单片机控制伺服电机.docx
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单片机控制伺服电机
基于DSP的多伺服电机同步驱动系统设计
作者姓名：
闫瑞
刘呈坤
戚龙欣
边俊霞
指导老师：
***
摘要
半个世纪来，直流伺服控制系统己经在精密数控机床、加工中心、机器人等领域得到了广泛的应用。
随着伺服电动机技术、电力电子技术、计算机控制技术的发展，使得伺服控制系统朝着控制电路数字化和功率器件的模块化的方向发展。
本文介绍了微机直流伺服系统的硬件、软件设计方案。
硬件设计主要包括:
总体方案设计、单片机应用系统设计、驱动电路设计和测量电路设计。
软件编制采用模块化的设计方式，主要包括主程序设计及数字控制算法程序的设计。
通过系统的整体设计，完成了系统的基本要求，系统可以稳定的运行。
关键词：
伺服系统单片机
Abstract
Forahalfofcentury，theDCservocontrolsystemhasbeenwidelyusedintheNCmachinetool，machiningcenter，androbot…，etc.Withthetechnicaldevelopmentofservomotor，electronicespowerandcomputercontrol，theservocontrolsystemismakingtowardsdigitizedandmodulardesign.
Thispaperintroducesthehardware，softwaredesignplanofDCservocontrolsystemonmicrocomputer.Thehardwaredesignedincludesmainly:
thetotalprojectdesign，single-chipcomputerapplicationsystemdesign，drivecircuitdesignandmeasurecircuitdesign.Thesoftwareadotsmodulardesign，includesprimarilythemainproceduredesignandincreasesthedesignofthedealtypearithmeticfigurePIDcalculationwayprocedure.
Throughtheintegraldesignofthesystem,thecompletionofthebasicrequirementsofthesystem,thesystemcanstableoperation
Keywords:
servosystemmicrocontroller
第一章绪论
1.1课题研究的目的和意义
近年来随着物流仓储设备的快速发展，有很多物流仓储设备都选用多功能工业门机作为大宗货物进出仓库的阀门。
工业门机具有快速、全自动、安全、可靠、多功能等多种优点，可以高效便捷的使货物进出仓库，保证仓库内的环境清洁和安全,成为先进物流仓储设备的重要组成部分。
伺服驱动控制系统是80年代国际上崛起的高性能产品，具有良好的控制性能和较高的动态品质，并以调速范围广、稳速精度高、动态响应性能好、使用简便等优越性能，迅速成为伺服系统发展的必然趋势.因此研究具有必要性。
伺服系统也称为随动系统，属于自动控制系统的一种，它是用来控制被控对象的转角或位移，使其能自动的、连续的、精确地复现输入指令的变化规律，它通常具有负反馈的闭环控制系统，有的场合也可以用开环控制系统来实现其功能，伺服系统在电机设备中具有很重要的地位，高性能的伺服系统可以提供灵活、方便、准确、快速的驱动。
位置伺服系统广泛应用于国民经济的各个工业部门，例如机床加工行业、冶金加工、机器人或机械手的控制、火炮群跟踪雷达和陀螺仪惯性导航系统等，都涉及到了位置定位和轨迹跟踪，因此位置伺服技术的高低，将直接影响我们国家的工业技术的发展水平。
位置伺服系统是通过控制器来实现自动控制理论的各种控制算法，通过执行机构电力电子功率变换装置实现对电机的控制，来达到位置伺服的目的。
其中控制器可以说是整个系统的心脏，其设计的好坏直接影响整个系统的性能。
有些伺服系统的控制器主要由模拟控制器来实现的，但对于那些较复杂控制算法，单靠硬件电路来实现系统控制相对比较困难。
随着微电子技术的迅猛发展，研发出各种高性能数字信号处理器，其运算能力强而且具有丰富的外部接口。
将数字信号处理器应用在位置伺服系统，构成数字位置伺服系统，该系统就可以通过软件编程的方式完成各种简单或复杂的传动控制算法，通过外部接口实现与电力电子功率变换装置的连接，最终实现对电机的控制，这样既可以提高系统的灵活性的也可以减小系统的体积。
1.2国内现状与发展趋势
我国在20世纪80年代初期通过引进、消化、吸收国外先进技术，又在国家“七五”、“八五”、“九五”期间对伺服驱动技术进行重大科技项目攻关取得了很大成果。
但由于产品可靠性等方面的原因，制约着我国数控机床的配套及应用，从而影响我国装备制造业的发展。
一些机床厂家也不得不选用国外的伺服系统，使得国产数控机床在价格、交货期、可靠性等方面均不占优势，更无心力开发市场需求的新品种，从而失去巨大的市场份额。
从公开的统计资料来看，CNC系统中75%以上的故障出自伺服部分。
然而，近年来在国家不断组织科技攻关的同时，一些民营高科技公司也为发展我国伺服驱动技术注入了新的活力。
1.3伺服电机发展历史
自从德国MANNESMANN的RexrothR公司的Indramat分部在1978年汉诺威贸易博览会上正式推出MAC永磁交流伺服电动机和驱动系统，这标志着此种新一代交流伺服技术已进入实用化阶段。
