伺服电机开题报告.doc

沈阳航空航天大学电子信息工程学院开题报告电子信息工程学院毕业设计开题报告飞思卡尔智能车速度伺服系统硬件设计学生姓名： 宋军 专 业： 电子信息工程 班 级： 94020101 学 号： 2009040201018 指导教师： 宋军 2013 年 3 月开题报告一 选题的依据和意义伺服系统属于自动控制系统中的一种，它是伴随电的应用发展起来的，最早出现于二十世纪初。1934年第一次提出了伺服机构(Servomechanism)这个词，随着自动控制理论的发展，到二十世纪中期，伺服系统的理论与实践均趋于成熟。近几十年来在新技术革命的推动下，特别是伴随着微电子技术和计算机技术的飞速进步，伺服技术更是如虎添翼突飞猛进，它的应用几乎遍及社会的各个领域。从国防、工业生产、交通运输到家庭生活，而且必将发展应用到更新的领域。伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。伺服电动机分为直流和交流伺服电动机两大类，直流伺服电动机具有响应快、低速平稳性好、调速范围宽等特点，因而常用于实现精密调速和位置控制的随动系统中，在工业、国防和民用等领域内的到广泛应用，特别是在火炮稳定系统、舰艇平台、雷达天线、机器人控制等对位置速度的控制精度要求较高的场合。LM629 是National Semiconductor公司的一款电机专用运动控制处理器,可用于直流、无刷直流电机及其它可提供增量式位置反馈信号的伺服机构。该器件可完成数字运动控制中的高精度实时计算任务。该元件不但能简化系统软、硬件设计，提高系统可靠性、减轻工作量而且能提高系统性能，反映速度快、控制精度高。LM629在一个芯片内集成了数字式运动控制器的全部功能，使得设计一个快速、准确的运动控制系统的任务变得轻松、容易,它提供8位PWM调制信号和方向信号直接驱动桥式电路。可通过8位I/O口及6根控制线与主处理器通信以控制LM629内部PID控制器及速度图编程。二 选题研究的基本内容 设计任务的主要内容是设计一个小功率有刷直流电机伺服驱动器。该伺服驱动器的设计工作包括2个部分：硬件设计和软件设计。硬件设计包括：电机驱动单元、位置反馈单元单元等；软件部分包括：电机速度反馈控制，速度、加速度、位置PID闭环控制的处理和赛道信息的识别。时间允许的情况下可以考虑部分软件设计。本任务的重点是硬件的设计，结合软件，完成如下技术要求：1.硬件设计：(1) 主控单元。(2) 转速测量单元。(3) 速度伺服驱动单元。(4) 电源单元。2.软件设计：(1) 伺服驱动器可以驱动一个小功率有刷直流电机运行。(2) 伺服驱动器可以控制电机运动的速度、位置和加速度。(3) 伺服驱动器根据赛道情况可以实现对电机运动的速度和位置数据的反馈控制。完成此任务的过程中，首先要学习并掌握有刷直流电机的工作原理，并分析和理解有刷直流电机伺服驱动器的工作原理。在此基础上，学习主处理器STM32F103VE、运动控制器LM629和运动驱动器LMD18200的基本原理及接口知识。采用Protel99se绘制有刷直流电机伺服驱动器原理图并且制作硬件电路板。由于该系统的使用C语言编程，所以要学习并掌握单片机C语言的基本知识和的STM32F103VE的中断、定时器功能。在了解了运动控制器LM629的命令集和控制时序后，设计LM629的初始化子程序、读写数据子程序、中断子程序等应用子程序和主控制程序。三 研究方法及措施1.设计方案1硬件方案： 1. 主控制器电源部分STM32F103VE的工作电压为2V-3.6V，在设计最小系统中，采用LM1117-3.3稳压芯片将5V降到3V为中央处理器供电。其中的4个电容是滤波电容，LED作为电源指示灯。为了更好的降电压波动波对处理器的干扰，在接近STM32F103VE的四个VDD引脚附近仍需采用0.1uF的滤波电容。电源部分原理图如图1.1所示。1.1 最小系统电源设计原理图2. 复位部分复位是STM32F103VE的初始化操作，只需给复位引脚RST加上低电平既可使其复位。复位电路通常采用上电复位和手动复位两种方式。本系统采用上电和手动两种复位方式，以便于电路调试需要，原理图如图1.2所示。图1.2 最小系统复位设计原理图LM629是全数字式控制的专用运动控制处理器。通过一片单片机、一片LM629、一片功率驱动器、一台直流电机、一个光电编码盘就可以构成一个伺服系统。