減速電機角度控制器論文

1、引言 自動控制技術自動控制技術是 20 世紀發(fā)展最快、影響最大的技術之一，也是 21 世紀最重要的高技術之一。今天，技術、生產、軍事、管理、生活等各個領域，都離 不開自動控制技術。就定義而言，自動控制技術是控制論的技術實現(xiàn)應用，是通過具 有一定控制功能的自動控制系統(tǒng)，來完成某種控制任務，保證某個過程按照預想進行， 或者實現(xiàn)某個預設的目標。隨著計算機技術的發(fā)展，控制技術走向了自動化的方向。 隨著計算機技術的日漸成熟，自動化控制技術與計算機的結合已經成為必然。用計算 機控制所有機械的運行才能減少勞動力的浪費。 利用自動化技術控制減速直流電機已經越來越廣泛的應用到，制造工業(yè)的各個領 域。由于現(xiàn)代制造

2、業(yè)對于制造精度提出了越來越高的精度要求，使用計算機控制數(shù)字 控制技術，可以大大提高控制精度，尤其對于復雜的控制系統(tǒng)。 本文介紹的，直流減速電機角度空度控制系統(tǒng)，是基于 stc12 系列單片機作為主 控芯片的。配合使用，l298 電機專用驅動芯片，作為驅動電路。通過單片機產生 pwm 信號，控制 l298 的輸入信號，實現(xiàn)對直流減速電機的角度的控制。采用增量式光電編 碼器將轉動角度轉化為脈沖數(shù)進行角度測量，并反饋到單片機，單片機根據(jù)反饋信息 發(fā)出控制命令，實現(xiàn)對直流減速電機 0至 180的轉動控制，精度要求+ 0.5。 1 緒論 1.1 課題產生背景及現(xiàn)狀 隨著現(xiàn)代制造業(yè)對精度與效率要求不斷提高

3、，自動化控制技術也得到飛速發(fā)展。 工業(yè)制造自動化、智能化成為未來發(fā)展必然趨勢，并廣泛用于航空航天工業(yè)、農業(yè)、 軍事、科學研究、交通運輸、商業(yè)、醫(yī)療、服務和家庭等方面。 控制技術是在是在上世紀 20 年代建立了以頻域法為主的經典控制理論后發(fā)展起來 的，控制技術首先在工業(yè)生產中得到了廣泛的應用。在空間技術發(fā)展的推動下，50 年 代又出現(xiàn)了以狀態(tài)空間法的現(xiàn)代控制理論，使控制技術得到了廣泛的發(fā)展，產生了更 多的應用領域。60 年代以來，隨著計算機技術的發(fā)展，控制技術走向了自動化的方向。 工業(yè)控制自動化技術是一種運用控制理論、儀器儀表、計算機和其他信息技術， 對工業(yè)生產過程實現(xiàn)檢測、控制、優(yōu)化、調度、管

4、理和決策，達到增產、提高質量、 降低消耗、確保安全等目的的綜合性技術，主要包括工業(yè)自動化軟件、硬件和系統(tǒng)三 大部分。工業(yè)控制自動化技術作為 20 世紀現(xiàn)代制造領域中最重要的技術之一，主要解 決生產效率與一致性問題。自動化系統(tǒng)本身不直接創(chuàng)造效益，但它對企業(yè)生產過程有 明顯提升作用。 長期以來自動化裝備基本都被國外一些大型跨國企業(yè)壟斷，尤其高端領域產品。 我國工業(yè)控制自動化發(fā)展道路，大多是引進成套設備同時進行消化吸收，然后進行二 次開發(fā)和應用。目前我國工業(yè)控制自動化技術、產業(yè)和應用都有了很大發(fā)展，我國工 業(yè)計算機系統(tǒng)行業(yè)已經形成。目前，工業(yè)控制自動化技術正向智能化、網絡化和集成 化方向發(fā)展。 直流

5、電機可以說是最早發(fā)明能將電力轉換為機械功率的電動機，直流減速電機， 即齒輪減速電機，是在普通直流電機的基礎上，加上配套齒輪減速箱。齒輪減速箱的 作用是，提供較低的轉速，較大的力矩。同時，齒輪箱不同的減速比可以提供不同的 轉速和力矩。這大大提高了，直流電機在自動化行業(yè)中的使用率。減速電機是指減速 機和電機的集成體。這種集成體通常也可稱為齒輪馬達或齒輪電機。通常由專業(yè)的減 速機生產廠進行集成組裝好后成套供貨。減速電機廣泛應用于鋼鐵行業(yè)、機械行業(yè)等。 使用減速電機的優(yōu)點是簡化設計、節(jié)省空間?，F(xiàn)如今直流電機與直流伺服系統(tǒng)已成為 自動化工業(yè)與精密加工的關鍵技術。 1.2 課題研究的意義 本文介紹的減速直

6、流電機角度控制系統(tǒng)，在工業(yè)生產過程中，直流減速電機角度 控制器能實現(xiàn)控制生產流程、控制器械精度并可實現(xiàn)精確的檢測與調度工作。同時它 也有簡單易操作、界面友好快捷的特點，對于工業(yè)生產也起到了提高生產效率的作用。 以下概述直流減速電機角度控制器存在的意義： 直流減速電機角度控制器被廣泛應用于磁盤驅動器、機器人動作控制、天線掃描、 電子瞄準、飛行器姿態(tài)控制、導航控制、太空中的人造衛(wèi)星等方面都必須達到準確 速度控制和定位控制的目的才能使其正常工作否則系統(tǒng)就會出現(xiàn)工作故障。 在日常生活中直流減速電機角度控制器也得到了廣泛的應用，最典型的應用為停 車場道閘與玩具等。 （圖 1-1） 1.3 課題研究要求