到20世纪80年代中后期，各公司都已有完整的系列产品。
整个伺服装置市场都转向了交流系统。
早期的模拟系统在诸如零漂、抗干扰、可靠性、精度和柔性等方面存在不足，尚不能完全满足运动控制的要求，近年来随着微处理器、新型数字信号处理器（DSP）的应用，出现了数字控制系统，控制部分可完全由软件进行，分别称为摪胧只瘮或抟旌鲜綌、撊只瘮的永磁交流伺服系统。
到目前为止，高性能的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机，控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。
典型生产厂家如德国西门子、美国科尔摩根和日本松下及安川等公司。
日本安川电机制作所推出的小型交流伺服电动机和驱动器，其中D系列适用于数控机床（最高转速为1000r/min，力矩为0.25～2.8N.m），R系列适用于机器人（最高转速为3000r/min，力矩为0.016～0.16N.m）。
之后又推出M、F、S、H、C、G六个系列。
20世纪90年代先后推出了新的D系列和R系列。
由旧系列矩形波驱动、8051单片机控制改为正弦波驱动、80C、154CPU和门阵列芯片控制，力矩波动由24%降低到7%，并提高了可靠性。
这样，只用了几年时间形成了八个系列（功率范围为0.05～6kW）较完整的体系，满足了工作机械、搬运机构、焊接机械人、装配机器人、电子部件、加工机械、印刷机、高速卷绕机、绕线机等的不同需要。
以生产机床数控装置而著名的日本法那克（Fanuc）公司，在20世纪80年代中期也推出了S系列（13个规格）和L系列（5个规格）的永磁交流伺服电动机。
L系列有较小的转动惯量和机械时间常数，适用于要求特别快速响应的位置伺服系统。
德国西门子（Siemens）公司的IFT5系列三相永磁交流伺服电动机分为标准型和短型两大类，共8个机座号98种规格。
据称该系列交流伺服电动机与相同输出力矩的直流伺服电动机IHU系列相比，重量只有后者的1/2，配套的晶体管脉宽调制驱动器6SC61系列，最多的可供6个轴的电动机控制。
美国A-B（ALLEN-BRADLEY）公司驱动分部生产1326型铁氧体永磁交流伺服电动机和1391型交流PWM伺服控制器。
电动机包括3个机座号共30个规格。
现在常采用（Powerrate）这一综合指标作为伺服电动机的品质因数，衡量对比各种交直流伺服电动机和步进电动机的动态响应性能。
功率变化率表示电动机连续（额定）力矩和转子转动惯量之比。
按功率变化率进行计算分析可知，永磁交流伺服电动机技术指标以美国I.D的Goldline系列为最佳，德国Siemens的IFT5系列次之。
2.2伺服电机工作理
伺服系统（servomechanism）是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。
伺服主要靠脉脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。
直流伺服电机分为有刷和无刷电机。
有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护不方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。
因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。
无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。
控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。
电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。
交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。
大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。
因而适合做低速平稳运行的应用。
伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。
伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。
交流伺服电机和无刷直流伺服电机在功能上的区别：
交流伺服要好一些，因为是正弦波控制，转矩脉动小。
直流伺服是梯形波。
但直流伺服比较简单，便宜。
第二章伺服电机控制硬件设计
2.1AT89C51单片机硬件结构
单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器，它最早是被用在工业控制领域，最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。
在此设计方案中我们选择AT89C51。
AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
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（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域,它由以下功能部件组成：
（1）微处理器（CPU）
（2）数据存储器（RAM）
（3）程序存储器（ROM/EPROM）
（4）4个8位并行I/O口（P0口、P1口、P2口、P3口）
（5）1个串行口
（6）2个16位定时器/计数器
（7）中断系统
（8）特殊功能寄存器
