伺服电机开题报告.docx
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伺服电机开题报告
电子信息工程学院
毕业设计开题报告
飞思卡尔智能车速度伺服系统硬件设计
学生姓名：
宋军
专业：
电子信息工程
班级：
94020101
学号：
2009040201018
指导教师：
宋军
2013年3月
开题报告
一选题的依据和意义
伺服系统属于自动控制系统中的一种，它是伴随电的应用发展起来的，最早出现于二十世纪初。
1934年第一次提出了伺服机构（Servomechanism）这个词，随着自动控制理论的发展，到二十世纪中期，伺服系统的理论与实践均趋于成熟。
近几十年来在新技术革命的推动下，特别是伴随着微电子技术和计算机技术的飞速进步，伺服技术更是如虎添翼突飞猛进，它的应用几乎遍及社会的各个领域。
从国防、工业生产、交通运输到家庭生活，而且必将发展应用到更新的领域。
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。
伺服电动机分为直流和交流伺服电动机两大类，直流伺服电动机具有响应快、低速平稳性好、调速范围宽等特点，因而常用于实现精密调速和位置控制的随动系统中，在工业、国防和民用等领域内的到广泛应用，特别是在火炮稳定系统、舰艇平台、雷达天线、机器人控制等对位置速度的控制精度要求较高的场合。
LM629是NationalSemiconductor公司的一款电机专用运动控制处理器,可用于直流、无刷直流电机及其它可提供增量式位置反馈信号的伺服机构。
该器件可完成数字运动控制中的高精度实时计算任务。
该元件不但能简化系统软、硬件设计，提高系统可靠性、减轻工作量而且能提高系统性能，反映速度快、控制精度高。
LM629在一个芯片内集成了数字式运动控制器的全部功能，使得设计一个快速、准确的运动控制系统的任务变得轻松、容易,它提供8位PWM调制信号和方向信号直接驱动桥式电路。
可通过8位I/O口及6根控制线与主处理器通信以控制LM629内部PID控制器及速度图编程。
二选题研究的基本内容
设计任务的主要内容是设计一个小功率有刷直流电机伺服驱动器。
该伺服驱动器的设计工作包括2个部分：
硬件设计和软件设计。
硬件设计包括：
电机驱动单元、位置反馈单元单元等；软件部分包括：
电机速度反馈控制，速度、加速度、位置PID闭环控制的处理和赛道信息的识别。
时间允许的情况下可以考虑部分软件设计。
本任务的重点是硬件的设计，结合软件，完成如下技术要求：
1.硬件设计：
（1）主控单元。
（2）转速测量单元。
（3）速度伺服驱动单元。
（4）电源单元。
2.软件设计：
（1）伺服驱动器可以驱动一个小功率有刷直流电机运行。
（2）伺服驱动器可以控制电机运动的速度、位置和加速度。
（3）伺服驱动器根据赛道情况可以实现对电机运动的速度和位置数据的反馈控制。
完成此任务的过程中，首先要学习并掌握有刷直流电机的工作原理，并分析和理解有刷直流电机伺服驱动器的工作原理。
在此基础上，学习主处理器STM32F103VE、运动控制器LM629和运动驱动器LMD18200的基本原理及接口知识。
采用Protel99se绘制有刷直流电机伺服驱动器原理图并且制作硬件电路板。
由于该系统的使用C语言编程，所以要学习并掌握单片机C语言的基本知识和的STM32F103VE的中断、定时器功能。
在了解了运动控制器LM629的命令集和控制时序后，设计LM629的初始化子程序、读写数据子程序、中断子程序等应用子程序和主控制程序。
三研究方法及措施
1.设计方案
1．硬件方案：
1.主控制器电源部分
STM32F103VE的工作电压为2V-3.6V，在设计最小系统中，采用LM1117-3.3稳压芯片将5V降到3V为中央处理器供电。
其中的4个电容是滤波电容，LED作为电源指示灯。
为了更好的降电压波动波对处理器的干扰，在接近STM32F103VE的四个VDD引脚附近仍需采用0.1uF的滤波电容。
