逢甲大学自动控制工程学系专题制作

1、逢 甲 大 學 自動控制工程學系專題製作專 題 文雙電動推桿同步控制The Synchronization Control of Double Electric Tappets指導教授：陳孝武學 生: 楊智為曾健銓中華民國九十八五月二十五日致謝首先，我們十分感謝我們的指導教授陳孝武師，他管在軟體上還是硬體上給予我們最好的指導，對於實作經驗是很多的我們，他總是厭其煩的教導，我們由衷的感謝他。再者要感謝張志華助教以及洪三山師的實驗室，讓我們管在燒晶片或者是做實驗上無後顧之憂。感謝逢甲大學給我們這個機會去做這個專題，並且提供資齊全的圖書，在查資或是做報告有一個好的工作場地，對系上師和實驗設備供應心無

2、限感激,最後希望我們可以從這次專題中學到一些東西，對未面對各種一樣的研究上奠定基礎。I中文摘要推桿控制可應用在許多生活中的子，譬如:大氣窗的開啟，醫院病床的升，等。同動控制可以避免雙推桿同的速引起的錯誤，進而改善其安全性以及效。有潛應用於新時代建築、傢俱、工業安全相關域之研究與分析。本研究以脈衝寬變調(PWM Pulse Width Modulation)控制推桿馬達接，新一代的工業講究節能，PWM可達到其效果，PWM控制比以往的PID控制的節能，儘管比控制看起可能直觀而簡單，但它總是夠有效,隨時間誤差，因而難以調節。能夠解決這個問題的密比電可能非常龐大、笨重(如式的家庭體聲設備)和昂貴。比電

3、還有可能嚴重發熱。PWM可改善上述的缺點。藉由控制推桿直馬達的責任週期，在89S51晶片寫入程式準的控制，讓馬達比較速，經由光遮斷器(感測器)的回授控制可達到同步，速調節的功能，可解決因速同可能造成的意外，如平面傾斜導致碎物品損壞、故障等問題。II英文摘要Tappet Control has found application in life. For example: It has been applied for opening buildings window and rising up or descending hospital beds, etc.Synchronous Motio

4、n Control can avoid mistakes from different velocities, which can improve the security and efficiency. It has great potential applying to consideration in construction and industrial security.The research controls the tappets by “PWM Pulse Width Modulation”. New industries value energy saving. PWM c

5、an exactly do the job. “PWM Control” is better than “PID Control” in energy saving. Even though analog control looks like simpler and easier, it is not efficient. It is hard to control due to the due to the error of time. This problem could be solved by exact analog circuit which may be huge and exp

6、ansive. In addition, exact analog circuit can probably lead to serious heat.In conclusion, “PWM Control” can improve above disadvantages. We write function into the chip and control the motor by duty cycle. Then we can do “Feedback Control” to attend “Synchronization”and adjust velocity by sensor. T

7、hat can avoid accident by different velocity. If you tilt fragile object, it would be damaged and broken.III目致謝 . I 中文摘要 .II 英文摘要 . III 目 . IV 圖目. VI 表目 . VII第一章 緒.011.1 研究背景011.2 研究動機與目的.01第二章 基本.022.1 PWM的基本原.022.2 雙旋推桿同步控制架構示意圖.04第三章 軟體撰寫及硬體設置.053.1 軟體架構程圖 053.2 腳位明.063.3 暫存器介紹. 073.3.1 TCON：計時器控

8、制暫存器083.3.2 TMOD: 計時模式控制暫存器.093.3.3 中斷致能暫存器.093.4 計時器模式二簡介.10IV3.5馬達控制器.113.5.1 馬達控制卡架構.11 3.5.2 外接式馬達控制器.123.6 光學式編碼器電.133.7繼電器電.143.8 正反轉偵測電.153.9 電源電163.10 89S51部分電.163.11 電全圖.18第四章 實體成果.194.1 完整電實體.194.2 成果運作明.20第五章 結與問題討.21 第章 考資.22 附 本專題完整程式.23V圖目圖2.1.1 PWM動作原於低轉速時 .02圖2.1.2 PWM動作原於高轉速時.03 圖2.