使用6MHz或8MHz时钟频率和5V电源工作。3驱动控制器部分LM629N是NMOS结构，采用28引脚双列直插式封装。引脚图如图1.3所示，引脚功能如表1.4所示。图1.3 LM629引脚示意图表1.4 LM629引脚名称及其功能引脚名称功能描述1/IN接收从增量编码器来的标记(index)信号(标记信号为低)。该引脚如果不使用，必须置高。当引脚1，2和3为低电平时读取INDEX位置。2、3A、B接收从增量编码器来的两个正交信号。当电机正转时，2脚信号应超前于3脚信号90度。4-11D0-D7连接主计算机或主处理器的I/O口。通过控制/CS(12脚)、/PS(16脚)、/RD(13脚)和/WR(15脚)的高低电平可向LM629写入指令和数据，或从LM629读出状态字节和数据。12/CS片选输入，由主机用来选用LM628，进行读写操作。13/RD由主机用来读出LM629状态和数据。14GND电源，地。15/WR用来控制写入指令和数据。16/PS用来选择指令口或数据口。当PS为低电平时，向指令口写入指令，或从指令口读出状态，当PS为高电平时，经数据口写入或读出数据。17HI高电平有效，通知主计算机中断条件己具备。18SIGN控制PWM方波符号。19MAG控制PWM方波强度。26CLK系统时钟输入端。27RST复位输入端，低电位有效。28VDD电源，电压为十4.55.5v，100mA。LM629有如下特性：(1)32位的位置、速度和加速度寄存器；(2)16位参数的可编程数字PID控制器；(3)可编程微分项采样时间间隔；(4)8位脉冲调制PWM信号输出；(5)速度、位置及PID参数可在运动过程中实时改变；(6)位置、速度两种控制方式；(7)具备增量式编码器接口；(8)实时可编程中断；(9)可对增量式光电编码盘的输出进行4 倍频处理。4. LM629的时钟电路LM629的电源采用振荡频率为6M有源晶振。有源晶振通常的用法：一脚悬空，二脚接地，三脚接输出，四脚接电压。时钟电路的原理示意图如图1.5所示。图1.5 LM629时钟电路原理图有源晶振不需要DSP的内部振荡器，信号质量好，比较稳定，而且连接方式相对简单，不需要复杂的配置电路。相对于无源晶体，有源晶振的缺陷是其信号电平是固定的，需要选择好合适输出电平，灵活性较差，而且价格高。5. 光电隔离电路光耦能以光形式传输信号，有较好的抗干扰效果，输出侧电路能在一定程度上得以避免强电压的引入和冲击。LM629的电源电压为5V，其输出的两路号MAG，SIGN控制LMD18200的PWM，DIR端。但是LMD18200供电电压为24V，两类信号之间的电压相差很大。为了避免电流回流对LM629造成干扰和损害，所以在SIGN和DIR、MAG和PWM之间用光耦进行隔离。SIGN和DIR之间使用TLP521，MAG和PWM之间使用6N137。增量编码器(1000线)与直流无刷电机的主轴相连，输出A、B路数字脉冲信号。LM629对这两路信号进行四倍频，提高其分辨率。A脉冲与B脉冲逻辑状态每变化一次，LM629内的位置寄存器就会加(减)l。另外A脉冲和B脉冲保持90度的相位差，LM629通过对相位差的识别分析出电机运行的方向。但考虑到来自编码器的信号不稳定且容易对LM629产生干扰甚至损坏，故输入给LM629的两路脉冲信号也需要光电隔离，隔离光耦采用6N137。光电隔离增量编码器接口设计原理示意图如图1.6所示。图1.6 光耦原理示意图当电信号送入光电耦合器的输入端时，发光二极体通过电流而发光，光敏元件受到光照后产生电流，CE导通；当输入端无信号，发光二极体不亮，光敏三极管截止，CE不通。对于数字量，当输入为低电平“0”时，光敏三极管饱和导通，输出为低电平“ 0”；反之则输出为高电平“1”。TLP521光耦合器性能较好，价格便宜，因而一般选择TLP521；但在电平转换频率较高时，改用6N137。 本设计体统的驱动模块部分主要是以LMD18200为核心的驱动电路。H桥驱动组件LMD18200是由美国国家半导体公司生产的，用于电机驱动的功率集成驱动芯片。LMD18200外形结构和内部框图如图1.7所示。6. 电机驱动电路图1.7 LMD18200引脚示意图LM18200采用了将4个DMOS管组成的H桥及其逻辑控制电路均包含在一个11脚的T-220封装中，主要性能：1. 峰值输出电流高达6A，连续输出电流达3A；2. 工作电压高达55V；3. TTL/CMOS兼容电平的输入；4.