直流伺服电机控制系统设计.doc
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电子信息与电气工程系
课程设计报告
设计题目：
直流伺服电机控制系统设计
系别：
电子信息与电气工程系
年级专业：
学号：
学生姓名：
2006级自动化专业《计算机控制技术》课程设计任务书
论文
题目
直流伺服电机控制系统设计
设计类型
导师姓名
丁健
干开峰
主要内容及目标
设计对象是直流伺服电机实验台，设计一个计算机控制的直流伺服电机控制系统。
由测量元件（位移传感器）对被控制对象（电机）的被控参数（位移）进行测量，由变换发送单元（A/D转换器）将被控参数变成一定形式的信号，送给控制器CPU，控制器将测量信号（实际位移量）与给定信号（位移量）进行比较，若有误差则按预定的控制规律产生一控制信号驱动执行机构（伺服电机控制电源）工作，使被控参数（实际位移量）与给定信号（位移量）保持一致。
其电机位置随动系统：
其中：
=1.8，=0.035，=0.15，K=100，控制算法选用数字PID控制。
设计条件
1．PC机一台，教学实验箱一台;
计划学生数及任务
3人
（1）：
明确课题功能。
（2）：
把复杂问题分解为若干模块，确定各模块处理方法，画出流程图。
（3）：
存储器资源分配
（4）：
编制程序，根据流程图来编制源程序
（5）：
对程序进行汇编，调试和修改，直到程序运行结果正确为止。
计划设计进程
一、总体方案设计
二、控制系统的建模和数字控制器设计
三、硬件的设计和实现
1、选择计算机字长（选用51内核的单片机）
2、设计支持计算机工作的外围电路（EPROM、RAM、I/O端口、键盘、显示接口电路等）；
3、设计输入信号接口电路；
4、设计输出控制电路；
5、其它相关电路的设计或方案（电源、通信等）。
四、软件设计
1、分配系统资源，编写系统初始化和主程序模块框图；
2、编写A/D转换和位置检测子程序框图；
3、编写控制程序和D/A转换控制子程序模块框图；
4、其它程序模块（显示与键盘等处理程序）框图。
五、编写课程设计说明书，绘制完整的系统电路图（A3幅面）。
参考文献
1．于海生计算机控制技术[M]北京：
机械工业出版社，2007.6
2、周荷琴等微型计算机原理及接口技术[M]合肥：
中国科技大学出版社,2008.6
3、李刚民等单片机原理及应用技术[M]北京：
高等教育出版社
4、楼然苗51系列单片机设计实例[M]北京：
北京航空航天大学出版社
5、计算机控制技术实验指导书
摘要
随着集成电路技术的飞速发展，微控制器在伺服控制系统普遍应用，这种数字伺服系统的性能可以大大超过模拟伺服系统。
数字伺服系统可以实现高精度的位置控制、速度跟踪，可以随意地改变控制方式。
单片机和DSP在伺服电机控制中得到了广泛地应用，用单片机作为控制器的数字伺服控制系统，有体积小、可靠性高、经济性好等明显优点。
。
本设计研究的直流伺服电机控制系统即以单片机作为核心部件,主要是单片机为控制核心通过软硬件结合的方式对直流伺服电机转速实现开环控制。
对于伺服电机的闭环控制，采用PID控制，利用MATLAB软件对单位阶跃输入响应的PID校正动态模拟仿真，研究PID控制作用以及PID各参数值对控制系统的影响，通过试凑法得到最佳PID参数。
同时能更深度地掌握在自动控制领域应用极为广泛的MATLAB软件。
关键词：
单片机直流伺服电机PIDMATLAB
目录
1.引言 4
2．单片机控制系统硬件组成 5
2.1微控制器 5
2.2DAC0808转换器 5
2.3运算放大器 6
2.4按键输入和显示模块 6
2.4.1按键输入 6
2.4.2显示模块 6
2.5直流伺服电动机 6
3.单片机控制系统软件设计 7
3.1主程序 7
3.2键盘处理子程序 8
4.控制系统原理图及仿真 9
4.1控制系统方框图 9
4.2控制系统电路原理图 10
4.3Proteus仿真结果 11
5.Simulink组件对直流伺服控制系统的仿真 11
5.1MATLAB与Simulink简介 11
5.1.1MATLAB简介 11
5.1.2Simulink简介 12
5.2直流伺服电机数学模型 12
5.3系统Simulink模型及时域特性仿真 12
5.3.1开环系统Simulink模型及仿真 13
5.3.2单位负反馈系统Simulink模型及仿真 13
5.4PID校正 14
5.4.1PID参数的凑试法确定 15
5.4.2比例控制器校正 15
5.4.3比例积分控制器校正 17
5.4.4PID控制器校正 19
6．小结 22
参考文献 22
附录 23
1.引言
本设计的单片机控制直流伺服电机系统是一个开环的自动控制系统控制系统。
是以单片机为控制器，通过按钮设置设定值输入到单片机，单片机对输入信号处理后输出控制信号，经D／A转换器DAC0808转换后把数字信号转变为模拟电压，再经放大器放大后，去控制伺服电机工作，进而控制电机向着预定的转速转动。
同时单片机处理的数字信号通过LCD来显示，实时显示单片机的转速值。
