直流伺服电机控制系统设计

摘要

随着自动控制技术与计算机科学技术的快速发展，制造业领域已大量采用计算机技术进行自动控制，这使制造业各个领域的成果，效率和质量得到大幅度提高。各种微机控制系统在基本构造上是类同的，主要由微机控制器，被控对象与接口电路（输入，输出及驱动接口电路）组成。根据被控对象的不同，微机控制系统又分为闭环控制系统（反馈控制输出信号的大小）与开环控制系统，学好“计算机课程设计”是掌握微机控制系统原理与技术的基础；而“直流伺服电机控制系统设计”是巩固，深化，掌握本门课程知识不可缺少的重要环节。

通过本次课程设计加深对《计算机控制技术》的理解和掌握。在设计程序的过程中，广泛的查阅相关资料，如各类中断的作用和调用方式,屏幕显示等等，通过实践来加深对理论知识的理解，同时将自己对这门技术的理解应用在电动机控制的设计当中，理论与实践相互融合、相互促进，提高自己的理论水平和实践能力。

直流电机就是将直流电能转换成机械能(直流电动机)或将机械能转换成直流电能(直流发电机)的旋转电机。直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换风气和风扇等组成

关键词计算机控制技术；微机控制系统；电动机控制；仿真

With the rapid development of automatic control technology and computer science and technology, the manufacturing sector has been substantial use of computer technology for automatic control, which makes the manufacturing fields of achievement, efficiency and quality greatly improved. According to the different controlled objects, microcomputer control system is divided into a closed loop control system (feedback control the size of the output signal) and open-loop control system, to learn the "computer" course design is the foundation to master the principle and technology of computer control system; and the "design" DC servo motor control system is to consolidate, deepen, important to master the course knowledge essential.

Through the curriculum design of “ computer control technology ” to understand and master. During the design process, extensive access to relevant information, such as the role and calls the way various interrupt, screen display and so on, through the practice to deepen the understanding of theoretical knowledge, will also be on this door technology understanding applied in the design of motor control, theory and practice of mutual integration, mutual promotion, improve their theoretical level and practical ability.

Key words Computer control technology; Microcomputer control system; Motor control;

Simulation

摘要 (2)

1课程设计题目 (4)

2设计内容 (4)

2.1设计任务 (4)

2.2系统的工作原理 (4)

3设计步骤 (5)

3.1总体方案设计 (5)

3.2控制系统的建模和数字控制器设计 (6)

3.3硬件的设计和实现 (9)

3.4软件设计 (14)

4心得体会 (20)

5参考文献 (21)

1．课程设计题目

1.1题目：直流伺服电机控制系统设计

2．设计内容

2.1设计任务

课程设计对象是直流伺服电机实验台，设计一个计算机控制的直流伺服电机控制系统。由测量元件(位移传感器)对被控对象(电机)的被控参数(位移)进行测量，由变换发送单元(A/D 转换器)将被控参数(位移)变成一定形式的信号，送给控制器CPU ，控制器将测量信号(实际位移量)与给定信号(位移量)进行比较，若有误差则按预定的控制规律产生一控制信号驱动执行机构(伺服电机控制电源)工作，使被控参数(实际位移量)与给定值(给定位移量)保持一致。其电机位置随动系统：

312(1)

()(1)(1)

K T s G S s T s T s +=

++

式中，K=100， T 1=1.8，T 2=0.035，T 3=0.15 控制算法选用数字PID 控制。

2.2系统的工作原理

直流伺服电机与微型计算机连接，首先，用位移传感器将每个采样周期内的直流电机控制试验台移动的距离进行检测；然后经锁存器送到微型计算机，与数字给定值进行比较，并进行PID 运算；再经锁存器送到D/A 转换器，将数字量变成脉冲信号，再由脉冲发生器产生调节脉冲，经驱动放大后控制电机转动，从而控制试验台的移动。

3．设计步骤

3.1总体方案设计

图3.1 基本原理图

图3.2 程序流程图

直流伺服电机控制系统的原理图如图2-1所示。此系统由直流伺服电机，微控制器，位移传感器，计数器，定时器，A/D转换器等组成。

微控制器选用Atmel公司生产的89C51单片机。

A/D转换器则选用ADC0808 8位精度转换器。

3.2控制系统的建模和数字控制器设计

图3.3 PID 算法流程图

3.2.1数字PID 工作原理

PID 调节器结构简单，参数整定方便，易于工业实现，适用面广，因而它是连续系统中技术最成熟，适用最广泛的一种调节器。随之计算机技术的发展，由计算机实现的数字PID 控制器正在逐步取代模拟PID 。

