（控制理论与控制工程专业论文）多功能便携式运动控制实验系统设计.pdf

硕士论文 ab s t rac t withth e d e v el o p m ent ofm o 石 onc o n 。 劝 l sys t e rt i n t o o pen ar c hi tectu r e ， di gi 切 心 zati 眠 n e t w o r k i n g an d i n t e g ra t i 呱 犯 扭 比 d ex pe n lr 记 n t ed u ca ti onsets in creas in gls hi gherd e m ands for e x p e d m ent d e v l a 沼 . b a se d onthe inves t i g 面onin t o th e d e v elop m e d t s ta tu s ofmotion con tro1 exp erim e n t d evic esathom e and abro ad a n d d e p e 1 1 d in g on r n e e tingth e p ra cti喊 n ee ds， am u l 垃 fo n c t i o n alp o d a b lem o 6 on c o n tl l e x 少 泊 m e n t s ys t e misdesi gne din而5 p a 声 甄r 招 u y，即 c o rd i n g tothe prin d p 1 e s ofportab 1 li ty，o p e n ， n e t 叨 0 比胡d vi 叻ili ty，the g c n e m l s c h e ln eof the 伽lti 加 n 诵onalpo巾ble m o u on c ontrol expen m ent s yst e m is es ta blished. s ec o n d l 丫c ent 颐n gon mc uof m s p 4 3 o ， the h 山 月 w are pl a d b n nof 血5 experi m e n t s y s t 。 皿i s d o i gnedand n 旧 d e ， w hi c h cou l d c ar ryont posi ti on， s peed， c u rr e n t con tro1 of l l l o t o f，andh a sfu n c ti 0 ns of 1 1 班 n 一 双 口 山i n ein t e m c ti o nanddi任 er e n t ki n ds of c o n 刀 力 u n l c 面on th即， s y s t e msoft w are isd e s i 卯edw i thm odu l arm e th od， i n c l u d l n g mc u c ontr o 】 soft w are andu pperc 0 lr 甲 u 记 rs o ft w are. 泊 c h功 odu 】 eofth ew h ol es y s t e mis d e b u ggedj 七 e n 活 u l t ofdebog ging b a s re a c h ed the e x pec 加 叮 t 明u es t . r n a u y，t b e fu t u re w o rkisb r o u ght fo 酬aj 心 ， mo ti o n c o n tr o l ，p o rt a b le ， e x pen 刃 。 e ntd e vi c e ， ms p 4 3 0 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果， 尽我所知， 在本 学位论文中， 除了加以标注和致谢的部分外， 不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果， 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。 与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名:年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档， 可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容， 可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、 借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。 对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名:年月日 南京理工大学硕士学位论文多功能便携式运动控制实脸系统设计 1 绪论 l l 课题背景 随着现代科技的飞速发展及各学科之间的相互渗透， 传统的实验室条件和实验教 学方式己经无法满足高校培养学生的目 标需要， 必须不断更新实验教学设备和实验教 学方法， 使学生能 够掌握先进的 工程技术， 以 适应社会发展的需要。 