图3-1AT89C51引脚图
图3-1MCS-51单片机内部结构框图
图3-2AT89s51引脚图
图3-2MCS-51单片机内部结构框图
源引脚：
电源引脚接入单片机的工作电源。
（1）
（40引脚）：
接+5V电源。
（2）
（20引脚）：
接地。
时钟引脚：
2个时钟引脚XTAL1、XTAL2外接晶体与片内的反相放大器构成了1个振荡器，它为单片机提供了时钟控制信号，2个时钟引脚也可外接独立的晶体振荡器。
I/O口引脚：
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：
口线
引脚
第二功能
P3.0
P3.1
P3.2
P3.3
P3.4
P3.5
P3.6
P3.7
10
11
12
13
14
15
16
17
RXD（串行输入口）
TXD（串行输出口）
INT0（外部中断0）
INT1（外部中断1）
T0（定时器0外部输入）
T1（定时器1外部输入）
WR（外部数据存储器写脉冲）
RD（外部数据存储器读脉冲）
表3-1P3口第二功能功能表
P3口还接受一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
ALE/PROG非：
当访问外部程序存储器时，ALE输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是：
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG非）。
如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作，该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活。
此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。
：
程序储存允许（
）输出是外部程序存储器的读选信号，当AT89C51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN非有效，即输出两个脉冲。
在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的PSEN非信号不出现。
/
：
外部访问允许。
欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H——FFFFH），EA端必须得保持低电平（接地）。
需注意的是：
如果加密位LBI被编程，复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。
Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。
XTAL1：
振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。
XTAL2：
振荡器反相放大器的输出端。
2.2钟电路设计
本设计采用内部时钟方式，电容中
和
典型值通常选择为30pF左右，晶振的振荡频率的范围通常在1.2~12MHz之间。
晶振的频率越高，则系统的时钟频率也就越高，单片机的运行速度也就越快。
因此我选择12MHz。
图3-3时钟电路
2.3复位电路设计
AT89s52的复位是由外部的电路来实现的，在此我选择自动上电复位电路。
自动上电复位电路是通过外部复位电路的电容充电来实现的。
当电源接通时，只要
的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位
图3-4复位电路
2.4显示电路设计
在单片机应用系统中，要用相应的显示器，常用的有LED和LCD两种，这两种显示器成本低廉，配置灵活，与单片机接口方便。
近年来也开始配置简易的CRT接口，可以方便的进行图形显示。
在本系统中，采用价格低廉，接口电路灵活的LED显示器，下面先介绍一下LED显示器。
LED是发光二极管英文的缩写。
LED显示器是由发光二极管构成的，LED显示器在单片机系统中应用非常普遍。
LED显示器有动态显示和静态显示两种显示方式。
1．LED静态显示方式
LED显示器工作于静态显示方式时，各位的共阴极或共阳极连接在一起并接地；每位的段码线分别与1个8位的锁存器输出相连。
之所以称为静态显示，是因为各个LED的显示字符一经确定，相应锁存器锁存的段码输出将维持不变，直接送入另一个字符的段码为止。
正因为如此，静态显示器的亮度都较高。
2．LED动态显示方式
在多位LED显示时，为简化硬件电路，通常将所有位的段码线相应段并联在一起，由1个8位I/O口控制，形成段码线的多路复用，而各位的共阳极或共阴极分别由相应的I/O线控制，形成各位的分时选通。
若要各位LED能够同时显示出于本位相应的显示字符，就必须采用动态显示方式，即在某一时刻，只让某一位的位选线处于选通状态，而其他各位的位选线处于关闭状态，同时，段码线上输出相应位要显示的字符的段码。
这样，在同一时刻，4位LED中只有选通的那一位显示出字符，而其他3位则是熄灭的。
同样，在下一时刻，只让下一位的位选线处于选通状态，而其他各位的位选线处于关闭状态，在段码线上输出将要显示字符的段码，则同时刻，只有选通位显示出相应的字符，而其他各位则是熄灭的。
根据设计要，我们需要设计显示电路，显示出电机运行状态，调节速度以及其他的显示数据，由于显示功能较少，我选择数码管显示电机旋转圈数。
在显示电路中，选6个共阳极的LED作为显示器，A-G连单片机的P1口，共阳极1-6连P1口的低四位。
