基于80C196MD高性能单片机的直流伺服控制系统设计.pdf

60 现代制造技术与装备 2008第3期总第184期 基于80C 196MD高性能单片机的直流 伺服控制系统设计 王鲁峰 孙永兴 翟 磊 李成凯 (中国石油大学机电工程学院，东营257061) 摘 控制信号，驱动直流伺服电机转动。同时利用反馈电路产生反馈信号，经频／压转换后实时与给定值比较，得出 偏差信号e。在单片机内将偏差信号e经PID运算后转换成具有一定占空比的PWM控制电压，施加在直流伺 服电机的两端，形成速度环闭环控制，从而达到调速的目的。通过实验分析，证明设计的基于80C196MD高性能 单片机的直流伺服控制系统具有很大的可行性。 关键词：单片机 直流伺服PWMA／D转换D／A转换 伺服系统是指以机械位置或角度作为被控制量的自 2系统硬件设计 动控制系统，其输出量随输入量的变化而变化，因此又称 2．1电机驱动环节 为随动系统或伺服机构。直流伺服系统的优点是宽调速、 电机驱动环节由比较环节、PWM输出环节以及伺服 机械特性硬和响应速度快，而伺服系统的可靠性设计及 放大环节组成。 其自诊断技术伴随着系统功能、性能以及复杂化程度的 比较环节将检测到的值与参考值作比较，得出偏差信 升级而受到人们的普遍重视。近年来，随着科技的飞速发 号e，供下一步PWM输出环节使用。在PWM输出环节，单 展，单片机的应用正在不断地走向深入。在仪器仪表，家 片机内部对偏差信号e经PID运算后，经D／A转换器转 用电器和专用装备的智能化以及过程控制等方面，单片 换，输出PWM反馈控制信号至伺服放大环节，经伺服放 机都扮演着越来越重要的角色…。本文研制的直流伺服控 大电路滤波、放大等一系列处理，施加在电机输入电压的 制系统，就是以80C196MD单片机为核心部件，完成对直两端，从而对速度形成闭环控制。 流伺服电机速度和位置的闭环控制。 比较环节和PWM输出环节的功能均通过软件设计在 1系统整体设计 单片机内部实现，伺服放大电路的结构如图2所示，来自 本文设计的直流伺服控制系统结构框图如图1所示， 单片机的PWM信号决定电机的转速。在本系统中，利用 该系统以实现速度环闭环控制为目的。整个系统工作原 理简述如下：采用光电编码器实时检测反馈脉冲信号，获 路PWM信号的输出。PWM信号的占空比通过软件设定。 得伺服电机的实时速度，经频／压转换后与给定速度比较 电机电源与数字电路电源之间通过两个光耦隔离器分 取得速度偏差信号e；速度偏差信号e经A／D转换后，通 开，以免电机接通和断开时所造成的毛刺影响数字电路 过PID算法计算获得所要求的PWM占空比，形成PWM工作。在光藕隔离器和电机之间通过电机驱动芯片 控制电压驱动伺服电动机运转，直至偏差e为0，实现速度 调节。 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，充电泵电路有一个 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2引脚10；反转时电流的方向应该从引