课程设计直流伺服电机数字调速控制系统

1、计算机控制课程设计报告题 目：直流伺服电机数字调速控制系统院 （系）：电子工程与自动化学院 专 业： 自动化 学生姓名： 张中华 学 号： 0700320233 指导教师： 赵学军 龙超 2010年 9 月 18 日一、引言4二、设计任务42.1设计题目42.2设计要求4三、设计原理43.1步进电机简介43.2 24c08简介63.3lm393 简介-73.4 ulm2003 简介-7四、系统方案设计与比较-8五、主要模块设计-85.1整体电路设计及参数选择-85.2驱动电路-8六、系统调试与分析-12一摘要直流伺服电动机具有优良的调速特性和良好的启动性能和调速特性,调速平滑、方便,调速范围广

2、;过载能力大,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无级快速起动、制动和反转;并且可以输出正弦信号，供测速使用，能够满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求，启动转矩大，最大转矩大，能在宽广的范围内平滑、经济地调速，转速控制容易，调速后效率很高。与交流调速相比，直流电机结构复杂，生产成本高，维护工作量大。电动机调速系统采用微机实现数字化控制,是电气传动发展的主要方向之一。采用微机控制后,整个调速系统实现全数字化,结构简单,可靠性高,操作维护方便,电动机稳态运转时转速精度可达到较高水平,静动态各项指标均能较好地满足工业生产中高性能电气传动的要求。由于单片机性能优越,具有较佳的性能价格比,所以单片

3、机在工业过程及设备控制中得到日益广泛的应用。pwm 调速系统与可控整流式调速系统相比有下列优点:由于pwm 调速系统的开关频率较高,仅靠电枢电感的滤波作用就可获得平稳的直流电流,低速特性好;同样,由于开关频率高,快速响应特性好,动态抗干扰能力强,可以获得很宽的频带;开关器件只工作在开关状态,主电路损耗小,装置效率高。pwm 调速系统很早已出现,但是因为缺乏高速开关元件而未能在生产实际中推广应用。在近年来,由于大功率开关器件的制造成功和成本的不断下降, pwm调速系统又受到重视。关键字：伺服电机，单片机，pwm，调速二、设计任务1、 设计题目：直流伺服电机数字调速控制系统。2、 课设内容： 通过

4、键盘设置电机转速（给定值），通过控制程序使直流电机达到给定转速；直流伺服电机反馈的正弦信号经过处理来检测电机转动的频率； 通过pid调节，来输出校正后的pwm脉冲；三、设计原理1. 直流伺服电机简介直流伺服电机,它包括定子、转子铁芯、电机转轴、伺服电机绕组换向器、伺服电机绕组、测速电机绕组、测速电机换向器,所述的转子铁芯由矽钢冲片叠压固定在电机转轴上构成, 直流伺服电机的种类 小惯量直流电机印刷电路板的自动钻孔机 中惯量直流电机（宽调速直流电机）数控机床的进给系统 大惯量直流电机数控机床的主轴电机 特种形式的低惯量直流电机 直流伺服电机的基本特性 1、机械特性 在输入的电枢电压ua保持不变时，

5、电机的转速n随电磁转矩m变化而变化的规律，称直流电机的机械特性。 2、调节特性 直流电机在一定的电磁转矩m（或负载转矩）下电机的稳态转速n随电枢的控制电压ua变化而变化的规律，被称为直流电机的调节特性。 3.3、动态特性 从原来的稳定状态到新的稳定状态，存在一个过渡过程，这就是直流电机的动态特性。2. 电压比较器lm339简介lm339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：1）失调电压小，典型值为2mv；2）电源电压范围宽，单电源为2-36v，双电源电压为1v-18v；3）对比较信号源的内阻限制较宽；4）共模范围很大，为0（ucc-1.5v）vo；5）差动输入电压范围较大，

