毕业论文(多轴电机控制传动系统设计).doc

多轴电机控制传动系统设计 摘 要随着现代化工业步伐的加快，一些企业和工厂的规模越来越大，然而规模大了却带来了许多问题：比如当生产线过长时，企业或工厂必须对模式的改变进行相应的人员增加，这样不仅增加了投入成本，也带来了许多不便。 而多轴控制传动系统正好解决了这些问题。多轴电机传动系统在现代生产中应用比较广泛,大型自动化加工基地，例如：工厂，车间；自动机仪表车床;自动化数控设备。目前，国内外对于多轴电机控制传动系统的研究，大多数是利用AT89C51单片机，软硬件相结合，构造出最简单多轴电机控制传动系统，此举旨在抛砖引玉，广大用户又在此基础上扩展出更复杂的多轴电机控制，比如控制多个电机正反转等等。另外企业和工厂规模的扩大急需更加简单和功能更多的多轴电机的控制系统，由于这两个方面的原因，因而就衍生出了多轴电机控制传动系统的研究，详细了解并掌握多轴电机控制传动系统的理论基础和实践，对于单片机的学习将会产生不可估量的作用。本文主要简单的介绍了多轴电机控制传动系统的设计,从系统的四个模块详细的介绍了其功能和系统工作的原理以及系统软件的设计,涉及到单片机的介绍。从中感受到了多轴电机控制传动系统为当今一些企业和工厂带来的方便,减少了投入成本,节时节力.希望通过本文的介绍可以使大家更容易、更直观的了解本系统。关键词：工厂；加快；多轴电机控制传动系统；AT89C51单片机；系统模块 Multiple spindle motor control transmission system designAbstractthe quickening pace of modern industry, some companies and factories of the scale is more and more big, however, large scale and has brought many problems, such as when the production line is too long, companies or factories should be carried out on the patterns of change the corresponding personnel to increase, this not only increased the cost, also brought a lot of inconvenience. And multi-axis control transmission system is to solve these problems. Multiple spindle motor drive system is widely applied in modern production, large-scale automation processing base, for example, factory, workshop; Automatic instrument lathe; Automatic numerical control equipment.Multi-axle motor control drive system at present, both at home and abroad to study, mostly using AT89C51, combination of hardware and software, construct the simplest multi spindle motor control drive system, a move aimed at beginning, the masses of users and based on the extended out of multi-axle motor control more complex, such as more than control motor and reversing and so on. The expansion of other companies and factories need more simpler and function of multi-axle motor control system, because of these two aspects, and derived the multi-axle motor control drive system research, a detailed understanding and mastery of multi-axle motor control driving system of theoretical basis and practice, to single-chip learning will have an immeasurable role.This paper simply introduces the multi-axis drive motor control system design, from the system of the four modules of the detailed