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1、目 录摘 要IAbstract1第1章 绪论11.1 电力电子技术11.2 伺服控制技术11.3 控制电机21.4 单片机21.4.1 单片机的发展21.4.2 单片机的应用31.5 PWM技术41.6 设计的任务和要求5第2章 硬件电路设计62.1 总体方案62.2 单片机系统设计62.2.1 MCS-51单片机简介72.2.2 MCS-51单片机的内部结构72.2.3 功能模块的设计92.3 功率驱动模块设计142.3.1 功率驱动模块方案的选择142.3.2 PWM伺服放大器简介152.3.3 KXA结构及接线152.4 测量电路设计162.4.1 光电编码器162.4.2 整形辨相电路
2、17第3章 直流伺服电动机193.1 对直流伺服电动机的要求193.2 直流伺服电动机的分类193.2.1 高速直流伺服电动机193.2.2低速大扭矩宽调速电动机203.3 直流电动机转矩平衡方程式213.4 电动机的电压平衡方程式22第4章 单片机直流伺服系统的软件设计244.1 主程序设计244.2 监控管理程序设计254.2.1 键盘/显示器基本程序设计254.2.2 功能键处理程序设计264.3 T0中断服务（控制）程序设计284.4 PID控制算法子程序29结束语31参考文献32致 谢33附录 单片机直流伺服系统原理图34单片机直流伺服系统设计摘 要：随着数字技术的高速发展和新型执行
3、机构的出现、大功率电力电子器件的诞生以及数字技术的快速发展，伺服控制系统的优势在国民生产中发挥得淋漓尽致。通过调节电枢电压可以很方便地实现对转速的控制，并能在一定范围内实现位置控制，直流伺服系统因此被应用于对系统性能要求较高的场合。本文详细介绍了单片机直流伺服控制系统的组成和原理。着重介绍单片机直流伺服控制系统的硬件电路设计，同时详细介绍了模块化PWM功率驱动的结构和应用及其相关的保护电路。认真分析了各个模块的功能及作用，较系统的介绍了模块化程序设计。关键字：直流伺服；KAX；模块化功率驱动；单片机；整形变相；The Design of Single-chip DC servo Control
4、 system Abstract: With the rapid development of digital technology and the emergence of new implementing agencies, high-power power electronic devices, as well as the birth of the rapid development of digital technology, the advantages of servo-control system of the national product on its head. By
5、adjusting the armature voltage can be easily controlled to achieve speed, and can achieve a certain position control, DC servo system was used in higher performance requirements on the system to do so.This paper describes a single-chip DC servo control system and principles of composition. Focused o
6、n single-chip DC servo control system hardware circuit design, while details of PWM power-driven modular structure and the application and its associated protection circuitry. A careful analysis of the various modules of the function and role, a more systematic introduction of a modular program desi
