毕业设计进给伺服负载模拟系统设计电路部分.docx
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毕业设计进给伺服负载模拟系统设计电路部分
目次
参考资料
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1毕业设计的总体介绍
1.1毕业设计题目介绍
该设计的题目是进给伺服负载模拟系统设计------电路部分，在数控机床中，进给伺服的动态性能直接决定着工件的加工精度。
将先进的控制算法用于进给伺服的控制中，可以显著提高加工精度。
本设计的设计内容可分为机械装置部分和电路部分。
电路部分主要包括信号源与执行器之间的接口电路设计、调试，图纸绘制以及实际装置的安装与调试。
本次设计的目的是使我们重新复习以前所学的知识，并将它们融会贯通，真正变成自己的东西，也为以后的工作做好铺垫。
随后应用这些知识去寻找答案，解决问题，作为大学学习过程的一个结局。
我们通过这次毕业设计可以再次梳理知识，并应用知识解决问题。
这次设计可以提高学生的综合应用能力、分析设计能力、绘图能力及创新能力。
设计内容和要求是:
1.内容：
本次毕业设计内容包括方案制定、电路设计和系统调试，其目的是使学生综合地运用四年所学知识去分析、解决问题，了解学习电子系统设计的全过程。
2.技术要求：
控制器采用51单片机；通过按键设置输出方波、正弦波电流控制信号来控制磁滞制动器；通过按键控制系统工作在周期性连续运行状态和单周期触发运行状态；通过可调电阻实现输出增益和直流偏置连续可调；具有输出短路保护功能
3.工作要求：
（1）结合设计内容，按要求完成外文文献翻译；
（2）查阅相关资料，进行实习调研，完成方案论证报告；
（3）方案设计、电路设计、仿真；
（4）绘制完成相关图纸；
（5）按要求撰写毕业设计说明书。
1.2该题目涉及的领域及发展情况
随着控制系统和控制技术的发展，伺服控制系统得到了迅速的发展，主要表现在高效率化、直接驱动、高速高精高性能化、一体化和集成化、通用及网络化、智能及模块化、专用化和多样化等发展等方面。
在工业方面，随着数控技术的快速发展，对于控制技术的要求越来越高，使用人工已经满足不了要求。
众所周知，伺服系统是用输入一个信号来控制另一个信号（输出信号），它的自动化程度比较高，输出的精确度也很高，能够比较准确的跟随或复现输入变量，实现对速度、位置、转矩等的控制，一般情况下，它主要是对机械的位置或角度进行控制。
目前来说，很多比较大的设备都需要对位置、速度、转矩进行自动化控制，并且对精度要求也很高，这就使得伺服系统得到快速发展，并被广泛采用。
伺服系统一般来讲有三种控制方式即位置、速度、转矩控制方式，一般情况来说，速度控制和位置控制用的比较多。
如果把伺服系统进行分类，则伺服系统可以分为模拟伺服系统和数字伺服系统，模拟伺服系统是由上位系统、位置控制器、速度控制器、电流控制器、电动机、电流检测装置、速度检测装置、位置检测装置组成,数字伺服系统是由上位系统、驱动电路、电动机、检测编码器、反馈信号处理电路等组成。
本设计的硬件大致可以说成是伺服电机+扭矩传感器+磁滞制动器，伺服电机可以把电压信号转换成转矩和转速，通过电机轴输入给扭矩传感器，然后放大器将信号放大，又经过转换器和模数转换把模拟信号变成数字信号输入51单片机，又经数模转换把数字信号转换成模数信号给执行机构，控制其执行。
1.3背景介绍
随着数字控制技术的飞速发展，人们又开始研究新的领域，即研究由伺服电机、负载、微处理器构成的系统的一个运动控制学。
如今，随着各式各样的运动控制器的如雨后春笋般出现，数控技术也得到飞速发展，为数控机床的运动控制设计提供了很大空间。
目前，多数公司的设计人员都选择以工控机为硬件平台，以DDS作为软件平台，然后利用插槽插上I/O卡和伺服控制卡，并具有开放性。
这种数控机由于使用方便并且功能齐全而的到广泛应用。
如今已经有一些公司对其进行研发。
数控系统的一个重要的叫伺服控制卡的元件，它的性能的好与坏将直接反应到数控系统的控制精度，稳定性、反应速度，操作性能等。
目前，多数控制系统的伺服控制模板的控制电路都是围绕着DSP或高性能的专用运动控制处理芯片设计制作而成的。
