基于单片机的直流调速系统设计论文

基于单片机的直流电动机调速系统设计摘要本文主要研究了利用AT89C52系列单片机为核心，利用了LM629内部集成的数字式运动控制器的功能，采用PWM软件方法来实现的调速过程，并且对PWM信号的原理、产生方法以及如何通过软件编程对PWM信号占空比进行调节，从而控制其输入信号波形等均作了详细的阐述。此外，本文中还采用了键盘输出电机的参数信息，并在液晶屏上显示，完成了功能的可视化。另外，本系统中使用了测速发电机对直流电机的转速进行测量，从而实现了对直流电机速度的闭环控制。在软件方面，文章中详细介绍了LM629运算程序，初始化程序等的编写思路和具体的程序实现。使得软件的运行更为合理可靠，有效地简化了软硬件设计，使系统的结构更加简洁、紧凑。关键词：AT89C52，LM629，直流电动机，PWM信号，TheDesignofDirectCurrentMotorspeedRegulationSystemBasedOnSCMJianweiLiuAbstractThisarticlemainlystudiestheAT89C52singlechipmicrocomputerasthecoreoftheseries,usingtheLM629insideintegrateddigitalcontrollerfunction,usingPWsoftwaremethodstoachieveprocessofthespeed,andtheprincipleofPWMsignal,thegenerationmethodsandhowtothroughsoftwareprogrammingtoPWMsignalthanontheadjustmentofempty,soastocontroltheinputsignalwavearedetailedthispaper.Inaddition,thispaperalsoadoptedthekeyboardoutputparametersofmotorinformation,anddisplayedontheLCDpanel,andcompletedthevisualfunction.Inaddition,thesystemusedtodctachogeneratormotorspeedmeasuring,thusrealizethedcmotorspeedclosed-loopcontrol.Insoftware,thearticleintrodindetailinLM629operationprocedures,suchasinitialprogramandthewritingothethoughtandspecificprogramrealization.Maketheoperationofthesoftwareismorereasonableandreliable,effectivelysimplifiedthehardwareandsoftwaredesignthesystemstructuremoreconcise,compact.Keywords:AT89C52,LM629,DirectCurrentMotor,PWMsignal目录摘要.................................................................................1第一章绪论...........................................................................41.1研究现状.........................................................................41.2设计的意义.......................................................................51.3本论文的主要内容.................................................................5第二章总体设计与方案.................................................................52.1系统总方案论证与选择.............................................................52.2设计的原理.......................................................................62.3系统框图.........................................................................6第三章硬件电路.......................................................................7第四章各功能模块的设计...............................................................84.1单片机的选型：...................................................................84.1.1管脚说明：.....................................................................94.1.2编程方法.......................................................................111.3数据查询.......................................................................12PWM控制技术.....................................................................12PWM的基本原理................................