7、將減速直流電機的輸出軸與光電編碼器的軸連接，利用編碼器進行角度測量，設計 h 橋功率驅動電路，采用 pwm 驅動電動機正反轉，設計單片機控制板實現(xiàn) 0180.0 度電 機角度控制，控制精度0.5 度，通過鍵盤進行角度設置，實際角度可以實時顯示。 2 硬件電路原理及設計 減速直流電機角度控制器主要是以單片機為核心，l298 驅動電路、光電編碼器檢 測模塊來完成所需功能?？傮w系統(tǒng)框圖如圖 2-1 所示： （圖 2-1） 2.1 主控電路的設計 本系統(tǒng)的主控系統(tǒng)采用 stc12 系列單片機做微控制器，該系列單片機以高性能、 高速度、體積小、價格低廉、穩(wěn)定可靠并且自帶 10 位 ad，并且不需要使用下

8、載器，直 接用 pl2303usbs 轉串口即可下載，方便快捷。單片機結合簡單的接口電路即可構成單 片機最小系統(tǒng)，主控系統(tǒng)還包括了由晶振組成的外部晶振振蕩電路和開關復位電路， 還包括六個按鍵，一個 1602 液晶顯示模塊，max232 串口下載模塊，以及一些引腳接口 電路等組成。主控原理圖如圖 2-2 所示。 stc12 單片機主控系統(tǒng) 減速直流電機角度控制系統(tǒng) 復位電路 時鐘電路 按鍵輸入 l298 驅 動電路 光電編碼器檢測模 塊 1602 液晶顯 示模塊 驅動電 機轉動 控制 檢測 （圖 2-2） 2.1.1 stc12c5a08s2mcu 簡介 單片微型計算機簡稱單片機，是典型的嵌入式

9、微控制器（microcontroller unit），常用英文字母的縮寫 mcu 表示單片機，它最早是被用在工業(yè)控制領域。單片 機由芯片內僅有 cpu 的專用處理器發(fā)展而來。最早的設計理念是通過將大量外圍設備 和 cpu 集成在一個芯片中，使計算機系統(tǒng)更小，更容易集成進復雜的而對體積要求嚴 格的控制設備當中。intel 的 z80 是最早按照這種思想設計出的處理器，從此以后，單 片機和專用處理器的發(fā)展便分道揚鑣。 單片機是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術把具有數(shù)據(jù)處理能 力的中央處理器 cpu 隨機存儲器 ram、只讀存儲器 rom、多種 i/o 口和中斷系統(tǒng)、定時 器/計時器等

10、功能（可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、a/d 轉換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的計算機系統(tǒng)。 八位單片機由于內部構造簡單，體積小，成本低廉，在一些較簡單的控制器中應 用很廣。即便到了本世紀，在單片機應用中，仍占有相當?shù)姆蓊~。由于八位單片機種 類繁多，綜合考慮，選用 stc12c5a60s2 單片機作為微處理器。選用 stc 單片機的理由： 降低成本，提升性能，原有程序直接使用,硬件無需改動，支持串口下載。 stc12c5a60s2 系列單片機是宏晶科技生產的單時鐘/機器周期(1t)的單片機，是高 速/低功耗/超強抗干擾的新一代 8051 單片機，指令代碼完

11、全兼容傳統(tǒng) 8051,但速度快 8-12 倍。內部集成 max810 專用復位電路,2 路 pwm,8 路高速 10 位 a/d 轉換(250k/s， 即 25 萬次/秒),針對電機控制，強干擾場合。另外還有以下特點： 1.增強型 8051cpu，1t，單時鐘/機器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051。 2.工作電壓：5.5v-3.5v。 3.工作頻率范圍：035mhz，相當于普通 8051 的 0420mhz。 4.用戶應用程序空間 8k/16k/20k/32k/40k/48k/52k/60k/62k 字節(jié)等。 5.片上集成 1280 字節(jié) ram。 6.通用 i/o 口（36/40/44

12、個），復位后為：準雙向口/弱上拉（普通 8051 傳統(tǒng) i/o 口）可設置成四種模式：準雙向口/弱上拉，強推挽/強上拉，僅為輸入/高阻，開 漏，每個 i/o 口驅動能力均可達到 20ma，但整個芯片最大不要超過 120ma。 7.isp（在系統(tǒng)可編程）/iap（在應用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真 器，可通過串口（p3.0/p3.1）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片。 8.有 eeprom 功能(stc12c5a62s2/ad/pwm 無內部 eeprom)。 9.獨立看門狗功能。 10.內部集成 max810 專用復位電路（外部晶體 12m 以下時，復位腳可直接 1k 電阻 到地）

