单片机驱动伺服控制系统设计与实现Word文档格式.docx

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[主题词]开环数控系统；

运动控制；

步进电机；

伺服电机；

单片机；

TheServoMotorSystemBasedontheSinglechipmicro-controllerMSP430

Automation

Student：

YangJingAdviser:

SHUChao-jun

[Abstract]TheOpen-loopNumericalControlsystemcansatisfytherequirementoftheinformationandflexiblemoduleinmodernfabricationindustrydevelopingprocess,andadapttotheseverecompetitionintheindustryaswell.Inaddition,duetotheveryrolemotion-controlplayedintheNCsystem,openloopNCsystemwilldefinitelybecomeaninevitabletendencyinthenewgenerationofmotioncontroller.Wemainlyadoptsstructureddesignthoughtonhowtodesignaservomotorsystemcontrolledbysingle-chipmicro-processorMsp430.WhichisimportantforthereceivertoreachanaccuratedisplacementafteracquiringacertainnumberofPWM.Finally,theservomotorsystemcanfunctionwellinthelocationcontrolandthespeedcontrol.Accordingtotheexperiment,thespeedmotorcanreachspeedat0.5rad/s,1rad/s,1.65rad/s,2.5rad/sand5rad/srespectively.Thepositioningmotorcouldreach81fixedpositionintheplane,andcanacceptmotioninterruptionatanygiventime.

[KeyWords]open-loopNCsystem。

motioncontrol。

stepmotor。

singlechipmicro-controller,servomotor.

随着我国科技日益迅猛的发展，人类对制造技术提出了新的和更高的要求。

作为制造业发展程度的重要指标的数控技术是一种采用计算机对机械加工过程中各种控制信息进行数字化运算处理，并通过高性能的驱动单元对机械制造构建进行自动化控制的高新技术。

数控系统的技术水平作为衡量一个国家工业生产技术水平的重要标志之一，是随着电子技术、计算技术、自控技术及精密测量技术的迅速发展而发展起来的，利用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种技术。

高档次的系统全都是依赖进口。

世界当前最强大的厂商来自日本、德国、法国和西班牙。

单片机系统在数控系统中的应用，单片机系统与PC平台相比，具有成本低、体积小、功耗低的特点，单片机充分发挥了简化系统设计，提高系统集成度的优势，所以在中、低档数控系统中得到了较为广泛的应用。

现在国内数控系统刚刚开始产业化，水平质量一般。

数控功能部件是当前国内的一个薄弱环节。

因而单片机在我国当前市场具有相当大的用武之地。

1.2数控系统发展以及产生背景

数控系统可用于数控机床的生产，也可以对原有的数控机床或非数控机床进行系统升级或者改造，其具体的应用领域为机电行业。

正是数控系统在我国现代制造系统中所处的核心性、基础性的地位，发展和普及计算机技术对深入研究新一代数控技术具有重要的意义和实际运用价值。

为顺应世界潮流，大力发展我国制造业。

中国出台了一系列政策，包括国务院批准实施《装备制造业调整和振兴计划》和《高档数控机床与基础制造装备》国家科技重大专项计划，用以为我国数控技术行业创造良好的外部环境，从而加快数控技术行业的发展。

其中前一个计划明确指出：

“坚持装备自主化与重点建设工程相结合，坚持自主开发与引进消化吸收相结合，坚持发展整机与提高基础配套水平相结合的基本原则”，落实装备自主化的重要内容在于提升数控系统等基础配套件的市场占有率。

目前，我国正处于工业化中期，一批以重工业为基础的高增长行业发展势头强劲，构成了对机床市场尤其是数控机床的巨大需求。

同时，由于当前市场中高端数控系统主要被德国西门子、日本发那科等国外品牌所占据。

随着中国制造业的逐步升级，中国现有普通机床也亟需改造升级，所以在不远的将来，国内中高端数控系统市场的广阔天地的发展空间巨大。

“十二五”期间，随着国民经济快速地发展，汽车、船舶、工程机械、航空航天等行业将为我国机床行业提供巨大的需求，预计到2015年我国各类数控机床及数字化机械所需数控系统需求将达到25万台套以上（不包含进口机床所配套的数控系统），产品结构也将逐渐向中、高档转化。

1.3数控系统未来的发展趋势

随着电子技术、信息技术、网络技术、模糊控制技术的发展使得新一代数控系统技术水平大大提高，促进了数控机床产业的蓬勃发展，进而促进了现代制造技术的快速发展。

数控机床的性能在开放式体系结构方向、软数控方向、智能化方向、网络化方向、高可靠性方向、复合化方向以及多轴联动方向的发展取得了长足的进步，迎来了现代制造业的一场新的技术革命。

一、数控系统向开放式体系结构发展

为弥补当前硬数控的不足，使得用户能够根据自身实际需要灵活配置数控系统，缩短开发生产周期，开放式体系结构将以更好地通用性、柔性、适应性、可扩展性，在未来的数控市场上独占鳌头。