9、1.3 PWM示意圖.03 圖2.2.1整體架構示意圖.04 圖3.1.1程式程圖.05 圖3.2.1 89S51腳位圖.06圖3.4.1計時器模式二架構圖.10圖3.5.1馬達控制卡示意圖.11圖3.5.2外接式馬達控制器示意圖.12圖3.5.3外接式馬達控制器電圖.13圖3.6.1 光遮斷器電圖.14圖3.7.1 繼電器電圖.15圖3.8.1 偵測電圖.15圖3.9.1 電源電圖.16圖3.10.1 89S51部分電.17圖3.11.1 全電圖.18圖4.1.1控制板電實體.19VI圖4.1.2馬達板電實體以及PROTEL PCB圖.19圖4.1.3光學式編碼器.20圖4.2.1 實體操作

10、畫面.20VII表目表3.1腳位明.07 表3.2 TCON暫存器.08 表3.3 TMOD暫存器. .09 表3.4 IE暫存器.09表3.5接點明.11VIII第一章 緒1.1 研究背景馬達廣泛的應用於各種工業、民生、運輸與資訊設備，如工業機器人、半導體製成設備、電板元件自動組裝設備、電梯、氣機、捷運電動、電動機、電動汽、影像掃描器、射印表機、光碟機等等。控制馬達成為重要課題,現在多已微處器結合馬達硬體去做控制,已達到我們要的結果,然而電動馬達的同步在市面上多已微調為主,受到時間及環境上的改變,即會使微調失去準確性,此時能以回授作為控制馬達的基礎,無疑將是控制馬達上的一大進步。1.2 研究

11、動機與目的我們打算針對市面上所擁有的電動馬達,大多用微調的方法產生同步效果作為改,我們考慮到方性以及實用性,只要在原設備上加上一塊控制板即可達到我們所要的回授控制效果,廠商無需花費額外成本把原本的裝備重新拆解,需,生活中時常遇到物品十分龐大且貴重擔心會在搬運過程中損壞即可用同步馬達可幫助物品搬運且增加他的安全性,電動馬達在醫院病床的升中扮演使病人能穩定舒適的在病床上休息的角色,在新型大的玻璃門窗開關上取代人的時間。1第二章 基本2.1 PWM的基本原PWM(Pulse Width Modulation)稱為脈波寬調變，常用於直馬達的控制、電源變換器之穩壓控制、甚至是直轉換交弦波的控制等，是控制

12、直馬達轉速最常的方法。其原如圖1(a)與1(b)所示，圖高電位的部份是馬達動作(active)時間，或叫做責任週期(Duty Cycle)，低電位的部份是馬達停止(stop)時間，者時間和即為週期。當使用者想低馬達轉速時，只要減少動作的時間、增加停止的時間，並保持週期變即可，如圖1(a)所示。反之，如果想加快馬達的轉速，則需要加長動作的時間、縮短停止的時間，並且保持週期變，如圖1(b)所示。由於改變轉速係透過改變動作的時間比，也就是圖1(a)與1(b)高電位脈波(Pulse)的相對時間寬(Width)，因此這樣的控制方式稱作脈波寬調變。2圖2.1.1 PWM動作原於低轉速時圖2.1.2 PWM

13、動作原於高轉速時對於比較密、反應比較快的直馬達控制器，圖1(a)與1(b) 的脈波寬變化需要相當的快，通常是以“ Sec為單位，甚至密的以0.1 Sec為單位,為達到準，所以我們選擇使用組合語言,雖然可能在撰寫過程上較為方,但它可以減少程式中所造成的延遲時間。作用在馬達的電壓責任週期比 輸入電壓(方程式 1)由上式公式,得知我們可用責任週期間接控制馬達轉速。圖2.1.3 PWM示意圖2.2 雙旋推桿同步控制架構示意圖3此專題整個架構主要以89S51為中心,透過外部偵測電判斷進正轉或反轉,經由P0.4腳位判斷手動或自動模式,甚至於到誤差溢位保護模式,皆由89S51內的程式決定動作與否。圖 2.2

