最新单片机控制伺服电机

单片机控制伺服电机基于DSP的多伺服电机同步驱动系统设计作者姓名：闫瑞刘呈坤戚龙欣边俊霞指导老师：马凤英目录摘要 (1)第一章绪论 (2)1.1 课题研究的目的和意义 (2)1.2 国内现状与发展趋势 (2)1.3伺服电机发展历史 (3)2.2 伺服电机工作理 (4)第二章伺服电机控制硬件设计 (5)2.1 AT89C51单片机硬件结构 (5)2.2 钟电路设计 (8)2.3 复位电路设计 (8)2.4 显示电路设计 (8)2.5按键电路设计 (11)2.6 控制伺服电机电路设计 (12)第三章系统软件设计 (14)3.1 总体设计思想 (14)3.2 主程序设计 (15)程序清单 (16)参考文献 (18)摘要半个世纪来，直流伺服控制系统己经在精密数控机床、加工中心、机器人等领域得到了广泛的应用。

随着伺服电动机技术、电力电子技术、计算机控制技术的发展，使得伺服控制系统朝着控制电路数字化和功率器件的模块化的方向发展。

本文介绍了微机直流伺服系统的硬件、软件设计方案。

硬件设计主要包括:总体方案设计、单片机应用系统设计、驱动电路设计和测量电路设计。

软件编制采用模块化的设计方式，主要包括主程序设计及数字控制算法程序的设计。

通过系统的整体设计，完成了系统的基本要求，系统可以稳定的运行。

关键词：伺服系统单片机AbstractFor a half of century，the DC servo control system has been widely used in the NC machine tool，machining center，and robot…，etc. With the technical development of servo motor，electronices power and computer control，the servo control system is making towards digitized and modular design.This paper introduces the hardware，software design plan of DC servo control system on microcomputer. The hardware designed includes mainly: the total project design，single-chip computer application system design，drive circuit design and measure circuit design. The software a dots modular design，includes primarily the main procedure design and increases the design of the deal type arithmetic figure PID calculation way procedure.Through the integral design of the system, the completion of the basic requirements of the system, the system can stable operationKeywords: servo system microcontroller第一章绪论1.1 课题研究的目的和意义近年来随着物流仓储设备的快速发展，有很多物流仓储设备都选用多功能工业门机作为大宗货物进出仓库的阀门。

工业门机具有快速、全自动、安全、可靠、多功能等多种优点，可以高效便捷的使货物进出仓库，保证仓库内的环境清洁和安全,成为先进物流仓储设备的重要组成部分。

伺服驱动控制系统是80年代国际上崛起的高性能产品，具有良好的控制性能和较高的动态品质，并以调速范围广、稳速精度高、动态响应性能好、使用简便等优越性能，迅速成为伺服系统发展的必然趋势.因此研究具有必要性。

伺服系统也称为随动系统，属于自动控制系统的一种，它是用来控制被控对象的转角或位移，使其能自动的、连续的、精确地复现输入指令的变化规律，它通常具有负反馈的闭环控制系统，有的场合也可以用开环控制系统来实现其功能，伺服系统在电机设备中具有很重要的地位，高性能的伺服系统可以提供灵活、方便、准确、快速的驱动。

位置伺服系统广泛应用于国民经济的各个工业部门，例如机床加工行业、冶金加工、机器人或机械手的控制、火炮群跟踪雷达和陀螺仪惯性导航系统等，都涉及到了位置定位和轨迹跟踪，因此位置伺服技术的高低，将直接影响我们国家的工业技术的发展水平。

位置伺服系统是通过控制器来实现自动控制理论的各种控制算法，通过执行机构电力电子功率变换装置实现对电机的控制，来达到位置伺服的目的。

其中控制器可以说是整个系统的心脏，其设计的好坏直接影响整个系统的性能。

有些伺服系统的控制器主要由模拟控制器来实现的，但对于那些较复杂控制算法，单靠硬件电路来实现系统控制相对比较困难。

随着微电子技术的迅猛发展，研发出各种高性能数字信号处理器，其运算能力强而且具有丰富的外部接口。

将数字信号处理器应用在位置伺服系统，构成数字位置伺服系统，该系统就可以通过软件编程的方式完成各种简单或复杂的传动控制算法，通过外部接口实现与电力电子功率变换装置的连接，最终实现对电机的控制，这样既可以提高系统的灵活性的也可以减小系统的体积。