具有温度报警和过热与短路保护功能；5. 芯片结温达145，结温达170时，芯片关断；6. 具有良好的抗干扰性。7. 系统电源电路该系统的供电电源端分为三个部分，5V直流电源，24V直流电源和接地端。由于STM32F103VE需要3.3V电源供电，此系统中采用LM1117-3.3稳压芯片进行电压转换(在4.1.1节中已介绍)。系统的供电电源设计如图1.8所示。图1.8 系统供电电源原理示意图图4.15中的两个发光二极管用于电源指示。3.3V直流电源用于给主处理器STM32F103VE，部分光耦TLP521，部分光耦6N137和MAX3232供电；5V直流电源用于给运动控制器LM629，部分光耦TLP521，部分光耦6N137和有源晶振供电。因为LMD18200的供电电压高达55V，本系统选择24V直流电压给驱动器LMD18200供电。具体电源分配如表1.9所示。表1.9 电源分配表电源供电芯片编号及名称3.3VU1：STM32F103VEU10：MAX3232U6、U9：TLP5215VU2：LM1117-3.3U4、U5、U7：6N137U6、U8、U9：TLP521U11：LM629Y3：有源晶振24VU3：LMD182008. 主控制器STM32F103VE采用2V-3.6V供电，5V逻辑的I/O管脚，拥有优异的安全时钟模式、带唤醒功能的低功耗模式、内部RC振荡器、内嵌复位电路以及工作温度范围为-40度至+105度。STM32F103VE使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器(高达512K字节的闪存和64K字节的SRAM)，丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。STM32F103VE包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和一个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C和SPI、3个USART、一个USB和一个CAN。STM32F103VE的管脚如图2.0所示。2.0 STM32F103VE管脚图2软件设计：1.速度伺服程序设计部分LM629可以工作在位置控制方式和速度控制方式，下面先以位置模式来阐述其控制原理。主处理器指定加速度、最大速度、最终的目标位置LM629首先以给定的加速度使电机加速，直到达到目标速度值，在此过程中，LM629记录下达到目标速度值所需的脉冲，此脉冲值从目标位置值中减去以确定何时开始减速从而确保在目标位置处停止。减速度与加速度相等。在有些情况下，受限于目标速度、加速度和位置的相对值，当目标速度值尚未达到时就必须开始减速。主机可以在运动的任意时刻改变最大速度值或目标位置值。LM629要求主处理器提供轨迹参数:加速度、速度和位置值，并且这些参数必须转化为LM629所要求的形式，LM629利用这些数据计算运行轨迹。电机的编码器为1000线，假设电机运动参数要求为：加速度为1r/s，最大速度为60r/min，电机完成10圈转动。LM629所要求的各参数计算过程如下:1. 编码器信号处理结果由于LM629对其进行了4倍频，所以编码器处理结果应为：Z=1000线4=4000计数值/每圈，即电机每转一圈，LM629计4000个数。2. 采样周期 （5.2）3. 加速度 （5.3）取，得计数值/每采样周期2，计数值/每采样周期2，取整得：计数值/每采样周期2，hex计数值/每采样周期2，32位加速度有16bit的正整数和16bit的小数构成，所以计算结果必须乘以65536，并且转换成十六进制，以满足LM629所要求的形式。4. 速度计数值/每采样周期 （5.4）计数值/每采样周期，取整后：计数值/每采样周期，hex计数值/每采样周期，32bit速度也由16bit的正整数和16bit的小数构成，所以计算结果同必须乘以65536，并且转换成十六进制，以满足LM629所要求的形式。5. 目标位置计数值 （5.5）转换成十六进制(位置值有正负)：hex计数值/每采样周期。轨迹参数编程时，以LTRJ命令引导，LTRJ命令通过写入命令字节后紧跟者要写入轨迹控制字来决定上述轨迹参数的。输入轨迹控制字后，随后输入的参数都以双十六位数据字输入，这些参数按其在轨迹控制字相关联的控制Bit位的降序排列依次为加速度、速度、位置。