7、gn.Keywords: DC servo；KAX；modular power-driven；singlechip；plastic disguiser；第1章 绪论1.1 电力电子技术电力电子技术广泛用于电气工程中，各种电力电子装置广泛应用与高压直流输电、静止无功补偿、电力机车牵引、交直流电力传动、电解、励磁、电加热、高性能交直流电源等电力系统和电气工程中。电力电子技术是电气工程学科中的一个最活跃的分支。控制理论广泛用于电力电子技术中，它使电力电子装置和系统的性能不断满足人们日益增长的各种需求。电力电子技术可以看成是弱电控制强电的技术，是弱电和强电之间的接口。而控制理论则是实现这种接口的一条强
8、有力的纽带。另外，控制理论和自动化技术密不可分，而电力电子装置则是自动化技术的基础元件和重要支撑技术。电力电子学是随着电力半导体器件的发展而发展的。1948年晶体管的发明，使电子工业产生了一次革命。1957年晶闸管的出现和在电力领域中的应用，实质上就是电力电子学的开端（晶闸管雏形再1956年由贝尔电话研究所John Moll研制出来，1958年由通用电气公司的RA York等完成了其生产工艺，并开始将其应用于电力控制）。1980年可关断晶闸管GTO的商品化（2500V/1000V）,使电力电子学向前推进了一大步。1975年美国Siliconix公司制造出V型沟道的金属氧化物半导体场效应功率晶体
9、管，即MOSFET。1988年IGBT的出现，它集功率晶体管BJT和场效应功率晶体管的优点于一体，这是电力半导体器件向理想化方面迈进的最重大事件，使电力电子学的发展进入到一个日新月异的阶段。1.2 伺服控制技术伺服控制技术是自动化学科中与产业部门联系最紧密、服务最广泛的一个分支。自从第二次世界大战期间雷达和火炮伺服系统出现以来，在近半个世纪中，伺服控制技术及其系统在工业、农业、国防等各个领域都得到了广泛的应用。伺服控制经历了发电机-电动机系统、交磁电机扩大机控制、磁放大器控制、晶闸管控制、晶体管控制、集成电路控制、计算机控制的发展过程，至今已经进入一个全新的鼎盛时期。反映这一时期的现代伺服控制
10、技术及其系统的主要特征可以概况为：全控型电力电子器件组成的脉宽调制技术在伺服功率驱动中的广泛应用；微处理机特别是单片数字信号处理器（DSP）在伺服系统中的普遍应用，使得现代控制理论逐渐工程使用化；各种伺服控制原件与线路向着集成化、数字化、功能化、模块化、智能化，以便于计算机控制的方向发展；伺服系统的可靠性设计及其自诊断技术伴随着系统功能、性能以及复杂化程度的升级而受到人们的普遍重视。1.3 控制电机在各类自动控制系统、遥控和解算装置中，需要用到大量的各种各样的元件。控制电机就是其中的重要元件之一。它属于机电元件，在系统中具有执行、检测和解算的功能。虽然从基本原理来说，控制电机与普通旋转电机没有
11、本质上的差别，但后者着重于对电机的力能指标方面的要求，而前者则着重于对特性、高精度和快速响应方面的要求，满足系统对它提出的要求。控制电机已经成为现代工业自动化系统、现代科学技术和现代军事装备中不可缺少的重要元件。它的应用范围非常广泛，例如，火炮和雷达的自动定位，舰船方向舵的自动操纵，飞机的自动驾驶，遥远目标位置的显示，机床加工过程的自动控制和自动显示，阀门的遥控，以及机器人、电子计算机、自动记录仪表、医疗设备、录音录像设备等中的自动控制系统。1.4 单片机随着大规模集成电路的发展，可以将CPU、RAM、定时器/计数器以及输入/输出（I/O）接口电路等计算机部件，集成在一块电路芯片上。这样所组成
12、的芯片级的微型计算机称为单片微型计算机（single chip microcomputer），直译为单片微机或单片机。虽然单片机只是一个芯片，但从组成和功能上，它已具有了微机系统的含义。由于单片机从功能和形态来说都是应控制领域应用的要求而诞生的，并且发展到新一代80C51、M68HCO5、M68HC11系列单片机时，在其中扩展了各种控制功能，如A/D、PWM、PCA、计数器的捕获/比较逻辑、高速I/O口、WDT等，已突破了微型计算机的传统内容，所以，更准确地反映单片机本质的叫法应是微控制器。 1.4.1 单片机的发展单片机发展到今天，经历了五个发展阶段：第一阶段（19741976）：单片机的初