另外本设计还利用了MATLAB软件，利用Simulink构造直流电机控制系统模型，通过对各个单元部件的参数进行设定，进而对直流伺服电机系统控制进行仿真，就其仿真功能对系统进行时域分析。
2．单片机控制系统硬件组成
本系统是由一片单片机、矩阵式键盘，DAC0808转换器、运算放大器、显示模块和一台直流伺服电机组成，另外通过Proteus7.4软件进行仿真。
2.1微控制器
选用AT89C52单片机。
AT89C52是51系列单片机的一个型号，它是ATMEL公司生产的。
AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。
AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程（S系列的才支持在线编程）。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
AT89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。
主要功能特性：
（1）兼容MCS51指令系统,8k可反复擦写（>1000次）FlashROM
（2）32个双向I/O口,256x8bit内部RAM
（3）3个16位可编程定时/计数器中断,时钟频率0-24MHz
（4）2个串行中断,可编程UART串行通道
（5）2个外部中断源,共6个中断源
（6）2个读写中断口线,3级加密位
（7）低功耗空闲和掉电模式,软件设置睡眠和唤醒功能
图2-1 AT89C52
2.2DAC0808转换器
设计中采用的芯片是DAC0808，它是一个8位DAC。
图2是DAC0808典型应用电路。
图2-1中输出的模拟量是一个正电压，当需要负电压时，在DAC的第4引脚直接接一个3KΩ左右的电阻即可。
DAC的第4引脚的电流总是流入的，其最大值为1.992mA。
当外接一个3KΩ的负载电阻RL时，输出的电压是通过RL上所加的电压，最大的电压为-3KΩ×1.922mA≈-6V（当所有位输入都是高电平的时候），与实验中的数据相符合。
需要指出的是，负载电阻的大小会影响转换时间，当负载电阻为2.5KΩ的时候，在最坏的情况下，会使转换时间增加1.2μs。
图2-2DAC0808典型应用电路
2.3运算放大器
把D/A转换器的电流输出转换为电压输出，同时也是把微小的电流信号放大为较大的电压信号，以驱动电机转动。
2.4按键输入和显示模块
2.4.1按键输入
采用自己设计的形如3×4矩阵式按钮，按钮用于设定某一数值，即电机转速值。
通过
程序设置延时环节来消除按钮的抖动问题，这样做使矩阵式按钮硬件连线简单，同时按钮的软件设计也不复杂。
2.4.2显示模块
系统采用点阵式液晶显示器，显示电机的当前转速值，通过软件设计使得连线简单。
2.5直流伺服电动机
直流伺服电动机在伺服系统中控制机械元件运转的发动机.是一种补助马达间接变速装置。
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。
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。
其作用可使控制速度,位置精度非常准确。
直流伺服电动机的结构与直流电动机基本相同。
只是为减小转动惯量，电机做得细长一些。
所不同的是电枢电阻大，机械特性软、线性（电阻大，可弱磁起动、可直接起动）。
供电方式是他励供电，即励磁绕组和电枢分别两个独立的电源供电。
控制方式有.电枢控制和磁极控制，其中改变电枢电压U调速范围较大，直流伺服电机常用此方法调速
直流伺服电动机转速的计算公式如下：
式中：
n为转速；Φ为磁通；U为外加电压；I、R为电枢电流和电阻；Ke为电势系数。
3.单片机控制系统软件设计
软件设计采用模块化设计，由主程序模块和功能实现模块两大部分组成。
主程序通过读取键值处理后送到D/A转换以达到控制电机的目的；功能实现模块主要由主函数模块、键盘处理子程序和D/A转换子程序等组成。
3.1主程序
主程序首先对键盘和显示模块的程序进行初始化，通过读取键值处理后送到D/A转换以达到控制电机的目的。
主程序流程图如图2-1所示。
显示模块初始化
键盘扫描程序
开始
读取键值
电机转速显示模块
键盘模块
程序初始化
输入值是否有效？
D/A转换
N
Y
图2-1主程序流程图
3.2键盘处理子程序
键盘采用程序扫描的工作方式，即在特定的程序位置段上安排键盘扫描程序读取键盘状态。
键盘处理子程序的程序扫描法流程图如图2-2所示。
是否有键按下？
延时20ms
调用按键扫描子程序
开始
是否有键按下？
按键散转、处理
程序返回
N
N
Y
Y
图2-2键盘处理子程序的程序扫描法流程图
4.控制系统原理图及仿真
4.1控制系统方框图
控制系统是以单片机为控制器，通过键盘设置输入转速值，经单片机处理后送到D/A转换器，模拟信号经功率放大后驱动电机，最终电机以设定的转速值稳定旋转。
图4-1即为控制系统方框图
按键输入
AT89C52
D/A转换
驱动
电机
图4-1控制系统方框图
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