因此， 进行实验 教学改革， 充分发挥实验教学和实验室的作用， 对提高实验教学质量和培养创新人才 有着积极的意刃11 。 “ 电 机学” 、 “ 运动控制系统” 等课程一直是自 动化专业设置的重点专业课， 实验 是其中必不可少的重要环节。但是，由于历史的原因，实验教学多附于理论教学中， 实验教学与实践能力的培养在教学计划中尚未摆到应有的 重要位置， 主要表现在两个 方面:实验设备落后， 不能满足实验教学需要;实验内 容以 简单的验证性实验为主， 未能充分发挥培养学生实践能力和创新能力的作用。 随着教学改革和学科建设的进一步深入， 实验内容越来越丰富， 实验教学对实验 条件和实验设备提出了 越来越高的要求。 但是， 课程内容的不断更新决定了对实验设 备的改造和维护必然是一项长期的任务; 同时， 从有限的教育经费的投入产出效益讲， 客观上也无法完 全依靠 购买的 途径来解决 实验设备的 配套 建设任务 闭 。 本课题的研究目的， 是要研制出一种适合自 动化专业本科生和低年级研究生使用 的多功能便携式运动控制实验系统。设计基于 “ 便携性、开放性、网络化、模块化、 可视化” 的原则， 充 分借鉴本教研室开发其他系列教学实验系统的经验， 采用“ 嵌入 式硬件平台 + 上位机可视化软件” 的结构， 工作模式分为: 下位机单独工作模式和上、 下位机协同工作模式。 该实验系统能 够满足自 动化专业“ 运动控制系统” 等课程验证 性、设计性和综合性实验的要求。 i j 运动控制系统介绍 i j .1 运动控制系 统 概述 运动控制系统是以 机械运动的驱动设备电动机为控制对象，以控制器为核 心，以电力电子、 功率变换装置为执行机构， 在自 动控制理论指导下组成的电 气传动 控制系统。 这类系统控制电动机的 转矩、 转速和转角， 将电能转换为机械能， 实 现运 动机械的运动要求。 运动控制系统大致可以分为以下几类: (l ) 按照驱动电 机的 类型: 用直流电 机带动机械负载的为直流传动系统: 用交流 绪论 硕士论文 电机带动机械负载的为交流传动系统。 (2 ) 按照被控量的类型:以 转速为被控量的称为调速系统;以角位移或直线位移 为被控量的系统称为位置随动系统，也叫做伺服系统。 (3 ) 按照控制器的类型: 控制器由 模拟电 路构成的系统叫 做模拟控制系统; 控制 器由数字电路构成的系统叫做数字控制系统。 此外， 如果按照系统中有无反馈量的闭环， 运动控制系统又可以分为开环控制系 统和闭环控制系统。闭环控制系统又可以细分为:转速单闭环控制系统，转速、电流 双闭环控制系统，位置、转速、电流三闭环控制系统。 运动控制系统的发展得力于微电子技术、电力电子技术、 传感器技术、 永磁材料 技术、自 动控制技术、 计算机技术发展的最新成果。 正是这些技术的进步使运动控制 技术在近20 年内发生了很大的变化。目 前，运动控制系统正朝着数字化、网络化、 开放化、集成化和智能化方向 发展3 月 。 l 2 2 运动控制系统的实现形式 目前，运动控制系统的主要实现形式有如下四种: (l ) 基于模拟电 路的 运动控制系统 早期的运动控制系统一般采用模拟器件以硬接线方式构成， 价格便宜， 使用方便， 在很长一段时间里， 它们是各种运动控制系统的主要形式， 甚至到目前为止， 许多实 际使用中的 运动控制系统仍采用这种方式设计。 但是， 模拟器件的物理特性决定了 它 们具有一些本质上的缺陷， 例如元器件会随着使用时间的推移而老化， 特征参数受温 度变化影响。 此外， 模拟 控制 系统功能较为固 定， 维护和升 级 较为困 难门 。 (2 )基于专用芯片的运动控制系统 为了简化模拟控制系统电路， 同时保持系统的快速响应能力， 一些公司推出了电 机控制专用芯片，如m o t o r o l a公司推出的用于无刷直流电 机控制的m c 3 3 o3认 mc 33035等。利用专用芯片的运动控制系统保持了模拟控制系统的长处，具有响应 速度快、系统集成度高、 使用元件少、 可靠性高等优点:同时，由于专用芯片价格便 宜， 进一步降低了 系统成本。 但是， 这类运动控制系统结构比 较简单， 一般只能满足 简 单的 控 制 要 求 同 . (3 ) 基于c p l d 汗 千 g a等可编程逻辑器件的 运动控制系统 随着c p l d i f p g a等可编程逻辑器件的发展， 人们可以 利用v l l d l 等硬件描述 语言， 通过软件编程的形式设计运动控制算法， 然后将这些算法下载到可编程逻辑器 件中， 从而实现具有特定功能的运动控制系统。以 这种方式设计的运动控制系统， 结 构简单， 可扩展性和可维护性较高。 但是由于算法越复杂， 其开发成本也越高， 这种 运动控制系统只能实现简单的控制功能19 。 