................................13PWM在直流调速中的应用........................................................132.3桥式可逆PWM变换器............................................................144.2.4PWM信号发生电路设计..........................................................154.3运动控制处理器LM629.............................................................164.4LMD18200.........................................................................174.4.1主要性能.......................................................................174.4.2内部结构和引脚说明.............................................................174.4.3LMD18200工作原理：.............................................................194.4直流电机的典型应用.............................................................194.5光电编码盘.......................................................................20M/T法测速原理及误差分析..........................................................21检测回路........................................................................21键盘扫描电路....................................................................22显示器LCD6963...................................................................234.10直流电机的调速方式..............................................................25第五章软件的设计.....................................................................265.1“忙”状态检测......................................................................265.2初始化...........................................................................265.3PID参数编程.......................................................................275.4轨迹参数编辑.....................................................................28第六章总结...........................................................................30致谢.................................................................................30参考文献.............................................................................31第一章绪论1.1研究现状在电气传动领域中，随着各项技术水平的不断提高，使得传统工艺有了深层次的提高，对人类的生产与生活，产生了深刻且深远的影响，已经与我们息息相关。由于直流电动机具有良好的起动、制动性能,适宜在大范围内平滑调速,因此在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统中得到了广泛的应用。而且,从控制的角度来看,直流调速还是交流调速，都用到拖动系统的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础,由运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成,控制系统的硬件部分非常复杂,功能单一,而且系统非常不灵活、调试困难,触发精度易受电网电压波动的影响，触发脉冲不对称度较大，调节器中的运算放大器，因网压和温度变化引起的漂移会产生运算误差，模拟器件老化也会引起运算误差，甚至使已经整定好的系统性能变差，这些都阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异,使许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成,不但为直流电动机的控制提供了更大的灵活性,而且使系统能达到了更高的性能,从而大大节约了人力资源,降低了系统成本,有效地提高了工作效率。因为单片机具有小巧灵活、成本低、易于产品化、可靠性好、适应温度范围宽、易扩展、控制功能强等优点，用单片机取代模拟电路作为电动机的控制器，使电路更简单，模拟电路为了实现控制逻辑需要许多电子元件,使电路复杂,使用单片机微处理器后,绝大多数控制逻辑可通过软件实现可以实现较复杂的控制,单片机有更强的逻辑功能,运算速度和精度高、有大容量的存储单元,因此有能力实现复杂的控制灵活性和适应性强,单片机的控制方式是由软件完成的,如果需要修改控制规律,一般不必改变系统的硬件电路,只需修改程序即可,在系统调试和升级时,可以不断尝试选择最优参数,非常方便无零点漂移,控制精度高、数字控制不会出现模拟电路中经常遇到的零点漂移问题,无论被控量的大小,都可以保证足够的控制精度可提供人机界面,多机联网工作等优点。