1、设计（论文）说明书用纸NOI沈阳大学摘要本文主要论述三相直流伺服电机调速系统的设计方法。主控单元为伺服电机专用控制芯片80C196MC，辅以键盘、显示器、检测电路、功率电路、驱动电路、保护电路等。直流伺服电机内置3个霍尔传感器，用于检测转子的位置，决定电机的换相，系统根据该信号计算电机的转速，用于实现速度反馈控制。系统给定转速由键盘输入，并能实时显示转速；功率芯片选用性能价格比较高的快速MOSFET；功率驱动选用带保护电路和过流输出的集成芯片IR2130，可实现电机的高频快速起动；系统还设置了电流采样电路，与速度反馈电路组成双闭环系统，可以实现电机的快速起动并获得良好的带负载性能，达到了设计任
2、务书的要求。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；仿真设计（论文）说明书用纸NOII沈阳大学SUMMARYTHISPAPERDISCUSSESTHEDESIGNOFATHREEPHA
3、SEDCSERVOMOTORSPEEDCONTROLSYSTEMTHEMAINCONTROLUNITFORTHESERVOMOTORDEDICATEDCONTROLCHIP80C196MC,COMBINEDWITHAKEYBOARD,ADISPLAY,ADETECTIONCIRCUIT,APOWERCIRCUIT,THEDRIVECIRCUIT,THEPROTECTIONCIRCUITDCSERVOMOTORSBUILTTHREEHALLSENSORFORDETECTINGTHEPOSITIONOFTHEROTOR,DETERMINESTHEMOTORCOMMUTATIONSIGNALCOMP
4、UTINGSYSTEMBASEDONTHESPEEDOFTHEMOTORFORREALIZINGSPEEDFEEDBACKCONTROLGIVENTHESPEEDSYSTEMFROMTHEKEYBOARDINPUT,ANDREALTIMEDISPLAYSPEEDHIGHERPOWERCHIPSELECTCOSTEFFECTIVERAPIDMOSFETPOWERDRIVERINTEGRATEDCIRCUITCHIPIR2130SELECTIONWITHPROTECTIONANDOVERCURRENTOUTPUT,ENABLINGHIGHFREQUENCYMOTORFASTSTARTSYSTEMA
5、LSOSETACURRENTSAMPLINGCIRCUIT,ANDSPEEDFEEDBACKCIRCUITDUALCLOSEDLOOPSYSTEM,THEMOTORCANACHIEVEQUICKSTARTANDGETAGOODPERFORMANCEWITHALOAD,TOTHEDESIGNTASKBOOKREQUIREMENTSDCISTHEDCENERGYINTOMECHANICALENERGYDCMOTORORMECHANICALENERGYISCONVERTEDTODCDCGENERATORROTATINGELECTRICMACHINESTRUCTUREDCMOTORSTATORANDR
6、OTORBYTWOMAJORCOMPONENTSSOMEOFTHEMAJORROLEOFTHEDCMOTORRUNNINGSTATIONARYCALLEDTHESTATOR,AMAGNETICFIELDISGENERATED,FROMTHEBASE,THEMAINPOLECOMMUTATIONPOLE,ENDCAPS,BEARINGSANDBRUSHESDEVICESANDOTHERCOMPONENTSRUNTIMEROTATINGPARTCALLEDTHEROTOR,WHOSEMAINROLEISTOPRODUCETHEELECTROMAGNETICTORQUEANDINDUCEDVOLTA
7、GE,DCMOTORHUBFORENERGYCONVERSION,ITISOFTENCALLEDTHEARMATURE,THESHAFT,THEARMATURECORE,ARMATUREWINDINGS,FORCULTUREANDFANETCKEYWORDSCOMPUTERCONTROLTECHNOLOGYMICROCOMPUTERCONTROLSYSTEMMOTORCONTROLSIMULATION设计（论文）说明书用纸NOIII沈阳大学目录1绪论111直流伺服电动机发展及现状112直流伺服电动机的特点及应用22设计内容421课程设计题目422课程设计任务423系统的工作原理53设计步骤53
8、1总体方案设计632控制系统的建模和数字控制器设计833硬件的设计和实现1134软件设计194心得体会225参考文献23设计（论文）说明书用纸NO1沈阳大学1绪论11直流伺服电动机发展及现状传统直流电机采用机械机构（电刷）进行换向，因而存在机械摩擦，并由此带来电磁噪声、换向火花、以及寿命短等缺点，再加上制造成本高、维修困难，从而极大的限制了它的发展和应用范围。针对传统直流电动机的弊病，早在20世纪30年代就有人开始研制以电子换向代替机械换向的直流无刷电动机。经过几十年的努力，终于在60年代实现了这一愿望。在此之后，又相继出现了新型永磁材料钐钴、钐铝、钦铁硼，它们具有高剩磁密度，高矫顽力以及高磁