2 南京理工大学硕士学位论文 多功能便携式运动控制实脸系统设计 控制命令可通过上位机控制软件或者下位机键盘输入 运行过程中，可修改控制器参数，观察电机的响应曲 线 运行过程中，可改变被控量大小，观察电机的响应曲线 卜卜卜 l 本文主要内 容 本文基于ms p 4 3 0 单片机，以maxon有刷直流电 机为控制对象， 设计并制作了 能够实现电 机位置、 速度、电流控制， 具有串口 、 u s b 、 c a n通信功能和按键输入、 l c d显示功能的运动控制实验系统硬件平台，并且设计了相关控制软件，对该系统 进行了调试， 给出了调试结果。 本文各章节安排如下: 第一章 首先介绍了本课题的背景和意义， 然后介绍了课题的研究内容和国内 外 发展的状况，并概括了 本文各章节的主要内容。 第二章 依据系统的设计原则和所要实现的功能， 提出了系统总体设计方案， 对 系统设计所涉及的关键技术难点进行了预测，并初步给出了解决途径。 第三章 根据总体设计方案， 对系统的主要器件进行了 选型， 然后按照电源模块、 控制模块、 驱动模块、 通信模块和人机交互模块， 设计并制作了多功能便携式运动控 制实验系统硬件平台。 第四章 对本设计所使用的软件开发环境进行了介绍， 然后采用模块化设计方法 对单片机控制软件和上位机可视化软件进行了设计。 第五章在硬件和软件模块化设计的基础上对系统进行了调试，给出了调试结 果。 第六章 总结了 本次设计的工作， 指出了 系统中存在的不足， 并对下一步需要继 续研究的内容进行了展望。 南京理工大学硕士学位论文多功能便携式运动控制实验系统设计 2 系统总体设计 一个系统能否设计成功以 及性能的 好坏， 在很大程度上取决于系统设计之初拟定 的总体方案的优劣，因此， 必须特别重视系统总体方案的设计。 在总体设计中， 要进 行各种方案的论证， 选择其中最佳的设计方案， 并对系统设计所要面临的关键技术难 点进行预计，初步提出解决途径。 2. 1 系统总体结构 根据系统的设计原则和功能要求，充分考虑系统多控制方式和多通信方式的特 点， 提出多处理器模式的设计方案。 系统总体结构如图2. 1 所示。 其中硬件平台基于 ms p 4 3 0超低功耗单片机设计，由主要用于完成控制任务和通信任务的主板 ( mai n b o 田 月 ) 和用于完成人机交互任务的子板(s ubb 叼月 ) 组成。软件部分由pc 上位机 软件和底层控制软件组成。 p c har山 渊盯已p 加 扔皿 巨 孙 :趟 日 5 ， ， 卜 几朋司m. 认不 毛 ，喊 图2. 1 系统总体结构 z j 系统总体设计方案 硬件平台基于ms p 4 3 0 单片机设计， 采用多处理器模式， 由用于控制和通信的主 板(m幻 n b o 别 对 ) 和用于人机交互的子板( s ubb 。 肛 d ) 组成， 其总体设计框图如图2. 2 所示。 系统总体设计硕士论文 图2. 2 硬件平台 总体设计框图 ( 1)主板功能模块介绍 主板( m ai 血 b o a r d ) 的主要功能有:对电 机的位置、速度的控制，对位置、速度和 电流信号的 检测与处理， 与上 位机通信， 与其他设备的网 络通信。 主板( m ainb 。 耐) 可以分为: 主控制模块、 信号检测模块、 逻辑处理模块、 信号调理模块、 功率驱动模 块、保护电路模块、通信模块和电源模块等。具体功能如下: 控制模块 处理器选用皿公司的日 韶 h 型超低功耗单片机ms p 4 3 0f1 69。该单片机体积小、 功耗低，并且集成了p v 几 以发生电 路、捕初 比较模块、八 刀 0 转换模块，具有u a 只 t 、 s pi和izc 通信功能， 特别适合于 便携式、 低功耗的 运动控制 系统。 处理器模式采用 主从模式， 由 一片主控单片机和一片检测单片机组成。 其中主控单片机负责对控制策 略的处理，对其他处理器的通信监管和调度，以及对电流反馈信号的 a 刀 0转换。测 速单片机负责测试反馈回来的脉冲信号， 并以此计算电机的角位置和电机转速。 单片 机通信可以 选 择u a r t 、 s pi或护 c 模式。 信号反馈模块 反馈信号 包括关于电 机位置、 转速的两路脉冲信号和关于电机电 枢电 流的模拟信 号。脉冲信号由与电 机同 轴连接的脉冲编码器产生。电机每一转对应编码器输出的 l 0 南京理工大学硕士学位论文多功能便携式运动控制实验系统设计 16 个脉冲。两路脉冲信号， 、 送给c pi刃 作倍频和鉴相处理。 对电枢电流的采集可通 过两种方式: 采样电阻 和霍电 流尔传感器。 这两种方式都将电 流信号转变成与电流大 小成正比的模拟的电压信号送给信号调理电路处理。 逻辑处理模块 该模块的功能由c p l d来完成， ， 包括对两路相位差卯。 的脉冲信号的四倍频和鉴 相处理， 将主控单片机的一路p w m控制信号转变成两路相位差 1 8 护的p wm信号去 控制功率驱动模块，除此之外还包括对其他控制信号和过压、过流报警信号的处理。 信号调理 模块 模拟信号最终要送给主控单片机的a z d模块处理，而习d模块要求信号的输入 范围是 0 2 .s v 。所以 信号调理模块的作用是对采集回来的电流模拟信号进行滤波、 幅值变换等处理，保证处理后的信号在0 2 .5 v之间变化。 