P0^3口作为段控制，P0^4口作为位控制，以段选控制数字以及小数点的显示，通过位选和段选来控制整个动态扫描电路的显示过程。
为了增强电流，点亮数码管，还要加上两个驱动锁存器74LS373，即段驱动和位驱动。
单片机系统中常用的地址锁存器芯片74LS373是带三态缓冲输出的8D触发器，其引脚图与结构原理图如下：
<74LS373引脚图结构图>
图3-574LS373引脚图结构图
74LS的输出端Q0～Q7可直接与总线相连。
当三态允许控制端OE为低电平时，Q0～Q7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。
当OE为高电平时，Q0～Q7呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。
当锁存允许端LE为高电平时，Q随数据D而变。
当LE为低电平时，D被锁存在已建立的数据电平。
当LE端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰度被改善400mV。
引出端符号：
D0～D7数据输入端
OE三态允许控制端（低电平有效）
LE锁存允许端
Q0～Q7输出端
图3-6显示电路结构
2.5按键电路设计
1、键盘输入的特点
键盘实际上是一组按键开关的集合。
通常，键盘开关利用了机械触点的合、断作用。
一个电压信号通过键盘开关机械出点的断开、闭合输出波形。
2、按键的确认
键的闭合与否，反映在行线输出电压上就是呈现高电平或低电平，如果高电平表示键断开，低电平则表示键闭合，通过对行线电平高低状态的检测，便可确认按键按下与否。
为了确保CPU对一次按键动作只确认一次按键有效，必须消除抖动期的影响。
3、消除按键的抖动
采用软件延时来消除按键抖动的基本思想是：
在第一次检测到有按键按下时，该键所对应的行线为低电平，执行一段延时10ms的子程序后，确认该行线电平是否仍为低电平，如果仍为低电平，则确认为该行确实有按键按下。
当按键松开时，行线的低电平变为高电平，执行一段延时10ms的子程序后，检测到该行线为高电平，说明按键确实已经松开。
采取以上措施，躲开了两个抖动期，从而消除了按键抖动的影响。
根据设计要求，需要对系统进行实时的调节，因此需要输入设备，由于调节参数较少，可以使用符合按键，我选择独立按键，足以满足系统要求。
独立式键盘就是各键相互独立，每个按键各接一根输入线的电平状态可以很容易的判断哪个按键被按下。
在按键数目较多时，独立式键盘电路需要较多的输入口线且电路结构复杂，故此种键盘适用于按键较少或操作速度较高的场合。
所需按键功能有：
停止键，电机正转键，电机反转键。
2.6控制伺服电机电路设计
控制电路设计
在计算机控制的直流伺服电机调速系统中，计算机部分输出的控制电压一般是可连续变化的低电压，且只能提供小电流；而电机必须得到可连续变化的高电压及大电流，才能实现转度大小和方向的控制。
随着大规模集成电路的飞速发展，以及微处理器在伺服系统中的普遍应用，伺服元件发生了巨大变革，向着便于计算机控制的方向发展。
位置、速度等测量元件趋于数字化、集成化，由此可构成数字式的小型化、高可靠性运行的PWM伺服系统。
由于单片机属于TTL电路（逻辑1和0的电平分别为2．4V和0．4V），其I／O口输出的开关量控制信号电平无法直接驱动电机，所以在P2口控制升速信号输出端需加入驱动电路或驱动器。
在Proteus中用ULN2003驱动伺服电机。
ULN2003是高耐压、大电流复合晶体管阵列，由七个硅NPN复合晶体管组
图3-7ULN2003
ULN2008特点如下：
ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路
直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。
ULN2003工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V的电压，输出还
可以在高负载电流并行运行。
ULN2003采用DIP—16或SOP—16塑料封装。
ULN2003内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，可用来驱动继电器。
它是双列16脚封装,NPN晶体管矩阵,最大驱动电压=50V,电流=500mA,输入电压=5V,适用于TTLCOMS,由达林顿管组成驱动电路。
ULN是集成达林顿管IC,内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管,它的输出端允许通过电流为200mA，饱和压降VCE约1V左右，耐压BVCEO约为36V。
用户输出口的外接负载可根据以上参数估算。
采用集电极开路输出，输出电流大，故可直接驱动继电器或固体继电器，也可直接驱动低压灯泡。
通常单片机驱动ULN2003时，上拉2K的电阻较为合适，同时，COM引脚应该悬空或接电源。
ULN2003是一个非门电路，包含7个单元，单独每个单元驱动电流最大可达350mA，9脚可以悬空。
ULN2003是大电流驱动阵列,多用于单片机、智能仪表、PLC、数字量输出卡等控制电路中。
可直接驱动继电器等负载。
输入5VTTL电平，输出可达500mA/50V。
ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列,由七个硅NPN达林顿管组成。
该电路的特点如下:
ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和
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