13、级阶段。由于生产工艺水平和集成度的限制，单片机采用双片形式，且功能比较简单。第二阶段（19761979）：为低性能单片机阶段。此时的单片机是真正的8位单片微型计算机，体积小，功能全。在单块芯片上已经集成有CPU、并行口、定时器、RAM和ROM等器件。第三阶段（19791982）：为高性能单片机阶段。此时的单片机品种多，功能强，一般片内RAM、ROM都相对增大，寻址范围可达64KB，并有窜行输入/输出口，还可以进行多级中断处理。第四阶段（19821990）：16位单片机和8位高性能单片机并行发展阶段。它们最大的特点是实时处理能力强，生产工艺先进，集成度高、内部功能强，而且允许用户采用工业控制的专
14、用语言编程，如PL/M、C语言、BASIC语言等。第五阶段（1990至今）：1990年2月美国推出的i80860超级单片机轰动了整个计算机界，它的运算速度为1.2亿次/秒，可进行32位整数运算、64位浮点运算，同时片内具有一个三维图形处理器，可构成超级图形工作站。随着半导体技术的发展，巨型计算机但片化将成为现实。目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展，尤其是8位单片机由于它具有价格低廉、应用软件齐全、开发应用方便等特点使它成为当前单片机中的主流，16位单片机和专用单片机也进入普及应用阶段。1.4.2 单片机的应用单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过
15、程控制等领域，大致可分如下几个范畴：（1）在智能仪器仪表上的应用单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。（2）在工业控制中的应用用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。（3）在家用电器
16、中的应用可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。（4）在计算机网络和通信领域中的应用现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。（5）单片机在医用设备领域中的应用单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断
17、设备及病床呼叫系统等等。1.5 PWM技术脉宽调制(PWM:(Pulse Width Modulation)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。PWM控制的基本原理很早就已经提出,但是受电力电子器件发展水平的制约,在上世纪80年代以前一直未能实现.直到进入上世纪80年代,随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展,PWM控制技术才真正得到应用.随着电力电子技术,微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法,如现代控制理论,非线性系统控制思想的应用,PWM控制技术获得了空前的发展.到目前为止,已出现了多种PWM控
18、制技术。PWM控制方法有以下几种:(1) 等脉宽PWM法VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)装置在早期是采用PAM(Pulse Amplitude Modulation)控制技术来实现的,其逆变器部分只能输出频率可调的方波电压而不能调压.等脉宽PWM法正是为了克服PAM法的这个缺点发展而来的,是PWM法中最为简单的一种.它是把每一脉冲的宽度均相等的脉冲列作为PWM波,通过改变脉冲列的周期可以调频,改变脉冲的宽度或占空比可以调压,采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化.相对于PAM法,该方法的优点是简化了电路结构,提高了输入端的功率因数,但同时也存