虽然这些控制器有很多优势，例如运行速度比较快、控制精度比较高、稳定性比较高、功能比较齐全，但它的价格也是相当惊人的。
对于一些小型企业来说，由于价格高，使用它的可能性很小，所以有时相比于大众的需求来说，其性价比就较低。
因此一种新型的控制系统就出现了，单片机的软硬件结合技术，即把单片机的硬件与软件结合,它的价格低，又能满足要求，并且综合了硬件与软件的优势，所以在数控机床上得到了广泛的应用。
该系统主要包括上位机和下位机两个系统，一般来说，它们两个系统的主要任务是位置控制、速度控制、I/O管理、程序编辑、机床运行状态显示等。
单片机的出现和应用是对传统控制技术的一场革命，单片机控制产品和应用技术的广泛普及，必将渗透到工业、国防、商业、农业、科研等各个领域。
本次设计主要任务是设计出一个能够输出方波和正弦波的装置，来控制负载（磁滞制动器）的运动。
波形发生器以前可以完全由硬件电路搭接而成，主要使用的电路有数模（模数）转换电路，运算放大电路，比较电路，滤波电路、采样、保持等。
在某些领域需要用到信号频率较低，而当RC较大的时候才有低频信号源，但是大电阻，大电容在制作上有困难，参数的精度亦难以保证；体积大，漏电，损耗显著更是致命的弱点。
一旦工作需求功能有增加，则电路复杂程度会大大增加。
根据选用的数模（模数）转换芯片的不同，画出的电路图也有很大差别，选用比较简单的数模（模数）转换芯片，就需要有运算放大电路、比较电路、滤波电路、积分电路等。
以前产生不同波形的方法是：
单片机通过定时器中断来产生矩形波（方波），方波通过积分电路能够得到三角波，再次积分能够得到正弦波。
这种方法由于产生的波形种类较少，现在已很少使用。
如今的电路能够产生多种波形，正弦波、方波、锯齿波、三角波等很多种，而在本设计中，要求生成正弦波和方波两种波形即可。
1.4波形发生器的发展状况
波形发生器作为一种电子仪器，其要求是精度高、重复性、操作容易、稳定性高，波形发生器按照输出信号波形分类可分为正弦信号发生器，脉冲信号发生器，函数信号发生器和随机信号发生器。
其中，函数信号发生器的优势为相位可连续变化、频率稳定、可模拟多种信号、可及时控制信号的性能等，这些优点使其得到广泛应用。
波形发生器的发展主要分为四个阶段：
第一阶段：
70年代前，那时候的信号发生器采用的是模拟技术，价格贵，操作起来麻烦，功耗也很大，并且只能生成正弦波、余弦波、方波、三角波等几种常见波形，采用复杂的电路才能生成其他波形。
第二阶段：
70年代后，随着电子技术的发展，出现了新的、体积较小的处理器，微处理器的出现弥补了第一阶段的缺陷，此时也出现了一些模数、数模转换器，例如0832等，它的价格便宜，使用方便，能够产生更多复杂的波形。
第三阶段：
90年代末，又出现了新的技术--函数发生器，它是一种高性能、高价格的发生器，当然，其功能也更加强大，毫无疑问，其价格也比较高，目前还没有得到广泛应用。
第四阶段：
此阶段的标志是集成电路的出现，集成电路是把各个电路都集成到一块芯片上，使电路的体积大大减小，最突出的例子就是计算机的发展，集成电路的出现使计算机的体积大大减小。
2方案论证与比较
依据应用场合．需要实现的波形种类，波形发生器的具体指标要求会有所不同。
依据不同的设计要求选取不同的设计方案。
通常，波形发生器需要实现的波形有正弦波、方波、三角波和锯齿波。
有些场合可能还需要任意波形的产生。
设计波形发生器最主要的是看波形的频率、幅度、频率稳定度，准确度等是否符合设计的要求。
2.1方案一纯硬件法
纯硬件设计主要使用了运算放大器，开关电路，比较器，积分器等构成，它能够产生正弦波，方波和三角波，其产生原理为通过正弦波的查询表来产生正弦波，正弦波经过比较器产生方波，方波经积分器产生三角波。
开关电路可以选择产生哪种波形，改变电阻的大小可以实现幅度、频率、占空比等的变换。
纯硬件法中，首先要学会设计输出正弦波，这个是基础，也是产生方波和三角波的基础。
电路形式一般有LC、RC和石英晶体振荡器三类。
LC振荡器适宜于产生几Hz至几百MHz的高频信号；石英晶体振荡器能产生几百kHz至几十MHz的高频信号；对于频率较低，特别是在几百Hz时，一般情况下就采用RC振荡电路。
RC振荡电路又分为文氏桥振荡电路、双T网络式和移相式振荡电路等类型。