所以在电气传动实时控制系统中受到重视和普遍应用。利用单片机逻辑功能强和软件灵活的优点，不仅可使很多控制硬件软件化，便于参数的设定和调整，而且可以同时对系统工作中的各种信息数据进行诊断、检测和及时处理，加强了实时维护和提高了控制系统的可靠性。它的发展趋势将是向大容量、高性能化、外围电路内装化等方面发展。1.2设计的意义直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。传统的控制系统采用模拟元件，虽在一定程度上满足了生产要求，但是因为元件容易老化和在使用中易受外界干扰影响，并且线路复杂、通用性差，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响，故系统的运行可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故。目前，直流电动机调速系统数字化已经走向实用化，伴随着电子技术的高度发展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段，智能化、高可靠性已成为它发展的趋势。1.3本论文的主要内容首先，学习直流电动机的结构和PWM调速的工作原理，学习单片机AT89C52基本控制和设计方法，学习专用运动控制处理器LM629的工作原理和控制方法。本设计包括硬件设计，软件设计和调试三个部分，本文首先对基于单片机的直流调速系统设计做出整体规划,分析当前可使用的各类直流电动机转速控制方案；利用单片机AT98C52产生控制信号；利用运动控制处理器芯片对电机进行控制和监控；利用光电编码盘作为传感器，形成反馈环节，根据要实现的功能设计软件流程，使系统能够按照要求实现功能。第二章总体设计与方案2.1系统总方案论证与选择方案一：直接加直流电源来控制电机的转动速度,根据电动机在其额定电压时，电动机有一定的额定转速。根据其输入电压的减小，其转动速度也相应的减小。从而在传统的改变电动机的转速问题中，就是利用所给直流电动机的电压的不同，而达到人们所需要的大约速度。方案二：以单片机AT89C51为中心通过D/A转换器,将单片机数字量转换为模拟量，从而起到控制电动机的转速问题。其中在单片机控制部分通过按键直接从程序中调出所需要速度的值，同时输到数码显示部分和D/A转换部分以实现直流电动机的调速。方案三：采用AT89C52单片机和运动控制处理器LM629进行控制。通过AT98C52单片机传送运动参数和PID数据，并通过运动控制处理器LM629产生PWM波控制电机的转速，在通过光电编码盘测速，达到闭环控制的效果。方案分析：方案一只能以减小所给电压值而能使电动机的转速有相应的减小，此方案操作性差且不安全。方案二不能及时的从电动机那里得到相应的转动速度，而是直接从程序哪儿调用相应的数值给数码显示。所以，此处的电路在速度的显示上失去了其真实性。方案三采用了在可操作性与实时性方面都结合了本专业特点，从控制理论与控制技术出发，充分发挥与应用本学科特点，在控制精度上面有很大的提高。所以，设计采用方案三。2.2设计的原理本文主要研究了利用AT89C52系列单片机，通过PWM方式控制直流电机调速的方法。PWM控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。利用这种控制方式来改变电压的占空比实现直流电机速度的控制。文章中采用AT98C52单片机传送运动参数和PID数据，并通过运动控制处理器LM629对电机的运行进行监控，LM629则根据单片机发送来的数据生成速度图，进行位置跟踪，LM629的2个输出PWMS和PWMM经光电隔离与驱动芯片LMD18200相连，来驱动直流电动机运行。在直流电动机输出轴上安装增量式光电编码盘作为传感器，它的输出直接连到LM629的A、B、Z输入端，形成反馈环节，实现电机的调速控制。本设计的控制器利用单片机完成，运动控制及监控用LM629实现。单片机同键盘进行人机交互，获得预输出的速度，转向。通过液晶显示器显示，在通过利用光电编码盘作为传感器，形成反馈环节，实现电机转速的最优控制。2.3系统框图本系统采用AT89C52控制输出控制数据给运动控制处理器LM629，通过LM629产生PWM波形给驱动芯片LMD12800完成电机的转速调节，在用光电编码盘检测电动机的位置，速度等反馈给LM629，从而实现对电机速度和转向的控制，达到直流电机调速的目的，系统框图如图1所示。图1电路组成框图第三章硬件电路由于大部分的控制任务均由LM629内部功能块完成，因此其外部电路非常简单，基本上只需要跟单片机、电机驱动器和光电编码器做好接口即可。硬件电路中采用的是LM629N-6型号芯片，其允许的晶振频率最高为6MHz，为了提高系统响应速度，选用6MHZ的四脚晶振来为LM629系统提供时钟信号。如图2中所示，单片机AT98C52的P0口与LM629的数据口D0～D7相连，通过P0口，单片机可以向LM629写进指令和数据，同时LM629也可以向单片机回馈状态信息。需要注意的是，由于P0口即有输入的功能也有输出的功能，又由于P0是漏极开路型I/O口，做输入用时必须接8个上拉电阻，阻值一般可取5.1K。CS是LM629的片选信号，RST是LM629的复位端口，RD为读选通信号，WR为写选通信号，上述端口均为低电平有效。PS为指令/数据选择端口，当PS输出为低电平时，单片机向LM629指令口写入指令或从指令口读出状态，当PS输出高电平时，单片机经数据口写入或读出数据。MAG引脚用于输出PWM脉冲，SIGN引脚用于输出方向信号。为了防止电机的启动与停止对上位机与LM629芯片产生干扰，这两个信号通过光电耦合器进行信号隔离后进入电机驱动芯片LMD12800。图2硬件电路图如图2所示，单片机的主要工作就是通过键盘向LM629传送运动数据和PID数据，并通过LM629对电动机的运行进行监控。LM629则根据单片机发来的数据生成速度图，进行位置跟踪，PID控制和生成PWM信号输出。