位置随动系统设计--基于PLC的三相异步电动机能耗制动系统设计

1、位置随动系统设计-基于PLC的三相异步电动机能耗制动 系统设计徐蜕尤程f院基于PLC的三相异步电动机能耗制动系统设计DESIGN OF ENERGY CONSUMPTIONBRAKING SYSTEN FOR THREE PHASEASYNCHRONOUS MOTOR BASED ON PLC学生姓名王华伟学院名称信电工程学院学号 20120501155班级12电气1专业名称 电气工程及其自动化指导教师曹言敬2015年7月10日徐州工程学院课程设计说明书摘要位置随动系统是应用非常广泛的一类工程控制系统，在数控机床的定位控制和加工轨迹控制，船舵的自动操纵，火炮方位的自动追踪等等方面应用广泛。本设

2、计 是基于8051单片机为主控制器，选用积分分离 PID算法来调节参数，使用伺服电 机为广义被控对象的位置随动系统。整个系统设计采用方案比较的方法确定为位置 环、电流环、速度环三环结构，查找参考文献确定各调节器的参数，并在MATLAB环境下对所设计的系统进行了仿真。关键词8051单片机；积分分离PID;三环结构；MATLABI徐州工程学院课程设计说明书目录1 绪 论 11.1 位置随动系统 错误未定义书签。1.1.1 位置随动系统的概念 错误未定义书签。1.1.2 位置随动系统的特点及品质指标 21.1.3 位置随动系统的结构组成 错误未定义书签。1.1.4 位置随动系统的控制要求 21.2

3、课程设 2求1.2.1 课程设计的要 21.2.2 课程设计的目的 21.2.3 课程设计指导 3 2案 42.1 随动系统控制方案的选择 42.1.1 方案 42.1.2 方案计 位置控制系统总体设计方 42.1.3 两个方案比较 位移检测装置的选算法的选控制系统的硬件设 5 2.2择 6 2.3 PID择 7 3计 93.1 电流检测电路 93.2 速度检测电路位置检测电系列单片 9 3.3路 9 3.4 MCS-51 机内部结构和引脚说明 . 103.5 系统时钟电路设计复位电 12 3.6III路 133.7 电机驱动电路的芯片 15 4 SIMULINK真 论 18. 20致谢 .

4、21参考文献 22附录 . 23II徐州工程学院课程设计说明书徐州工程学院课程设计说明书1 绪论1.1 位置随动系统1.1.1 位置随动系统的概念位置随动系统也称伺服系统，是输出量对于给定输入量的跟踪系统，它实现的 是执行机构对于位置指令的准确跟踪。位置随动系统的被控量 （输出量） 是负载机械 空间位置的线位移和角位移，当位置给定量 （ 输入量 ）作任意变化时，该系统的主要 任务是使输出量快速而准确地复现给定量的变化，所以位置随动系统必定是一个反 馈控制系统。位置随动系统是应用非常广泛的一类工程控制系统。它属于自动控制系统中的 一类反馈闭环控制系统。随着科学技术的发展，在实际中位置随动系统的应

5、用领域 非常广泛。例如，数控机床的定位控制和加工轨迹控制，船舵的自动操纵，火炮方 位的自动追踪，宇航设备的自动驾驶，机器人的动作控制等等，随着机电一体化技 术的发展，位置随动系统已成为现代工业、国防和高科技领域中不可或缺少的设 备，是电力拖动自动控制系统的一个重要分支。1.1.2 位置随动系统的特点及品质指标位置随动系统与拖动控制系统相比都是闭环反馈控制系统，即通过对输出量和 给定量的比较，组成闭环控制，这两个系统的控制原理是相同的，对于拖动调速系 统而言，给定量是恒值，要求系统维持输出量恒定，所以抗扰性能成为主要技术指 标。对于随动系统闻言，给定量即位置指令是经常变化的，是一个随机变量，要求