13、。 11.外部掉電檢測電路: 在 p4.6 口有一個低壓門檻比較器。5v 單片機為 1.33v， 誤差為5%,3.3v 單片機為 1.31v，誤差為3%. 12.時鐘源：外部高精度晶體/時鐘，內部 r/c 振蕩器(溫漂為5%到10%以內)用 戶在下載用戶程序時，可選擇是使用內部 r/c 振蕩器還是外部晶體/時鐘，常溫下內部 r/c 振蕩器頻率為：5.0v 單片機為：11mhz17mhz 3.3v 單片機為：8mhz12mhz，精 度要求不高時，可選擇使用內部時鐘，但因為有制造誤差和溫漂，以實際測試為準。 13.共 4 個 16 位定時器，兩個與傳統(tǒng) 8051 兼容的定時器/計數(shù)器,16 位定時

14、器 t0 和 t1，沒有定時器 2，但有獨立波特率發(fā)生器做串行通訊的波特率發(fā)生器,再加上 2 路 pca 模塊可再實現(xiàn) 2 個 16 位定時器。 14.3 個時鐘輸出口，可由 t0 的溢出在 p3.4/t0 輸出時鐘，可由 t1 的溢出在 p3.5/t1 輸出時鐘,獨立波特率發(fā)生器可以在 p1.0 口輸出時鐘。 15.外部中斷 i/o 口 7 路,傳統(tǒng)的下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷,并新增支持上升沿 中斷的 ca 模塊，power down 模式可由外部中斷喚醒， int0/p3.2,int1/p3.3,t0/p3.4, t1/p3.5, rxd/p3.0,ccp0/p1.3(也可通過寄存器設置

15、 到 p4.2), ccp1/p1.4(也可通過寄存器設置到 p4.3)。 16.pwm(2 路）/pca（可編程計數(shù)器陣列,2 路），也可用來當 2 路 d/a 使用，也可 用來再實現(xiàn) 2 個定時器，也可用來再實現(xiàn) 2 個外部中斷(上升沿中斷/下降沿中斷均可 分別或同時支持)。 17.a/d 轉換,10 位精度 adc，共 8 路，轉換速度可達 250k/s(每秒鐘 25 萬次)。 18.通用全雙工異步串行口(uart)，由于 stc12 系列是高速的 8051，可再用定時器 或 pca 軟件實現(xiàn)多串口。 19.stc12c5a60s2 系列有雙串口，后綴有 s2 標志的才有雙串口，rxd2

16、/p1.2(可通 過寄存器設置到 p4.2)，txd2/p1.3(可通過寄存器設置到 p4.3)。 20.工作溫度范圍：-40 +85(工業(yè)級)/075(商業(yè)級)。 21.封裝：lqfp-48, lqfp-44, pdip-40, plcc-44, qfn-40，i/o 口不夠時，可用 2 到 3 根普通 i/o 口線外接 74hc164/165/595（均可級聯(lián)）來擴展 i/o 口,還可用 a/d 做按鍵掃描來節(jié)省 i/o 口，或用雙 cpu,三線通信，還多了串口。 stc12c5a60s2 系列單片機的定時器 0/定時器 1 與傳統(tǒng) 8051 完全兼容，上電復位 后，定時器部分缺省還是除

17、12 再計數(shù)的，而串由定時器 1 控制速度，所以定時器/串 口完全兼容。 增加了獨立波特率發(fā)生器，省去了傳統(tǒng) 8052 的定時器 2，如是用 t2 做波特率的， 則改用獨立波特率發(fā)生器做波特率發(fā)生器既可。 圖 2-3 stc12c5a08s2 單片機引腳圖 （圖 2-4stc 單片機實物圖 dip40 封裝） 2.1.2 主控電路功能簡介 外部晶振振蕩電路用于產生外部時鐘和復位電路用于單片機系統(tǒng)的復位，這兩個 模塊是單片機最小系統(tǒng)中最基本，也是必不可少的，在這里就不詳細介紹。 本系統(tǒng)中采用 1602，當用 stc12 系列單片機 p0 口作為 8 位數(shù)據(jù)輸入端，需要像 8051 單片機一樣，需

18、加上 1k 到 10k 的上拉電阻來加強 p0 口的驅動能力。 主控系統(tǒng)中的 6 個按鍵用于獨立控制電機轉動角度輸入用；p1.0、p1.1 口分別作 為控制 l298 的 1a1、1a2 控制端口，用于發(fā)送驅動電機正反轉的信號。p1.2 作為單片 機 pwm 輸出端，用于控制 l298 芯片 en1 使能端，產生 pwm 驅動信號，驅動電機。p3.0 口即外部中斷 0 輸入端口，用于采集來自光電編碼器的脈沖個數(shù)，進而轉換為轉動角 度。 2.1.3 stc12c5a08s2 下載電路的簡介 stc 系列單片機可以使用通用型串口下載，方法和普通單片機一樣，只需要用過串 口線與電腦連接,再借助 rs

19、232 芯片的轉換,最終連到單片機上 p3.0(rxd)口與 p3.1(txd)口,即可通過電腦端的 stc-isp 軟件控制下載用戶程序到 stc 單片機上了。 rs232 接口就是串口，電腦機箱后方的 9 芯插座。計算機與計算機或計算機與終端 之間的數(shù)據(jù)傳送可以采用串行通訊和并行通訊二種方式。由于串行通訊方式具有使用 線路少、成本低，特別是在遠程傳輸時，避免了多條線路特性的不一致而被廣泛采用。 在串行通訊時，要求通訊雙方都采用一個標準接口，使不同 的設備可以方便地連接 起來進行通訊。 rs-232-c 接口（又稱 eia rs-232-c）是目前最常用的一種串行通訊 接口。rs-232-c