14、.1 整體架構示意圖4第三章 軟體撰寫及硬體設置3.1軟體架構程圖接下將透過程式程圖,讓大家對程式的內容有初步的認,首先在start的部份就是要設定初值及變的位置。z 正反轉的部份：透過P0.0腳位外部的偵測電去判斷正轉或反轉,間接決定繼電器為常 開或者是常閉。z 手自動的部份：檢查P0.4外部接的按鈕輸入為HIGH或者是LOW,決定程式要跑手動部分還是自動部分。z 誤差溢位保護模式：當個馬達相差過大時系統會停止動作,主要是用變作運算,如果他們運算時變高於或低於我們的設定值的話,即會發生溢位且同時啟動系統停止的指。5圖3.1.1程式程圖3.2腳位明89S51為Intel公司所推出的MCS-51

15、系產品之一89S51,單片具有以下之特性：1. 專為控制使用所設計的8位元單晶片。2. 具有位元輯運算能。3. 具有128位元的RAM，以及4K位元的ROM。4. 具有4個8位元I/O埠。5. 具有2個16位元的計時/計器。6. 具有全雙工的UART。67. 具有5個中斷源及層中斷優先權結構。8. 具有時脈產生電。9. 具有外部電擴充64位元程式記憶體的能。它總共有40之接腳,我們在這做一一介紹,只針對此專題有用到部分作以下介紹：圖3.2.1 89S51腳位圖 腳位P1.0P1.2P1.4P1.6P0.0 功能介紹 PWM（脈寬調變）輸出1 PWM（脈寬調變）輸出2 繼電器（RELAY） 繼電

16、器（RELAY） 偵測正反轉7P1.7 誤差溢位保護模式當桿相差過大時,P1.7的LEDINT0(12) 外部中斷1由光學式旋轉編碼器觸發INT1(13) 外部中斷2由光學式旋轉編碼器觸發P0.4 偵測手動或自動表3.2.1 腳位明3.3暫存器介紹3.3.1概89S51的記憶體可分為大部份，一是程式記憶體，即是使用者撰寫軟體程式的存放記憶體區塊;另一是資記憶體，是用以存放程式執結果所使用的記憶體。而在895S1中暫存器與資記憶體則是結合在一起，均存放在資記憶體中，而我們通常用到的大多是特殊功能暫存器SFR（Special funcation Register）的記憶體,如：PSW（Progra

17、m Status Word）、程式態字元暫存器、IP（Interrupt Priority Register）、中斷優先暫存器、 IE（Interrupt Enable Register）、中斷致能暫存器、SCON（Serial Port Control Register）、埠控制暫存器.等等;由於有很多特殊功能暫存器這邊我們只對本專題程式會用到的暫存器,做下介紹。83.3.2 TCON：計時器控制暫存器 (TIMER/COUNTER CONTROL REGISTER) TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 IT0 位址：88HTF1： TCON.7 計時器1的溢位旗號，當計

18、時器/計器1溢位時，會被硬體設定為1，當處器執中斷服務程式時，硬體會自動將此位元清除為0。 TR1： TCON.6 計時器1的啟動位元，由軟體設定為1時啟動，0時停止。 TF0： TCON.5 計時器0的溢位旗號，當計時器0溢位時，會被硬體設定為當處器執中斷服務程式時，硬體會自動清除此位元。TR0： TCON.4 計時器0的啟動位元，由軟體設定為1時啟動，0時停止。 IE1： TCON.3 外部中斷(INT1)的中斷旗號，當中斷被檢知時，硬體會設定此位元，當中斷被處時，硬體會自動清除此位元。IT1： TCON.2 INT1的中斷型態控制，當此位元設定為1當此位元為0時，則為低準位觸發型態。IE