6、 输出量准确跟随给定量的变化，因而跟随性能指标即系统输出响应的快速性、灵敏 性与准确性成为它的主要主要性能指标。位置随动系统需要实现位置反馈，所以系 统结构上必定要有位置环。位置环是随动系统重要的组成部分，位置随动系统的基本特征体现在位置环上。根据给定信号与位置检测反馈信号综合比较的不同原理，位置随动系统分为模拟与数字式两类。总结后可得位置随动系统的主要特征如下1. 位置随动系统的主要功能是使输出位移快速而准确地复现给定位移。2. 必须具备一定精度的位置传感器，能准确地给出反映位移误差的电信号。3. 电压和功率放大器以及拖动系统都必须是可逆的。4. 控制系统应能满足稳态精度和动态快速响应的要求

7、，其中快速响应中，更 强调快速跟随性能。1.1.3 位置随动系统的结构组成机电一体化的随动控制系统的结构 , 类型繁多，但从自动控制理论的角度来分 析，伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等 五部分。1. 比较环节 : 是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得输出与 输入间的偏差信号的环节，通常由专门的电路或计算机来实现。1徐州工程学院课程设计说明书2. 控制器: 通常是计算机或 PID 控制电路，其主要任务是对比较元件输出的偏 差信号进行变换处理，以控制执行元件按要求动作。3. 执行环节 : 作用是按控制信号的要求，将输入的各种形式的能量转化成机械 能

8、，驱动被控对象工作。机电一体化系统中的执行元件一般指各种电机或液压，气 动伺服机构等。4. 被控对象 : 机械参数量包括位移、速度、加速度、力和力矩为被控对象。5. 检测环节 : 是指能够对输出进行测量并转换成比较环节所需要的量纲的装 置，一般包括传感器和转换电路。1.1.4 随动系统的控制要求1. 系统精度随动系统精度指的是输出量复现输入信号要求的精确程度 , 以误差的形式表现 , 可概括为动态误差 , 稳态误差和静态误差三个方面组成。2. 稳定性随动系统的稳定性是指当作用在系统上的干扰消失以后，系统能够恢复到原来 稳定状态的能力 ; 或者当给系统一个新的输入指令后，系统达到新的稳定运行状态

9、 的能力。随动系统正常运行的最基本条件是系统必须是稳定的，否则其他性能指标 都是毫无意义的。随动系统的稳定性包括两方面的含义 : 一是通常意义的稳定性 ; 另 一方面是系统的稳定程度，或者说系统震荡的程度，指系统的相对稳定性。例如， 一个系统虽然是稳定的，但在收到扰动作用后，震荡倾向很强烈，而震荡的衰减却 很慢，这种系统的稳定度就很差。必须注意的是，稳定性只表示系统本身的一种特性，它决定系统结构与元件参 数，与外部输入指令或扰动信号无关。3. 响应特性响应特性指的是输出量跟随输入指令变化的反应速度，决定了系统的工作效 率。响应速度与许多因素有关，如计算机的运行速度 , 运动系统的阻尼和质量等。

10、4. 工作频率工作频率通常是指系统允许输入信号的频率范围。当工作频率信号输入时，系 统能够按技术要求正常工作 ; 而其它频率信号输入时，系统不能正常工作。1.2 课程设计1.2.1 课程设计目的利用位置传感器和直流电动机的位置随动系统，见图 1-1 。该系统是利用位置 传感器形成位置环，由所选定的单片机来完成数字控制器。1.2.2 课程设计要求1. 定位精度 0.4?2. 定位过程超调量 ,10%。2徐州工程学院课程设计说明书3. 输入阶跃、速度、加速度转角信号时，调节时间为250ms。1.2.3 课程设计指导利用单片机实现全数字位置随动系统，由键盘输入 PID 参数及给定值。利用功 能键实现

11、点动和自动以及复位。直流电动机实现可逆运行，并由位置传感器（ 如光电码盘等 ） 检测转角信号，经频压转换电路实现位置检测。控制器参数可以用 SIMULINK仿真确定，但为了实现系统快速性好、超调小和无静差的控制要求，设 计中可采用积分分离式PID控制算法。（注：控制算法也可以自行设计）手柄角度盘位置反馈 位置给定 直流电机单片机 驱动电路 A/D 转换 电源键盘输入图 1-1 全数字位置随动系统示意图3徐州工程学院课程设计说明书2位置控制系统总体设计方案2.1 随动系统控制方案的选择2.1.1 方案一双闭环随动系统由两个闭环组成，可以构成两种不同形式的双环位置随动系 统，即位置 - 速度双环随

