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图1 整体流程框图运动控制案例分析大作业所在学院：自动化学院学生姓名：袁博楠所在班级： 2011211402 学生学号: 2011211729 指导教师：叶平2014 年 5 月 25 日一、作业内容：工业机器人关节运动控制系统设计与仿真工业机器人关节是由直流伺服电机驱动，采用双闭环可逆直流脉宽调速系统控制伺服电机来达到对工业机器人关节进行运动控制的目的，从而控制工业机器人的运动。
工业机器人关节的相关参数如下：（1）直流伺服电机参数：P N = 150W, U N = 48V, I N = 4A, n N = 400rpm，反电势系数：C e = 0.12V/rpm，允许过载倍数λ = 2（2）系统主电路总电阻：R = 4Ω（3）电磁时间常数：T1= 0.012s（4）机电时间常数：T m = 0.2s（5）PWM整流装置：放大系数K s = 20, 失控时间T s= 0.15ms（6）电流反馈系数1.25V/A，转速反馈系数0.025V/rpm（7）电流反馈滤波时间常数：T oi = 0.001s，转速率波时间常数：T on = 0.014s（8）额定转速时的给定电压：U nm =10V（9）调节器饱和输出电压：10V（10）工业机器人关节减速比：10工业机器人关节运动控制系统的技术指标：（1）该调速系统能进行平滑的速度调节，具有较宽的调速范围（40rpm ~ 2rpm），系统在工作范围内能稳定工作；（2）系统静特性良好，无静差；（3）动态性能指标：转速超调量小于10%，电流超调量小于5%，动态速降小于85%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）小于0.1s。
设计要求：（1）分析工业机器人关节闭环调速系统的组成，并画出系统框图；（2）依据系统的动静态指标要求，计算调速系统的参数。
确定转速调节器与电流调节器的结构型式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求；（3）利用Matlab对所设计的双闭环调速系统进行仿真实验；（4）整理设计数据资料，撰写相关报告。
伺服电机的控制方式和运动控制系统伺服电机是一种能够根据控制信号精确地控制旋转角度、转速和位置的电机，广泛应用于工业自动化领域。
在实际应用中，为了使伺服电机能够实现精准的控制，需要配合合适的控制方式和运动控制系统。
下面将介绍伺服电机的控制方式和运动控制系统。
一、伺服电机的控制方式1. 位置控制位置控制是指通过控制伺服电机的旋转角度或线性位置来控制工件或设备的位置。
在位置控制中，通常需要通过编码器等反馈装置实时监测伺服电机的位置，从而调整控制信号，使电机按照设定的位置参数进行运动。
2. 速度控制速度控制是指通过控制伺服电机的转速来实现控制目标。
通过调节电机的输入电压、电流或脉冲信号，可以实现对电机转速的精准控制。
速度控制广泛应用于需要稳定速度输出的场合，如汽车行驶控制、风机调速等。
3. 力矩控制力矩控制是指通过控制伺服电机的输出扭矩来实现对负载的力矩控制。
在一些需要对工件施加精确力矩的场合，如加工中心、机器人等，力矩控制是非常重要的控制方式。
二、运动控制系统1. 传感器传感器是运动控制系统中的重要组成部分，用于实时监测电机的位置、速度、力矩等参数。
常用的传感器包括编码器、霍尔传感器、压力传感器等，它们可以将实时采集到的数据反馈给控制系统，实现对电机的闭环控制。
2. 控制器控制器是指控制电机运动的核心部件，根据传感器反馈的数据计算出控制信号，并输出给伺服电机，以实现对其位置、速度或力矩的精准控制。
控制器通常可分为单轴控制器和多轴控制器，用于不同数量的电机同时运动的控制。