19、在输出电压中除基波外,还包含较大的谐波分量。(2)等面积法该方案实际上就是SPWM法原理的直接阐释,用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替正弦波,然后计算各脉冲的宽度和间隔,并把这些数据存于微机中,通过查表的方式生成PWM信号控制开关器件的通断,以达到预期的目的.由于此方法是以SPWM控制的基本原理为出发点,可以准确地计算出各开关器件的通断时刻,其所得的的波形很接近正弦波,但其存在计算繁琐,数据占用内存大,不能实时控制的缺点。(3)软件生产法由于微机技术的发展使得用软件生成SPWM波形变得比较容易,因此,软件生成法也就应运而生.软件生成法其实就是用软件来实现调制的方法,其有两种基本算法,即
20、自然采样法和规则采样法。以正弦波为调制波,等腰三角波为载波进行比较,在两个波形的自然交点时刻控制开关器件的通断,这就是自然采样法.其优点是所得SPWM波形最接近正弦波,但由于三角波与正弦波交点有任意性,脉冲中心在一个周期内不等距,从而脉宽表达式是一个超越方程,计算繁琐,难以实时控制。规则采样法是一种应用较广的工程实用方法,一般采用三角波作为载波.其原理就是用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波,再以阶梯波与三角波的交点时刻控制开关器件的通断,从而实现SPWM法.当三角波只在其顶点(或底点)位置对正弦波进行采样时,由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽,在一个载波周期(即采样周期)内的位置是对称的,这种
21、方法称为对称规则采样.当三角波既在其顶点又在底点时刻对正弦波进行采样时,由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽,在一个载波周期(此时为采样周期的两倍)内的位置一般并不对称,这种方法称为非对称规则采样。规则采样法是对自然采样法的改进,其主要优点就是是计算简单,便于在线实时运算,其中非对称规则采样法因阶数多而更接近正弦.其缺点是直流电压利用率较低,线性控制范围较小。1.6 设计的任务和要求(1) 本课题的主要任务以8051单片机为控制核心，以直流伺服电机为控制对象，设计一个以键盘给定为输入，以转角为输出的位置伺服控制系统。(2) 技术参数及性能参数 控制系统的性能指标要求控制精度：无差最大超调量：25
22、调节时间：0.3S 系统控制功能要求：单片机控制对键盘输入的给定转角（0360），实现快速、准确的输出转角定位。 原系统对象参数直流伺服电机型号S221D；额定电流IN=1.5A；额定电压UN=24V；额定功率PN=13W；额定转速nN=3600rpm；减速器速度比i=100：1。第2章 硬件电路设计2.1 总体方案本次设计课题是个位置随动控制系统，它要求系统能够准确快速的跟踪给定，给定变化了，系统也要随之快速变化。由于本课题是要求控制伺服电机的输出转角，控制转角可以通过控制电机电枢电流控制电机转速，从而达到控制电机转角的目的。电机的转速很高（nN=3600rpm），而控制对象是电机的角度，这
23、就要求电机不能运行在高速状态下，所以要用减速器对电机减速。反馈检测部分采用光电编码器进行检测，考虑到转角有正反转，增量式光电编码器可以方便的检测出电机的正反转，并且可以根据光电编码器的输出脉冲数计算出转角，所以增量式光电编码器是很好的选择。因此可以将系统设计为如图2-1所示的位置闭环控制系统。图2-1 单片机直流伺服系统框图单片机模块主要实现给定转角输入、输出转角显示；大功率驱动模块将实现PWM波形产生、电机输入信号的产生；测量检测模块作为反馈部分，它要完成一下几点要求：首先，它必须要检测出当前系统输出的转角以便与给定做比较；其次，转角检测出来后要经过一些变换为单片机能够处理的数字信号。主要的
24、控制思想如下：系统以STC89C51单片机为控制核心，由键盘输入给定量（要求的转角），给定量经过单片机处理送入D/A转换器，输出模拟量控制信号，该模拟量控制信号再经过功率驱动模块的PWM调制、功率放大输出控制电机运转的电压信号u，经过减速器减速后，通过增量式光电编码器检测，输出可以反映电机转向的两路相差1/4周期的方波信号，该信号经过辨向电路和用来检测转角变化的测量电路反馈给单片机。2.2 单片机系统设计单片机将CPU、RAM、ROM、定时器/计数器、输入/ 输出（I/O）接口电路、中断、串行通信接口等主要计算机部件集成在一块大规模集成电路芯片上，组成单片微型计算机。虽然它的形态只是一块芯片，