12、动系统国厅1tep骗朋呼rJ理-W*图2-1双闭环系统结构图其中在里面的反馈环是速度环，在外面的反馈环是位置环。一般来说，双闭环 系统具有比较满意的动态性能：1. 动态跟随性能双闭环系统在启动和升速过程中，能够在电流受到电机过载能力约束条件下， 表现出很快的动态跟随性能。只要指定位置参数，它便迅速控制电机正转或反转， 以达到指定的目的。2. 态抗扰性能当系统处于正常工作时，出现不正常的扰动干扰时，位置反馈系统便把位置信 号反馈回主控制系统，之后，便会调节电机，使其转速提高或下降，最终达到控制 稳定的目的。因此，本系统具有极强的抗干扰性能。为了提高系统快速跟随能力，要求外环即位置环有较高的截止频

13、率，因为外环 的截止频率表征了系统的快速性。2.1.2方案二在双闭环随动系统基础上加电流反馈，组成三环随动系统。和双闭环控制系统一样，多环控制控制系统调节器的设计方法也是从内环到外 环，逐个设计各环节的调节器。按此规律，对于如图的三环位置随动系统，应先设 计电流调节器，然后将电流环简化成转速环中的一个环节，和其他环节一起构成转速调节器的控制对象，再设计电流调节器。最后，再把整个转速环简化位置环中的一个环节， 从而设计位置4徐州工程学院课程设计说明书调节器。逐环设计可以使每个控制环都是稳定的，从而保证整个控制系统的稳定性。图2-2三闭环系统结构图2.1.3两个方案的比较三环控制的优点明显，当电流

14、环和转速环内的对象参数变化或扰动时，电流反 馈和转速反馈都能起到及时的抑制作用，使之对位置环的工作影响很小，同时每个 环节都有自己的控制对象，分工明确，易于调整。但同时，三环的逐环设计的多环 控制系统也有明显的不足，即对外环的控制作用的响应不会很快。这是因为设计每 个环节时，都要将内环等效成其中的一个环节，为这种等效环节传递函数之所以能 够成立，是以外环的截止频率圆圆低于内环为前提的。由此可知位置环的截止频率 会被限制的很低，从而影响系统的快速性。但在近代数字控制的随动系统中，控制对象的快速响应性能已经大大提高，个 控制环的采用周期也可以大大缩短，其转速环频率也大大提高，因而位置环的截止 频率

15、也得到显著的提高，在要求高动态性能的数控机床轨迹控制和机器人控制中都 取得了很好的应用效果。在实际工作中 , 我们希望在电机最大电流 （转矩）受限的条件下，充分利用电机 的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流 （ 转矩）为允许最大值，使电力 拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使 转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。此时，双闭环随动控制系统就不能很 好的满足这个要求。而三1 环控制则能使控制达到完美的地步。 综上所述，我选择方案二，使用三环随动控制系统。2.2 位移检测装置的选择5徐州工程学院课程设计说明书 位置随机系统的区别首先在于信号的检测位置

16、随机系统的区别首先在于信号的 检测。由于位置随机系统要控制的量多数是直线位移或角位移，组成位置环时必须 通过检测装置将它们转换成一定形式的电量，这就需要位移检测装置。位置随动系 统中常用的位移检测装置有自整角机、旋转变压器、感应同步器、光电编码盘、光 栅等。1. 自整角机 自整角机是一种将转角变换成电压信号或将电压信号变换成转角，以实现角度 传输、变换和指示的元件。它可以用于测量或控制远距离设备的角度位置，也可以 在随动系统中用作机械设备之间的角度联动装置，以使机械上互不相联的两根或两 根以上转轴保持同步偏转或旋转。通常是两台或多台组合使用。2. 旋转变压器旋转变压器是一种转角检测元件。它实际