功率驱动模块 六 户 功率驱动模块是弱电部分的控制信号与强电部分的电机信号之间联系的纽带。 功 率驱动电路采用可逆p wm变换器。可逆p wm变换器主电路有多种形式， 采用最常 用的h桥电路。 保护电路 为了保证系统安全、 稳定的运行， 必须为系统设计保护电路。 保护电路包括: 过 电压保护电 路、 过电流保护电 路、 欠电压保护电路和欠电 流保护电 路等。 一旦故障发 生，保护电路将输出报警信号送c p l d ，由c p l d作出相应处理。 通信模块 通信模块以一片用于处理通信任务的单片机 ms p43 0p1 69 为核心，负责处理与 p c通信的r s 232 通信和u s b通信， 与其他设备组网的r s485通信和c a n通信， 以 及与子板之间的通信。 电源模块 主板通过一个 巧 v ，1 .5 a的 适配器供电。电 机驱动部分和控制部分的供电 采用 d c 一c模块电源隔离。 ( 2) 子板功能模块介绍 子板 (s ubb 叨心 ) 以 一片m s p43 0 f169单片机为 核心， 用于处理键盘输入信号， 运 行数据的l c d显示以 及与主板之间的通信。 子板可以分为电源模块， l c d模块和键 盘模块。 对子板的供电 可以 选择两种模式: 主板给子板供电模式和子板自 供电 模式。 供电模式由开关选择。 系统总体设计硕 士论文 2 3 本设计中， 运动控制系统的控制模式可以考虑采用两种方案: 运动控制系统的控 制 器由 下 位 机充当 : 运动 控 制系 统的 控 制器由 上 位 机pc 充 当 阴。 以 下 分别就这两 种 方案的优劣作简单分析: (l )由 下位机充当 控制器的运动控制系统 任何一个闭环控制系统， 都是由 控制器、 被控对象以及传感器组成的反馈通道组 成。 如果系统的控制器由下位机充当， 那么上位机软件作为人机界面， 其主要作用是 给下位机发送指令或者控制参数， 具体的控制作用由下位机处理器完成， 如图2. 3 所 示。 在这种模型中， 上、 下位机之间的数据传输没有包含在控制系统的闭环中， 因此， 对上、下位机通信速率的要求不高，可以由u s b通信或者rs232 通信完成。系统的 实时能力，主要由下位机的处理能力，调节器的性质和被控对象的响应能力决定。 图2. 3下位机处理器充当控制器的系统框图 (2 )由 上位机pc 充当 控制器的 运动控制系统 在这种模式中， 为了 保证系统的实时性， 要求上、 下位机通信速率高， 并且上位 机pc 操作系统的 实时响 应能力 强。 u s b l l 协议的 最高传 输速率是12 mbps， 传输一 个字节的延时不足1 微秒; u s b 2. 0 协议的 最高 传输速率是48o m b ps， 传输一个 字节 的延时约为16微秒。在运动控制系统中，控制器输出和反馈信号的数据量不大，因 此，在实时性要求不高的情况下，上、下位机的数据传输可以采用u s b通信。 上位 机pc 充当 控制器的 运动控制系统如图2. 4 所示。 与图2. 3 的明 显区别是:由下位机 处理器承担的调节器功能，已 经转移到上位机 pc，控制作用的实现，是由pc 来完 成的。 这一做法的 好处是可以 利用尤 的强大计算能力，降 低了 对下位机控制器的 性 能要求， 降低了 硬件开发的成本; 缺点是， 上、 下位机的数据通信消 耗了时间。 另外， 为了提高系统的实时性，可以 在pc 操作系统中嵌入实时模块。如果采用 r t x实时 模块，那么系统的实时性可以得到很大提高，系统定时器的精度由v 门 n 犯 的l ms 提 高到r t x 的。 . i lns四。 r t x ， r t s s 子系 统是 完 全 独 立 于w 刃 ， 3 2 子系 统的， 但两 者 又 同时运行于一个处理器， r t x通过重写系统a 护 1 和建立r t s s子系统运行环境， 从 一定程度上解决了w协 田 心 ws操作系统在运行实时控制任务时的实时响应问题，系 南京理工大学硕士学位论文多功能便携式运动控制实牲系统设计 统崩溃问题和调用效率问题。 图2. 4上位机pc 充当控制器的系统框图 综上所述， 由 下位机充当 控制器的运动控制系统， 对上、 下位机的通信速率要求 不高， u s b i . 1 或者rs2 32都能满足需要， 但是要求下位机处理器有较强的处理能力; 由上位机 pc 充当控制器的运动控制系统，将下位机的处理任务转移到p c ，降低了 下位机的硬件成本， 但是它要求上、 下位机有较高的通信速率， 并且为了满足实时性， 需要在代 操作系统中嵌入实时模块， 这无疑增加了开发成本，限制了实验系统的通 用性。 因此， 本实验系统采用下位机处理器充当控制器， 为了增加处理能力， 控制器 采用主从模式，由 两片m s p 4 3 0 单片机构成，一片作为主控制器专门处理控制算法， 另一片用于电机位置、转速信号的处理。 z j j 电 机驭动技术 直流电动机稳态转速n 倒 而n ) 的表达式为: 。 = 门匕 卫 竺工 二 乙 k.巾 ( 2 . 