25、但它已具有了微型计算机的结构和功能，由于单片机的结构特点，在实际应用中常常将它完全融入应用系统之中。单片机的特点除了体积小、功耗底、价格便宜外，还有通用性强；面向控制；可靠性高、抗干扰能力强；具有掉电保护； I/O接口功能很强，便于扩展；应用研制周期短，开发效率高等特点。由于我们是以MCS-51系列单片机为学习对象学习认识单片机的，对该系列单片机较为熟悉，再者，根据系统的功能要求，MCS-51单片机足以胜任，所以我选用的是MCS-51系列单片机的STC89C51单片机。2.2.1 MCS-51单片机简介通用型单片机的种类很多，且适合不同应用场合的新产品不断出现。就目前我国的应用情况看，以8位中
26、档MCS-51系列单片机的应用最为普遍，并把它作为实现实时监测及控制等应用领域中的优选机种。MCS-51系列单片机的主要性能如下：（1）8位字长CPU和指令系统。（2）1个片内时钟震荡器和时钟电路。（3）64K外部数据存储器的地址空间。（4）64K外部程序存储器的地址空间。（5）32条双向且分别可位寻址的I/O口线。（6）128的片内RAM。（7）两个16位定时器/计数器。（8）具有2个优先级的5个中断源结构。MCS-51系列不同类型的单片机除上述主要特性外，还有一些不同的附加属性。2.2.2 MCS-51单片机的内部结构MCS-51单片机的功能模块框图如图2-2所示。由图可见，MCS-51单
27、片机是由8位CPU、只读存储器EPROM/ROM、读写存储器RAM、并行I/0口、串行I/0口、定时器/计数器、中断系统、振荡器和时钟电路等部分组成，各部分之间通过内部总线相连。图2-2 MCS-51单片机的功能模块框图单片机的主要管脚是：数据总线；地址总线；控制总线WR、RD、ALE、PSEN、RST；外部中断请求信号INT0、INT1；串行通信线RXD、TXD；插口译码线PS；电源VCC、GND各两根。都是采用40管脚双列直插式封装。图2-3所示为MCS-51的内部结构框图。图2-3 MCS-51的内部结构框图MCS-51单片机的核心部分是中央处理器CPU，它由运算器和控制器两大部分组成。
28、运算器用来完成算术运算、逻辑运算和进行位操作，由算术逻辑单元（ALU）、位处理器、累加器ACC、寄存器B、暂存器TMP1和TMP2等组成，与一般运算器的作用类似。控制器是用来统一指挥和控制计算机进行工作的部件，它由定时和控制逻辑、内部震荡电路OSC、指令寄存器及其译码器、程序计数器PC及其增量器、程序地址寄存器、程序状态字寄存器PSW、RAM地址寄存器、数据指针DPTR、堆栈指针SP等部分组成。2.2.3 功能模块的设计MCS-51单片机在简单的场合下应用，几乎不需要增加其他的硬件资源，就可构成一个最小的应用系统，使用非常方便。但是对于一般应用系统，必须在片外扩展相应的硬件。我们以单片机的引脚
29、为基础设计了多种I/O接口通用模块如：存储器扩展模块（通过跳线可选择用于程序存储器或数据存储器的扩展）、A/D转换模块（ADC0809）、D/A转换模块（DAC0832）、键盘与显示器控制模块（8255）、与PC通信的串行通信模块（经RS232接口）、定时/计数器模块（8253）、可编程接口模块等，在实际应用中使用者可根据需要选择不同的模块进行配置。根据本系统的控制要求，CPU主板上选用了STC89C51芯片，片内有4K flash程序存储器已可以满足需要，另还须配置数/模转换、键盘/显示器控制、定时器/计数器以及控制程序存储器等模块。（1）定时/计数器模块由于STC89C51中仅有两个计数器
30、，而系统采样定时需占用一个计数器。本系统中要求伺服电动机可以正反向转动，在转角测量要求能进行可逆计数，所以必须进行计数器扩展。可编程定时/计数器芯片的型号类型多种多样，大部分的外型引脚及功能设置都相差无几，只是在工作的最高频率上有些差别，例如：8253-5型为5MHz，5254-2型为10MHz，另外还有其它频段的兼容芯片。本设计采用了可编程定时/计数器芯片8253作为可逆计数器。定时/计数器8253是24脚双列直插式芯片，+5V电源供电。每个芯片内部有3个独立的计数器，每个计数器都有自己的时钟输入CLK、计数输出OUT和门控制信号GATE。通过编程选择计数器和设置工作方式，计数器既可以作计数