LM629的2个输出PWMS和PWMM经光电隔离与驱动芯片LMD12800相连，来驱动直流电动机运行。在直流电动机输出轴上安装增量式光电编码盘作为传感器，它的输出直接连到LM629的A、B、Z输入端，形成反馈环节，速度和方向都在显示器上面显示。第四章各功能模块的设计4.1单片机的选型：AT89C52如图3所示，是51系列单片机的一个型号，它是ATMEL公司生产的。T89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。图3AT89C52引脚图AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，但不可以在线编程(S系列的才支持在线编程)。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。主要性能参数：兼容MCS51指令系统8k可反复擦写(大于1000次）FlashROM；32个双向I/O口；256x8bit内部RAM；3个16位可编程定时/计数器中断；时钟频率0-24MHz；2个串行中断，可编程UART串行通道；2个外部中断源，共8个中断源；2个读写中断口线，3级加密位；低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能；有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC等几种封装形式，以适应不同产品的需求4.1.1管脚说明：AT89C52P为40脚双列直插封装的8位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。主要管脚有：XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。RST/Vpd（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40脚）和VSS（20脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0~P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0端口（32~39脚）被定义为N1功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13脚定义为IR输入端，10脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12脚、27脚及28脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。P0口P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1时，可作为”高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1口P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1，通”过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL。)P2口P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口P2写“1，通”过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL。)Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。P3口P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1时，”它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。RST复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ALE/PROG当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。PSEN程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。EA/VPP外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。XTAL1振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。XTAL2振荡器反相放大器的输出端。4.1.2编程方法编程前，须设置好地址、数据及控制信号，AT89C52编程方法如下：1．在地址线上加上要编程单元的地址信号。2．在数据线上加上要写入的数据字节。3．激活相应的控制信号。4．在高电压编程方式时，将EA/VPP端加上+12V编程电压。5．每对Flash存储阵列写入一个字节或每写入一个程序加密位，加上一个ALE/PROG编程脉冲。每个字节写入周期是自身定时的，通常约为1.5ms。重复1—5步骤，改变编程单元的地址和写入的数据，直到全部文件编程结束。4.1.3数据查询AT89C52单片机用DataPalling表示一个写周期结束为特征，在一个写周期中，如需读取最后写入的一个字节，则读出的数据的最高位（P0.7）是原来写入字节最高位的反码。写周期完成后，所输出的数据是有效的数据，即可进入下一个字节的写周期，写周期开始后，DataPalling可能随时有效。Ready/Busy：字节编程的进度可通过“RDY/BSY”输出信号监测，编程期间，ALE变为高电平“H”后，P3.4（RDY/BSY）端电平被拉低，表示正在编程状态（忙状态）。编程完成后，P3.4变为高电平表示准备就绪状态。程序校验：如果加密位LB1、LB2没有进行编程，则代码数据可通过地址和数据线读回原编写的数据，加密位不可直接校验，加密位的校验可通过对存储器的校验和写入状态来验证。