数字PID 算法的基本原理就是利用偏差来计算系统的输出量，实现不断纠偏的过程，使系统最终趋于稳定。数字PID 控制分为位置式PID 控制和增量式PID 控制。由于位置式PID 采用全量输出，输出的是执行机构的实际位置，每次输出均与过去状态有关，计算时要对偏差进行累加，工作计算量大，并且，一旦数据处理计算芯片出现问题，将会使输出大幅波动，从而造成执行机构大幅波动，很有可能引起巨大的事故。而增量式PID 算法较好。所以本系统采用增量式PID 算法。增量式PID 算法公式如下所示：

)]2()1(2)([)()]1()([)(-+--++--=?k e k e k e K k e K k e k e K k u d i p

其中p i K K =i T T

为积分系数，p d K K =T

T d 为微分系数。

3.3.2数字PID 参数整定

p K ，i K ，d K 参数整定利用Matlab 程序实现。

主程序： clc

close all clear all

K_pid=[0,0,0]; LB=[0,0,0];

UB=[100,100,100];

K_pid123=lsqnonlin('chap2_11plant',K_pid,LB,UB) chap2_11sim

调用的子程序：chap2_11plant ：

function [e,y,K_pid]=chap2_11plant(K_pid) assignin('base','kp',K_pid(1)); assignin('base','ki',K_pid(2)); assignin('base','kd',K_pid(3)); opt=simset('solver','ode5');

[tout,xout,y]=sim('chap2_11sim',[0,10],opt); r=1.0; e=r-y;

调用的子程序：chap2_11sim ：

图3.4 PID 算法simulink 仿真

参数整定的结果：

Simulink的仿真结果：

图3.6 PID算法仿真结果2

3.3硬件的设计和实现

3.3.1. 选择计算机机型（采用51内核的单片机）；

此设计采用AT89C16RD2作为控制芯片。它是在MCS-48系列的基础上发展的高性能的8位单片机。所出的系列产品有8051、8031、8751。其代表就是8051。其他系列的单片机都以它为核心,所以本设计采用的核心芯片是8051单片机。CPU是它的核心设备,从功能上看,CPU包括两个部分:运算器和控制器,它执行对输入信号的分析和处理。每片80C51包括：一个8位的微型处理器CPU；128B的片内数据存储器RAM；64kb片内程序存储器ROM；四个8位并行的I/O接口P0-P3，每个接口既可以输入，也可以输出；两个定时器/记数器；五个中断源的中断控制系统；一个全双工UART的串行I/O口；片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接。最高允许振荡频率是11.05926MHZ。以上各个部分通过内部总线相连接。

整个系统电控部分以ATMEL公司的8051为核心芯片，控制信号采集、处理、输出三个过程。这种芯片内置4KROM，因为系统要求控制线较多，如果采用8031外置EPROM程序控制结构，则造成控制线不够，而8051却可以利用P0、P2口作控制总线，大大简化了硬件结构，并可以直接控制LED数据显示，方便现场调试和维护，使整个系统的通用性和智能化得到了很大的提高。

现在介绍下在此设计中用到的引脚,引脚图如图3-1所示。

单片机的40个引脚大致可分为4类：电源、时钟、控制和I/O引脚

。

图3.7 80C51单片机引脚图

3.3.1.1 80C51电源

VCC - 芯片电源，接+5V；

VSS - 接地端；

3.3.1.2 80C51时钟

XTAL1、XTAL2 - 晶体振荡电路反相输入端和输出端。

3.3.1.3 80C51 控制线

●ALE/PROG:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲

ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址

PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。

●PSEN:外ROM读选通信号。

●RST/VPD:复位/备用电源。

RST（Reset）功能：复位信号输入端。

VPD功能：在Vcc掉电情况下，接备用电源。

●EA/Vpp:内外ROM选择/片内EPROM编程电源。

EA功能：内外ROM选择端。

Vpp功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。

3.3.1.4 80C51 I/O接口

●P0口（39脚～32脚）：P0.0～P0.7统称为P0口。当不接外部存储器与不扩展I/O接口

时，它可作为准双向8位输入/输出接口。当接有外部程序存储器或扩展I/O口时，P0口为地址/数据分时复用口。它分时提供8位双向数据总线。

●P1口（1脚～8脚）：P1.0～P1.7统称为P1口，可作为准双向I/O接口使用。对于MCS

—52子系列单片机，P1.0和P1.1还有第2功能：P1.0口用作定时器/计数器2的计数脉冲输入端T2；P1.1用作定时器/计数器2的外部控制端T2EX。对于EPROM编程和进行程序校验时，P0口接收输入的低8位地址。