31、器用，也可作定时器用。R(_)D(_)、W(_)D(_)读写引脚，低电平有效，是CPU对8253进行读写操作的命令输入端；A1和A0是地址线，它们和片选信号C(_)S(_)一起确定了8253的命令寄存器和3个计数器的端口地址。通过编程可设置计数器的工作方式和选择哪个计数器工作。定时计数模块的功能：要了解计数模块的工作情况，先要了解下其基本的计数原理，然后加以利用。图2-4为计数器结构示意图。它包括：16位的计数初值寄存器CR，16位的计数执行部件CE和16位的输出锁存器OL。计数器的基本操作过程如下：CPU对计数器初始化，写入控制字和计数初值，计数初值写入计数初值寄存器CR。触发计数工作时，C
32、R内容送入计数执行部件CE，由计数执行部件CE对CLK端输入的脉冲进行减一计数，减一结果同时送入OL锁存。CPU用OUT指令向CR预置计数初值，用IN指令读出OL的数值。图2-4 计数器结构示意图由上面的计数器操作过程可以看出CPU可以读出输出锁存器OL中的值，也即可以得到计数初值寄存器CR中初值的变化情况，所以我们可以把给定量存放在CR中，每个采样周期读取OL中的值，计算出偏差，从而调整输入量。CLK0/CLK1分别接收来自整形变相电路送来的两个脉冲信号CP+/CP-，OL中的值随着这两个脉冲信号而改变。因此设计了如图2-5所示的计数电路。图2-5 定时/计数模块电路（2）键盘/显示器控制模
33、块在单片机应用系统中，为了了解控制系统的工作状态以及向系统输入数据和控制命令，一般都需要设置人机交互界面，即键盘/显示器电路。本系统的键盘/显示器控制模块是以8255接口芯片为核心构成的。 键盘模块单片机应用系统所用的键盘有编码键盘和非编码键盘两种。编码键盘除了按键外，还包括产生键码的硬件电路、去抖动电路和多键串键保护电路。每按下一个键，能自动产生这个键的键码，与此同时，产生一个脉冲信号，通知CPU接收。这种键盘使用方便，接口程序简单，但需要较多的硬件。非编码键盘仅由排成行列矩阵形式的按键组成，其大小可在单片机内存范围内进行任意设定。按键的作用只是简单的实现接点的接通和断开，键的去抖动、键的编
34、码的形成和键的识别等均由软件实现。非编码键盘的硬件电路简单，构成所需要组成元件经济,但程序较复杂。为了降低系统硬件的复杂程度，采用的是非编码键盘。由于本系统所需的按键较多所以键盘的接口方式采用的是矩阵方式。本系统由8255芯片和单片机组成矩阵式键盘接口。8255是个典型的可编程通用并行接口芯片，它有三个8位的并行口PA、PB、PC口。有三种工作方式。通过编程可以选择其工作方式，并且可以使三个口作为输出口或者输入口。该键盘是由8255的PB0PB4口作为输入口线及PC0PC3口作为输出口线构成的5行4列矩阵式键盘。在接口方面，8255是通过片选端、端口地址选择信号A0、A1、读写控制信号、，来实
35、现CPU与芯片间命令字或数据传送。键盘接口电路如图2-6所示。图2-6系统键盘接口电路 显示模块单片机应用系统显示电路一般都采用点阵式或是数码管（LED）或者是液晶（LCD）显示方法。LCD显示器具有体积小、质量轻，低电压、微功耗、抗干扰能力强等优点，但其价格较贵，而且显示需要相应的字模程序，较为麻烦。数码管具有既省电、成本低，而且配置灵活、接口方便等优点，相比较而言，本系统选用数码管显示方法更为合适。对于多位LED显示器，通常都是采用动态扫描的方法进行显示，即逐个地循环点亮各位显示器。这样虽然在任一时刻只有一位显示器被点亮，但是由于人眼具有视觉残留效应，看起来与全部显示器持续点亮效果完全一样
36、。为了实现LED显示器的动态扫描，除了要给显示器提供段的输入之外，还要对显示器选择位的控制，这就是通常所说的段控和位控。因此，多位LED显示器接口电路要有两个输出口，其中一个用于输出8条段控线（含有小数点显示）；另一个用于输出位控线，位控线等的数目等于显示器的位数。为了减小CPU资源占用率，减少软件的设计量，显示模块选用了Intel公司开发的接口芯片8255。8255作为输出锁存口。A口作为段空口，输出8位字形代码。段控线的负载电流约为8mA，为提高显示亮度，通常用74LS244进行段控输出驱动。C口作为位控口，以PC0PC7输出位控线。由于位控线的驱动电流较大，8段全亮时约为4060mA，因