introduces the function and the system work principle and the design of system software, involves the MCU is introduced. From feeling the multi-axle motor control drive system bring convenience for some companies and factories today, reduced the cost, the festival season. Hope that through this article can make it much easier and more intuitive understanding of the system.Keywords: factory；quickening；multi-axis control transmission system ；at89c51 single chip；system modules目录第一章 前言111设计概述112设计的主要功能1第二章 硬件组成221主控模块2211主控模块功能及工作原理（图）2212主控模块PCB图及实物图3213单片机原理概述及应用系统4214 AT89C51单片机简介522调速驱动模块8221调速驱动模块功能及工作原理（图）8222调速驱动模块PCB图及实物图9223 PCF8951简介1023显示模块(诺基亚5110液晶显示屏）12231显示模块功能及工作原理（图）12232液晶显示模块引脚说明13233液晶显示器的驱动指令说明1324电机模块14241电机模块功能及工作原理14242直流电机简介1425系统整体描述及实物图15第三章 系统软件设计1631系统开发软件环境1632系统主程序1633电机加速部分1733电机减速部分17第四章 系统的调试与检测1841程序编译时的错误及解决方法1842系统启动时电机不转动的原因及解决方法1843心得与体会18主要参考文献19附录20附录A源程序清单20附录B系统测试记录21致谢22多轴电机控制传动系统设计第1章 前 言11 设计概述多轴电机控制传动系统一直是运动控制研究领域的重要课题之一,广泛应用于纺织、自动仪表车床、自动化数控设备等制造与生产过程自动化控制系统中,它涉及机械、电力电子、控制及计算机技术等学科，是一个综合性的课题，研究多轴电机控制传动系统具有非常重要的现实意义。随着生产规模的不断扩大,现有的系统性能已不能完全适应现代化生产的要求为了解决这一问题,多轴电机控制传动系统的研究,已刻不容缓。本文将从系统的硬件和软件两大内容对多轴电机控制传动系统进行研究，让大家更容易的了解这个系统的优点。以下为设计的总方案图:12 设计功能多轴电机控制传动系统，该系统可以控制五个电机的转速，使其相互独立转动，互不干扰。当单片机上电后，根据主控模块上的三个按键（key_mode,key_up,key_down),来控制电机的编号和转速，使其在显示屏上显示出来。Key_mode控制电机的编号，每当按下这个键时，电机的编号增加1；key_up和key_down控制电机的转速，每当按下key_up电机转速增加5rad/s，每当按下key_down电机转速减少5rad/s。通过主控模块同时对五个电机的控制,应用在日常工厂的工作中，实现了在同一时间对不同生产要求的满足,大大减少了工作时间和人员的数量,达到节时节力的目的。第二章 硬件组成21 主控模块2.1.1 主控模块功能及工作原理(图)功能：接收电脑所发送的程序指令，在进行数据处理后一方面通过驱动接口向调速驱动模块发送命令，驱动电机转动。另一方面向液晶显示屏发送数据，使液晶屏显示相应内容。工作原理:用数据线将电脑与驱动模块的串行接口连接，下载程序到单片机里，用5v电源为单片机供电，液晶借口连接液晶显示屏（这里用的是诺基亚5110液晶显示屏），PCF8591借口连接驱动模块，单片机通过按键将指令发出由驱动模块驱动电机执行指令，在显示屏上显示电机的转速和编号。以下是主控模块各部分原理图：原理图主要包括六个部分:单片机最小系统、电源、液晶接口、PCF8591接口、串口通信、按键。单片机最小系统：它是整个主控模块的核心，它负责接收电脑所发送的程序指令， 包括复位、晶振及单片机，这里我们使用的是AT89C51单片机。电 源：采用直流5V的电压，为单片机供电。液 晶 接 口：连接液晶显示屏，使电机的转速、编号在上面显示出来。PCF8591 接 口：连接PCF8591芯片，PCF8591的功能包括多路模拟输入、内置 跟踪保持、8-bit模数转换和8-bit数模转换。串 口 通 信：它主要是将接受来自CPU的并行数据字符转换为连续的串行数 据流发送出去，同时可将接受的串行数据流转换为并行的数据 字符供给CPU的器件。按 键：三个按键（key_mode,key_up,key_down)分别控制电机的编号、 加速和减速。2.1.2 主控模块PCB图及实物图PCB图: 实物图:2.1.3 单片机原理概述及应用系统单片机是把微型计算机主要部分都集成在一块芯片上的单芯片微型计算机。图2-1中表示单片机的典型结构图。