17、上是一种特制的两相旋转交流发电 机，它有定子和转子两部分，在定子和转子上各有两套在空间上完全正交的绕组。 当转子旋转时，定、转子绕组间的相对位置之变化，使输出电压与转子角呈一定的 函数关系。在不同的自动控制系统中，旋转变压器有多种类型和用途，在随动系统 中主要用作角度传感器。3. 感应同步器感应同步器的工作原理与旋转变压器一样。4. 光电编码盘光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。光电编码器每转输出600个脉冲，五线制。其中两根为电源线，三根为脉冲线（A相、B相、Z）。电源的工作电压为（+5,+24V）直流电源。光电编码器 是由光栅盘和光电检测装置组

18、成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个 长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意 图如下图2-3所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机 的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可2 提供相位相差90o的两路脉冲信号图2-3光电编码器原理示意图工作原理：当光电编码器的轴转动时 A B两根线都产生脉冲输出，A、B两相脉冲相差90度相位角，由此可测出光电编码器转动方向与电机转速。如果A相脉冲 比 B 相脉冲超前则光电编码器为正转，否则为反转。 Z 线为零脉冲线，光电编码器

19、每转一圈产生一6徐州工程学院课程设计说明书个脉冲，主要用作计数。A线用来测量脉冲个数，B线与A线配合可测量出转 动方向。光电编码器能将测到的信号转换为微处理器所需要的编码。在这次设计中需要将对被控电机的检测信号送入微处理机 ( 单片机 ) ，单片机需 要的是二进制码，而光电编码器的输出恰好是二进制码。于是在本设计中所用到的 检测装置为光电编码盘。2.3 PID 算法的选择1. 微分先行 PID 控制算法微分先行PID控制算法的特点是只对输出量y(t)进行微分，而对给定值r(t) 不作微分。这样，在改变给定值时，对系统的输出影响是比较缓和的。这种对输出 量先行微分的控制算法特别用于给定值频繁变化

20、的场合，可以避免因给定值升降所 引起的超调量过大、阀门动作过分震荡，明显的改善了系统的动态特性。2. 带死区的数字 PID 控制算法在计算机控制系统中，有事不希望控制系统频繁动作，如中间容器的页面控制 及减少执行机构的磨损等，这是可采用带死区的 PID 控制算法。所谓带死区的 PID，是在计算机中人为的设置一个不灵敏区 e,当偏差的绝对值时，其控制输出 维持上次的输出 ;|()|eke,00e时，则进行正常的PID控制输出。死区的是个可调参数，其具当偏差的绝对值 |()|eke,00e 体数值根据时间对象有实验确定。若值太小，使控制动作过于频繁，达不到 稳定被控对 0e象的目的。若值太大，则系

21、统将产生很大的滞后。该系统实际上是一个非线 性控制系统， 0但在概念上与典型不灵敏区非线性控制系统不同。其算法如式 (2.1):ukKekekKekKekekek()()(1)()()2(1)(2),， , ， , |()|eke,式(2.1)pid03. 积分分离式 PID 算法PID控制器中引入积分的目的主要是为了消除静差，提高精度，但在过程的启动、结束、大幅度增减设定值或出现较大扰动时，短时间内系统的输出会出现很大 的偏差，致使积分部分幅值快速上升。由于系统存在惯性和滞后，这就势必引起系 统输出部分出现较大的超调和长时间的波动，特别对于温度、成分等变化缓慢的过 程，这一现象更为严重，有可

22、能引起系统震荡。为防止这种现象，采用积分分离式 PID 控制算法。其基本思想是 :大偏差时，去掉积分作用，以免积分作用使系统稳定性变差 ; 小偏差时，投入积分作用，以便消除静差，提高控制精度。既保证了系统的动态性能又能使系统无静差。具体算法如式 (2.2):kukKekkKekKekek()()()()(1), ， , 式(2.2) ,piid,0jk式中为逻辑系数，即：i7徐州工程学院课程设计说明书1|()|ekE,0 式(2.3) ik, 0|()|ekE,0,为预先设置的阀值。 E0可见，当偏差绝对值大于时，积分不起作用 ; 当偏差较小时，才引入积分作 用，使 E03 调节性能得到改善。