●P2口（21脚～28脚）：P2.0～P2.7统称为P2口，一般可作为准双向I/O接口。当接有

外部程序存储器或扩展I/O接口且寻址范围超过256个字节时，P2口用于高8位地址总线送出高8位地址。对于EPROM编程和进行程序校验时，P2口接收输入的8位地址。

●P3口（10脚～17脚）：P3.0～P3.7统称为P3口。它为双功能口，可以作为一般的准双

向I/O接口，也可以将每1位用于第2功能，而且P3口的每一条引脚均可独立定义为第1功能的输入输出或第2功能。

3.3.2 设计支持计算机工作的外围电路（键盘、显示接口电路等）；

3.3.2.1所用的数据锁存器：74hc573；

3.3.2.2键盘为4*4和两个独立按键：

3.3.2.3显示器用的是：六位，共阳极led数码管。实际只用了一个数码管，为以后的拓展提供方便。

图3.8 六位数码管

3.3.2.4数模转换器选择ADC0808（与ADC0809功能类似，ADC0808在proteus上仿真方便）：是CMOS器件，不仅包括一个8位的逐次逼近型的ADC部分，而且还提供一个8通道的模拟多路开关和通道寻址逻辑，因而有理由把它作为简单的“数据采集系统”。

利用它可直接输入8个单端的模拟信号分时进行A/D转换，在多点巡回检测和过程控制、运动控制中应用十分广泛。

1) 主要技术指标和特性

（1）分辨率：8位。

（2）总的不可调误差：ADC0808为±21LSB,ADC 0809为±1LSB。

（3）转换时间：取决于芯片时钟频率，如CLK=500kHz时，T CONV=128μs。

（4）单一电源：+5V。

（5）模拟输入电压范围：单极性0～5V；双极性±5V,±10V(需外加一定电路)。

（6）具有可控三态输出缓存器。

（7）启动转换控制为脉冲式(正脉冲)，上升沿使所有内部寄存器清零，下降沿使A/D 转换开始。

（8）使用时不需进行零点和满刻度调节。

2) 内部结构和外部引脚

ADC0808/0809的内部结构和外部引脚分别如图11.19和图11.20所示。内部各部分的作用和工作原理在内部结构图中已一目了然，在此就不再赘述，下面仅对各引脚定义分述如下

（1）IN0～IN7——8路模拟输入，通过3根地址译码线ADD A、ADD B、ADD C来选通一路。

（2）D7～D0——A/D转换后的数据输出端，为三态可控输出，故可直接和微处理器数据线连接。8位排列顺序是D7为最高位，D0为最低位。

（3）ADD A、ADD B、ADD C——模拟通道选择地址信号，ADD A为低位，ADD C为高位。地址信号与选中通道对应关系如表11.3所示。

（4）V R(+)、V R(-)——正、负参考电压输入端，用于提供片内DAC电阻网络的基准电压。在单极性输入时，V R(+)=5V，V R(-)=0V；双极性输入时，V R(+)、V R(-)分别接正、负极性的参考电压。

图3.9 ADC0808引脚图

3.3.3 设计输入、输出信号接口电路

图3.10输入、输出信号接口电路3.3.4 仿真原理图（基于PROTEUS仿真软件）

图3.11 Proteus仿真原理图

3.4软件设计

1.分配系统资源，编写系统初始化和主程序模块框图

图3.12主程序模块框图

2.编写A/D转换和位置检测子程序框图

ADC0808程序：

#include

#define uchar unsigned char

sbit clock=P2^4;

sbit start=P2^5;

sbit eoc=P2^6;

sbit dianji=P2^3;

void delay(uchar z)

{ uchar x,y;

for(x=z;x>0;x--)

for(y=110;y>0;y--);

}

void zhuanhuan(uchar a)

{ uchar i;

for(i=0;i<8;i++)

{

a=a<<1;

dianji=CY;

delay(500);

}

}

void main()

{ uchar b;

start=0;

while(1)