芯片擦除：利用控制信号的正确组合，并保持ALE/PROG引脚10ms的低电平脉冲宽度即可将PEROM阵列（4k字节）和三个加密位整片擦除，代码阵列在片擦除操作中将任何非空单元写入“1”，这步骤需再编程之前进行。读片内签名字节：AT89C52单片机内有3个签名字节，地址为030H、031H和032H。用于声明该器件的厂商、型号和编程电压。读AT89C52签名字节需将P3.6和P3.7置逻辑低电平，读签名字节的过程和单元030H、031H及032H的正常校验相仿，只返回值意义如下：（030H）=1EH声明产品由ATMEL公司制造。（031H）=52H声明为AT89C52单片机。（032H）=FFH声明为12V编程电压。（032H）=05H声明为5V编程电压。4.2PWM控制技术PWM是PulseWidthModulation的缩写，即脉冲宽度调制，是通过对一系列脉冲的宽度进行调制,来等效地获得所需要波形(含形状和幅值)。调速可分为直流调速和交流调速。尽管直流电机比交流电机结构复杂、成本较高、维修保养贵，但是其调速性能好，所以在调速传动领域中一直占主导地位。4.2.1PWM的基本原理PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用在许多方面，比如：电机调速、温度控制、压力控制等等。在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。也正因为如此，PWM又被称为“开关驱动装置”。如图4所示：图4PWM方波设电机始终接通电源时，电机转速最大为V，设占空比为D=t1/T，则电机的平均速度为V=V*D，其中V指的是机的平均速度；V 是指电机a max a max在全通电时的最大速度；D=t1/T是指占空比。由上面的公式可见，当我们改变占空比D=t1/T时，就可以得到不同的电机平均速度V，从而达到调速的目的。严格来说，平均速度V与占空比D并非d d严格的线性关系，但是在一般的应用中，我们可以将其近似地看成是线性关系。4.2.2PWM在直流调速中的应用PWM广泛应用于直流调速系统，例如，以往普遍应用的晶闸管相控整流—直流电机调压调速系统，现在也发展了全波步控整流PWM斩波—直流电压调速系统，开关磁阻电动机也是有直流斩波器供电的。PWM控制技术是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变成电压脉冲序列，并通过控制电压脉冲宽度或周期以达到变压目的，或者控制电压脉冲宽度和脉冲序列的周期以达到变压变频目的的一种控制技术。直流电动机转速n的表达式为：n=Ua-IaΣRa∕-Ceφ（r/min）式中Ua—电枢端电压（V）Ia—电枢电流（Α）ΣRa—电枢电路总电阻（Ω）Φ—每级磁通量（Wb）Ce—与电机结构有关的常数由式可知，直流电动机转速n的控制方法可分为两类，即励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法控制励磁通Φ，其控制功率虽然小，但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。所以常用的是电枢电压控制法。Ua=Ud-IaR，虽然调节电阻R即可改变端电压达到调速目的，但这种方法效率很低。随着电力电子技术的进步，可由PWM斩波器进行斩波调压。4.2.3桥式可逆PWM变换器脉宽调制器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定宽度可变的脉冲电压序列，从而平均输出电压的大小，以调节电机转速。桥式可逆PWM变换器电路如图5所示。这是电动机M两端电压U的极性AB随开关器件驱动电压的极性变化而变化。MGMOTORDCVT1VT2MGMOTORDCVT1VT2VD1VD2VT3VT4VD3VD4Ug1Ug2Ug3Ug4Us双极式控制可逆PWM变换器的四个驱动电压波形如图6所示。Ug4UUg4Ug3id1id2tttttonTtonTOUg2OUABUsO-UsidO图6PWM变换器的驱动电压波形他们的关系是：UUUU。在一个开关周期内，当0tt时，g1 g4 g2 g3 on晶体管VT、VT饱和导通而VT、VT截止，这时UU。当ttT时，VT、 1 4 3 2 AB s on 1VT截止，但VT、VT不能立即导通，电枢电流i经VD、VD续流，这时UU。4 3 2 d 2 3 AB sU在一个周期内正负相间，这是双极式PWM变换器的特征，其电压、电流波AB形如图2所示。电动机的正反转体现在驱动电压正、负脉冲的宽窄上。当正脉冲T U的平均值为正，电动机正转，当正脉冲较窄时，则反转；较宽时，t，则 on2 ABT如果正负脉冲相等，t，平均输出电压为零，则电动机停止。on2双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为 t Tt 2t UdTonUsTonTon1Uston Ud如果定义占空比，电压系数 T Us则在双极式可逆变换器中21调速时，的可调范围为0～1相应的1~1。当1时，为正，电2动机正转；当1时，为负，电动机反转；当1时，0，电动机停止。2 2但电动机停止时电枢电压并不等于零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而电流也是交变的。这个交变电流的平均值等于零，不产生平均转矩，徒然增大电动机的损耗这是双极式控制的缺点。但它也有好处，在电动机停止时仍然有高频微震电流，从而消除了正、反向时静摩擦死区，起着所谓“动力润滑”的作用。双极式控制的桥式可逆PWM变换器有以下优点：电流一定连续。可使电动机在四象限运行。电动机停止时有微震电流，能消除静摩擦死区。低速平稳性好，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。4.2.4PWM信号发生电路设计PWM波可以由具有PWM输出的单片机通过编程来得以产生，也可以采用PWM专用芯片来实现。当PWM波的频率太高时，它对直流电机驱动的功率管要求太高，而当它的频率太低时，其产生的电磁噪声就比较大，在实际应用中，当PWM波的频率在18KHz左右时，效果最好。在本系统内，采用了LM629产生PWM信号。