由于单片机的高度集成化，缩短了系统内的信号传送距离，优化了结构配置，大大地提高了系统的可靠性及运行速度，同时它的指令系统又很适合于工业控制的要求，所以单片机在工业过程及设备控制中得到了广泛的应用。 图2-1 单片机结构单片机在进行实时控制和实时数据处理时，需要与外界交换信息。人们需要通过人机对话，了解系统的工作情况和进行控制。单片机芯片与其它CPU比较，功能虽然要强得多，但由于芯片结构、引脚数目的限制，片内ROM、RAM、I/O口等不能很多，在构成实际的应用系统时需要加以扩展，以适应不同的工作情况。单片机应用系统的构成基本上如图2-2所示。 图2-2 单片机的应用系统单片机应用系统根据系统扩展和系统配置的状况，可以分为最小应用系统、最小功耗系统、典型应用系统。本设计是设计一款最小应用系统，最小应用系统是指能维持单片机运行的最简单配置的系统。这种系统成本低廉、结构简单，常用来构成简单的控制系统，如开关量的输入/输出控制、时序控制等。对于片内有ROM/EPROM的芯片来说,最小应用系统即为配有晶体振荡器、复位电路和电源的单个芯片；对与片内没有ROM/EPROM芯片来说，其最小应用系统除了应配置上述的晶振、复位电路和电源外，还应配备EPROM或EEPROM作为程序存储器使用。2.1.4 AT89C51单片机简介AT89C51的主要参数如表2-3所示：型号存储器定时器I/0串行口中断速度（MH）其它特点EPROMROMRAM89C514K1282321624低电压AT89C51含EPROM电可编闪速存储器。有两级或三级程序存储器保密系统，防止EPROM中的程序被非法复制。不用紫外线擦除，提高了编程效率。程序存储器EPROM容量可达20K字节。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。其引脚如图2-4所示。 图2-4 单片机的引脚排列1、 主要特性：与MCS-51 兼容4K字节可编程闪烁存储器寿命：1000写/擦循环全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定128*8位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路2、 管脚说明：VCC：供电电压。GND：接地。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P1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/地址的第八位。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外部必须被拉高。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口作为第八位地址接收。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，如下所示：P3口管脚备选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3、 I/O口引脚：a：P0口，双向8位三态I/O口，此口为地址总线（低8位）及数据总线分时复用；b：P1口，8位准双向I/O口；c：P2口，8位准双向I/O口，与地址总线（高8位）复用；d：P3口，8位准双向I/O口，双功能复用口。4、 振荡器特性：XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。5、 芯片擦除：整个EPROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。22 调速驱动模块2.2.1 调速驱动模块功能及工作原理（图）功能：接受主控系统所发送的命令,驱动电机转动，在驱动的同时可以改变电机的速度。工作原理：用12V电源为调速驱动模块供电，PCF8591芯片接受到主控模块输出的脉冲指令（原理如电路图2-5），经电路图2-6产生与其相对应的脉冲频率来控制电机的转速和编号。电路图2-5电路图2-62.2.2 调速驱动模块PCB图及实物图 PCB图: 实物图:2.2.3 PCF8951简介1. PCF8951简单描述PCF8591是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bit CMOS数据获取器件。PCF8591具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行I2C总线接口。PCF8591的3个地址引脚A0, A1和A2可用于硬件地址编程，允许在同个I2C总线上接入8个PCF8591器件，而无需额外的硬件。在PCF8591器件上输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双线双向I2C总线以串行的方式进行传输。2.PCF89C51功能PCF8591的功能包括多路模拟输入、内置跟踪保持、8-bit模数转换和8-bit数模转换。PCF8591的最大转化速率由I2C总线的最大速率决定。