1 ) 其中ua 电 枢两 端电 压(v); 几电 枢电 流( a); 艺尺 一 电 枢 电 路 总 电 阻 ( 田; 0 励磁磁通( wb) ; 凡 由电 机结 构决定的电 动势常 数. 在 式(2 . 1) 中， k.是 常 数 ， 电 枢电 流ia 是由 负 载决 定 的 ， 因 此 调 节电 动 机 的 转 速 可以有三种方法: (l)改 变 电 枢 回 路 总 电 阻 艺尺; (2) 改变励磁磁通今: (3 ) 调 节电 枢供电 电 压叭。 系统总体设计硕士论文 改变电枢电阻只能实现有级调速。 用励磁控制法控制磁通巾， 低速时受到磁极饱 和的限制， 高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制; 而且由于励磁线圈电感较 大， 动态响 应较差。 所以常 用的 控制方法是调节电 枢供电电 压u 。 。 对电 枢供电电 压 的控制可用晶闸管相控调压或p w m斩波器调 压izd。 p wm即脉宽调制，是利用半导体开关器件的导通和关断， 把直流电 压变成电 压 脉冲序列，控制电压脉冲的宽度或周期以达到变压目的。 与晶闸管相控整流装置相比， p wm调速主要有以下优越性: 主电路简单，需用的功率元件少: 开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗和发热都较小: 低速性能好， 稳速精度高，因而调速范围宽; 系统频带宽，快速响应性能好，动态抗扰能力强: 主电 路元件工作在开关状态，导通损耗小， 装置效率较高; 直流电 源采用不控三相整流时，电网功率因数高。 p w m控制技术广泛地应用于开关稳压电源， 直流电动机传动及交流电 动机传动 等电 气传动系统中。 近十几年来， p w m控制技术己 成为电 气传动自 动控制技术的热 点之一， 特别 在电 动机 控制中 应用 很多 阎 。 2 j 3 信号检侧技术 控制系统中要实现闭环控制， 必须对反馈信号进行测量。 运动控制系统通常要对 电机的位置、转速和电流进行测量。 (l )电 机位置检测 电机位置的检测方法有两种:采用光电编码器和采用旋转变压器。 光电编码器又称为光电角位置传感器， 是一种集光、 机、 电一体的数字测角装置， 是将旋转角位置、 角位移及角速度等物理量转换成电信号的位移传感器。 光电轴角编 码器由 主轴带动编码器旋转发出脉冲， 于是可检测角位移或通过微机控制转换成直线 位移量。 还可以 与计算机及显示装置相连接， 不但能实现数字测量与数字控制， 而且 由于光电编码器采用圆光栅或编码盘做检测元件，与其他同类用途的传感器相比 ， 具 有不易受外界噪音特别是磁场的影响， 分辨力高、 测量精度高、 寿命长、 工作可靠性 好、 测量范围 广、 体积小、 重量轻和易于维护等优点， 因 此广泛地应用于雷达、 光电 经纬仪、 指挥仪、 机器人和高精度闭环调速系统等诸多领域。 根据检测原理， 编码器 可分为光学式、 磁式、 感应式和电 容式。 根据其刻度方法及信号输出 形式， 分为增量 式编码器和绝对式编码器。 旋转变压器简称旋变， 是一种输出电 压随转子转角变化的 信号元件。 当励磁绕组 以一定频率的交流电压励磁时， 输出绕组的电压幅值与转子转角成正弦、 余弦函数关 l 4 南京理工大学硕士学位论文 多功能便携式运动控制实验系统设计 系， 或保持某一比例关系， 或在一定转角范围内与转角成线性关系。 它主要用于坐标 变换、 三角运算和角度数据传输， 也可以 作为两相移相器用在角度一数字转换装置中。 (2) 电 机转速检测 对电机转速的检测方法主要有两种: 测速发电 机是一种检测机械转速的电磁装置。它能把机械转速变换成电压信 号， 其输出电压与输入的转速成正比关系。 测速发电 机在自 动控制系统和计算装置中 通常作为测速元件、 校正元件、 解算元件和角加速度信号元件等。 用测速发电 机检测出与转速成正比的电压信号， 再反馈给控制系统。 测速发电机 工作可靠，价格低廉， 但存在非线性和死区的问题，且精度较差。 采用脉冲编码器作为检测器件，它与传动轴连接，电机每转一周便发出一定 数量的脉冲， 微机通过计数器对脉冲的频率或周期进行测量， 即可间接得到轴上的转 速。由于脉冲编码器可以 达到很高的精度， 且不受外部的影响， 可以用于高精度的控 制中。 (3 )电机电 流检测 对电机电流的测量方法通常有以下三种: 利用分立式传感电阻检测电流 传感电阻亦称电流检测电阻， 将它与线路负载相串联时， 只需测出传感电阻两端 的压降， 即可根据欧姆定律计算出 被测电 流值。 该方法的 优点是电 路最简单， 成本最 低， 缺点是在测量大电 流时将产生明显的插入损耗， 并且会影响电 机特性。 此外这种 方法不能实现被测线路与二次仪表的隔离，安全性差。 利用电流互感器检测交 流电流 电 流互感器属于不用驱动电 路的无源设备， 其测量原理是根据电 磁感应定律首先 将一次侧电流转换成二次侧电 流， 然后利用交流电流表去测量二次侧电流， 再根据变 流比 换算成一次侧电 流值， 也可通过传感电阻先将二次侧的电流转换成电 压输出， 再 利用交流数字电压表测量。 利用霍尔传感器检测电 流 利用霍尔效应制成的半导体传感器称作霍尔传感器。 