4.3运动控制处理器LM629LM629如图7所示，是美国国家半导体共识的产品，他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动机一个增量式光电编码盘就可以构成一个伺服系统。LM629N是NMOS结构，采用28引脚双列直插式封装，使用6MHZ或8ZHZ时钟频率和5V电源工作。图7.LM629引脚图LM629的特性（1）32位的位置、速度和加速度寄存器；带16位参数的可编程数字PID控制器；可编程的微分采样时间；（4）8位脉冲调制PWM信号输出；速度、位置及PID参数可在运动过程中实时改变；位置、速度两种控制方式；具备增量式编码器接口；可随时向上位机反馈各运动状态信息。LM629通过I/O口与单片机进行通讯，输入运动参数和控制参数，输出状态信息。用一个增量式光电编码盘来反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经过LM629四倍频后，提高了分辨率。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）1。编码盘的A、B、Z信号同时低电平时，就产生一个INDEX信号送入LM629寄存器，记录电动机的绝对位置。LM629的速度梯形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，主处理器提供加速度、最高转速、最终位置数据，LM629利用这些数据计算运行轨迹。LM629系统框图，如图8所示图8LM6294.4LMD18200LMD18200是美国国家半导体公司(NS)推出的专用于直流电动机驱动的H桥组件。同一芯片上集成有CMOS控制电路和DMOS功率器件，利用它可以与主处理器、电机和增量型编码器构成一个完整的运动控制系统。LMD18200广泛应用于打印机、机器人和各种自动化控制领域。4.4.1主要性能峰值输出电流高达6A，连续输出电流达3A；工作电压高达55V；LowRDS(ON)typically0.3Wperswitch；TTL/CMOS兼容电平的输入；无“shoo-through”电流；具有温度报警和过热与短路保护功能；芯片结温达145℃，结温达170℃时，芯片关断；具有良好的抗干扰性。4.4.2内部结构和引脚说明LMD18200外形结构如图9所示，内部电路框图10如图所示。它有11个引脚,采用TO-220和双列直插式封装。图9LMD12800外形结构图图10LMD12800内部电路图各引脚的功能如表1所示：引脚引脚名称功能描述1、11桥臂1，2的自举输入电容连接端在脚1与脚2、脚10与脚11之间应接入10uF的自举电容2、10H桥输出端3方向输入端转向时，输出驱动电流方向见表1。该脚控制输出1与输出2（脚2、10）之间电流的方向，从而控制马达旋转的方向。4刹车输入端刹车时，输出驱动电流方向见表1。通过该端将马达绕组短路而使其刹车。刹车时，将该脚置逻辑高电平，并将PWM信号输入端（脚5）置逻辑高电平，3脚的逻辑状态决定于短路马达所用的器件。3脚为逻辑高电平时，H桥中2个高端晶体管导通；3脚呈逻辑低电平时，H桥中2个低端晶体管导通。脚4置逻辑高电平、脚5置逻辑低电平时，H桥中所有晶体管关断，此时，每个输出端只有很小的偏流（1.5mA）。5PWM信号输入端PWM信号与驱动电流方向的关系见表1。该端与3脚（方向输入）如何使用，决定于PWM信号类型。6、7电源正端与负端8电流取样输出端提供电流取样信号，典型值为377µA/A。9温度报警输出温度报警输出，提供温度报警信号。芯片结温达145℃时，该端变为低电平；结温达170℃时，芯片关断。表2LMD18200逻辑真值表PWMPWM转向刹车实际输出驱动电流电机工作状态HHL流出1、流入2正转HLL流入1、流出2反转L×L流出1、流出2停止HHH流出1、流出2停止HLH流入1、流入2停止LLXHNONE4.4.3LMD18200工作原理：内部集成了四个DMOS管，组成一个标准的H型驱动桥。通过充电泵电路为上桥臂的2个开关管提供栅极控制电压，充电泵电路由一个300kHz左右的工作频率。可在引脚1、11外接电容形成第二个充电泵电路，外接电容越大，向开关管栅极输入的电容充电速度越快，电压上升的时间越短，工作频率可以更高。引脚2、10接直流电机电枢，正转时电流的方向应该从引脚步到引脚10；反转时电流的方向应该从引脚10到引脚2。电流检测输出引脚8可以接一个对地电阻，通过电阻来输出过流情况。内部保护电路设置的过电流阈值为10A，当超过该值时会自动封锁输出，并周期性的自动恢复输出。如果过电流持续时间较长，过热保护将关闭整个输出。过热信号还可通过引脚9输出，当结温达到145度时引脚9有输出信号。4.4.4直流电机的典型应用LMD18200典型应用电路如图11所示。图11采用LMD12800单极性驱动电路的实际应用电路LMD18200提供双极性驱动方式和单极性驱动方式。双极性驱动是指在一个PWM周期里，电动机电枢的电压极性呈正负变化。双极性可逆系统虽然有低速运行平稳性的优点，但也存在着电流波动大，功率损耗较大的缺点，尤其是必须增加死区来避免开关管直通的危险，限制了开关频率的提高，因此只用于中小功率直流电动机的控制。本文中将介绍单极性可逆驱动方式。单极性驱动方式是指在一个PWM周期内,电动机电枢只承受单极性的电压。该应用电路是Motorola68332CPU与LMD18200接口例子，它们组成了一个单极性驱动直流电机的闭环控制电路。在这个电路中，PWM控制信号是通过引脚5输入的，而转向信号则通过引脚3输入。根据PWM控制信号的占空比来决定直流电机的转速和转向。采用一个增量型光电编码器来反馈电动机的实际位置，输出AB两相，检测电机转速和位置，形成闭环位置反馈，从而达到精确控制电机。图12单极性驱动方式下的理想波形4.5光电编码盘光电编码盘是将测得的角位移转换成为相应的电脉冲信号输出的数字传感器，本设计采用增量式光电编码器来采样转速信号，如图13所示。增量式编码器是专门了用来测量转动角位移的累计量。这里以三相编码器为例来介绍增量式编码器的工作原理及其结构。图13编码器原理图增量式光电编码器在圆盘上有规则地刻有透光和不透光的线条，在圆盘两侧安放发光元件和光敏元件。当圆盘随电机旋转时，光敏元件接受的光增量随透光线条同步变化，光敏元件输出波形经过整形后变成脉冲。码盘上有向标志，每转一圈z相输出一个脉冲。