20、 是美國電子工業(yè)協(xié)會 eia（electronic industry association）制定 的一種串行物理接口標準。rs 是英文“推薦標準”的縮寫，232 為標識號，c 表示修改 次數(shù)。rs-232-c 總線標準設有 25 條信號線，包括一個主通道和一個輔助通道，在多數(shù) 情況下主要使用主通道，對于一般雙工通信，僅需幾條信號線就可實現(xiàn)，如一條發(fā)送 線、一條接收線及一條地線。rs-232-c 標準規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸速率為每秒 50、75、 100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200 波特。rs-232-c 標準規(guī)定， 驅動器允許有 2500pf 的電容負

21、載，通信距離將受此電容限制，例如，采用 150pf/m 的 通信電纜時，最大通信距離為 15m；若每米電纜的電容量減小，通信距離可以增加。傳 輸距離短的另一原因是 rs-232 屬單端信號傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等 問題，因此一般用于 20m 以內的通信。對于一般的雙向通信, 只需使用串行輸入 rxd , 串行輸出 txd 和地線 gnd1rs - 232c 標準的電平采用負邏輯, 規(guī)定+ 3v + 15v 之 間的任意電平為邏輯“0”電平, - 3v - 15v 之間的任意電平為邏輯“1”電平, 與 ttl 和 cmos 電平是不同的 1 在接口電路和計算機接口芯片中大都為 tt

22、l 或 cmos 電 平, 所以在通信時, 必須進行電平轉換, 以便與 rs - 232c 標準的電平匹配 1max232 芯片可以完成電平轉換這一工作。 （1）接口的信號內容 實際上 rs-232-c 的 25 條引線中有許多是很少使用的，在 計算機與終端通訊中一般只使用 3-9 條引線。rs-232-c 最常用的 9 條引線的信號內容 見附表 1 所示 （2）接口的電氣特性 在 rs-232-c 中任何一條信號線的電壓均為負邏輯關系。即： 邏 輯“1”，-5-15v；邏輯“0” +5 +15v 。噪聲容限為 2v。即 要求接收器能識 別低至+3v 的信號作為邏輯“0”，高到-3v 的信號

23、作為邏輯“1”。 (3) 接口的物理結構 rs-232-c 接口連接器一般使用型號為 db-25 的 25 芯插頭座, 通常插頭在 dce 端,插座在 dte 端. 一些設備與 pc 機連接的 rs-232-c 接口,因為不使 用對方的傳送控制信號,只需三條接口線,即“發(fā)送數(shù)據(jù)”、“接收數(shù)據(jù)”和“信號地” 。所以采用 db-9 的 9 芯插頭座，傳輸線采用屏蔽雙絞線。 （4）傳輸電纜長度 由 rs-232c 標準規(guī)定在碼元畸變小于 4%的情況下，傳輸電纜 長度應為 50 英尺，其實這個 4%的碼元畸變是很保守的，在實際應用中，約有 99%的用 戶是按碼元畸變 10-20%的范圍工作的，所以實際

24、使用中最大距離會遠超過 50 英尺，美 國 dec 公司曾規(guī)定允許碼元畸變?yōu)?10%而得出附表 2 的實驗結果。其中 1 號電纜為屏 蔽電纜，型號為 decp.no.9107723 內有三對雙絞線，每對由 22#awg 組成，其外覆以屏 蔽網。2 號電纜為不帶屏蔽的電纜。型號為 decp.no.9105856-04 是 22#awg 的四芯電纜。 max232 芯片是 maxim 公司生產的低功耗、單電源雙 rs232 發(fā)送/接收器。適用于 各種 eia-232e 和 v.28/ v.24 的通信接口。max232 芯片內部有一個電源電壓變換器, 可以把輸入的+ 5v 電源變換成 rs-232

25、c 輸出電平所需10v 電壓, 所以采用此芯片接 口的串行通信系統(tǒng)只要單一的+5v 電源就可以。 （圖 2-5 max232 芯片管腳圖） max232 外圍需要 4 個電解電容 c1、c2、c3、c4 ,是內部電源轉換所需電容。其 取值均為 1f/25v。宜選用鉭電容并且應盡量靠近芯片。c5 為 0.1f 的去耦電容。 max232 的引腳 t1in、t2in、r1out、r2out 為接 ttl/ cmos 電平的引腳。引腳 t1out、t2out、r1in、r2in 為接 rs-232c 電平的引腳。因此 ttl/cmos 電平的 t1in、t2in 引腳應接 mcs-51 的串行發(fā)送引

26、腳 txd； r1out、r2out 應接 mcs-51 的串行 接收引腳 rxd。與之對應的 rs-232c 電平的 t1out、t2out 應接 pc 機的接收端 rd；r1in、r2in 應接 pc 機的發(fā)送端 txd。 max232 的用法如下： 1. 在 c1+和 c1-兩端、c2+和 c2-兩端、v+和地兩端、v-和地兩端分別接一個 0.1f(105)電容。 2. 可以將兩路 rs-232c 電平轉換成兩路 ttl 電平。分別從 r1in 和 r2in 輸入，對 應從 t1out 和 t2out 輸出。注意，輸入和輸出的邏輯值保持一致，如輸入-5v，即邏輯 1，輸出也是邏輯 1，t