电源部分原理图如图1.1所示。
1.1最小系统电源设计原理图
2.复位部分
复位是STM32F103VE的初始化操作，只需给复位引脚RST加上低电平既可使其复位。
复位电路通常采用上电复位和手动复位两种方式。
本系统采用上电和手动两种复位方式，以便于电路调试需要，原理图如图1.2所示。
图1.2最小系统复位设计原理图
LM629是全数字式控制的专用运动控制处理器。
通过一片单片机、一片LM629、一片功率驱动器、一台直流电机、一个光电编码盘就可以构成一个伺服系统。
使用6MHz或8MHz时钟频率和5V电源工作。
3．驱动控制器部分
LM629N是NMOS结构，采用28引脚双列直插式封装。
引脚图如图1.3所示，引脚功能如表1.4所示。
图1.3LM629引脚示意图
表1.4LM629引脚名称及其功能
引脚
名称
功能描述
1
/IN
接收从增量编码器来的标记（index）信号（标记信号为低）。
该引脚如果不使用，必须置高。
当引脚1，2和3为低电平时读取INDEX位置。
2、3
A、B
接收从增量编码器来的两个正交信号。
当电机正转时，2脚信号应超前于3脚信号90度。
4-11
D0-D7
连接主计算机或主处理器的I/O口。
通过控制/CS（12脚）、/PS（16脚）、/RD（13脚）和/WR（15脚）的高低电平可向LM629写入指令和数据，或从LM629读出状态字节和数据。
12
/CS
片选输入，由主机用来选用LM628，进行读写操作。
13
/RD
由主机用来读出LM629状态和数据。
14
GND
电源，地。
15
/WR
用来控制写入指令和数据。
16
/PS
用来选择指令口或数据口。
当PS为低电平时，向指令口写入指令，或从指令口读出状态，当PS为高电平时，经数据口写入或读出数据。
17
HI
高电平有效，通知主计算机中断条件己具备。
18
SIGN
控制PWM方波符号。
19
MAG
控制PWM方波强度。
26
CLK
系统时钟输入端。
27
RST
复位输入端，低电位有效。
28
VDD
电源，电压为十4.5～5.5v，≤100mA。
LM629有如下特性：
（1）32位的位置、速度和加速度寄存器；
（2）16位参数的可编程数字PID控制器；（3）可编程微分项采样时间间隔；（4）8位脉冲调制PWM信号输出；（5）速度、位置及PID参数可在运动过程中实时改变；（6）位置、速度两种控制方式；（7）具备增量式编码器接口；（8）实时可编程中断；（9）可对增量式光电编码盘的输出进行4倍频处理。
4.LM629的时钟电路
LM629的电源采用振荡频率为6M有源晶振。
有源晶振通常的用法：
一脚悬空，二脚接地，三脚接输出，四脚接电压。
时钟电路的原理示意图如图1.5所示。
图1.5LM629时钟电路原理图
有源晶振不需要DSP的内部振荡器，信号质量好，比较稳定，而且连接方式相对简单，不需要复杂的配置电路。
相对于无源晶体，有源晶振的缺陷是其信号电平是固定的，需要选择好合适输出电平，灵活性较差，而且价格高。
5.光电隔离电路
光耦能以光形式传输信号，有较好的抗干扰效果，输出侧电路能在一定程度上得以避免强电压的引入和冲击。
LM629的电源电压为5V，其输出的两路号MAG，SIGN控制LMD18200的PWM，DIR端。
但是LMD18200供电电压为24V，两类信号之间的电压相差很大。
为了避免电流回流对LM629造成干扰和损害，所以在SIGN和DIR、MAG和PWM之间用光耦进行隔离。
SIGN和DIR之间使用TLP521，MAG和PWM之间使用6N137。
增量编码器（1000线）与直流无刷电机的主轴相连，输出A、B路数字脉冲信号。
LM629对这两路信号进行四倍频，提高其分辨率。
A脉冲与B脉冲逻辑状态每变化一次，LM629内的位置寄存器就会加（减）l。
另外A脉冲和B脉冲保持90度的相位差，LM629通过对相位差的识别分析出电机运行的方向。
但考虑到来自编码器的信号不稳定且容易对LM629产生干扰甚至损坏，故输入给LM629的两路脉冲信号也需要光电隔离，隔离光耦采用6N137。