23、各种不同的 PID 算法起到的作用也不尽相同，而积分分离数字 PID 算法和其他 算法相比更能提高控制精度，所以选择积分分离数字 PID 算法。8徐州工程学院课程设计说明书3 控制系统的硬件设计本系统采用以 8051 系列单片机为核心，增量式光电码盘为检测装置的数字随 动系统，并设计有电流、速度、位置检测电路和电机驱动电路。3.1 电流检测电路设计在永磁同步电机位置随动系统中，电流采样必须实时、准确、可靠，电流检测 的方法有很多种，在本系统设计中采用电磁隔离霍尔元件进行电流检测，它具有频 带宽、测量精度高、线性度好、响应速度快和电隔离性能好等优势。一般检测三相 中的两相，利用三相相电流和为零

24、(ia+ib+ic=0) 来获取另一相的值。3.2 速度检测电路设计 伺服电机的闭环控制过程中，采用光电编码器安装在电机轴上的方式来完成对 电机转子位置及转速信息的检测。为了精确计数，脉冲信号进行四倍频后送到定时 器。 3.3 位置检测电路设计对于位置的检测，系统中采用的是串行多圈 16 位高精度绝对式光电角位移编 码器，其。16。(360，60)/2,0.33 精度可达 到了 0.4? 以下的量级。该编码器通常安装 在传动装置上，用于实时反馈随动系统的运行位置，它具有并行和串行两种接口方 式，为简化电缆的设计、提高可靠性，系统采用串行接口方式，提高传输距离与抗 干扰能力。串行信号经过其配套4

25、 的解码芯片解码成并行数据信号，提高处理速度。3.3.1 增量式光电编码器结构与工作原理 增量式光电编码器是在一个码盘上只开出 3 条码道，由内向外分别为 A、 B、C。在A、B码道的码盘上，等距离地开有透光的缝隙，2条码道上相临的缝隙互相错开半个缝宽。第3条码道C只开出一个缝隙，用来表示码盘的零位。在码盘的两 侧分别安装了光源和光敏元件，当码盘转动时，光源经过透光和不透光区域，相应 地，每条码道将有一系列脉冲从光敏元件输出。码道上有多少缝隙，就有多少个脉 冲输出。例如，国产 SZGH01 型增量式光电码盘采用封闭式的结构，内装发光二极管（ 光源 ） 、光电接收器和编码盘，通过连轴节与被测轴连

26、接，将角位移转换成A、 B两路脉冲信号，供可逆计数器计数，同时还输出一路零位脉冲信号作为零位标记。它每圈能输出600个A相或B相脉冲和1个零位脉冲。A B相脉冲信号的相位差 为 90o。3.3.2 增量式光电编码器的输出信号及位置检测原理增量式光电编码器的输出信号有两相，即 A相和B相，当编码器的轴向右旋转时，其输出脉冲波形为 A相超前B相T/4?T/ 8（即90o?45o），如图3-1A所示；当轴 向左旋转时，其输出脉冲波形为 B相超前A相T/4?T/ 8（即90o?45o），如图3-1B 所示。图中给出的是A相和B9徐州工程学院课程设计说明书 相随方向不同而相位差T/4即90o时是最为理

27、想的情况图3-1增量式光电编码器的输出信号图A相信号与B相信号根据光电脉冲编码器输出信号波形，当旋转方向不同时, 之间产生余割相位差，这为正反向鉴别提供了依据。3.4 MCS-51系列单片机内部结构和引脚说明WA赳卩吒! 口R0M_严f - I 髀皿肥匚串厅鼻F.=iU图3-2 MCS-51单片机的内部结构图51系列基本型单片计算机内部集成口多达 8个部件:1.8位的CPU10徐州工程学院课程设计说明书2.片内振荡器3. 128个字节的RAM 21个字节专用寄存器（SFR）4. 4个8位的并行I/O 口5. 一个串行的I/O 口6. 2个16位定时计数器（T，T） 01与8080, 8055系