27、tl 電平為高電平，即 3.6v 左右。 3. 可以將兩路 ttl 電平轉換成兩路 rs-232c 電平，分別從 t1in 和 t2in 輸入，對 應從 r1out 和 r2out 輸出。同樣輸入和輸出的邏輯值保持一致。如下圖為 max 電平轉 換電路。如圖 2-3 所示： （圖 2-5max232 電平轉換電路） 方法二：對于沒有串口的筆記本電腦，還可以使用，usb 轉串口芯片 pl2303 進行下載， 該方案更加方便。直接使用 usb 對 stc 單片機下載用戶程序。 （圖 2-6pl2303usb 轉串口電路原理圖） 2.2 l298 電機驅動電路介紹 l298n 是 sgs 公司的產品

28、，內部包含 4 通道邏輯驅動電路。是一種二相和四相電機 的專用驅動器，即內含二個 h 橋的高電壓大電流雙全橋式驅動器，接收標準 ttl 邏輯 電平信號，可驅動 46v、2a 以下的電機。 使用 l298 作為驅動芯片，電路簡單：使用元件少，組件的損耗低，可靠性高體積 小，軟件開發(fā)簡單，并且計算機(或單片機)硬件 費用大大減少。l298 引腳圖，及邏輯 圖如下圖所示： l298 驅動電路元件少，使用很方便，也便于編程控制。 (l298 驅動電路原理圖) 2.2.1 pwm 驅動電機原理 開關驅動方式是使半導體功率器件工作在開關狀態(tài)，通過脈調制（pwm）來控制 電動機的電壓，從而實現(xiàn)電動機轉速的控

29、制。當開關管的驅動信號為高電平時，開關 管導通，直流電動機電樞繞組兩端有電壓 u。1 秒后，驅動信號變?yōu)榈碗娖剑_關管截 止，電動機電樞兩端電壓為 0。t2 秒后，驅動信號重新變?yōu)楦唠娖?，開關管的動作重 復前面的過程。 pwm 輸出波形和計算： 電動機的電樞繞組兩端的電壓平均值 u 為：u =（t1u）/（t1t2） =( t1u) /t=d*u 式中 d 為占空比，d= t/t。 占空比 d 表示了在一個周期 t 里開關管導通的時間與周期的比值。d 的變化范圍為 0d1。當電源電壓 u 不變的情況下，輸出電壓的平均值 u 取決于占空比 d 的大小， 改變 d 值也就改變了輸出電壓的平均值，從

30、而達到控制電動機轉速的目的，即實現(xiàn) pwm 調速。 在 pwm 調速時，占空比 d 是一個重要參數(shù)。改變占空比的方法有定寬調頻法、 調寬調頻法和定頻調寬法等。常用的定頻調寬法，同時改變 t1 和 t2，但周期 t（或頻 率）保持不變。 2.3 電機轉動角度檢測 2.3.1 增量式光電編碼器工作原理 增量編碼器是一種將旋轉位移轉換為一連串數(shù)字脈沖信號的旋轉式傳感器。這些 脈沖用來控制角位移。在 eltra 編碼器中角位移的轉換采用了光電掃描原理。同時被 一個紅外光源垂直照射，光把碼盤的圖像投射到接收器表面上。接收器覆蓋著一層衍 射光柵，它具有和碼盤相同的窗口寬度。接收器的工作是感受光盤轉動所產生

31、的變化， 然后將光變化轉換成相應的電變化。再使低電平信號上升到較高電平，并產生沒有任 何干擾的方 形脈沖，這就必須用電子電路來處理。讀數(shù)系統(tǒng)通常采用差分方式，即將 兩個波形一樣但相位差為 180的不同信號進行比較，以便提高輸出信號的質量和穩(wěn)定 性。讀數(shù)是再兩個信號的差別基礎上形成的，從而消除了干擾。 增量編碼器 增量編碼器給出 兩相方波，它們的相 位差 90，通常稱為 a 通道和 b 通道。其 中一個通道給出與轉 速相關的信息，與此 同時，通過兩個通道 信號進行順序對比，得到旋轉方向的信息。還有一個特殊 信號稱為 z 或零通道，該通道給出編碼器的絕對零位，此信號是一個方波與 a 通道方 波的中

32、心線重合。 增量型編碼器精度取決于機械和電氣兩種因素， 這些因素有：光柵分度誤差、光盤偏心、軸承偏心、 電子讀數(shù)裝置引入的誤差以及光學部分的不精確性。 順時針 運動 逆時針 運動 a b 1 1 0 1 0 0 1 0 a b 1 1 1 0 0 0 0 1 確定編碼器精度的測量單位是電氣上的度數(shù)，編碼器精度決定了編碼器產生的脈沖分 度。以下用 360電氣度數(shù)來表示機械軸的 以下用 360電氣度數(shù)來表示機械軸的轉動，而軸的轉動必須是一個完整的周期。 要知道多少機械角度相當于電氣上的 360，可以用下面公式計算：電氣 360=機械 360/n脈沖/轉 圖：a、b 換向時信號 編碼器分度誤差是以電

33、氣角度為單位的兩個連續(xù)脈沖波的最大偏移來表示。誤差 存在于任何編碼器中，這是由前述各因素引起的。eltra 編碼器的最大誤差為25 電 氣角度（在已聲明的任何條件下） ，相當于額定值偏移7%，至于相位差 90（電氣上） 的兩個通道的最大偏差為35 電氣度數(shù)相當于額定值偏移10%左右。 2.3.2 增量編碼器與單片機的接口 用 51 單片機實現(xiàn)的具體方法：將 a 信號連接至外部中斷 int0，再將其反向后連接 至外部中斷 int1,將 b 信號作為方向信號連接至某一輸入端口(p3.0)，這樣在信號 a 的 上升沿和與下降沿都會產生中斷。由于在不同轉向時，信號 a 的下降沿所對應的方向 信號電平正