其中，以文氏桥振荡电路最为常用。
目前，实现波形发生器最简单的方法是采用单片集成的函数信号发生器。
采用这种方法的优势是电路简单，精度高，性能好；缺点是功能较全的集成芯片价格较贵。
2.2方案二纯软件法
用纯软件法设计的波形发生器主要是在计算机上依靠软件来控制被控对象的，它与传统的方法有很大区别．在计算机上实现仪器的虚拟面板，通过软件设计实现和改变仪器的功能。
例如用图形化编程工具LabVIEW来实现任意波形发生器的功能：
在LabVIEW软件的前面板通过拖放控件，设计仪器的功能面板（如波形显示窗口，波形选择按键，波形存储回放等工作界面），在软件的后面板直接拖放相应的波形函数并进行参数设置或直接调用编程函数来设计任意波形以实现波形产生功能；完成的软件打包后，可脱离编程环境独立运行。
实现任意波形发生器的功能。
采用纯软件设计的波形发生器操作简单，改动方便，成本也较低。
但它的稳定性和相应速度及精度远不及纯硬件法软件法。
2.3方案三软硬件结合法
软硬件结合顾名思义就是把纯软件法和纯硬件法结合起来的一种方法，它兼具两种方法的优势，即快速，灵活，智能，高性能，如以单片机和单片集成函数发生器为核心（如图1）。
图1软硬件结合的波形发生器
由软件控制，按键选择可以产生性能更加稳定、响应速度更快的波形。
并能实现波形发生器远程通信功能等。
因此这种方法已经得到广泛使用。
综上所述，软硬结合法比纯硬件设计法、纯软件设计法性能更优，更加智能化，因此在要求较高的场合，必须使用软硬结合法。
纯软件法主要适用于对波形精度、响应速度要求不是很高的场合。
综合以上几种设计方案，本设计采用方案三的方法—软硬件设计法。
其方案能够产生很好的波形，也易实现。
3主控电路图的设计
3.151系列单片机的外部特征
设计中主要采用51系列的STC89C52型单片机，其引脚图如图2所示：
图289C52引脚图
40条引脚功能说明：
1、主电源引脚VSS和VCC，VSS电源地，VCC正常工作电压；
2、时钟电路引脚XTAL1和XTAL2，片内震荡电路的输入端和输出端；
3、控制信号引脚，RST：
复位控制输入或断电时，提供备用电源输入,ALE:
允许地址锁存器输出，PSEN：
片内程序存储器读选通信号输出，EA：
程序存储器选择输出。
3.251系列单片机的内部结构
通过对单片机的学习，我们知道51系列单片机的产品有8051、8031、8751等型号，其结构大致相同，差异在于存储器的配置上，8031内部没有程序存储器（ROM），8051内部有程序存储器，8751内部是把ROM换成了EPROM。
3.2.1MCS-51组成
MCS-51单片机是在一块芯片上集成了CPU、ROM、RAM、I/O口、定时计数器等部件，其部件主要是：
1、一个8位CPU。
2、一个片内振荡器及时钟电路。
3、4KBROM（用于存放用户程序和数据表格）
4、128BRAM用于存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。
5、两个16位的定时计数器，以实现定时或计数，当定时/计数器产生溢出时，可用中断方式控制程序转向。
6、32条可编程的I/O线。
7、一个可编程全双工串行接口。
8、具有5个中断源、两个优先级嵌套中断结构。
3.2.2CPU
CPU是单片机的核心部件，内部集成有运算器和控制器。
对CPU各部件介绍：
1、运算器顾名思义它的作用是进行数据间的运算，一般来说，它可以对半字节以及单字节等数据进行处理。
可以实现加、减、乘、除、加1、减1、与、或、非等操作。
2、程序计数器PC它是用来存放即将执行的命令的地址，执行指令时，低八位由P0口输出，高八位由P2口输出。
3、定时与控制部件时钟电路：
时钟的产生方式有两种，可以由内部方式或外部方式产生，内部方式是在XTAL1和XTAL2两引脚外接晶振、电容等元件，则震荡电路就会自激振荡。
如图3所示：
图3时钟部分电路图
晶振通常选用6MHZ、12MHZ、或24MHZ。
我们从单片机这一课程中知道了很多周期，例如机器周期、时钟周期、振荡周期、指令周期，它们之间的关系为：
1个机器周期=6个状态周期=12个振荡周期。
一个指令周期由1-4个机器周期组成，依据指令不同而不同.