霍尔电 流传感器分闭 环、 开 环两种。 闭环霍尔电流传感器由磁心、 放置在磁心开口空气隙处的霍尔元件， 一次绕组和 电大器等组成。 当载流导线穿过磁心中心孔时， 就产生一个与被测电流成比例的磁场。 该磁场被磁心所集中并 传送到霍尔元件上， 霍尔传感器的输出电 流再驱动二次绕组， 产生一个磁场方向相反的磁场， 二者互相抵消后可使磁心内部的磁场为零。 因此输出 电流就与被测电 流除以一次绕组的匝数成比 例。 输出电流通过连接在输出端和地之间 的电阻转换成电 压信号。 闭环电 流传感器不仅能实现被测电流和输出电压之间的电气 l 5 系统总休设计硕士论文 隔离， 而且响应速度快， 线性度好，测量精度高， 温度漂移量小，抗干扰能力强。 但 其电路较复杂，成本较高。 “ 开环” 是指由霍尔元件所产生的霍尔电动势经过放大后直接输出。 开环霍尔电 流传感器的电路简单，功耗低，线性度较差，但通过集成电路设计可改善其线性度。 2 3 .4 抗干扰及可靠性措施 抗干扰措施是设计任何一个系统时都必须考虑的。 干扰的形式是千变万化的， 抗 干扰的 方法也是多种多 样的 2l切。 便携式多功能 运动控制实 验系统是一 个集强电 信 号和弱电信号， 集模拟电路与数字电路的混合系统， 可能存在的主要干扰有: 强电过 冲信号对弱电部分如单片机等直接损坏， 高频数字信号对模拟电路的干扰等。 就前者 而言，已经不仅仅是干扰的问题， 而是对系统本身致命性的破坏，因此是必须解决的 问题。 设计将系统分成两大部分: 强电部分和弱电部分， 弱电部分又分为模拟电路部 分和数字电路部分， 分别以功率地p g n d、 模拟地a g n d和数字地d g n d加以区分。 其中强电部分和弱电部分分别采用不同的电源模块供电， 强、 弱电间的信号通过光藕 联系。低速数字信号的联系采用t l p 5 2 1 ，高速数字信号则采用高速光祸6 n 1 37; 模 拟信号的传送选择线性光祸h c p l7 8 00。模拟地和数字地通过磁珠一点相连。此外， 为了使系统可靠运行， 必须对系统的异常状态进行检测并采取相应的保护措施。 因此， 为系统设计了过流、 过压等保护电路， 当故障状态发生时， 保护电路触发相应的中断， 采取相应的处理措施。 2 .4 本章小结 本章首先根据设计原则和功能需求， 规划了 系统总体结构， 在此基础之上设计了 系统总体方案， 并按照模块化的思想将系统划分成不同的功能模块， 最后对系统设计 的关键技术问题进行了分析，并提出了相应的解决方案。 南京理工大学硕士学位论文多功能便拥式运动控制实验系统设计 3 多功能便携式运动控制实验系统硬件设计 在完 成了 系 统的 总体设计后， 本章主要完成系 统的 硬件设 计。 首先是主要元器件 的选型， 然后按照模块化的思想，应用行以 e 1 99se 设计了主板电路和子板电路。 3 j 3. l i ms p430系列单片机介绍及选型 ms p 4 3 0 系列单片机是美国德州仪器( t d 于1 996 年开始推向市场的一种16 位超 低功耗的 混合 信号 处理 器( 诵又 eds ignaipr oc essq r) 。 称之为混合信号处理器， 主要是 由于其针对实际应用需求， 把许多模拟电路、 数字电路和微处理器集成在一个芯片上， 以 提供 “ 单片” 解决 方案。 主要特点 有圈: ( 1)超低功耗 m s f 4 3 o 系列单片机的电 源电压采用1 . 8 3.6 v低电 压， r a m数据保持方式下耗 电仅0. l p a ，活动模式耗电25o p 刀mips( m理5 :每秒百万条指令数) ，f o输入端 口的漏电 流最大仅 5 仇 ia。总体而言，ms p 4 3 0系列单片机堪称目 前世界上功耗最低 的单片机，其应用系统可以 做到用一枚电池使用10年。 ( 2)强大的处理能力 ms f 4 3 0 系列单片 机是16位单片机， 采用了目 前流行的、颇受学术界好评的精 简指令集恨i s c)结构， 一个时钟周期可以执行一条指令( 传统的m c s 51 单片 机要 12 个时钟周期才可以 执行一条指幻 ，使ms p 4 3 0 在s m h z 晶振工作时， 指令速度可达 s mip s ，而同样s m ip s 的指令速度，在运算性能七16位处理器比8 位处理器高远不 止两倍。 (3 ) 高性能模拟技术及丰富的片上外围模块 ms p 43o系列单片机结合tl 的高性能模拟技术， 各成员都集成了较丰富的片内 外设， 包括以下功能模块的 组合: 看门狗 w口 d ， 模拟比 较器a ， 定时器a ( 毛 m 。 七 a ) ， 定时器 b ( 肠 m er- -b) ，串口0 ，1 (us a 义 印、1) ，硬件乘法器，液晶驱动器，1 份 1 刀 14 位a d c ， 12位d ac， i:e 总 线， 直接数据存 取 ( d m a ) ， 端口0( 助， 端口1 巧口 1 p 6 ) ， 基本定时数b as i c 肠 m er ) 等。 m s f 4 3 o 系列单片 机的丰富片内 外设， 在目 前所有单片机系列产品中 是非常突出 的，为系统的单片 解决方案提供了 极大的方便。 (4) 系统工作稳定 上电 复位后， 首先由d c o -cl k启动c p u ， 以 保证程序从正确的位置开始执行， 保证晶体振荡器有足够的 起振及稳定时间。 然后软件可设置适当的寄存器的控制位来 确定最后的系统时钟频率。 如果晶体振荡器在用做c p u时钟m c l k时发生故障， d c o 1 7 多功能便携式运动控制实验系统硬件设计硕士论文 会自 动启动， 以 保证系统正常工作。 这种结构和运行机制， 在自 前各系列单片机中是 绝无仅有的。另外，ms p 4 3 0系列单片机运行环境温度均为4 0 叶85， 运行稳定、 可靠性高，符合工业级标准，所设计的产品适用于各种民用和工业环境。 (5 ) 方便高效的开发环境 目 前m s p 4 3 0 系列有o t p 型、f l a s h型和r o m型3 种类型的器件，国内 大量 使用的是f l a s h型。 这些器件的开发手段不同， 对于口 y p 型和r o m型的器件是使 用专用仿真器开发成功之后再烧写或掩膜芯片。 对于f l a s h型则有十分方便的开发调试环境， 因为器件片内有 t a g调试接口， 还有可电擦写的f l a s h存储器，因此采用先通过月 认g接口下载程序到ras h内， 再由j t a g接口 控制程序运行、读取片内c p u状态，以及存储器内容等信息供设计 者调试， 整个开发( 编译、调试) 都可以在同一个软件集成环境中 进行。 这种方式只需 要一台p c和一个 t a g调试器，而不需要专用仿真器和编程器。开发语言有汇编语 言和c语言。 本系统设计立足自 身需要， 结合市场上流行的单片微处理器的特点， 充分考虑性 价比， 可扩展性以 及开发环境等各种因素， 选择了m s p430系 列单片机中m s p43 0f1 69 来完成主板中主控制单片机、 检测单片机和通信处理单片机， 以 及子板人机交互单片 机的功能。 m s p 4 3 0f1 69具有如下特点: 工作电 压范围:1 . 8 36v; ， 超低功耗; 5 种省电 模式; 从等待方式唤醒时间为6声 5 ; 1 6 位犯s c结构，1 2 5 n s 指令周期; 内置三通道d ma ; 12位刀d带采样保持内部参考源; 双12位创a同步转换; 1 6 位定时器石 皿几a ; 1 6 位定时器往 m 周 七 b ; 片内比较器a ; 串 行 通 信璐a 卫 j o ( u a 只 t 和s pi 、 r c ) 接口 ; 串行通信u s a 卫 t l (ua 卫 t和5 劝接口; 具有可编程电平检测的供电电压管理器2 监视器: 欠电 压检测器; b oots 加 叩助a d er : 1 8 南京理工大学硕士学位论文 多功能便携式运动控制实验系统设计 串行在线编程，无需外部编程电 压，可编程的保密熔丝代码保护; ook b + 256 bfi ash 存储器和z k br a m; ms p 4 3 0f1 69 内部结构如图3. 1 所示。 图3. i m 5 p 4 3 0 f 1 69 内部结构 ms p 4 3 0 f169 的封装形式和引脚说明如图3 2所示。 又刁浅蕊攻 宝jo或己左 七q岑姆工当滋七卜左 弓0内卜义 n一内卜丫 朽耳汽乙卜 -0卜 璧卜 吕01 目生七俄 -0哎0目止 钾过分矍 勺扭人里 含贾 昌、0 00咨 口石石石石石面丽歹石石石石石妥石石 叨刀门朽翻口姐胡月3e哭盯35共 12刀4557 创c c 内 习八 闷 习点 月 pe 习产 5 pe 脚叨刃 八 c 刀 即 j肠胡亡几 c l 尹 s v 翻n v 闷 于今 x i 润 月沉介打口大 竹叭汗十 v 阳口偏分 闭 乃厅 决 口火 自 . ， 厅 劝 门 2 门 执 嘴 州 3 厅 八 2 洲 浦旧叫( k 犯 怕 ， 0，1乏 ，2 2刀 二 名万 劲 万 湘 困 3 口别 32 p s心叫l k 鸽 钊以 洲， 户 丘2 阴 旧翻1 ， 户 51 侣肠翻 j l 户 5山日 t ei p ， 门习c l x p 4呀花旧 p 45 j t 旧 石 闷 m刹 p 43i怕3 入 刁了 日 之 p 1 打日有 户4山t 6 0 门 了 幻仍目1 内 四 叼1 习洲 内 玉 洲j r 龙扣 ， a.付”u住切朽铭1 兑目义卜口刁c几 一口犯皇曰场左 0里0里2的匡 巷的色0生硬卜2 吕卜协己盆 寄芝公 巴城签q里曰分护封心之目 d.0尾目左 空七16勺义 尸咤七己人汤左 袅之只芝闷空 当02二曰翻己 当0弓己空 幼芝1压 沪才七目，卜 奥七己户d 图3. 2 ms p 4 3 0f1 69引脚 1 9 多功能便携式运动控制实验系统硬件设计硕士论文 1 1 ) 电匆 公 去 型 设计选用瑞士maxon 公司的a 一 田 a 叉 1 必 1 6 m l l 稀有金属电 刷c l l直流电机。 该 直流电机同轴连接一个数字磁编码器和一个减速比为29:1 的减速器。 电机参数如表31 所示。 