光电隔离增量编码器接口设计原理示意图如图1.6所示。
图1.6光耦原理示意图
当电信号送入光电耦合器的输入端时，发光二极体通过电流而发光，光敏元件受到光照后产生电流，CE导通；当输入端无信号，发光二极体不亮，光敏三极管截止，CE不通。
对于数字量，当输入为低电平“0”时，光敏三极管饱和导通，输出为低电平“0”；反之则输出为高电平“1”。
TLP521光耦合器性能较好，价格便宜，因而一般选择TLP521；但在电平转换频率较高时，改用6N137。
本设计体统的驱动模块部分主要是以LMD18200为核心的驱动电路。
H桥驱动组件LMD18200是由美国国家半导体公司生产的，用于电机驱动的功率集成驱动芯片。
LMD18200外形结构和内部框图如图1.7所示。
6.电机驱动电路
图1.7LMD18200引脚示意图
LM18200采用了将4个DMOS管组成的H桥及其逻辑控制电路均包含在一个11脚的T-220封装中，主要性能：
1.峰值输出电流高达6A，连续输出电流达3A；2.工作电压高达55V；3.TTL/CMOS兼容电平的输入；4.具有温度报警和过热与短路保护功能；5.芯片结温达145℃，结温达170℃时，芯片关断；6.具有良好的抗干扰性。
7.系统电源电路
该系统的供电电源端分为三个部分，5V直流电源，24V直流电源和接地端。
由于STM32F103VE需要3.3V电源供电，此系统中采用LM1117-3.3稳压芯片进行电压转换（在4.1.1节中已介绍）。
系统的供电电源设计如图1.8所示。
图1.8系统供电电源原理示意图
图4.15中的两个发光二极管用于电源指示。
3.3V直流电源用于给主处理器STM32F103VE，部分光耦TLP521，部分光耦6N137和MAX3232供电；5V直流电源用于给运动控制器LM629，部分光耦TLP521，部分光耦6N137和有源晶振供电。
因为LMD18200的供电电压高达55V，本系统选择24V直流电压给驱动器LMD18200供电。
具体电源分配如表1.9所示。
表1.9电源分配表
电源
供电芯片编号及名称
3.3V
U1：
STM32F103VE
U10：
MAX3232
U6、U9：
TLP521
5V
U2：
LM1117-3.3
U4、U5、U7：
6N137
U6、U8、U9：
TLP521
U11：
LM629
Y3：
有源晶振
24V
U3：
LMD18200
8.主控制器
STM32F103VE采用2V-3.6V供电，5V逻辑的I/O管脚，拥有优异的安全时钟模式、带唤醒功能的低功耗模式、内部RC振荡器、内嵌复位电路以及工作温度范围为-40度至+105度。
STM32F103VE使用高性能的ARMCortex-M332位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器（高达512K字节的闪存和64K字节的SRAM），丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。
STM32F103VE包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和一个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：
多达2个I2C和SPI、3个USART、一个USB和一个CAN。
STM32F103VE的管脚如图2.0所示。
2.0STM32F103VE管脚图
2．软件设计：
1.速度伺服程序设计部分
LM629可以工作在位置控制方式和速度控制方式，下面先以位置模式来阐述其控制原理。
主处理器指定加速度、最大速度、最终的目标位置LM629首先以给定的加速度使电机加速，直到达到目标速度值，在此过程中，LM629记录下达到目标速度值所
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