此外，为判断旋转方向，码盘还提供相位相差90°的两路脉冲信号。将A、B两相脉冲中任何一相输入计数器中，均可使计数器进行计数。编码盘输出的z相脉冲用于复位计数器，每转一圈复位一次计数器。编码盘的旋转方向可以通过D触发器的输出信号Q来判断。整形后的A、B两相输出信号分别接到D触发器的时钟端和D输入端，D触发器的CLK端在A相脉冲的上升沿触发。由于A、B两相的脉冲相位相差90°，当电机正转时，B相脉冲超前A相脉冲90°，触发器总是在B脉冲为高电平时触发，这时D触发器的输出端Q输出为高电平。当电机反转时，A相脉冲超前B相脉冲90°，则D触发器总是在B脉冲为低电平时触发，这时Q输出端输出为低电平，由此确定电机的转动方向。转速检测的精度和快速性对电机调速系统的静、动态性能影响极大。为了在较宽的速度范围内获得高精度和快速的数字测速，本设计使用每转1024线的光电编码器作为转速传感器，它产生的测速脉冲频率与电机转速有固定的比列关系，微机对该频率信号采用M/T法测速处理。4.6M/T法测速原理及误差分析M/T法测速原理是在对光电编码器输出的测速脉冲数m1进行计数的同时对时钟脉冲的个数m2也进行计数。原理如图14：图14M/T法测速原理测速时间T由测速脉冲来同步，即由图8电路实现T等于整m个脉冲周期。设从图9上a开始，计数器分别对m和m计数，到b点，预的测速时间T到，微机发出停机指令，但因为T不定以计数器仍对时钟脉冲计数，直c点时，可以利用下一个转速脉冲上升沿（即c点）触发数字测速硬件电路使计数器停止计数。这样，m代表了m个测速脉 2 1冲周期的时间。设时钟脉冲频率为f，光电编码器每转发出p个脉冲，则电机转0速的计算公式为：n60Pf0mm12，式中，P为光电编码器每转输出脉冲个数；f0为时基脉冲频率。常规的T/M法测速中，测速时间是程序设定的计数时间T，而脉冲数为Tc c时间内光电编码器输出脉冲个数。从图14可以看出，T开始时刻与光电编码器输出脉冲上升沿并非一定同步到达。同样，T结束时刻很难刚好与光电编码器输出脉冲上升沿同步。这两个时间差都与转的大小有关，而与高频计数器是中的频率无关。由此引起的计数和计时的时间差可能比高频时钟周期大得多，从而降低测速的精度。由T/M法测速的误差根源可知：确保高频时钟计数器与光电编码器输出脉冲计数器同时开启与关闭是提高测速精度的关键所在。4.7检测回路检测回路利用光电编码器将转速直接转换成数字信号送入单片机进行处理。编码器是把角位移或直线位移转换成电信号的一种装置。前者成为码盘，后者称码尺．按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种．接触式采用电刷输出，一电刷接触导电区或绝缘区来表示代码的状态是“１”还是“０”；非接触式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件时以透光区和不透光区来表示代码的状态是“１”还是“０”。按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两种。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。图15光电编码器实物图4.8键盘扫描电路键盘在单片机应用系统中能实现向单片机输入数据、传诵命令等功能，是人工干预单片机的主要手段.单片机应用系统中，键盘扫描只是CPU的工作内容之一。CPU在忙于各项工作任务时，如何兼顾键盘的输入，取决于键盘的工作方式。键盘的工作方式的选取应根据实际应用系统中CPU工作的忙、闲情况而定。其原则是既要保证能及时响应按键操作，又要不过多占用CPU的工作时间。键盘扫描的原理很简单，本设计采用键盘为4*4键盘，那么我们在进行键盘扫描的时候，可以采用如下方法：1．首先置4行全部为高电平，4列全部为低电平，此时如果有按键按下，那么对应的该键所在的行的电平将会被拉低。2．读取4行的值，如果读进来的值不是全部为高电平，那么就说明其中至少有一行是低电平，也就是说有按键按下。记下此时的行值，如KC。3．置4行全部为低电平，4列全部为高电平，通理，如果有按键按下，那么对应的该键所在的列将会被拉低。4．读取4列的置，如果读进来的值不是全部为高电平，说明就键按下，记下此时的列值，如KR。以上4步实际上就完成了一次完整的键盘扫描和键值读取，得到KC和KR两个行和列的扫描值，合并这两个值，就可以得到一个完整的键盘扫描值。再根据扫描值判断键值，键盘扫描就这么简单！！另一部分就是与单片机的接口，首先要给该模块定一个片选信号CS，读写信号RD、WR，数据总线Data，当然还有一些控制线。当片选为低并且读为低的时候就可以把刚才的键值送到数据总线上，供单片机读取。当有键按下时，该模块就会给单片机发送一个中断请求信号，单片机在中断响应程序中，读取键值，做相应的处理。图164*4键盘4.9显示器LCD6963本系统采用的显示器是128*64的点阵型显示器，其显示由T6963控制器完成，它的显示操作与每行16字符的字符型显示器有很大的不同。下面简述点阵显示器的显示操作原理。显示器在字符显示模式时，显示界面上的每一个字符都对应于显示RAM上的一个Byte，整个字符显示界面由显示RAM内的128个Byte映射而成。显示器在图形显示模式时，显示界面上的每一个8*1点都对应于显示RAM上的一个Byte，整个图形显示界面由显示RAM内的1024个Byte映射而成。显示控制器中的显示RAM有64Kbyte，当前显示由哪一段映射是通过设置显示区域首地址完成的。更改对应的显示RAM区的首地址，可使屏幕产生卷屏显示的效果，这一操作对字符和图形模式都适用。字符显示和图形显示可相与或相或同时显示在界面上，这可产生图文同时显示的效果。再就是LCD的接口电路的设计，由于LCD的时序与单片机时序兼容，所以我们没有有必要在内部构造电路，使其直接与单片机的接口相连，在本例的源码中，LCD占据了单片机的四个地址，分别对应的写指令、读指令、写数据和读数据。单片机部分的程序很简单，完成的主要任务就是LCD的初始化、键值的读取以及LCD的正确显示，程序量不大，初学者也可以读懂。