表3 . ，. axon直流电 机参数表 名称参数 标称功率 2 ， o w 额定电压i 2-o v 空载转速 122 (x冲m 堵转转矩生7 8 i n nm 速度了 转矩斜率261 帅 刀 v m n m 空载电流1 0 ma 堵转电流 5 2 仓m八 电机电阻 乃 1 0 最大允许转速 1 27加印 m 最大连续电流 2 料 ma 最大连续转矩225mnm 最大输出功率 1 5 2 伪d w 最大效率7 6 % 转矩常数9.1 9 田 n时a 速度常数1 1 ) 均 甲 n 扩 v 机械时间常数2 2 口 班 转子惯量 0. 期gc 时 电机电感 0 名3 住 】 h 3 j 主板设计 主板( m 面 正。 出 月 ) 是整个系统的核心， 它由 主控制模块、电源模块、电机驱动模 检测模块、逻辑处理模块、测速模块和保护电路模块等组成。 主控制模块设计 主控制模块以一片m s p 4 3 0f1 69单片机为核心， 另外还包括时钟电路、 刀 叭 g接 口电路、 通信接口电路、 复位电路等外围电路。 其主要任务包括: 完成对控制算法的 加 南京理工大学硕士学位论文多功能便拚式运动控制实验系统设计 处理， 对通信处理模块和测速模块进行管理和调度， 对信号调理电 路送来的模拟量进 行习d转换。 ( 1)主控单片机ms p 4 3 0f1 69 引脚分配 裹3 . 2主控单片 机那p43 0f1 69 引 脚分配说明 网络标号端口号 刀 o说明 dl 一 m p l 一 0o电机驱动芯片mc 3 3 8 87输出三态门使能 dz 一 m pl . 1o电机驱动芯片m c 3 3 8 87输出三态门 使能 e n 一 m p l . 2 o电机驱动芯片m c 3 3 887 工作使能 招j 叨 pi . 3i电机驱动芯片mc 3 3 887 故障检测反馈信号 ov e r -c p l . 4i过电流报签信号 ov e r 一 v p l ， 5i. ， 丁过电压报替信号 u n de r 一 ( p i 一 6i欠电流报替信号 u n de r es v p i . 7i欠电压报誉信号 s dap3 甲 1f o广 c数据 s c l邓 .3刀 o护 c时钟 t x d 一 c o m p3 .4o与通信处理单片机之间的u a r t 通信， 数据输出 r xd ee c om 刃 .5i与通信处理单片机之间的u a r t 通信，数据输入 i xd 一 s p d p3 .6o与测速单片机之间的u a r t 通信， 数据输出 r x d -sp d 玛 .7i 与测速单片机之间的u a r t通信，数据输入 p wmp 4 . 1op v 门 叭波形输出 p wm一 5 p 4 . 2op wm波形备用输出 5 1 ，ep5 .0os p i 模式从设备传输使能 s n 以 0p5 .1 os pi模式的从输入了 主输出 s omip s .2 is pi模式的从输出 1 主输入 u c l kp5 3os pi模式的时钟输出 h a ll-c p 6 . 3i霍尔传感器电流采集信号调理后输入 s a n p-cp 6 ， 4 i采样电阻电流采集信号调理后输入 fb -cp6 j i电机驱动芯片电流反馈信号调理后输入 (2 ) 时钟电路及刀 从 g接口电路 ms p 4 3 0f1 69单片机的时钟模块由高 速晶 体振荡器、 低速晶 体振荡器、 数字控制 振荡器工 兀 :0 、 锁频环f l l以 及锁频环增强版本r 工 十 等部件组成， 其时钟输入源有3 多功能便携式运动控制实脸系统硬件设计硕士论文 个: l f x t i c l k 低频时钟源; x 丁 z c l k高频时钟源; d c o c l k数字控制r c振荡器。 基础时钟模块可提供 3 种时钟信号: 辅助时钟 a c l k a c l k是l p x t i c l k信号经1 、 2 、 4 、 8 分频后得到的。 a c l k可由软件选作各 个外围模块的时钟信号，一般用于低速外设。 系统主时钟m c l k mc l k可由软件选择来自l f x t i c l k 、x 1 2 c l k 、d c o c l k三者之一，然后经 1 、2 、4 、8 分频得到。mc l k主要用于c p u和系统。 子系统时钟s m c l k 可由软件选择来自l f x t i c l k和d c o c l k ，或者x t z c l k和d c o c l k ，然后 经 1 、 2 、 4 、8 分频得到。 s mc l k主要用于高速外围模块。 主控制模块中， 为单片机提供了一s mh z 的高频时钟源x t 交 c l k 。 如图3 3所示， 该高速晶 体振荡 器x 丁 2由 一 个s m h z 的晶 体、 两个22p f 的 负载电 容以 及单片机内 部 电路组成。晶体的两端分别接单片机的x t z 水 和x t 交 o u t引脚。实际应用中， 如果 x t ? c l k没有用作 mc l k和 s mc l k时钟信号，可用控制位 x t 2 0 f f关闭 x t z 。 众1 口 f 图3 3 时钟电路及j t a g接口电路 刀 认 侧3 0 i n t 不 昭 t a ctiongro u