3.2.3I/O端口
8051单片机一共有四个八位的双向I/O端口P0、P1、P2、P3,
P0口是一个双向口，可作为输入/输出口，通常作为地址/数据总线口，即低八位地址与数据线分时使用P0口。
P1口作为一个双向口只用于输入/输出信号。
P2口也是一个双向口，可当做输入输出口使用，当与外部设备连接时，可以和P0口一起输出地址信号，P2口输出高八位地址。
P3口功能:
P3口有两个功能：
第一功能也是作为输入输出线；第二功能作控制用，每个引脚都不同。
P3.0—RXD串行数据接收口
P3.1—TXD串行数据发送口
P3.2—INT0外中断0输入
P3.3—INT1外中断1输入
P3.4—T0计数器0计数输入
P3.5—T1计数器1计数输入
P3.6—WR外部RAM写选通信号
P3.7—RD外部RAM读选通信号
3.2.4全双工串行口
51系列单片机内置的串行接口是全双工的，既能发送数据，又能接收数据，还能同时发送和接收。
3.2.5中断系统
当CPU正在执行一项任务时，若外界发生紧急事件，则需要CPU暂停任务而去执行紧急事件，等处理完后，要准确回到刚才暂停的地方，继续执行任务。
8051具有五个中断源，两个优先级。
五个中断源是INT0、INT1、T0、T1、串行接口。
3.3单片机的复位状态
MCS-5l系列单片机的复位引脚是RESET，它在高电平时才有效，即当RESET出现高电平时，单片机执行复位和初始化，但是当振荡器运行时，不仅RESET要出现高电平，而且要至少保持两个机器周期（一个机器周期等于六个时钟周期等于十二个振荡周期）的高电平，才可以实现复位和初始化，复位电路图如图6所示。
正如单片机课本上介绍的那样，它是在第二个机器周期执行复位操作的，复位周期不产生ALE及PSEN信号，每隔一个机器周期就重复一次，一直到RESET变成低电平才停止复位。
内部的复位操作不会影响RAM的状态，复位时，堆栈指针会指向07H，各个端口都会变为1，而特殊功能寄存器则正好与各个端口的变化相反，变为0.对于加电复位电路，加电瞬间，RESET两端的电压跟所加的电压相等，而后由于RC电路的充电过程，使RESET两端的电压逐渐减小，不过只要其两端的电压保持10ms以上的高电平，都能够是51单片机顺利实现复位。
当RST引脚返回低电平以后，CPU从0地址开始执行程序。
图4复位电路图
3.4单片机与外部设备的连接方式
计算机与外部设备是通过接口连接在一块的，对于连接方式来说，一般来看可以分为串行接口连接和并行接口连接。
该设计选用串行接口。
51系列单片机内部的串行接口是全双工的，一般情况下，它即能发送数据，也能接受数据，还能同时进行发送和接收数据。
发送缓冲器只能写入而不能读出；接收缓冲器只能读出而不能写入。
另外，串行接口还有一个作用——接收缓冲，也就是说，它在接收寄存器还未完成对前一个字节的接收时，就能开始接收第二字节。
串行接口连接图如图5所示：
图5串行接口连接图
3.5主控电路图的绘制
模块的VCC接5V；
P1.7口接ad9850_1模块的D7脚/PIN25；
P2.2口接ad9850_1模块的W-CLK脚/PIN7；
P2.1口接ad9850_1模块的FQ-UD脚/PIN8；
P2.0口接ad9850_1模块的rest脚/PIN22；
主控电路的连接图如图6所示：
图6主控电路图
4芯片的选择
在计算机应用领域中，特别是在实时控制系统中，常常需要把外界连接变化的物理量（如温度、压力、流量、速度），变成数字量送入计算机内进行加工，处理；一般情况下，在很多场合也需要将数字量转为模拟量，因为模拟量是连续变化的，可以用这些模拟量来对执行机构进行控制，例如在该设计中就需要将单片机中输出的数字信号通过数模转换变成模拟信号，即数模转换，来控制磁滞制动器的执行。