19、0： TCON.1 外部中斷(INT0)的中斷旗號，當中斷被檢知時，硬體會設定此位元，當中斷被處時，硬體會自動清除此位元。IT0： TCON.0 INT0的中斷型態控制，當此位元設定為1當此位元為0時，則為低準位觸發型態。表3.3.1 TCON暫存器9位置：89HGATE：計時器的開關C/T:計時器或計器的選擇M1:模式選擇位元M2:模式選擇位元M1 M2 工作模式 功能0 0 0 13-BIT計時器/計器 0 1 1 16-BIT 計時器/計器 1 0 2 8-BIT 自動載入計時器/計器1 1 3 TIMER0:TH0及 TL0各別使用獨的8-BIT計時器/計器,並使用T1及T0當控制位元

20、TIMER1:停止動作103.3.3 TMOD:計時模式控制暫存器表3.3.2 TMOD暫存器3.3.4中斷致能暫存器(Interrupter Enable register，簡稱IE，可位元定址) 位址：A8HEA - - ES EA(IE.7)：EA0，則禁止所有中斷；EA1，則各中斷是否致能可由各自的中斷致能位元各別設定。ES(IE.4)：致能埠的中斷。ET1(IE.3)：致能Timer1的中斷。EX1(IE.2)：致能INT1的中斷。ET0(IE.1)：致能Timer0的中斷。EX0(IE.0)：致能INT0的中斷。表3.3.3 IE暫存器3.4 計時器模式二簡介下圖為模式二工作方塊圖

21、,它是一個8位元計時器,在計時結束後,有自動重新載入的功能,將原本16位元的計器拆成個8位元暫存器TL0和TH0,其中TL0為真正計脈波的計器,TH0則是放置重新載入值的暫存器,由程式中初值載入放入TH0即可。重新自動載入的優點是讓計時器準,一般其他模式必須在中斷程式部分 11重新載入計初值,而軟體必須耗掉執時間,造成誤差,一旦改為自動載入,軟體無需要做重新載入初值的動作,使的計時上準確模式二為8位元的計時器,最大計脈波為256,計時時間比較短,為 1.085us256=0.28ms而計初值載入方式為：TH0=256-X,其中X為所要計的次,計時間的長短為 1.085us X us。圖3.4.

22、1 計時器模式二架構圖3.5馬達控制器3.5.1 馬達控制卡架構特別是接點5、6主要接著我們雙推桿,並依設定為反轉或正轉,給予同的12電壓正負值,如果是正轉,5、6接點就分別提供正負的電壓,反之如果為反轉,就提供負正的電壓,另外專題所做的控制板是接於接點5、6及馬達之間,所以我們如果要做馬達控制時,需要將原本的電做動或者是修改,只要在那邊多加一塊控制板即可。圖3.5.1馬達控制卡示意圖 接點1234567 明 手動開關(正轉) 手動開關(停止) 手動開關(反轉) 手動開關(共線) 推桿馬達黑線 推桿馬達紅線 受信總機接點138910表3.5.1 接點明受信總機接點 DC24輸入點(-) DC2

23、4輸入點(+)3.5.2 外接式馬達控制器當處於開關設於正轉時,馬達控制板上的偵測電,會偵測到正轉訊號,並告知89S51目前的態,觸發89S51正轉時的程式指去換繼電器1與繼電器2使馬達正轉,如圖3.5.2中繼電器的黑線並達到速上的控制,相反的,如果開關調至反轉,也會偵測到反轉訊號,接著觸發89S51反轉時的程式指去換繼電器與繼電器2使馬達反轉,如圖3.5.2中的紅線去完成反轉時的速控制。圖3.5.2外接式馬達控制器示意圖14圖3.5.3馬達下方接這個二極體,它稱之為飛二極體,透過飛二極體去確保正反轉時馬達電能正常的運作,防止電壓在正負換時電方向的同導致馬達燒毀的保護元件。繼電器是使用台製的3