9、能积等优异磁性能，使永磁电机有了较大发展。但是钐和钴的价格昂贵，限制了永磁无刷电机的前进步伐。直到八十年代初期，价格较低的钦铁硼永磁材料研制成功，开创了稀土永磁电机的新纪元，并为其在民品工业中的应用开辟了广阔前景，现已在医疗器械、仪器仪表、化工、纺织及家用电器等领域日益普及12。进入90年代以来，随着电力电子工业的飞速发展，许多高性能半导体功率器件，如GTR、MOSFET、IGBT、MCT等相继问世，以及微处理器、大规模集成电路技术的发展，逆变装置也发生了根本性的变化。这些开关器件本身向着高频化、大容量、智能化方向发展，并出现集半导体开关、信号处理、自我保护等功能为一设计（论文）说明书用纸NO
10、2沈阳大学体的智能功率模块（正M）和大功率集成电路，使直流伺服电动机的关键部件之一逆变器的成本降低，且向高频化、小型化特别是钕、铁、硼永磁材体的热稳定性和耐腐蚀性的改善，加上永磁电机研究和开发经验的逐步成熟，稀土永磁直流伺服电动机的应用和开发进入一个新阶段，目前正朝着超高速、高转矩，高功能化、微型化方向发展3。12直流伺服电动机的特点及应用121直流伺服电动机的特点直流无刷电机是用电子换向代替传统的机械换向的一种新型机电一体化电机。它由一台永磁同步电动机的本体，一套电子换向开关电路（又称逆变器）,和转子位置传感器所组成。直流伺服电动机保持着有刷直流电机的优良机械及控制特性，在电磁结构上和有刷直
11、流电机一样，但它的电枢绕组放在定子上，转子上放置永久磁钢。直流伺服电动机的电枢绕组像交流电机的绕组一样，采用多相形式，经由逆变器接到直流电源上，定子采用位置传感器实现电子换相来代替有刷直流电机的电刷和换向器，各相逐次通电产生电流，定子磁场和转子磁极主磁场相互作用，产生转矩。设计（论文）说明书用纸NO3沈阳大学和有刷直流电机相比，直流伺服电动机由于取消了电机的滑动接触机构，因而消除了故障的主要根源。转子上没有绕组，也就没有了励磁损耗，又由于主磁场是恒定的，因此铁损也是极小的在方波电流驱动时，电枢磁势的轴线是脉动的，会在转子铁心内产生一定的铁损，采用正弦波电流驱动比方波电流铁损更小。总的说来，除了
12、轴承旋转产生磨损外，转子的损耗很小，因而进一步增加了工作的可靠性。设计（论文）说明书用纸NO4沈阳大学2设计内容21课程设计题目直流伺服电机控制系统设计22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312111KTSGSSTSTS
13、式中，K100，T118，T20035，T3015控制算法选用数字PID控制。设计（论文）说明书用纸NO5沈阳大学23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。设计（论文）说明书用纸NO6沈阳大学3设计步骤31总体方案设计图1基本原理图设计（论文）说明书用纸NO7沈阳大学图2程序流程图直流伺服电机控制系统的原理图如图21所示。此
14、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ADC08088位精度转换器。设计（论文）说明书用纸NO8沈阳大学32控制系统的建模和数字控制器设计图3PID算法流程图321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。设计（论文）说明书用纸NO9沈阳大学数字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
15、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2121KEKEKEKKEKKEKEKKUDIP其中PIKKITT为积分系数，PDKKTTD为微分系数。设计（论文）说明书用纸NO10沈阳大学332数字PID参数整定PK，I，D参数整定利用MATLAB程序实现。主程序CL
16、CCLOSEALLCLEARALLK_PID0,0,0LB0,0,0UB100,100,100K_PID123LSQNONLINCHAP2_11PLANT,K_PID,LB,UBCHAP2_11SIM调用的子程序CHAP2_11PLANTFUNCTIONE,Y,K_PIDCHAP2_11PLANTK_PIDASSIGNINBASE,KP,K_PID1ASSIGNINBASE,KI,K_PID2ASSIGNINBASE,KD,K_PID3OPTSIMSETSOLVER,ODE5TOUT,XOUT,YSIMCHAP2_11SIM,0,10,OPTR10ERY设计（论文）说明书用纸NO11沈阳大学3
17、3硬件的设计和实现331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MCS48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P0P3，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