28、列的CPU的外用接口芯片8279, 8155, 8255, 8251等兼容MC 51系列单片机引脚如图3-3所示:1918g2930311'234503>XTAL1PO.Q/ADOP0.1/AD1P0 2/AD2 IXTAL2P0.3/AD3PD 4/AD4PD.5/AD5P0.8/AD6RSTP0.7/AD7P2.0/A8P2.VA9P2.2/A10PSEN卩2田AllALEP2.4/A12EAF2.5TA13P2.BW4P2.7/A15P1.0P9.0/RXDP1JP3.maP1.2P3.2/1NT0PI.9P3.3/ikriP1：4P34/T0P1 5P3.5/T1PL8P

29、3.6/WRP1 f7P37/RD2610AT39C5113262711723016372122323534 丽2325图3-3 AT89C51引脚图17VCC: 供电电压GND: 接地。P0 口 :PO 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“ T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

30、。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11徐州工程学院课程设计说明书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

31、，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，例如：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

32、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 ）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SFR8E®址上置0。此时，ALE只

33、有在执行 MOV，MOV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。/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。5 XTAL2: 来自反向振荡器的输出。3.5 系统时钟电路设计时钟电路（图3-4所示）是用来产生8051单片机工作时所必须的时钟信号，805

34、1本身就是一个复杂的同步时序电路，为保证工作方式的实现，8051在唯一的时钟信号的控制12徐州工程学院课程设计说明书下严格的按时序执行指令进行工作，时钟的频率影响单片机的速度和稳定性。通常时钟由于两种形式：内部时钟和外部时钟。C1If30 nF早J,C2图3-4时钟电路电路中的C6 C7的选择在20uF左右，但电容太小会影响振荡的频率、稳定性和快速12MHz之间，频率越咼单片机的速度就越快，但对存储器速性。晶振频率为在1.2MH z,度要求就高。为了提高稳定性我们采用温度稳定性好的NPO电容，采用的晶振频率为12MHz3.6复位电路单片机的复位都是靠外部电路实现的，在时钟电路工作后，只要RES

35、ET引脚上出现10ms以上的高电平时，单片机便实现复位状态。MCS-51单片机通常采用上电自动复位两种方式，最简单的复位电路，上电瞬 间，RC电路充电，RESET引脚端出现正脉冲RESET端保持10ms以上高电平，单片 机能有效的复位。在实际的应用系统中，有些外围芯片、也需要复位。电源电压 VCC在上升到1V时RESETRESET*低电平，随着 VCC勺继续提高，将一直保持低 电平，当VCC高于复RESET位门限电平时，并不马上变为高电平，而是滞后一个复位脉冲宽度200ms后，再变成高电平，当VCC氐于门限电平时，RESET非马上变成低电平，即 使VCC恢复高于复RESET位门限电平，也不能马

36、上变为高电平，而是要延时一个复位脉冲的宽 度。掉电时，RESETVC只要低于复位门限电平，马上变成低电平。 本设计中单片机采用的是在上电复位的基础上添加了按键手动复位开关，来构 成按键手动。13徐州工程学院课程设计说明书图3-5单片机复位电路3.7电动机驱动电路的芯片LM629乍为伺服电机控制调节器，除接收 89C51单片机的指令及位置、速度、 加速度3个运动参数和滤波器PID的参数KP KI、KD外，同时LM629对码盘输出的信 号进行处获得位置信号，经数字PID运算后输出PWM和方向控制信号，将其送给直流 电动机的驱动芯片。下面介绍一下LM629的特点及其管脚功能。1(特点32 bit的位

37、置、速度、加速度寄存器(1)(2) 16 bit的可编程数字PID滤波器(3) 可编程微分采样器(4) 8 bit 符号和幅值PW输出数据(5) 内部梯形速度图发生器(6) 速度、目标位置和滤波器参数在运行过程中可以改变(7) 位置或速度控制方式(8) 实时可编程的主计算机中断(9) 8 bit并行异步主计算机中断(10) 与增量式编码器接口2(管脚说明LM629的管脚图如图3-6所示：14徐州工程学院课程设计说明书TTT:INV超ARSTECLKD7NCNCD5NCD4NC03NCD2NCDIPWMMAGDOPWM SIGHcsHIRDPSGKDWK图3-6 LM629的管脚图其中的28个引