每个双控制字输入时都按从最高有效位到最低有效位的顺序写入LM629。设定轨迹参数时，输入的信息的流程如表2.1所示。需要注意的是：除了加速度以外这些参数都可以在运动中更新。只有在轨迹完成，或轨迹控制字的第8位发出指令是电机关闭时，加速度才能改变。如果加速度改变了，而且STT已经发出，但电机驱动的加速度仍是当前的，将会产生一个错误中断指令，同时当前指令被忽略。当该命令发出时，PS管脚的状态和命令LFIL类似，同时也要执行忙位查询。与LFIL命令类似，LM629内部存储这些轨迹参数都采取了双缓冲结构。这些数据先存入主寄存器，等开始指令(STT)发出，这些轨迹数据传送至有双重缓冲区电路的工作寄存器以使电机启动。表2.1 设定轨迹参数表端口命令写入值（hex）备注命令口LTRJ1F该命令用于初始化LM629中PID参数接受缓冲区“忙”状态检测数据口HB00这两个字节为轨迹的控制字，低字节2A表示加速度、速度和位置值要传输给LM629，并且都是绝对值。数据口LB2A“忙”状态检测数据口HB00加速度是两个字节，先传输高字节数据口LB00“忙”状态检测数据口HB00传输加速度的低位字数据口LB02“忙”状态检测数据口HB00速度也是两个字节，先传输高位字节数据口LB02“忙”状态检测数据口HB34传速度的低位字数据口LB6E“忙”状态检测数据口HB00位置也是两个字，先传输高位字数据口LB00“忙”状态检测数据口HB1F传输位置值的低位字数据口LB40“忙”状态检测命令口STT01该命令让LM629开始按该轨迹运行四 毕业设计进度及步骤1.毕业设计的进度安排第12周复习单片机的相关知识，深入学习软件编程。第35周查阅资料，进行方案设计。第613 进行硬件电路设计并制作第1416周进行软件调试。第1719周进行论文撰写，准备答辩。2. 毕业设计的一般步骤在指导教师的指导下，毕业设计的过程一般可分为三个阶段：系统分析阶段、系统设计阶段、系统实施和调试阶段。1.系统分析阶段 （1）熟悉课题：毕业设计任务下达后 ，首先应该了解课题的名称，课题的来源，课题的设计任务；所提供的原始数据，所要求的技术指标等。要对整体的设计要求有充分的了解和掌握。 （2）收集资料、调查研究：围绕课题收集有关的资料，查阅有关的文献及技术参数，收集有关的数据，并对用户的实际需求等进行调研 ，以能对所涉及课题的功能和性能有全面和深入的了解。 （3）可行性分析：学生在熟悉课题、调研、收集资料和数据的基础上，对设计课题进行可行性分析并形成相应的文档。2.系统设计阶段（1）概要设计：在可行性分析的基础上采用较好的方法就系统的总体结构、数据结构、控制结构、接口、界面、系统的输入、输出方式等方面进行设计并写出分析说明书。同时按系统的总体功能进行模块划分和模块设计，已明确模块设计的任务和要求。（2）详细设计：在概要设计的基础上采用较好的方法和工具进一步确定总体功能和各个模块功能的设计方案 。3.系统实施、调试阶段 （1）程序编码：这个阶段应根据课题的控制结构图和各个模块的功能说明书按模块分别进行所承担的设计任务，进行程序编码。并在计划指定时间内完成各个子模块的设计。（2）系统调试：各个子模块功能设计完成后应该进行整个系统的调试，并在系统测试中不断修改和完善系统功能，最终达到设计目标。设计课题完成后应该撰写“毕业设计论文”。五 参考文献1 叶美桃.直流无刷电动即原理及其在汽车中的应用.机械管理开发，2008（4）：90-932 王为.基于LM629对足球机器人运动控制的设计.武汉工程大学学报2008 (1)：104-1073 贺志军.基于LM629的电机伺服控制系统设计.机械设计与制造，2009（2）40-424 张毅刚.刘杰主编.MCS-51单片机原理及应用M .哈尔滨工业大学出版社，2008.95 范志宇.基于MATLAB的模糊PID调速系统的设计与仿真J .太原理工大学报：自然科学版2008(5)：1431456 董大为等.移动机器人自动循线及壁障检测的设计.机床与液压2008（4）：111-1137 李惠平.智能象棋机器人嵌入式运动控制系统的研：硕士论文 .北方工业大学2008.58 王才东.六自由度教学机器人控制系统设计及实验研究：硕士论文 .哈尔滨工程大学2008.29 曹丙霞 等编著. 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