34、好相反，單片機在中斷服務程序中先檢測 b 信號的狀態(tài)，根據(jù)不同的狀態(tài) 進行不同的處理(計數(shù)值增加還是減小)，這樣能夠有效的防止反轉產生的誤差，從而 實現(xiàn)精確計數(shù)，相應的 c 程序段如下： sbit dir = p3.0; int cnt; /計數(shù)器數(shù)值變量 void int0isr(void) interrupt 0 using 1 if( dir ) cnt+; else cnt-; void int1isr(void) interrupt 2 using 2 if( dir ) cnt-; else cnt+; 2.4 減速直流電機的簡介 減速直流電機是指減速機和直流電機的集成體。這種集成

35、體通常也可稱為齒輪馬 達或齒輪電機。通常由專業(yè)的減速機生產廠進行集成組裝好后成套供貨。減速電機廣 泛應用于鋼鐵行業(yè)、機械行業(yè)等。使用減速電機的優(yōu)點是簡化設計、節(jié)省空間。而減 速電機還有下列特點： 1、減速電機結合國際技術要求制造,具有很高的科技含量。 2、節(jié)省空間,可靠耐用,承受過載能力高,功率可達 95kw 以上。 3、能耗低,性能優(yōu)越,減速機效率高達 95%以上。 4、振動小,噪音低,節(jié)能高,選用優(yōu)質段鋼材料,鋼性鑄鐵箱體,齒輪表面經過高頻 熱處理。 5、經過精密加工,確保定位精度,這一切構成了齒輪傳動總成的齒輪減速電機配置 了各類電機,形成了機電一體化,完全保證了產品使用質量特征。 6、

36、產品才用了系列化、模塊化的設計思想,有廣泛的適應性,本系列產品有極其多 的電機組合、安裝位置和結構方案,可按實際需要選擇任意轉速和各種結構形式。 3 系統(tǒng)程序設計 主控程序的設計，使用 keil4 軟件進行編寫，本系統(tǒng)的程序編寫主要分為三個模塊： 主控部分程序，1602 顯示模塊程序，已經 pid 算法模塊。 3.1 程序流程圖 開始 初始化 1602 初始化定時器 t0 外部中斷 0 初始化 調用 pid 函數(shù) 對 1602 寫入 輸入角度設定值 角度=設定 值 是 電機停轉 電機正轉 否 結束 pwm 產生流程圖： pid 算法流程圖 3.2 主控系統(tǒng)的控制信號 3.2.1 pwm 的產生

37、 根據(jù)系統(tǒng)的設計要求，控制電機轉動的信號為 pwm 信號。本系統(tǒng)采用 stc12 系列 單片機的定時器 0 來產生固定占空比的 pwm 信號。下面介紹一下單片機的定時器特點 與定時器設定程序。 void initpwm(void) /定時器 t0 初始化 auxr = 0x80; tmod|=0x01; th0= (65536-1)/256; /pwm 低電平定時時間 tl0= (65536-1)%256; tr0 = 1; tr1=1; ea = 1; et0=1; void pwmout () interrupt 1 th0= (65536-1)/256; tl0= (65536-1)%2

38、56; if(!(s%(100-pwm) ena=1;/pwm 高電平 if(!(s%100) ena=0; s=0; s+; 3.2.2 角度測量模塊 由于本系統(tǒng)采用增量式觀點編碼器作為角度測量傳感器，編碼器器為 2000 線， 即每轉一圈產生 2000 個脈沖信號，一個脈沖對于 0.18 度。 設計方案采用外部中斷 0 ，采集脈沖信號，對其計數(shù)：通過公式，轉動角度= 脈沖數(shù)*0.18，計算轉動角度。程序實現(xiàn)為： 初始化 to 裝入初值 等待中斷 sys=sys+1 sys 對（100- pwm）取余為 1 時 高電平 開始 接收觀點編碼器測 量角度 error=當前角度-期望角 度 取絕對

39、值 error2000) angle_now = 0; /超過一圈清零 if(angle_now1) inta1 = 0; inta2 = 1; flag = 0; pid-max = 99; pid-min = 0; inta1 = 0; inta2 = 0; if(errormax = 0; pid-min = 99; inta1 = 0; inta2 = 0; if(error =-1) inta1 = 0; inta2 = 0; if (fabsf(error) pid-epsilon) pid-integral += error * pid-dt;/積分 derivative = (

40、error - pid-pre_error) / pid-dt;/微分 pidoutput= pid-kp * error/比例項 + pid-ki * pid-integral /積分項 + pid-kd * derivative;/微分項 if (pidoutput pid-max) pidoutput= pid-max;/限制最大值 else if (pidoutputmin) pidoutput= pid-min;/限制最小值 pid-pre_error = error; return pidoutput; 系統(tǒng)根據(jù) pid 算法的反饋值，調整 pwm 的占空比，達到精確控制，快速響應