用以实现这种转换的器件，叫做模数转换器和数模转换器。
4.1D/A转换器的基本原理
D/A转换器的基本功能是将数字量D转换成相应的模拟量A，这个数字量一般是以二进制的形式表示的，而这一模拟量如电流、电压的大小也与二进制有密切关系。
若在设计时选用不同的权电阻网络，就可以得到几种不同编码制式的数模转换关系。
例如当各电阻之间的关系满足R（i）=2R（i+1）时，每一数字输入位所代表的输出模拟量是其相邻的两倍，即组成二进制原码至模拟量的转换器。
由于权电阻网络，要求相邻二位电阻值之间存在严格的二倍关系，因此在制作过程中较难实现，所以在实际应用中大量采用图7:
图7D/A转换器原理图
4.2D/A转换器的选择
方案一：
选用0832，把AT89C51单片机和DAC0832数模转换器连接，之后把产生的模拟信号通入低通滤波器，滤去频率较高的信号，使生成的波形没有干扰。
在设计过程中，我首先想到的就是DAC0832，因为它价格低，使用较多，并且可产生任意波形，频率易调节。
其引脚图如图8所示：
图8DAC0832的结构图
D0-D7：
八位数据输入线；
ILE：
数据锁存允许控制信号输入线（高电平有效）；
CS：
片选信号输入线（选通数据锁存器），低电平有效；
WR1：
数据锁存器写选通输入线，（负脉冲有效）；
WR2：
DAC寄存器选通输入线，（负脉冲有效）。
IOUT1：
电流输出端1，其值随DAC寄存器的内容线性变化；
IOUT2：
电流输出端2，其值与IOUT1值之和为一常数；
XFER：
数据传输控制信号输入线（低电平有效，负脉冲有效）；
VCC：
电源输入端，VCC的范围为+5V～+15V；
VREF：
基准电压输入线，VREF的范围为-10V～+10V；
RFB：
反馈信号输入线，可调整转换满量程精度；
AGND：
模拟信号地；
DGND：
数字信号地
但它的功能较为单一，使用该芯片的话，电路图比较复杂，对于我这个初学者，并且从来没接触过PROTEL、PROTUES、AD等绘图软件的学生来说，任务较重，所以我放弃该方案。
方案二：
使用高性能的A/D转换芯片，例如AD9850数模转换芯片。
刚开始设计的时候，由于对数模（模数）转换器知道的不多，所以就采用了0832数模转换芯片，但是后来感觉其原理图比较复杂，不知道怎么画，后来听同学介绍了一种性能比较齐全的芯片9850数模转换芯片。
AD9850内含有DDS系统，该系统的核心是相位累加器，相位累加器是由加法器和相位寄存器组成，相位寄存器是随着时钟信号的输入次数而递加。
可以这么说，正弦查询表是用来查询然后输出正弦波的，做一个比方来说，如果把正弦查询表看成是一个圆，则输入查询正弦表的地址便是这个圆上的一个相位，输入信息后，查询表把输入地址的对应信息映射到圆上，变成一个幅度信号。
另外，AD9850内部还含有一个高速比较器，所以使用该芯片的话可以直接生产方波，而不用依靠正弦波再生成方波。
AD9850内部有40个控制字，其中的三十二位用于频率控制，它们可通过并行方式或串行方式输入到AD9850，当选用并行方式输入时，这40位控制字分五次输入到寄存器，一次输入8位，重复五次，全部输完，然后等到FQ-UD的上升沿时，把输入到寄存器中的40位控制字存到频率/相位数据寄存器，在W-CLK的上升沿把八位数据装入，然后指针指向下一个输入寄存器，如此操作，重复五次后，指针复位到第一个寄存器。