3. 运动控制算法运动控制算法是指控制系统中用于计算控制信号的算法，包括位置环控制、速度环控制、力矩环控制等。
运动控制算法的设计和优化对系统的性能和稳定性有重要影响，需要根据具体的应用场景选择合适的算法。
综上所述，伺服电机的控制方式和运动控制系统是伺服系统中至关重要的组成部分，直接影响到系统的性能和稳定性。
通过选择合适的控制方式和运动控制系统，可以实现对伺服电机的精准控制，满足不同应用场景的需求。
成绩运动控制系统课程设计题目: 基于单片机的直流伺服电机PWM控制系统院系名称: 电气工程学院专业班级: xxx 学生姓名: xxx 学号: xxxx 指导教师: 石庆生评语：摘要单片机是应控制领域应用的要求而出现的，随着单片机的迅速发展，起应用领域越来越广。
尽管目前已经发展众多种类的单片机，但是应用较广、也是最成熟的还是最早有Intel开发的MCS-51系列单片机（51系列单片机）。
51系列单片机应用系统已经成为目前主流的单片机应用系统。
直流电机脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation—简称PWM）调速产生于20世纪70年代中期，最早用于自动跟踪天文望远镜，自动记录仪表等的驱动，后来用于晶体管器件水平的提高及电路技术的发展，PWM技术得到了高速发展，各式各样的脉宽调速控制器，脉宽调速模块也应运而生，许多单片机也都有了PWM输出功能。
而MCS—51系列单片机作为应用最广泛的单片机之一，却没有PWM 输出功能，本课设采用配合软件的方法实现了MCS—51单片机的PWM输出调速功能，这对精度要求不高的场合时非常实用的。
目录1、前言 (1)1.1单片机的发展史 (1)1.2本设计任务 (1)2、总体设计方案 (2)3、硬件电路设计 (2)3.1硬件组成 (2)3.2主要器件功能介绍 (3)3.2.1直流伺服电机简介 (3)3.2.2 PWM简介及调速原理 (4)3.2.3 传感器选择 (5)3.3电路组成 (6)3.3.1 晶振电路 (6)3.3.2 复位电路 (6)3.3.3 单相桥式整流电路 (7)3.3.4 调制电路 (7)4、系统软件设计 (8)4.1系统简介及原理 (8)4.2系统设计原理 (8)4.3程序流程图 (10)5、建模 (11)5.1控制框图 (11)5.2参数计算 (12)5.3PWM变换器环节的数学模型 (14)5.4仿真结果图 (14)总结 (16)参考文献 (17)附件1：汇编设计 (18)附件2： (20)1、前言1.1 单片机的发展史单片机作为微型计算机的一个重要分支,应用面很广,发展很快。
基于伺服电机的自动化控制系统设计与实现自动化控制系统在现代工业生产中起着举足轻重的作用，其中基于伺服电机的自动化控制系统更是广泛应用。
本文将针对基于伺服电机的自动化控制系统进行设计与实现的相关内容进行详细介绍，包括系统架构设计、控制策略选择、硬件选型与接口设计、软件开发和系统测试等方面。
一、系统架构设计基于伺服电机的自动化控制系统的架构设计是整个系统设计的基础，它直接决定了系统的可靠性、稳定性和可扩展性。
在进行系统架构设计时，我们需要考虑以下几个方面：1. 系统功能模块划分：根据控制需求，将系统划分为几个功能模块，如运动控制模块、传感器模块、人机界面模块、通信模块等。
2. 模块之间的通信：确定各功能模块之间的通信方式，如通过总线通信还是采用分布式控制策略。
3. 硬件系统选型：选择合适的伺服电机和其他外设硬件设备，并结合各功能模块的通信方式进行硬件系统的选型。
二、控制策略选择基于伺服电机的自动化控制系统的控制策略选择是设计中的重要环节。
根据实际需求和性能要求，我们可以选择以下几种控制策略：1. 位置控制：通过控制伺服电机的位置来实现对被控对象的控制。
