I目錄摘要IAbstract1第1章緒論11.1電力電子技術11.2伺服控制技術11.3控制電機21.4單片機21.4.1單片機的發(fā)展21.4.2單片機的應用31.5PWM技術41.6設計的任務和要求5第2章硬件電路設計62.1總體方案62.2單片機系統(tǒng)設計62.2.1MCS-51單片機簡介72.2.2MCS-51單片機的內部結構72.2.3功能模塊的設計92.3功率驅動模塊設計142.3.1功率驅動模塊方案的選擇142.3.2PWM伺服放大器簡介152.3.3KXA結構及接線152.4測量電路設計162.4.1光電編碼器162.4.2整形辨相電路17第3章直流伺服電動機193.1對直流伺服電動機的要求193.2直流伺服電動機的分類193.2.1高速直流伺服電動機193.2.2低速大扭矩寬調速電動機203.3直流電動機轉矩平衡方程式213.4電動機的電壓平衡方程式22II第4章單片機直流伺服系統(tǒng)的軟件設計244.1主程序設計244.2監(jiān)控管理程序設計254.2.1鍵盤/顯示器基本程序設計254.2.2功能鍵處理程序設計264.3T0中斷服務（控制）程序設計284.4PID控制算法子程序29結束語31參考文獻32致謝33附錄單片機直流伺服系統(tǒng)原理圖34I單片機直流伺服系統(tǒng)設計摘要：隨著數(shù)字技術的高速發(fā)展和新型執(zhí)行機構的出現(xiàn)、大功率電力電子器件的誕生以及數(shù)字技術的快速發(fā)展，伺服控制系統(tǒng)的優(yōu)勢在國民生產中發(fā)揮得淋漓盡致。通過調節(jié)電樞電壓可以很方便地實現(xiàn)對轉速的控制，并能在一定范圍內實現(xiàn)位置控制，直流伺服系統(tǒng)因此被應用于對系統(tǒng)性能要求較高的場合。本文詳細介紹了單片機直流伺服控制系統(tǒng)的組成和原理。著重介紹單片機直流伺服控制系統(tǒng)的硬件電路設計，同時詳細介紹了模塊化PWM功率驅動的結構和應用及其相關的保護電路。認真分析了各個模塊的功能及作用，較系統(tǒng)的介紹了模塊化程序設計。關鍵字：直流伺服；KAX；模塊化功率驅動；單片機；整形變相；1TheDesignofSingle-chipDCservoControlsystemAbstract:Withtherapiddevelopmentofdigitaltechnologyandtheemergenceofnewimplementingagencies,high-powerpowerelectronicdevices,aswellasthebirthoftherapiddevelopmentofdigitaltechnology,theadvantagesofservo-controlsystemofthenationalproductonitshead.Byadjustingthearmaturevoltagecanbeeasilycontrolledtoachievespeed,andcanachieveacertainpositioncontrol,DCservosystemwasusedinhigherperformancerequirementsonthesystemtodoso.Thispaperdescribesasingle-chipDCservocontrolsystemandprinciplesofcomposition.Focusedonsingle-chipDCservocontrolsystemhardwarecircuitdesign,whiledetailsofPWMpower-drivenmodularstructureandtheapplicationanditsassociatedprotectioncircuitry.Acarefulanalysisofthevariousmodulesofthefunctionandrole,amoresystematicintroductionofamodularprogramdesign.Keywords:DCservo；KAX；modularpower-driven；singlechip；plasticdisguiser；1第1章緒論1.1電力電子技術電力電子技術廣泛用于電氣工程中，各種電力電子裝置廣泛應用與高壓直流輸電、靜止無功補償、電力機車牽引、交直流電力傳動、電解、勵磁、電加熱、高性能交直流電源等電力系統(tǒng)和電氣工程中。電力電子技術是電氣工程學科中的一個最活躍的分支。控制理論廣泛用于電力電子技術中，它使電力電子裝置和系統(tǒng)的性能不斷滿足人們日益增長的各種需求。電力電子技術可以看成是弱電控制強電的技術，是弱電和強電之間的接口。而控制理論則是實現(xiàn)這種接口的一條強有力的紐帶。另外，控制理論和自動化技術密不可分，而電力電子裝置則是自動化技術的基礎元件和重要支撐技術。電力電子學是隨著電力半導體器件的發(fā)展而發(fā)展的。1948年晶體管的發(fā)明，使電子工業(yè)產生了一次革命。1957年晶閘管的出現(xiàn)和在電力領域中的應用，實質上就是電力電子學的開端（晶閘管雛形再1956年由貝爾電話研究所JohnMoll研制出來，1958年由通用電氣公司的RAYork等完成了其生產工藝，并開始將其應用于電力控制）。1980年可關斷晶閘管GTO的商品化（2500V/1000V）,使電力電子學向前推進了一大步。1975年美國Siliconix公司制造出V型溝道的金屬氧化物半導體場效應功率晶體管，即MOSFET。1988年IGBT的出現(xiàn)，它集功率晶體管BJT和場效應功率晶體管的優(yōu)點于一體，這是電力半導體器件向理想化方面邁進的最重大事件，使電力電子學的發(fā)展進入到一個日新月異的階段。1.2伺服控制技術伺服控制技術是自動化學科中與產業(yè)部門聯(lián)系最緊密、服務最廣泛的一個分支。