虽然采用并行方式一次可以输送八位数据，但传输速度较慢，所以在本设计中，我采用的是串行方式，在串行输入方式，一次只能传输以为数据，从AD9850的25号引脚输出，40位控制字逐个操作。
AD9850的22号引脚是RESET，复位信号，该信号是高电平有效，即当RESET引脚为高电平时，执行复位操作。
4.3数模（A/D）转换
4.3.1AD9850各引脚介绍
AD9850引脚图如图9所示：
图9AD9850引脚图
D0---D7:
八位数据输入口，如果选用串行方式，则只需从D7口输入，如果选用并行方式，则同时使用八位数据输入口；
DEND:
数字地；
DVDD:
数字电源；
W-CLK:
数字写入脉冲；
FQ-UD:
频率刷新功能信号；
CLK-IN:
外部参考时钟输入，可以是CMOS电子的脉冲序列；
AGND:
模拟电源；
R-EST:
DA输出电流的控制电阻连接端，通常接一只3.9K欧的电阻到地；QOUT:
内部比较器输出端；
QOUTB:
内部比较器互补输出端；
VINN：
内部比较器负相输入端；
VINP：
内部比较器正相输入端；
DACBL:
内部的旁路端，通常悬空；
IOUTB:
DA的互补输入端。
4.3.2数模转换电路图
图10A/D转换电路图
4.3.3AD9850模块外接有源晶振连接图
AD9850模块需要采用125MHz的有源晶振，其电路图如图11所示：
图11外接有源晶振连接图
5滤波电路的设计
5.1对滤波电路的认识
在工程测试与信号处理这门课中学到滤波是一个选频装置，由于外界的干扰太多，需要的频率只是一个小的范围，而对于其他的干扰信号就需要用滤波器滤掉。
滤波器是一种二端口网络。
滤波器实际上就是一个选频率的过程，对于有用的频率，让它通过，而对于无用的频率，将它阻拦。
5.2滤波电路的作用
滤波器是一种选频装置。
它对有用的信号衰减很小，使有用信号顺利通过；而对其他的无用信号衰减很大，阻止这部分信号的通过。
下面是滤波器在电路中的应用。
如图（12）LC。
图12LC滤波电路
5.3滤波器的分类
5.3.1低通滤波器
低通滤波器（lowpass）：
它的通带由零延伸到某一规定的上限频率1f，阻带则由1f延伸到无限大。
其衰减特性如图13所示：
图13低通滤波器衰减特性
5.3.2高通滤波器
高通滤波器（highpass）：
它的频率特性与低通相反，阻带位于低频范围内，通带则由1f延伸到无限大。
其衰减特性如图14所示：
图14高通滤波器衰减特性
5.3.3带通滤波器
带通滤波器（bandpass）：
在某一范围内的频率可以通过，例如f1--f2之间的频率可以通过，则其阻带为0--f1和f2--无穷大。
其衰减特性如图15所示：
图15带通滤波器衰减特性
5.3.4带阻滤波器
带阻滤波器（bandreject）：
在某一范围内的频率不能通过，与带通滤波器相反，例如f1--f2为阻带，则0--f1和f2--无穷大为通带。
其衰减特性如图16所示：
图16带阻滤波器衰减特性
5.3.5全通滤波器
全通滤波器（allpass）：
顾名思义，所有频率都能通过，即通带为负无穷大--正无穷大，其阻带为0。
其衰减特性如图17所示：
图17全通滤波器衰减特性
5.4对滤波器的选择
5.4.1椭圆滤波器
该设计电路选用了椭圆滤波器，在该设计之前，我根本就没听说过椭圆滤波器，这次是听同学介绍说椭圆滤波器的通带和阻带波动很小，性能非常好，建议我使用，后来查资料才知道它相比其他类型的滤波器，在性
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