18、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1105926MHZ。以上各个部分通过内部总线相连接。设计（论文）说明书用纸NO12沈阳大学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
19、引脚,引脚图如图31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引脚设计（论文）说明书用纸NO13沈阳大学图480C51单片机引脚图331180C51电源VCC芯片电源，接5V；VSS接地端；331280C51时钟XTAL1、XTAL2晶体振荡电路反相输入端和输出端。设计（论文）说明书用纸NO14沈阳大学331380C51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
20、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。设计（论文）说明书用纸NO15沈阳大学331480C51I/O接口P0口（39脚32脚）P00P07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）P10P17统称为P1口，可作为准双向I/O接口使用。对于MCS52子系列单片机，P10
21、和P11还有第2功能P10口用作定时器/计数器2的计数脉冲输入端T2；P11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）P20P27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）P30P37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
22、出或第2功能。设计（论文）说明书用纸NO16沈阳大学332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1119和图1120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）IN0IN78路模拟输入，通过3根地址译码线ADDA、ADDB、ADDC来选通一路。（2）D7D0A/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）ADDA、ADDB、ADDC模拟通道选择地址信号，ADDA为低位，ADDC为高位。地址信号与选中通道对应关系如表113所示。（4
23、）VR、VR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，VR5V，VR0V；双极性输入时，VR、VR分别接正、负极性的参考电压。设计（论文）说明书用纸NO17沈阳大学图5ADC0808引脚图设计（论文）说明书用纸NO18沈阳大学333设计输入、输出信号接口电路图6输入、输出信号接口电路设计（论文）说明书用纸NO19沈阳大学34软件设计分配系统资源，编写系统初始化和主程序模块框图图7主程序模块框图设计（论文）说明书用纸NO20沈阳大学编写A/D转换和位置检测子程序框图ADC0808程序INCLUDEDEFINEUCHARUNSIGNEDCHARSBITCLOCKP
24、24SBITSTARTP25SBITEOCP26SBITDIANJIP23VOIDDELAYUCHARZUCHARX,YFORXZX0XFORY110Y0YVOIDZHUANHUANUCHARAUCHARIFORI0I8IAA1DIANJICYDELAY500设计（论文）说明书用纸NO21沈阳大学VOIDMAINUCHARBSTART0WHILE1START1DELAY5START0WHILEEOC0BP3ZHUANHUANB设计（论文）说明书用纸NO22沈阳大学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
25、最后汗水背后的复杂心情，点点滴滴无不令我回味无长。在做本次课程设计的过程中，我感触最深的当属查阅大量的设计资料了。为了让自己的设计更加完善，查阅这方面的设计资料是十分必要的，同时也是必不可少的。要养成注释程序的好习惯，一个程序的完美与否不仅仅是实现功能，而应该让人一看就能明白你的思路，这样也为资料的保存和交流提供了方便；在设计课程过程中遇到问题是很正常的，但我们应该将每次遇到的问题记录下来，并分析清楚，以免下次再碰到同样的问题的课程设计结束了，但是从中学到的知识会让我受益终身。设计（论文）说明书用纸NO23沈阳大学5参考文献1贡俊，陆国林直流伺服电动机在工业中的应用与发展J微特电机，200032张琛直流无刷电动机原理及应用M北京机械工业出版社，19963王桂英电机与拖动M沈阳东北大学出版社，20044孙明迪，张航挺单片机控制直流伺服电动机速度伺服系统N北京航空航天大学学报，97,23（4）5余永权，汪明慧，黄英单片机在控制系统中的应用M北京电子工业出版社，2003实训任务书专业班级姓名起止日期实训题目实训任务（主要技术参数）指导教师评语成绩签字年月日沈阳大学信息工程学院自动化综合实训报告20142015学年第2学期题目专业班级学号姓名指导教师设计时间成绩