图17T6963引脚图D0-D7:T6963C与MPU接口的数据总线，三态 /RD/WR读写选通信号低电平有效输入信号/CET6963C的片选信号低电平有效C/D通道选择信号1为指令通道0为数据通道/RESET/HALT/RESET为低电平有效的复位信号它将行列计数器和显示寄存器清零关显示/HALT具有/RESET的基本功能还将中止内部时钟振荡器的工作DUALSDSELDUAL=1为单屏结构DUAL=0为双屏结构SDDEL=0为一位串行数据传输方式(7)MD2,MD3:设置显示窗口长度,从而确定了列数据传输个数的最大值,其组合逻辑关系如下:表3窗口长度设置MD3MD31100MD21010每行字符数32406480(8)MDS，MD1，MD0：设置显示窗口宽度(行)，从而确定T6963C的帧扫描信号的时序和显示驱动的占空比系数，当DUAL=1时，其组合功能如下:表4设置窗口宽度MDSMDS00001111MD1MD111001100MD210101010字符行246810121416总行数163248648096112128占空比1/161/321/481/641/801/961/1121/128当DUAL=0时，以上设置中的字符行和总行数增至原来的2倍，其它都不变，这种情况下的液晶屏结构为双屏结构。(9)FS1，FS0:显示字符的字体选择表5设置字符的字体FS1FS11100FSO1010字体58687888(10)XI，XO：振荡时钟引脚;(11)AD0-AS15：输出信号，显示缓冲区16位地址总线(12)D0-D7：三态，显示缓冲区读定控制信号(13)R/W：输出，显示缓冲区乍选信号，低电平有效(14)/CE：LWBM，显示缓冲区片选信号，低电平有效(15)/CE0，CE1：输出，DUAL=1时的存储器片选信号(16)T1T2CHCH2用来检测T6963C工作使用情况T1T2作为测试信号输入端CHCH2作为输出端(17)HOD，HSCP，LODLSCP(CE1)，EDLP，CDATA，FR为T6963C驱动部信号。4.10直流电机的调速方式直流电动机的转速n和其他参量的关系可表示为：U RnNaICΦCΦae e式中U——电枢供电电压（V）；NI——电枢电流（A）；aΦ——励磁磁通（Wb）；R——电枢回路总电阻（Ω）；aC——电势系数，C=PN，p为电磁对数，a为电枢并联支路数，N为导体e e60a数。可知调速方法为：R(1)改变电枢回路总电阻a；U(2)改变电枢供电电压N；(3)改变励磁Φ。由第二种方法知道，直流电机转速与加在电机两端电压有关，故可选用单片机产生PWM方波，经驱动电路放大后驱动电机旋转。PWM基本原理冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。PWM（PulseWidthModulation）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法，PWM控制为脉冲宽度调制，保持开关周期不变，调制导通时间。脉宽调速系统历史久远，但缺乏高速大功率开关器件，未能及时在生产实际中推广应用。后来，由于大功率晶体管(GTR)，特别是IGBT功率器件，使直流电动机脉宽调速系统才获得迅猛发展。第五章软件的设计硬件结构较为简单,软件设计则是LM629伺服系统实现的关键。5.1“忙”状态检测“忙”状态的检测是软件设计的首要部分,贯穿于整个程序中。“忙”状态位位于状态字节的最低位，在主处理器向LM629写命令或读写数据字后，“忙”状态位会立刻被置位，此时，LM629会忽略一切命令或数据传输，直至信息被LM629所接受，“忙”状态位会复位，所以在每次写命令或读写数据前必须检测此状态位，判断是否为“忙”状态?5.2初始化每次上电工作前，都要对LM629进行初始化操作，判断LM629是否正常。把RST引脚拉低至少8个时钟周期，LM629就会硬件复位。如果复位成功，状态字节会在1.5ms内变成16进制的“84”或“C4”，否则，必须重新进行硬件复位。为了验证复位状态，可向LM629写RSTI命令，如果复位正确，状态字节会由“84”或“C4”变成“80”或“C0”，否则，必须重复上述两步。针对LM629还必须执行PROT8命令。详细流程图见图18。图18初始化流程图5.3PID参数编程PID参数的编程由LFIL命令引导，紧随其后是两个字节的控制字，来决定微分项采样时间及改变哪个PID参数，控制字的具体定义参见LM629数据手册，接着就按KP、KI、KD、IL顺序传输参数值。当第一次系统联调时，避免引起系统振荡，建议KP取10，其他参数取0。该流程见表6：端口端口备注命令口LFIL1E该命令用于初始化LM629中PID参数接收缓冲区“忙”位检测数据口HB00这两个字节为调节器的控制字，高字节00表示微分项采样周期为/f2048CLK。数据口LBX8低字节x8表示只改变Kp值，其余参数保持复位值0。“忙”位检测数据口HB00设定Kp值为10数据口LBx8“忙”位检测命令口UDF04该命令将接收缓冲区的参数值传给工作寄存器，只有执行了改命令，所传参数才能起作用。“忙”位检测5.4轨迹参数编辑位置控制时，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。假设编码器为1000线，要求加速度为0.1r/s2、最大速度为0.2r/s、完成转两圈的位置控制。其轨迹曲线如图19。图19轨迹曲线LM629所要求的各参数计算过程如下:（1）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:Z1000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 1 1Ts20482048256us fclock 8M （3）加速度AZT20.1r/s22.26105计数值/每秒采样周期s A2.2610565536=1.718计数值/每秒采样周期取整:A2计数值/每秒采样周期A00000002hex计数值/每秒采样周期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，从而满足LM629所要求的形式。（4）速度VZT0.2r/s0.2048计数值/每秒采样周期s V0.20486553613421.77计数值/每秒采样周期取整：V13422计数值/每秒采样周期V0000346Ehex计数值/每秒采样周期32b