伺服电机开题报告

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

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