37、此位控信号加集电极开路门74LS06进行反向和提高驱动能力，然后再接各LED显示器的位控端。在接口方面，8255是通过片选端、端口地址选择信号A0、A1、读写控制信号、，来实现CPU与芯片间命令字或数据传送。 图2-7所示为8255显示器接口电路。图2-7 8255显示器接口电路（3）D/A转换电路模块系统中从单片机出来的是数字信号，而控制电机运行的是电压模拟信号，因此系统必须要用到D/A转换电路将数字量控制信号转换为模拟量控制信号。由于本人在学习D/A转换电路时，是以INTEL公司D/A转换芯片DAC0832为对象学习D/A转换电路，对该芯片比较熟悉，所以在本系统设计中D/A转换电路中的数模
38、转换芯片采用的是DAC0832芯片。DAC0832是双列直插式具有两个输入寄存器的8位D/A转换器，可以直接与8位微处理器直接相连。其主要技术特性：分辨率为8位；基准电压工作范围+10-10V；供电电源为+5+15V，电源稳定时间为1us，功耗为20mW；所有引脚的逻辑电平与TTL电平兼容。由于DAC0832具有两级寄存器，因此有三种工作方式：直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式。两级寄存器锁存控制信号为：输入锁存允许信号、片选信号、写信号1、写信号2和传送控制信号，将它们与单片机进行不同的连接时可获得三种不同的工作方式。DAC0832是电流输出型的数模转换器，而控制电机的信号是电压信号，因此需要
39、相应的转换电路将电流信号转换为电压信号。因此设计了图2-10右半部分的运算放大器转换电路。图2-8所示为D/A转换模块的原理图，DAC0832的两个寄存器同时选通和锁存，即采用的是单缓冲型工作方式，双极性输出方式可以满足系统的双极性控制。图2-8 D/A转换模块（4）译码电路设计在单片机系统中为了使系统正常工作，在每次对存储器及接口操作时只能选中一个芯片。因此，在设计单片机系统时，要让每个芯片具有独立的地址范围或地址，也就是对每个芯片的片选信号能独立控制。本系统用到了8253、8255、0832这三个芯片，因此要确定它们各自的地址范围或地址。通常确定地址，也即控制片选的方法有线选法和译码法两种
40、。线选法是利用单片机高位没有用到的地址线直接作扩展芯片的片选信号。此法结构简单，易理解。在确定地址时，只要将接至该芯片的片选位取“0”，其他位取“1”即可。但这种方法得到各个芯片的地址不是唯一地，也可能使各芯片的地址不连续。在设计单片机系统时，利用单片机高位没有用到的地址线经过译码器后与扩展的芯片的片选连接，此种方法称为译码法。译码法通常要用到译码器，例如：74LS139(两组2-4译码器)、74LS138（3-8译码器）、74LS154（4-16译码器）等。虽然译码法要用到译码器，而线选法不用，但线选法确定的芯片的地址不是唯一的，而且芯片的地址不连续，为了译码方便，决定还是用译码法。译码器选
41、用74LS138译码器。74LS138译码器是用TTL与非门组成的3线-8线二进制译码器。根据输入端的电平信号，8个输出只有一个输出低电平，其他的输出高电平。具体译码电路如图2-9所示。图2-9 译码电路由图2-9可以看出，译码器138的输入端分别接STC89C51的P2口的P2.5、P2.6、P2.7。输出端的Y0、Y1、Y2分别接到芯片8253、8255和0832的片选端。因此很容易得到这三个芯片的端口地址分别是：1FFFH、3FFFH和5FFFH。2.3 功率驱动模块设计2.3.1 功率驱动模块方案的选择（1）H型双极模式PWM控制H型双极模式PWM功率驱动电路主要由PWM功率转换电路、
42、脉宽调制电路、基极驱动电路和保护电路组成，而控制核心是PWM功率转换电路。H型双极模式PWM的功率转换电路如图2-10所示。它由四个大功率晶体管GTR和四个续流二极管组成。四个大功率晶体管分为两组，V1和V4为一组，V2和V3为一组。To同一组中的两个晶体管同时导通和关断，两组晶体管之间是交替的轮流导通和截止的。也即基极驱动信号ub1=ub4，ub2=ub3=-ub1。由于允许电流反向，所以双极模式工作时电枢电流始终是连续的。图2-10 H型双极模块式PWM功率转换电路（2）模块化PWM功率驱动控制随着微电子技术和电力电子技术的发展以及工业界对系统可靠性和小型化的要求，许多厂商相继推出了各种伺