6、大到可以等于电源电压；6）输出端电位可灵活方便地选用。lcd显示模块3.显示模块1602芯片介绍1602液晶模块内部的字符发生存储器（cgrom)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“a”的代码是01000001b（41h），显示时模块把地址41h中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“a”。因为1602识别的是ascii码，试验可以用ascii码直接赋值，在单片机编程中还可以用字符型常量或变量赋值，如a。1602采用标准的16脚接口，其中：第1脚：vss为电源地第2脚：v

7、dd接5v电源正极第3脚：v0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10k的电位器调整对比度）。第4脚：rs为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。第5脚：rw为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。第6脚：e(或en)端为使能(enable)端。第714脚：d0d7为8位双向数据端。第1516脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。lcd显示电路4.pwm控制原理pwm（pulse width modulation）控制脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉

8、冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。 控制电机的时候，电源并非连续地向电机供电，而是在一个特定的频率下以方波脉冲的形式提供电能。不同占空比的方波信号能对电机起到调速作用，这是因为电机实际上是一个大电感，它有阻碍输入电流和电压突变的能力，因此脉冲输入信号被平均分配到作用时间上，这样，改变在始能端pe2 和pd5 上输入方波的占空比就能改变加在电机两端的电压大小，从而改变了转速。此电路中用微处理机来实现脉宽调制，通常的方法有两种：（1）用软件方式来实现，即通过执行软件延时循环程序交替改变端口某个二进制位输出逻辑状态来产生脉宽调制信号，设置不同的延时时间得到不同的占空比。（2）

9、硬件实验自动产生pwm 信号，不占用cpu 处理的时间。这就要用到atmega8515l 的在pwm 模式下的计数器1，具体内容可参考相关书籍。四、系统方案设计与比较（一）方案一：pwm波调速采用由达林顿管组成的h型pwm电路。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；h型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的pwm调速技术。我们采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定；并且在采用单片机产生pwm脉冲的软件实现上比较方便。且对于直流电机，采

10、用软件延时所产生的定时误差在允许范围。pwm波调速电路其结构图如图所示：单片机（速度的测量计算、输入设定及系统控制）单片机（pid运算控制器、pwm模拟发生器）电机速度采集电路电机驱动电路键 盘显示器电机调速系统框图（二）方案二：晶闸管调速采用闸流管或汞弧整流器的离子拖动系统是最早应用静止式变流装置供电的直流电动机调速系统。1957年，晶闸管（俗称“可控硅”）问世，到了60年代，已生产出成套的晶闸管整流装置，并应用于直流电动机调速系统，即晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（v-m系统）。如图1-3，vt是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置gt的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压，从

11、而实现平滑调速。晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性；晶闸管可控整流器的功率放大倍数在以上，其门极电流可以直接用晶体管来控制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。因此，在60年代到70年代，晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（v-m系统）代替旋转变流机组直流电动机调速系统（g-m系统），得到了广泛的应用。但是由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难；晶闸管对过电压、过电流和过高的与都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏

12、器件。另外，由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成“电力公害”，因此必须添置无功补偿和谐波滤波装置。图3 晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（v-m系统）兼于方案一调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，因此本设计采用方案一。五、主要模块的设计1pwm波软件软件设计程序流程图：开始按键检测设置转速nhz初始化通过n来控制终端服务程序中高电平的时间比当n个小周期完成后输出电平相反，直到完成一个pwm周期引脚电平再取反结束2测速软件设计开始初始化定时器t1开始计时对单位时间内的脉冲计数 n根据公式计算出电机的速度液晶显示电机速度六.系统功能调试（一）调试软件介绍ke

13、ilc51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到keilc51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。keil c51编译器由uvision2集成开发环境与编辑器和调试器以及c51编译器组成。其中uvision2集成开发环境中的工程(project)是由源文件、开发工具选项以及编程说明三部分组成的;编辑器和调试器包括源代码编辑器、断点设置、调试函数语言、变量和存储器。proteus软件是一种低投资的电子设计自动化软件，提供可仿真数字和模