24、P繼電器,圖中的7、8、9接點是繼電器的主接點,而1、2、3接點是常閉接點,而4、5、6接點是常開接點,則10、11接點是繼電器的線圈,通過偵測電的正反轉經過89S51的計算將換繼電器的常閉或常開接點,以達到控制電方向,進而使推桿馬達有正反轉的功用。圖3.5.3外接式馬達控制器電圖153.6 光學式編碼器電光學編碼器是裝置在推桿馬達上,經由馬達轉軸上的光柵片產生訊號,訊號由史密特觸發器轉為高低電位送進89S51中計算,專題使用的史密特觸發器IC是74C14,經由程式可知道軸馬達的速的差別,在專題中是確認控制馬達是否同步的感測器。圖3.6.1 光遮斷器電圖163.7繼電器電繼電器的電所使用的電壓

25、與89S51的5V同,本專題的作法是使用交電9V的變壓器經交由橋氏整與7805穩壓,實現出種電壓,分別是5V以及12V,專題中大部分IC工作的電壓是5V,繼電器所工作的電壓則是12V。圖中的10、11接點是繼電器的線圈,旁邊的二極體是一個保護線圈的元件。圖3.7.1 繼電器電圖3.8 正反轉偵測電正反轉偵測電主要功能在偵測馬達控制卡上的電壓為負正或是正負,將其偵測的結果送進89S51,進而控制繼電器的換。17圖3.8.1 偵測電圖3.9 電源電IC工作電壓皆為+5V,RELAY工作電壓為12V，我們用一個可以提供+5V與+12V的電源電壓電，提供系統的運作。如下圖所示的電圖，我們用AC 9V的

26、變壓器電將AC 110V的電壓轉換成AC 9V，再加上橋式整後可提供12V與5V的直電以供系統使用、波電容作充放電以減少波，經7805穩壓IC產生穩定的直電壓。圖3.9.1 電源電圖183.10 89S51部分電z 89S51電89S51電部分,有RESET按鈕,以及基本的5V電源,在P1.7接腳有一個LED燈,當系統在自動模式下,軸推桿馬達的速相差太多,會將其停止,並將LED燈起,有警示的作用。z 開關按鈕開關按鈕分成三個,第一組開關P1.0與P1.1接,第二組開關P1.2與P1.3接,其功能將開關撥接在一起的時候可使推桿馬達在運轉時停下,擁有微調的功能,也可將其運轉及時停止,可用於欲使推桿

27、馬達停止的況;第三組開關是手動模式以及自動模式的換開關,當開關ON的時候是手動模式,當OFF的時候則是自動模式。19圖3.10.1 89S51部分電203.11 電全圖根據前面所有電做一個整合,畫出全電圖,希望能對所有電設置位置有加的解。圖3.11.1 全電圖21第四章 實體成果4.1 完整電實體由於89S51部分電在用PROTEL佈線方面較為困難,且時間足,所以我們最後用板代替,在板上直接做跳線的優點是直接線方且簡單,但是如果系統無法正常操作時,要回頭去找出問題點,會相當困難,因為跳線非常混,時常發生接觸,所以如果時間上允許,還是建議洗出電板為佳。圖4.1.1控制板電實體22圖4.1.2馬達

28、板電實體以及PROTEL PCB圖圖4.1.3光學式編碼器4.2 成果運作明本專題主要功能大致分為手動及自動種,手動是直接對個馬達送PWM,並無法看出他們同步效果,但仍然可以控制正反轉。自動模式則相反,可用光遮斷產生外部中斷進而使馬達達到同步的效果且同時擁有正反轉功能,特別要明的是當個馬達轉速相差甚遠時,馬達會停止下,讓人們去檢查整個系統是否有出現問題。此設計貼心的考慮到如果馬達相差甚遠還停止的話,有可能是系統出現問,及會導致馬達越差越遠,使同步失去意義。23圖4.2.1 實體操作畫面24第五章 結與問題討剛開始我們對於實作部分並上手,因為大多在學校的時間仍然停在上課中的,但是透過這次的專題實