1.2 国内现状与发展趋势我国在20世纪80年代初期通过引进、消化、吸收国外先进技术，又在国家“七五”、“八五”、“九五”期间对伺服驱动技术进行重大科技项目攻关取得了很大成果。

但由于产品可靠性等方面的原因，制约着我国数控机床的配套及应用，从而影响我国装备制造业的发展。

一些机床厂家也不得不选用国外的伺服系统，使得国产数控机床在价格、交货期、可靠性等方面均不占优势，更无心力开发市场需求的新品种，从而失去巨大的市场份额。

从公开的统计资料来看，CNC系统中75%以上的故障出自伺服部分。

然而，近年来在国家不断组织科技攻关的同时，一些民营高科技公司也为发展我国伺服驱动技术注入了新的活力。

1.3伺服电机发展历史自从德国MANNESMANN的 RexrothR 公司的 Indramat 分部在 1978年汉诺威贸易博览会上正式推出MAC永磁交流伺服电动机和驱动系统，这标志着此种新一代交流伺服技术已进入实用化阶段。

到20世纪80年代中后期，各公司都已有完整的系列产品。

整个伺服装置市场都转向了交流系统。

早期的模拟系统在诸如零漂、抗干扰、可靠性、精度和柔性等方面存在不足，尚不能完全满足运动控制的要求，近年来随着微处理器、新型数字信号处理器（DSP）的应用，出现了数字控制系统，控制部分可完全由软件进行，分别称为摪胧只瘮或抟旌鲜綌、撊只瘮的永磁交流伺服系统。

到目前为止，高性能的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机，控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。

典型生产厂家如德国西门子、美国科尔摩根和日本松下及安川等公司。

日本安川电机制作所推出的小型交流伺服电动机和驱动器，其中D系列适用于数控机床（最高转速为1000r/min，力矩为0.25～2.8N.m），R系列适用于机器人（最高转速为3000r/min，力矩为0.016～0.16N.m）。

之后又推出M、F、S、H、C、G 六个系列。

20世纪90年代先后推出了新的D系列和R系列。

由旧系列矩形波驱动、8051单片机控制改为正弦波驱动、80C、154CPU和门阵列芯片控制，力矩波动由24%降低到7%，并提高了可靠性。

这样，只用了几年时间形成了八个系列（功率范围为0.05～6kW）较完整的体系，满足了工作机械、搬运机构、焊接机械人、装配机器人、电子部件、加工机械、印刷机、高速卷绕机、绕线机等的不同需要。

以生产机床数控装置而著名的日本法那克（Fanuc）公司，在20世纪80年代中期也推出了S系列（13个规格）和L系列（5个规格）的永磁交流伺服电动机。

L系列有较小的转动惯量和机械时间常数，适用于要求特别快速响应的位置伺服系统。

德国西门子（Siemens）公司的IFT5系列三相永磁交流伺服电动机分为标准型和短型两大类，共8个机座号98种规格。

据称该系列交流伺服电动机与相同输出力矩的直流伺服电动机IHU系列相比，重量只有后者的1/2，配套的晶体管脉宽调制驱动器6SC61系列，最多的可供6个轴的电动机控制。

美国A-B（ALLEN-BRADLEY）公司驱动分部生产1326型铁氧体永磁交流伺服电动机和1391型交流PWM伺服控制器。

电动机包括3个机座号共30个规格。

现在常采用（Powerrate）这一综合指标作为伺服电动机的品质因数，衡量对比各种交直流伺服电动机和步进电动机的动态响应性能。

功率变化率表示电动机连续（额定）力矩和转子转动惯量之比。

按功率变化率进行计算分析可知，永磁交流伺服电动机技术指标以美国I.D 的Goldline系列为最佳，德国Siemens的IFT5系列次之。

2.2 伺服电机工作理伺服系统（servomechanism）是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。

伺服主要靠脉脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。

直流伺服电机分为有刷和无刷电机。

有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护不方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。

因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。

无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。

控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。

电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。

交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。

大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。

因而适合做低速平稳运行的应用。

伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。