38、脚说明如下：引脚1(IN):接收从增量编码器来的标记(INDEX)信号。B):接收从增量编码器来的两个正交信号。当电动机正转时，2脚引脚2和3(A、信号应超前于3脚信号90度。CSPS引脚4-11(D0-D7):连接主计算机或主处理器的I/O。利用(12脚)、(16WR却)、(13脚)和(15脚)可向LM629写入指令和数据，或从LM629读出状态RD字节和数据。引脚12(CS):片选输入，用来选用该LM629读写操作。引脚13(RD):用来读出状态和数据。引脚14(GND):电源地。引脚15(WR):用来写入指令和数据。PSPS引脚16():用来选择指令口或数据口。当为低电平时，向指令口写入

39、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。HI): 高电平有效，通知主计算机中断条件已具备。 引脚 17(弓I脚28(VDD):电源，电压为+4.5-5.5V，小于或者等于100mA.其中引脚17为PWM SIGN 18脚为PWM MAG分别输出PWM勺符号和脉串。LM629的系统框图如图3-7所示。它通过I/O 口与单片机通讯，输入运动参数 和控制参数，输出状态和信息。15徐州工程学院课程设计说明书王嘛口 ：1加丘先Lti赠斤316呻罄垂儘 / 一 管 ”厂1二zzuHstj4 _ *ID触冠直注电戢桔 /图3-7 LM629的系统框图用一个增量式光电编码盘来反

40、馈电动机的实际位置。来自增量式光电编码盘的位置信号A、B经LM629四倍频，使得分辨率提高。LM629的梯形速度图发生器用于计算所需的梯形速度分布图。在位置控制方式 时，单片机送来的加速度、最高转速、最终位置数据，LM629利用这些数据计算运行轨迹。如图3-8(A)所示。在电动机运行时，上述参数允许更改，产生如图3-8(B)所示的轨迹。在速度控制方式时，电动机用规定的加速度加速到规定的速度，并一 直保持这一速度，直到新的速度指令执行。如果速度存在扰动，LM629可使其平均速度恒定不变。 韩速n A遥髙辖速知這的匀；觎丫 A16徐州工程学院课程设计说明书图3-8两种典型的速度轨迹17徐州工程学院

41、课程设计说明书4 SIMULINK 仿真根据工程设计法可以得到各个环节的传递函数和反馈系数，再在MATLAB找到SIMULINK仿真，在浏览库中找到器件，输入传递函数和反馈系数，得到如下图4-1 0图4-1位置随动系统模型再点击上方的运行按钮，点击Scope可得仿真曲线由如下图4-2的仿真曲线可得，定位过程超调量，10%，输入阶跃、速度、加速 度转角信号时，调节时间为250ms满足要求。18徐州工程学院课程设计说明书rnrw *"hm u图4-2 SIMULINK仿真图形19徐州工程学院课程设计说明书结论在这次课程设计中，我选用合适的位置感应器实现定位精度的准确，位置传感器检测转角信

42、号并形成位置环，由键盘输入PID参数及给定值来调节位置，并由速度环和电流环来抑制扰动形成一个三环控制的数字位置随动控制系统。最后再通过 SIMULINK仿真来检验得出超调量和调节时间是符合要求的。由于经验不足和所学有限，课程设计中难免会出现许多不足之处，比如单片机 的选择就存在局限，MATLA 的仿真、电路芯片的选择等等都存在一定的问题。20徐州工程学院课程设计说明书致谢通过本次课程设计，充分锻炼了自己理论结合实际的能力，同时对单片机及计 算机自动控制知识有了更深刻的认识和理解，为以后的自身发展又打下了些基础。课程设计是一门实践性课程，是对所学进行一次应用，是有实际意义的，从中 可以检验我们到底学到了什么，有掌握到什么程度。这次的课程设计还是有一定难 度的，只能说明自己学的不够好，因为我们并不是专业学电器方面的，再加上平时 花的工夫不够，所以在此次课程设计中遇到了不少困难，还有找资料等，都花了不 少时间和精力，不过毕竟也是花了不少工夫去努力完成了，在找资料方面真是花费 了不少心思的，上图书馆查资料借