43、服电机控制的驱动模块。这类模块化驱动控制器件的相继出现，不仅减小了驱动装置的尺寸和成本，且大大方便了使用，用户可灵活地构成直流模拟式或数字式的小型化/高可靠运行的伺服系统。由美国KOLLMORGEN公司生产的型号为KXA-48-8-16/M /AUX的PWM伺服放大器（PWM Servo Amplifier）就是这种模块化的驱动控制器件。它集功率放大器模块、PWM调制模块、电路保护模块和电源模块于一体，不需要使用者再具体设计这些模块，为设计者带来了极大的便利。对比上面两种方案，可以看出:H型双极模式PWM控制需要分别设计各个模块，而模块化PWM功率驱动控制则不需要，因此本系统就是用KAX作为功
44、率驱动模块的。2.3.2 PWM伺服放大器简介KXA是专为多种直流伺服电机设计的伺服驱动器。它是一款采用模块化结构设计驱动性能优良的PWM伺服放大器，具有结构紧凑、功能完善等特点。KXA有两种组装形式，一种是单独的伺服放大器组装形式，另一种是具有电源模块组装形式。KXA的主要部分为PWM调制和功率放大器模块，它内部还包含有主回路电流检测传感器，已经具有一个电流控制回路。在模块中还有辅助电源，可以为其他外围设备提供供电电源。选用不同的组装形式时，放大器模块可以由外部提供的直流电源供电或电池供电，也可以由外部提供交流电源到一个附加的变压器，经电源模块整流滤波后供电。对于具有电源模块组装形式，只须在
45、电源输入模块中增加一个变压器，就可以使KXA成为一个独立的放大器。KXA具有强大的短路、过流和电源保护、主回路电流限定值的设定和保护电机的功能。在KXA伺服放大器中，为了防止转速过大和反馈超过额定值，内部电路中有一个并联的速度调节器。由电路板上的跳线，可选择KXA工作在有测速或无测速闭环控制模式。KXA系列的开关频率为40KHz，在这样的频率下，电流环具有很宽的频带，能满足大部分伺服应用场2.3.3 KXA结构及接线KXA伺服放大器方框图（Block Diagram）如图3-11所示速度调节器电流调节器PWM调制功率放大器电流检测故障逻辑控制电源模块AC输入电动机DC-DC转换器图2-11 K
46、XA模块结构示意图由图可见，KAX主要由功率放大器模块、PWM调制模块、具有主回路电流检测及电流调节器构成的电流控制回路、故障逻辑控制电路和电源模块。KAX的最大特点是它的故障逻辑控制模块，它包括故障检测、过电流检测、过电压检测和过温检测。这些保护措施是设计人员在设计产品时必须考虑的，而且往往较为麻烦。KAX的这种设计为工程设计人员带来了极大的方便。设置开关和在不同位置以及不同的输入信号时，可以得到已经具有电流控制回路的不同结构的直流伺服控制系统。当开关SW-1处于下位、SW-2处于上位时，可以构成一个具有电流环和速度环的双闭环直流调速系统。当开关SW-2处于下位，不经过速度调节器时，可以构成
47、一个具有位置环和电流环的位置控制系统。本系统就是利用它的位置环和电流环位置控制构成方式来控制电机的输出转角，因此KAX的接线方式是：D/A模块输出的模拟量控制信号由IN2（TB1的3端）输入KAX，开关SW-2处于下位，V-（TB2的4端）接地、V+（TB2的3端）接+24V直流电压，M-、M+接电机。2.4 测量电路设计位置测量元件是闭环控制系统中的重要部件之一，它的作用是检测位移（角位移或线位移）并发出反馈信号，起着相当于人眼的作用。一个完善的闭环伺服系统，其定位精度和加工、测量精度主要由测量元件决定，因此，高精度伺服系统对测量元件的质量要求相当高。光电编码器是现代伺服系统中必不可少的一种
48、数字式速度和位置测量元件，被广泛应用于微处理器控制的闭环控制系统中。本系统使用的是沈阳光机研究所生产的增量式光电编码器。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。2.4.1 光电编码器增量式光电编码器由光源、光电转盘、光敏元件、光电整形放大电路四部分组成。光电转盘与被测轴联接，光源通过光电转盘的透光孔射到光敏元件上，当转盘旋转时，光敏元件便发出与转速成正比的脉冲信号。为了适应可逆控制以及转向的判别，光电编码器输出两路（A相、B相）相隔脉冲周期的正交脉冲。若转盘顺时针转时A相超前B相，则逆时针转时B相超前A相，如图