数控机床是用程序指令控制刀具按给定的工作程序、运动速度和轨迹进行自动加工的机床。

数控机床具有广泛的适应性，加工对象改变时只需要改变输入的程序指令；

加工性能比一般自动控制机床高，可以精确加工复杂型面，因而适合于加工中小批量、改型频繁、精度要求高、形状又较复杂的工件，并能获得良好的经济效果。

二、数控系统向软数控方向发展

所谓软数控，实际是指由用户参与设计的数控系统。

数控系统藏封闭体系结构向开放体系结构发展，正是从硬数控向软数控发展的过程。

三、数控系统向智能化方向发展

智能化是21世纪制造技术发展的一个大方向，数控系统引入了自适应控制、模糊系统和神经网络的控制原理，不但具有多种功能，而且人机界面友好，具备故障诊断专家系统，从而使得自诊断和故障监控功能更趋完善。

四、数控系统向网络化方向发展

数控系统与外部的其他控制系统或上位计算机进行网络连接和网络控制。

数控系统一般首先面向生产现场和企业内部的局域网，然后经由因特网通向企业外部，这就是所谓的内联网或者互联网。

网络系统向开放、集成和智能化方向发展。

五、数控系统向高可靠性方向发展

随着网络化应用的日趋广泛，数控系统的高可靠性渐渐成为数控系统制造商们追求的目标。

虽然当前国外数控装置的可靠性已相对国内很高了，但距离理想的主机与数控系统的失效率之比为10:

1的情况，还有差距。

六、数控系统向复合化方向发展

在零件加工过程中，有大量的无用时间消耗在工件搬运、上下料、安装调整、换刀和主轴的升降速上，为了降低这些无用时间，人们希望尽可能将不同的加工功能整合到同一台机床上，所以复合功能的机床成为近年来发展很快的机种。

七、数控系统向多轴联动化方向发展

由于加工曲面的复杂性，以及改善加工表面的粗糙度和大幅度提高加工效率的必要性，各大系统开发商对多轴联动投入了很多的精力，多轴联动已经成为当前加工中心和数控铣床的一个开发热点。

1.4参考文献综述

在总体布局方面，文献[1]中主要取得了对本课题中嵌入式运动控制系统的大致认识和全局性的把握，对运动控制系统的开放性、同步性、可重构性、可移植性以及可靠性有了总体的认识和体会，并确定所选择的题目是切实有价值的。

文献[3]中提出了“时钟宜慢不宜快、系统宜静不宜动、电压宜低不宜高”，作为硬件设计所遵循的原则。

本次设计受益于文献[3]和[4]中对于嵌入式系统性能指标评价的阐述：

1）成本：

包括开发成本、生产成本等多种因素组成，不考虑任何一种成本因素都是片面的、不现实的。

2）面积：

随着嵌入式系统的广泛应用，人们对体积小、重量轻的设备有了更多的偏爱。

3）功耗：

被公认为是一个设计现代电子产品的重要指标，针对增加便携式产品电池的使用寿命而提出来的，同时还要考虑到尽可能降低芯片封装和冷却装置的成本，提高系统可靠性以及环境因素等。

在软件结构设计方面，主要从文献[1]中获得了运动控制系统总体设计的灵感以及重要的经验指导。

对于设计方案，理清了速度控制算法和插补算法。

程序设计的过程主要遵循此文献中重点强调的分层、模块和面向对象的实际思想，采用“上位机软件+控制函数+仿真器”的设计方案，编写了键盘中断函数、定时器PWM波输出函数、显示函数等功能函数。

文献[3]中，用中断替代查询（在程序中无论是查询还是中断均能应对那些较为简单的应用，但却在低功耗特性的结果上相差甚远，中断方式的单片机能够节省能耗从而直接转入中断等待或停止模式）；

用定时器定时代替延时子程序；

关掉间歇性工作的I/O模块或不工作的I/O模块来降低功耗；

工作时序的合理安排。

为了降低系统功耗，要尽量减少控制器件的运行时间，因此，仅当接收到中断信息时才让控制器响应中断，随即立即恢复低功耗状态，直到下一个中断来临的时刻；

文献[5]、[11]至[20]对系统硬件和软件仿真做出了详细的阐述。

其中关于程序的“层次结构清晰，代码的良好可移植性”这句话对于本课题软件程序编制过程中的指导意义非常巨大。

在硬件结构设计方面，基于之前我们对系统整体设计以及控制机构的介绍，我们开始具体研究执行机构的工作原理以及文献[6]到文献[11]详细阐述了步进电机的相关问题，通过这些详细的执行机构介绍，了解到执行部件具体的工作原理，为进一步使用奠定了基础。

基于我们所选择的控制方式，让步进电机脉冲驱动的形式能够与现代的数字控制技术实现完美结合。

在不需要特别高的精度的本课题中，可充分发挥步进电机结构简单、可靠性高和成本低的特点。

本文的具体内容

在本课题的研究中，第一章介绍了数控系统国内外的发展程度和现状，并着重讨论了数控系统的发