41、。 4 系統(tǒng)調試 系統(tǒng)調試是設計系統(tǒng)一個非常重要的過程，是對系統(tǒng)是否達到設計要求的一個檢驗。 同時也是發(fā)現(xiàn)問題找出問題解決問題的一個過程。在開始進行時候首先要在不接電的 情況下，檢查電路是否有短路，芯片是否插反等。防止在上電過程中短路燒壞芯片。 4.1 靜態(tài)調試 靜態(tài)調試第一步為觀察電路板。對每一塊加工好的印制電路板要進行仔細的檢查， 先檢查印制線是否有斷線、有無脫落現(xiàn)象，如果有的話就要用焊錫將其連接好，并檢 查是否有印制線短接，因為有時候由于印制線間距過近腐蝕不夠完全導致導線短接現(xiàn) 象，發(fā)現(xiàn)短接可用刻刀將諒解的部分劃掉。接著再看過孔是否有氧化現(xiàn)象，如果有， 要將其表面的氧化層刮去。 第二步使

42、用萬用表檢測。因為在線路間間距較小的時候即使有短接也沒發(fā)現(xiàn)，所 以需要借助萬用表。先將萬用表置于蜂鳴擋位，用兩個表筆分別接在那些挨得比較近 的電路線看看是否有短路。如果發(fā)出蜂鳴聲則說明有短路狀況，沒有蜂鳴警報聲則表 明正常。接著檢查電源線和地線之間是否有短路現(xiàn)象。焊接好元器件后先觀察本沒有 相連的焊點上的焊錫連接在一起，最后用萬用表檢測一些接點，查看他們的通斷狀態(tài) 是否符合要求的狀態(tài)。 第三步為上電測試。特別要注意的是這項檢測并不把單片機芯片加上去，加上電 源后，將萬用表置于電壓擋去檢測所有插座和引腳兩端的電壓值，查看是否符合要求 的電壓值。如果有大于 5v 太多，則表明不正常，因為單片機的正

43、常工作電壓為 5v，電 壓值超過這個值太多則有可能造成單片機無法正常工作甚至會燒壞單片機。然后去檢 測接地端的電壓值是否接近于零，如不接近零說明有短路。在這項檢測中電路板正常， 沒有異常。 在靜態(tài)調試中常常出現(xiàn)的問題有，首先是印制電路部分線路有短路現(xiàn)象，主要原 因是腐蝕得不夠徹底，或者焊接的不好，有連接，用刀具輕輕刮去短路的連接處即可。 第二個問題是在認真檢查下發(fā)現(xiàn)電路板上的電解電容正負極焊反，借助烙鐵把焊反的 電解電容取下重新正確地焊上去即解決。第三個發(fā)現(xiàn)的問題是在焊接時兩個距離較近 的焊點的焊錫連在一塊造成短路，用烙鐵加熱處理排除問題。排除上面的一些故障后， 就可以進行動態(tài)調試了。 4.2

44、 動態(tài)調試 動態(tài)調試是對系統(tǒng)工作的情況下對系統(tǒng)功能的測試與檢驗。動態(tài)調試一般是由近 及遠，由分到合，分模塊對系統(tǒng)進行測試。當各模塊電路調試無故障后，將各塊電路 逐塊加入系統(tǒng)中，再對各塊電路功能及各電路間可能存在的相互聯(lián)系進行試驗。 本系統(tǒng)調試過程為，首先調試最小系統(tǒng)板，看看能否正常工作，電源電源是否正 常。再檢查，lcd 是否正常工作。在以上調試無故障時候，再下載調試程序到單片機， 觀察十分正常顯示。在主控板正常工作的情況下，下面對驅動電路進行調試。上電前， 仔細檢查芯片是否插反，然后加上電源，觀察指示燈是否亮。先用高電平，代替 pwm 波形輸入，再用萬用表測出輸出端電壓十分正常，在電壓正常輸

45、出的情況下，接上電 動機，觀察是否正常轉動，能否控制電機正反轉。再驅動電路正常工作的情況下，對 電路進行整體調試。 下載程序到單片機，用示波器測試 pwm 波形能否正常輸出，如果能正常將 pwm 輸 入到 l298 的使能端，通過控制 l298 的 1a 和 1a2 控制電機正反轉。在電機正常驅動的 情況下，使用按鍵輸入期望轉動的角度，觀察電機轉動角度是否達到精度要求。 在整個調試過程中，我認為最難得莫過于，精度要求，由于使用了 pid 算法控制， 在整個調試過程中，最麻煩的莫過于，調整 pid 參數(shù)值。使其達到最優(yōu)。pid 參數(shù)的條 件遵循一般規(guī)律，一般先調 p，再調 i 最后調 d，這是一

46、個靠經驗積累的調試過程，要 不斷進行摸索，試探找出，最佳參數(shù)。 5 誤差分析 任何系統(tǒng)誤差是在所難免的，對于像電動機這類的機械設備，誤差控制是比較困難 的，只要誤差達到可以接受的程度即可。誤差的產生的原因種類是很多的，包括儀器 誤差，系統(tǒng)誤差等多種。由于本系統(tǒng)使用的光電編碼器是 2000 線的，最小分辨率為， 0.18 度，而系統(tǒng)設計要求為，+0.5 度，故完全符合設計要求。 下面幾組數(shù)據(jù)，是我在不斷調整 pid 參數(shù)過程中，得到測量數(shù)據(jù)。 設定值實際值相對誤差 3029.90.33% 6060.20.33% 9090.00% 120120.20.16% 160159.90.06% 18017