{

start=1;

delay(5);

start=0;

while(eoc==0);

b=P3;

zhuanhuan(b);

}

}

3. 总的程序如下：

#include

#include

#define uint unsigned int

#define uchar unsigned char uint t,tt,m;

uchar a,b,a1;

uchar keyscan();

void delay(uchar z);

sbit duan=P2^0;

sbit wei=P2^1;

sbit qidong=P2^2;

sbit diandongji=P2^3;

sbit tingzhi=P2^7;

sbit clock=P2^4;

sbit start=P2^5;

sbit eoc=P2^6;

char ek1=0;

char ek2=0;

char yk1=0;

#define A 12;

#define B 1;

#define C=21;

uchar code table[]={

0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,

0x99,0x92,0x82,0xf8,

0x80,0x90,0x88,0x83,

0xc6,0xa1,0x86,0x8e}; void zhuanhuan(uchar l) {

uchar h;

CY=0;

for(h=0;h<8;h++)

{

l=l<<1;

diandongji=CY;

delay(5);

}

}

void main()

{

uchar i=0,k,v;

start=0;

diandongji=0;

TMOD=0x01;

TH0=(65536-50000)/256;

TL0=(65536-50000)%256;

EA=1;

ET0=1;

wei=1;

P0=0x01;

wei=0;

while(qidong!=0)

{

duan=1;

P0=table[keyscan()];

duan=0;

m=keyscan();

}

while(qidong==0)

{

TR0=1;

start=1;

delay(5);

start=0;

// while(eoc==0);

v=P3;

//diandongji=1;

while(tingzhi==0)

{

diandongji=0;

duan=1;

P0=table[m];

duan=0;

}

if(tt==20)

{

tt=0;

m=m-1;

duan=1;

P0=table[m];

duan=0;

if(m==0)

{

diandongji=0;

while(1)

{

duan=1;

P0=table[0];

duan=0;

}

}

}

zhuanhuan(v);

}

}

void delay(uchar z)

{

uint x,y;

for(x=z;x>0;x--)

for(y=110;y>0;y--);

}

uchar keyscan()

{

P1=0xfe;

a=P1;

a1=a&0xf0;

while(a1!=0xf0)

{

delay(5);

a=P1;

a1=a&0xf0;

while(a1!=0xf0)

{

a=P1;

a1=a&0xf0;

switch(a)

{

case 0xee:b=0;

break;

case 0xde:b=1;

break;

case 0xbe:b=2;

break;

case 0x7e:b=3;

break;

}

}

}

P1=0xfd;

a=P1;

a1=a&0xf0;

while(a1!=0xf0)

{

delay(5);

a=P1;

a1=a&0xf0;

while(a1!=0xf0)

{

a=P1;

a1=a&0xf0;

switch(a)

{

case 0xed:b=4;

break;

case 0xdd:b=5;

break;

case 0xbd:b=6;

break;

case 0x7d:b=7;

break;

}

}

}

P1=0xfb;

a=P1;

a1=a&0xf0;

while(a1!=0xf0)

{

delay(5);

a=P1;

a1=a&0xf0;

while(a1!=0xf0)

{

a=P1;

a1=a&0xf0;

switch(a)

{

case 0xeb:b=8;

break;

case 0xdb:b=9;

break;

case 0xbb:b=10;

break;

case 0x7b:b=11;

break;

}

}

}

P1=0xf7;

a=P1;

a1=a&0xf0;

while(a1!=0xf0)

{

delay(5);

a=P1;

a1=a&0xf0;

while(a1!=0xf0)

{

a=P1;

a1=a&0xf0;

switch(a)

{

case 0xe7:b=12;

break;

case 0xd7:b=13;

break;

case 0xb7:b=14;

break;

case 0x77:b=15;

break;

}

}

}

return b;

}

char PIDtj(char yk)

{

char geid=keyscan();

char ek,uk;

ek=geid-yk1;

uk=ek*A+ek1*B+ek2*C;

ek2=ek1;

ek1=ek;

yk1=yk;

return uk;

}

void timer0() interrupt 1

{

TH0=(65536-50000)/256;

TL0=(65536-50000)%256;

tt++;

}

4心得体会

经过两个星期的课程设计，过程曲折，老是为一些程序无法运行而苦恼半天，因此我也失落过，也曾一度热情高涨。从开始时满富盛激情到最后汗水背后的复杂心情，点点滴滴无不令我回味无长。