自從第二次世界大戰(zhàn)期間雷達和火炮伺服系統(tǒng)出現(xiàn)以來，在近半個世紀中，伺服控制技術及其系統(tǒng)在工業(yè)、農業(yè)、國防等各個領域都得到了廣泛的應用。伺服控制經歷了發(fā)電機-電動機系統(tǒng)、交磁電機擴大機控制、磁放大器控制、晶閘管控制、晶體管控制、集成電路控制、計算機控制的發(fā)展過程，至今已經進入一個全新的鼎盛時期。反映這一時期的現(xiàn)代伺服控制技術及其系統(tǒng)的主要特征可以概況為：全控型電力電子器件組成的脈寬調制技術在伺服功率驅動中的廣泛應用；微處理機特別是單片數(shù)字信號處理器（DSP）在伺服系統(tǒng)中的普遍應用，使得現(xiàn)代控制理論逐漸工程使用化；各種伺服控制原件與線路向著集成化、數(shù)字化、功能化、模塊化、智能化，以便于計算機控制的方向發(fā)展；伺服系統(tǒng)的可靠性設計及其自診斷技術伴隨著系統(tǒng)功能、性能以及復雜化程度的升級而受到人們的普遍重視。21.3控制電機在各類自動控制系統(tǒng)、遙控和解算裝置中，需要用到大量的各種各樣的元件。控制電機就是其中的重要元件之一。它屬于機電元件，在系統(tǒng)中具有執(zhí)行、檢測和解算的功能。雖然從基本原理來說，控制電機與普通旋轉電機沒有本質上的差別，但后者著重于對電機的力能指標方面的要求，而前者則著重于對特性、高精度和快速響應方面的要求，滿足系統(tǒng)對它提出的要求?？刂齐姍C已經成為現(xiàn)代工業(yè)自動化系統(tǒng)、現(xiàn)代科學技術和現(xiàn)代軍事裝備中不可缺少的重要元件。它的應用范圍非常廣泛，例如，火炮和雷達的自動定位，艦船方向舵的自動操縱，飛機的自動駕駛，遙遠目標位置的顯示，機床加工過程的自動控制和自動顯示，閥門的遙控，以及機器人、電子計算機、自動記錄儀表、醫(yī)療設備、錄音錄像設備等中的自動控制系統(tǒng)。1.4單片機隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，可以將CPU、RAM、定時器/計數(shù)器以及輸入/輸出（I/O）接口電路等計算機部件，集成在一塊電路芯片上。這樣所組成的芯片級的微型計算機稱為單片微型計算機（singlechipmicrocomputer），直譯為單片微機或單片機。雖然單片機只是一個芯片，但從組成和功能上，它已具有了微機系統(tǒng)的含義。由于單片機從功能和形態(tài)來說都是應控制領域應用的要求而誕生的，并且發(fā)展到新一代80C51、M68HCO5、M68HC11系列單片機時，在其中擴展了各種控制功能，如A/D、PWM、PCA、計數(shù)器的捕獲/比較邏輯、高速I/O口、WDT等，已突破了微型計算機的傳統(tǒng)內容，所以，更準確地反映單片機本質的叫法應是微控制器。1.4.1單片機的發(fā)展單片機發(fā)展到今天，經歷了五個發(fā)展階段：第一階段（19741976）：單片機的初級階段。由于生產工藝水平和集成度的限制，單片機采用雙片形式，且功能比較簡單。第二階段（19761979）：為低性能單片機階段。此時的單片機是真正的8位單片微型計算機，體積小，功能全。在單塊芯片上已經集成有CPU、并行口、定時器、RAM和ROM等器件。第三階段（19791982）：為高性能單片機階段。此時的單片機品種多，功能強，一般片內RAM、ROM都相對增大，尋址范圍可達64KB，并有竄行輸入/輸出口，還可以進行多級中斷處理。第四階段（19821990）：16位單片機和8位高性能單片機并行發(fā)展階段。它們最3大的特點是實時處理能力強，生產工藝先進，集成度高、內部功能強，而且允許用戶采用工業(yè)控制的專用語言編程，如PL/M、C語言、BASIC語言等。第五階段（1990至今）：1990年2月美國推出的i80860超級單片機轟動了整個計算機界，它的運算速度為1.2億次/秒，可進行32位整數(shù)運算、64位浮點運算，同時片內具有一個三維圖形處理器，可構成超級圖形工作站。隨著半導體技術的發(fā)展，巨型計算機但片化將成為現(xiàn)實。目前，單片機正朝著高性能和多品種方向發(fā)展，尤其是8位單片機由于它具有價格低廉、應用軟件齊全、開發(fā)應用方便等特點使它成為當前單片機中的主流，16位單片機和專用單片機也進入普及應用階段。1.4.2單片機的應用單片機廣泛應用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設備、航空航天、專用設備的智能化管理及過程控制等領域，大致可分如下幾個范疇：（1）在智能儀器儀表上的應用單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點，廣泛應用于儀器儀表中，結合不同類型的傳感器，可實現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素、壓力等物理量的測量。采用單片機控制使得儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化，且功能比起采用電子或數(shù)字電路更加強大。例如精密的測量設備（功率計，示波器，各種分析儀）。（2）在工業(yè)控制中的應用用單片機可以構成形式多樣的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。例如工廠流水線的智能化管理，電梯智能化控制、各種報警系統(tǒng)，與計算機聯(lián)網(wǎng)構成二級控制系統(tǒng)等。（3）在家用電器中的應用可以這樣說，現(xiàn)在的家用電器基本上都采用了單片機控制，從電飯褒、洗衣機、電冰箱、空調機、彩電、其他音響視頻器材、再到電子秤量設備，五花八門，無所不在。（4）