47、9.80.11% 由上述測量值可以看出，系統(tǒng)設計基本達到要求的+ 0.5。 下面分析常見的一些引起誤差的原因： （1）由于使用的事光電編碼器，作為角度測量傳感器，在電機轉動過程中如果有 抖動，可能會引起，一些尖峰脈沖，導致，單片機誤記可能造成一些誤差。 （2）由于電機在轉動過程中是有很大慣性的，由于 pid 參數(shù)設置的不是那么合理 也會引起較大的誤差，這就需要長時間的調整 pid 參數(shù)，盡可能減少誤差。 6 結論 轉眼間，三個周的課設就結束了，本次課程設計，也基本達到設計要求，在課設的 這三個星期里，我學到了，平時在課堂上難以學到的很多東西。不斷鍛煉了自己的動 手能力，還增強了自己的團隊合作能

48、力。 選題的時候，我跟同學商量了下，作為自動化專業(yè)出身的，我想到要為以后的畢設 多積累的經驗，就選了，相對比較難的，電機控制。也是自己的興趣所在吧，所有就 跟幾個同學商量了，決定選擇了直流電機數(shù)字角度控制這一題。 從最開始的方案論證，再到 proteus 仿真，再到使用 dxp 繪制 pcb 圖，然后腐蝕 電路板，再到焊接沒一個電子元件，調試，等等這些過程，我學到了很多經驗，補充 自己平時學習理論知識，不注重實踐上的不足。尤其是后期的調試工作，為我積累了 很多寶貴經驗。 電子設計是一個相對比較枯燥的過程，需要很大耐心。要能夠靜下心來思考問題。 這是也是一個自我提升的過程。這一次課設為明年的畢設

49、積累很多寶貴經驗。 謝 辭 本次課設的圓滿完成，很大程度上離不開，指導老師的辛勤指導，這里要特別感 謝，趙學軍老師，龍超老師對我的關懷指導。還是在方案的確定和問題的解決，我都 得到了龍學軍老師悉心細致的教誨和無私的幫助，特別是她廣博的學識、嚴謹?shù)闹螌W 精神和一絲不茍的工作作風使我終生受益，在此表示真誠地感謝。 而在我的課程設計的完成過程中也有很多同學以及我的舍友給我提供了很大的幫 助，幫我調試很多程序上的難題，在這里特別感謝他們。 參考文獻 151 單片機 c 語言教程 電子工業(yè)出版社 2009.1 2電力拖動自動控制系統(tǒng)：運動控制系統(tǒng)（第 4 版）機械工業(yè)出版社 2010-01 3微型計算機

50、控制技術 機械工業(yè)出版社 2010-10 4許賢澤,童愛清.高精度直流伺服電機的數(shù)字控制系統(tǒng)研究j武漢大學學報(工學版), 2010 5黃庶,肖丹.自舉式 h 橋電機驅動電路的優(yōu)化設計j.應用能源技術, 2009 ,10 pcb 截圖 源程序代碼： /*名稱：2013 課設 減速直流電機角度控制 董 琪 1000810212 顯示：xzjiaodu：xxx.x 設定角度：xxx.x 精度+ 0.5*/ #include #include #include 1602.h #include pid.h #define uchar unsigned char #define uint unsigne

51、d int sfr auxr = 0x8e; /定義地址 sbit key1 = p15; /按鍵聲明 1 加 10，2 加 1，3 加 0.5,4 減 10,5 減 1，6 復位 sbit key2 = p17; sbit key3 = p37; sbit key4 = p16; sbit key5 = p36; sbit key6 = p20; /bit start; /定義 p1.0 為 298 1a1 輸入，p1.1 為 1a2 輸入，p1.2 為使能端輸入/ sbit inta1 = p10; sbit inta2 = p11; sbit ena = p12; uint pwm =

52、10; int angle_now = 0; uint systick = 0; void pidinit(pid_struct * pid, float p, float i, float d, float dt) pid-epsilon = 0.1; pid-max = 50; pid-min = 0; pid-kp = p; pid-ki = i; pid-kd = d; pid-dt = dt; pid-pre_error = 0; pid-integral = 0; float fabsf(float x) if(x 1) inta1 = 0; inta2 = 1; flag = 0

53、; pid-max = 99; pid-min = 0; inta1 = 0; inta2 = 0; if(errormax = 0; pid-min = 99; inta1 = 0; inta2 = 0; if(error =-1) inta1 = 0; inta2 = 0; if (fabsf(error) pid-epsilon) pid-integral += error * pid-dt;/積分 derivative = (error - pid-pre_error) / pid-dt;/微分 output = pid-kp * error/比例項 + pid-ki * pid-in

54、tegral /積分項 + pid-kd * derivative;/微分項 if (output pid-max) output = pid-max;/限制最大值 else if (output min) output = pid-min;/限制最小值 pid-pre_error = error; return output; extern angle_now ,angle_real; void jiaodu () interrupt 0 / 記錄光電編碼器 a 路輸出脈沖，轉換為角 度 if(!flag)angle_now+; if(flag)angle_now-; if(angle_now2000) angle_now = 0; if(angle_now0) angle_now = 0; angle_real = angle_now*1.6; void key_deal(unsigned char key);/按鍵處理函數(shù)聲明 void initclock(void) /定時器 t0 初始化/定時器 t0 初始化 auxr = 0x80; /輔助寄存