都对应着一个换相时刻，可以利用一个沿脉冲生成电路，把位置信号的上升沿和下降沿都转化成具有上跳沿的窄脉冲，此电路输入输出信号的关系，实现电路如图2.5.2所示。
图2.5.2沿生成电路输入输出信号
其中脉冲的宽度由单稳态触发器的的RC延迟网络决定，其延迟时间与RC参数的关系如下：
这个脉冲的宽度不能大于最高转速时位置信号的宽度，否则在最高转速时每一个周期将会漏掉一个换相时刻，这将使电机运行于一种不稳定的状态，
位置信号的沿脉冲经过一个频压转换电路，其输出的是模拟电压，其大小与电动机的转速有关，这就得到了转速反馈信号，送单片机的模/数转换端，根据捕获的的数据可以求出电机的转速。
本系统采用美国AnalogDevices公司的AD650V/F（F/V）变换器作为频压转换器。
这样，通过软件和给定值相比较，就可以控制PWM波形的宽度，从而达到控制转速的目的。
从沿脉冲出来的三个信号，经过一个三输入或门，其输出信号相当于三个位置信号的沿脉冲的叠加，然后送单片机的EXT引脚，软件通过检测EXT引脚的外部中断信号，在有的同时，检测位置信号是哪个位置信号，从而可以根据位置传感器的信号控制IGBT的导通与关断，给伺服控制直流电动机供电。
这样利用位置传感器信号，既产生了位置信号，也生成了速度反馈信号。
2.5.3电流传感器及电流环的设计
为了提高伺服控制直流电动机的加速性能以及减少转矩脉动，有必要引入电流闭环控制，从而需要检测电机绕组的电流。
此外，电机运行出现短路、接地、过载等故障时，可能会产生电流超出IGBT允许值范围的情况，因而必须及时、准确地测量电机故障电流，以保护开关元件，排除故障。
基于以上两点，伺服控制直流电动机调速系统对电流传感器提出了如下要求：
（1）电流传感器和系统强电部分应有足够的电隔离；
（2）在整个运行范围内具有良好的线性度，高稳定性和重复性；
（3）能承受电气、机械超载及伴生的故障电流；
（4）快速性能好，从电流检测到控制主开关元件的动作延时应尽量短。
目前，电流传感器所用的传感元件有精密取样电阻，磁敏电阻和霍尔元件。
其中霍尔电流传感器是利用霍尔原理制成的检测电流装置。
它突出的特点是在整个工作区域内输出特性是线性的，功耗小，重量轻，温度稳定性好，测量频带宽，能测量各种波形的电流，而且电隔离，输出为电压信号或电流信号，精度普遍较高，因而使用极为方便可靠，是理想的电流传感器
本系统采用的是霍尔电流传感器，其原边串联定子绕组中。
它的输出信号经过隔离放大，送控制器的A/D，作为电流反馈采样信号，由于8051的A/D脚需要输入直流侧的电流进行A/D转换，所以我们可以把霍尔电流传感器的输出信号直接送控制器的A/D端，这样就构成了电流反馈环。
2.6系统保护环节的设计
2.6.1过压保护电路的设计
过压、欠压保护是针对电源异常、主回路电压超过或低于一定数值时考虑的。
通常系统输入电源电压允许波动的范围一般是额定输入电压的110%。
通常情况下，主回路直流环节的电压与输入电压保持固定关系。
当输入电源电压过高，将使直流侧电压过高。
过高的直流电压对IGBT的安全构成威胁，很可能超过IGBT的最大耐压而将其击穿，造成永久性损坏。
当输入电压过低时，虽不会对主回路元件构成直接威胁，但太低的输入电压很可能使控制回路工作不正常，而使系统紊乱，导致控制器输出错误的触发脉冲，造成主回路直通短路而烧毁IGBT，而且较低的输入电压也使系统的抗干扰能力下降。
因此，有必要对系统的电压进行保护。
图2.6.1过压保护电路
图2.6.1为本文介绍的伺服控制直流电动机系统的过压保护电路，直接取直流侧电压进行检测（图
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