14、拟、交流和直流等数千种元器件和多达30多个元件库。proteus软件提供多种现实存在的虚拟仪器仪表。此外，proteus还提供图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来。这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗，尽可能减少仪器对测量结果的影响，proteus软件提供丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。提供schematic drawing、spice仿真与pcb设计功能，同时可以仿真单片机和周边设备，可以仿真51系列、avr、pic等常用的mcu，并提供周边设备的仿真，例如373、led、示波器等。proteus

15、提供了大量的元件库，有ram、rom、键盘、马达、led、lcd、ad/da、部分spi器件、部分iic器件，编译方面支持keil和mplab等编译器。一台计算机、一套电子仿真软件，在加上一本虚拟实验教程，就可相当于一个设备先进的实验室。以虚代实、以软代硬，就建立一个完善的虚拟实验室。在计算机上学习电工基础，模拟电路、数字电路、单片机应用系统等课程，并进行电路设计、仿真、调试等。当电路设计完成之后，为了减少在电路板上调试时的难度，保证电路设计的正确性，将keil c51编译生成的*.hex 文件载入proteus软件，实现电路仿真。（二）直流电机的调速功能仿真说明：调试频率计工作的时候使用信号

16、发生器模拟电机速度，平率能够测量后就把线全接起来调试整体的程序。七小结通过本次课程设计，对伺服电机的运用有了进一步的了解，数字控制跟模拟控制有很大的不同，需要测试的数据及输出的只能是数字量，这样就要求在外围电路上加上一些外围电路了。在电路板的制作过程中遇到了一些问题，经过老师的指点，我们最后把电路改好了。程序调节上比较麻烦，不过通过prutus仿真软件调节起来就方便了许多，在硬件和软件的调试过程中学到了很多东西，同时也对微机控制的一些原理和方法有了更深的了解。八附件最小系统原理图：电压比较器于电机h桥驱动电路原理图：最小系统pcb：程序：#include #define uchar unsig

17、ned char#define uint unsigned int#define lcd p0#define tim 500int e0=0,e1=0,e2=0,out,outt,s;uchar code str1=set:_ ;uchar code str2=y:_hz;uchar code str3=p:10 i:1 d:1;uchar ddisplay4=0,0,0,0;uchar sheding3=0,0,0;uchar c_pid4=1,0,1,1;uchar temp4,temps4;uchar dispcount=0,zkb1;uint tcount=0,tt0cct=0;uch

18、ar kp,ki,kd;sbit p2_3=p23;sbit p2_4=p24; sbit p2_5=p25; sbit p2_6=p26;sbit p2_7=p27; sbit rs=p20;sbit rw=p21;sbit en=p22;sbit p10=p10;sbit p11=p11;sbit p12=p32;sbit p13=p13;sbit p14=p14;sbit p15=p15;sbit p16=p16;bit ff,keyk,keyflag=0;int y,y0,yy=0,r,rr=10,u,du,uu,para,zhkbi=0;void delay1us(int k);vo

19、id wr_com(uchar com);void wr_dat(uchar dat);void lcd_init();void disp1();void key();void display(uchar *p);void init_play1();void cepinlv();void pwm_kongzhi(int uu);void pid();void delay1ms(uint ms) uint i,j; for(i=0;ims;i+) for(j=0;j9)sheding0=0; elsec_pid1+;if(c_pid19)c_pid1=0;c_pid0+;disp1();if(p11=0)delay1ms(15);if (p11=0)if(keyflag=0)sheding1+;if (sheding19)sheding1=0;elsec_pid2+;if(c_pid29)c_pid2=0;disp1();if(p12=0)delay1ms(20);if (p12=0)if(keyflag=0)sheding2+;if (sheding29)sheding2=0;elsec_pid3+;if(c_pid39)c_pid3=0;disp1();while(p12=0);r=sheding2*1