3. PCF89C51特性【1】单独供电【2】PCF8591的操作电压范围2.5V-6V【3】低待机电流【4】通过I2C总线串行输入/输出【5】PCF8591通过3个硬件地址引脚寻址【6】PCF8591的采样率由I2C总线速率决定【7】4个模拟输入可编程为单端型或差分输入【8】自动增量频道选择【9】PCF8591的模拟电压范围从VSS到VDD【10】PCF8591内置跟踪保持电路【11】8-bit逐次逼近A/D转换器【12】通过1路模拟输出实现DAC增益4.PCF89C51引脚功能AIN0AIN3：模拟信号输入端。 PCF89C51 引脚A0A2：引脚地址端。VDD、VSS：电源端。（2.56V）SDA、SCL：I2C 总线的数据线、时钟线。OSC：外部时钟输入端，内部时钟输出端。EXT：内部、外部时钟选择线,使用内部时钟时 EXT接地。AGND：模拟信号地。AOUT：D/A 转换输出端。VREF：基准电源端。5. PCF8591原理图23 显示模块(诺基亚5110液晶显示屏）2.3.1 显示模块功能及工作原理（图）功能：接收主控所发出的程序命令，显示相应电机的编号，转速。工作原理：显示屏上主要显示的是电机的编号和速度，在用对应的按键传出指令时，显示屏上的电机的编号速度要相应的增加和减少，这主要依靠写入单片机的程序来控制，程序中的指令靠外部的按键来施发。以下为原理图：实物图:2.3.2 液晶显示模块引脚说明表1 诺基亚5110液晶显示模块的管脚 引脚序号引脚名称功能引脚序号引脚名称功能1SDIN串行数据线5RES复位2SCLK串行时钟线6VCC电源正3D/C模式选择7LIGHT背光灯4SCE芯片使能8GND电源地2.3.3 液晶显示器的驱动指令说明表2 诺基亚5110液晶显示模块的驱动指令说明24 电机模块2.4.1 电机模块功能及工作原理功能:电机是联系生产最直接的模块,本系统所有的功能将由它完全的体现出来。工作原理：由主控模块的按键发出指令,通过调速驱动产生相对应的脉冲频率来改来控制电机的转速。本系统用到的是24V/30W直流电机。如图所示：2.4.2 直流电机简介直流电机（direct current machine）是指能将直流电能转换成机械能（直流电动机）的旋转电机。1. 基本结构直流电机由定子、转子和外壳三大部分组成,如图2-7所示.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、主磁场、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、换向器和风扇等组成。电机定子的外壳称为机座。机座的作用有两个：一是用来固定主磁极、换向极和端盖，并起整个电机的支撑和固定作用；二是机座本身也是磁路的一部分，借以构成磁极之间磁的通路，磁通通过的部分称为磁轭。为保证机座具有足够的机械强度和良好的导磁性能，一般为铸钢件或由钢板焊接而成。 图2-72.工作原理直流电机里边固定有环状永磁体，电流通过转子上的线圈产生安培力，当转子上的线圈与磁场平行时，再继续转受到的磁场方向将改变，因此此时转子末端的电刷跟转换片交替接触，从而线圈上的电流方向也改变，产生的洛伦兹力方向不变，所以电机能保持一个方向转动。直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。感应电动势的方向按右手定则确定（磁感线指向手心，大拇指指向导体运动方向，其他四指的指向就是导体中感应电动势的方向）。导体受力的方向用左手定则确定。这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。25 系统整体描述及实物图1. 系统整体描述a、主控模块通过调速驱动模块，控制5路电机独立转动。b、5个电机在转动的同时可自行改变自己的转度，相互独立，互不影响。 c、单片机将数据（电机编号、速度）传送到液晶显示屏上显示出来。2. 系统实物图第3章 系统软件设计 31 系统开发软件环境与其它的微处理器一样，开发多轴电机主控和调速系统控制程序也需要一套完整的软件和硬件开发工具。近年来，随着以51单片机为内核的单片机的不断发展和普及，国外的一些公司纷纷推出了以51单片机为基础的集成开发环境。本次毕业设计选用的单片机是AT89C51。32 系统主程序系统分为电机编号、电机加速与电机减速的三部分组成，其主程序框图如图3-1所示。 图3-133 电机加速部分当电机转动的时候，按下加速键，调用加速子程序，使电机每转动一步的延时时间变短，从而实现电机的加速。流程图如图3-2所示。图3-234 电机减速部分电机转动的时候，按下减速键，通过改变电机每转动一步的延时时间，使时间变长，从而实现电机减速。流程图如图3-3所示。图3-3第4章 系统的调试与检测41 程序编译时的错误及解决方法把编好的程序（包括电机的加减速程序、停止程序、显示程序等）合理安排好结合到一起进行编译。由于编译只能检查是否存在语法错误，所以还要看是否存在逻辑错误。程序修改好以后，当显示编译0错误，0警告的时候，这说明已经没有语法错误了，是否有逻辑错误还要看接上电路板通过仿真以后，电机能否正常转动，显示是否正常。42 系统启动时电机不转动的原因及解决方法1. 原因系统启动时电机不转动的原因主要有:a.无电压。b.励磁回路断卉。c.电刷回路断开。d.有电源但电动机不能转动。2.解决方法a.当电子无电压时，应检查电机与调速驱动模块之间的连线是否断开，调