29、作,讓我們對於實作方面,有初步的認,在過程中有許多的挫折以及疑惑,多虧有陳孝武師的指導,他交我們如何去尋找問題以及解決問題,在過程中主要遇到的問題及解決方法如下：z 軟體問題：當初質疑為麼一定要用計時/計器的中斷服務呢？能用延遲時間達到同樣的效果嘛？在表面上者看起似乎沒有太大差別,但是當你使用計時/計器的中斷服務所達到的準比延遲時間那個方法準多,尤其我們做的是馬達的控制,準無疑是我們要求的項目之一。再者在程式撰寫上我們除錯時常遇到找到問題點,後才發現原是撰寫的軟體可能無法別你用的指,所以在除錯上一直會顯示錯誤,此時只要將你的指或者是變重新假設一個,就可成功通過組譯。z 硬體問題 :在硬體上的實

30、驗電板上的雜訊處,板的雜訊比想像中的複雜,本次專題的實現上有個困難是實驗中有使用到繼電器,而繼電器上的常閉常開開關會有所有線,礙於能以及時間的考,在成品中有使用到板,但也造成雜訊的問題,有在周詳的規劃,本人認為可將所有電實現25在同一塊電板上面。在光學編碼器的光柵上,專題中使用個光柵,經由實驗後發現可將其減少,可將其修改為五個光柵。26第章 考資1克宇 黃新賢 陳瑞錡，8051/52單晶片微電腦原與應用，19982楊明豐，8051入門 : 輕鬆學,碁峰資訊，20053陳明熒，單晶片8051實作入門，文魁資訊發，20074賴麒文，8051單晶片之C語言徹底應用.硏究篇 ，文魁發， 20025王信

31、，單晶片微電腦原與應用 : 進階實習篇，儒出版社，20016 Microelectronic circuits. Solutions manual / Adel S. Sedra, Kenneth C. SmithNew York : Holt，Rinehart and Winston， c19827洪永杰，單晶片實習交馬達轉速控制，200227附 本專題完整程式 DU_ON EQU 22H DU_OFF EQU 22H FLAG0 BIT 20H.0 FLAG1 BIT 20H.1 FLAG2 BIT 20H.2 ; ORG 00H NOPJMP BEGIN ; ORG 03H DEC DU

32、_ON INC DU_OFF RETI; ORG 03H INC DU_ON28DEC DU_OFFRETI;ORG 0BHJMP TIM0;ORG 1HJMP TIM1;BEGIN:MOV SP,#6HCALL INITIAL; MOV DU_OFF,#(256-10); MOV DU_ON,#(256-10); SETB P1.7 ;LED OFF(OVERFLOW RESET) =; ORL P1,#00101010B ;SETB P1.1P1.31 ; MOV IE,#10001111B ;AUTO Enable all interrupt CHK_P:29; jmp CHK_PJB

33、P0.0,NEG ;P0.0=1 NOT POSITIVE= SETB P1.4 ;RELAY 1SETB P1.6 ;RELAY 2=CLR FLAG2 ;FLAG20 (POSITIVE)JMP CHK_M0NEG:CLR P1.6 ;RELAY 1CLR P1.6 ;RELAY 2 =SETB FLAG2 ;FLAG21 (NEGATIVE)CHK_M0:JNB P0.4,AUTO ;P0.40 JUMP TO AUTO;Manual; ORL P1,#00001111B ;MANUAL P1.0P1.21, P1.1P1.30 ANL P1,#11111101B ;CLR P1.1,

34、P1.3MOV DU_OFF,#(256-10)MOV DU_ON,#(256-40)SETB P1.7 ;LED OFF(OVERFLOW RESET) =30MOV IE,#10001110B ;Enable PWM(timer) interrupt LOOP0:JB FLAG2,CHK_N1 ;FLAG21 JUMP TO NEGATIVE JB P0.0,STOP_L0 =;P0.0=1 NOT POSITIVE= JMP CHK_M1 ;CHK_N1:=JNB P0.0,STOP_L0 ;CHK_M1:JB P0.4,LOOP0 ;P0.41 MANUALSTOP_L0:=; ORL P1,#01001010B ;SETB P1.1P1.31 MOV IE,#00000000B ;DISable all interruptANL P1,#11110100B ;CLR P1.0P1.20 J