2. 速度控制：对伺服电机的速度进行控制，实现对被控对象的速度调节。
3. 力控制：控制伺服电机的力输出，实现对被控对象的精准力控制。
4. 角度控制：通过控制伺服电机的角度来实现对被控对象的控制。
根据实际需求和性能要求，选取适合的控制策略能够有效提高系统的控制精度和稳定性。
三、硬件选型与接口设计合适的硬件选型和接口设计是基于伺服电机的自动化控制系统实现的关键。
在进行硬件选型和接口设计时，我们需要考虑以下几个方面：1. 伺服电机选型：根据控制需求和负载特点，选择合适类型的伺服电机，如直线伺服电机、旋转伺服电机等。
2. 传感器选型：根据控制需求，选取合适的传感器，如编码器、力传感器等。
3. 硬件接口设计：根据选用的硬件设备，进行硬件接口设计，包括电源接口、通信接口、编码器接口等。
最全直流电机工作原理与控制电路解析（无刷+有刷+伺服+步进）直流电动机是连续的执行器，可将电能转换为（机械）能。
直流电动机通过产生连续的角旋转来实现此目的，该角旋转可用于旋转泵，风扇，压缩机，车轮等。
与传统的旋转直流电动机一样，也可以使用线性电动机，它们能够产生连续的衬套运动。
基本上有三种类型的常规电动机可用：AC 型电动机，（DC）型电动机和步进电动机。
典型的小型直流电动机交流电动机通常用于高功率的单相或多相（工业）应用中，需要恒定的旋转扭矩和速度来控制大负载，例如风扇或泵。
在本（教程）中，我们仅介绍简单的轻型直流电动机和步进电动机，这些电动机用于许多不同类型的（电子），位置控制，微处理器，（PI）C和（机器人）类型的电路中。
基本直流电动机该直流电动机或直流电动机，以给它的完整的标题，是用于产生连续运动和旋转，其速度可以容易地控制，从而使它们适合于应用中使用是速度控制，伺服控制类型的最常用的致动器，和/或需要定位。
直流电动机由两部分组成，“定子”是固定部分，而“转子”是旋转部分。
结果是基本上可以使用三种类型的直流电动机。
有刷（电机）–这种类型的电机通过使（电流）流经换向器和碳刷组件而在绕线转子(旋转的零件)中产生磁场，因此称为“有刷”。
定子(静止部分)的磁场是通过使用绕制的定子励磁绕组或永磁体产生的。
通常，有刷直流电动机便宜，体积小且易于控制。
无刷电动机–这种电动机通过使用附着在其上的永磁体在转子中产生磁场，并通过电子方式实现换向。
它们通常比常规的有刷型直流电动机更小，但价格更高，因为它们在定子中使用“霍尔效应”开关来产生所需的定子磁场旋转顺序，但是它们具有更好的转矩/速度特性，效率更高且使用寿命更长比同等拉丝类型。
伺服电动机–这种电动机基本上是一种有刷直流电动机，带有某种形式的位置反馈控制连接到转子轴。
它们连接到PWM型控制器并由其控制，主要用于位置（控制系统）和无线电控制模型。
普通的直流电动机具有几乎线性的特性，其旋转速度取决于所施加的直流电压，输出转矩则取决于流经电动机绕组的电流。
二直流无刷电机工作原理及换向初始化直流无刷电机在结构上与三相永磁同步电动机相同，但控制原理却与直流有刷电动机相同。
直流有刷电机通过有刷换向使每个磁极下电枢导体的电流方向保持不变，从而产生能使电机连续旋转的转矩；直流无刷电机是通过电子换向使转子每个磁极下定子绕组导体电流的方向保持不变而产生能使电机连续旋转的转矩。
由于采用电子无刷换向代替直流有刷电机的有刷换向，所以交流永磁同步伺服电机又称直流无刷伺服电机。
直流有刷电动机必须正确调整换向电刷的机械位置才能使电机工作正常。
同样，直流无刷电机加电时必须建立正确的初始换向角，才能使直流无刷电机正常工作。
确定初始换向角的过程称为无刷换向的初始化过程。
为了了解换向初始化过程，必须先了解直流无刷电机的控制原理。
1. 直流无刷电机的控制原理1.1 直流有刷电机的工作原理直流有刷电机由定子（产生主磁场）、转子（电枢）和换向装置（换向片和电刷）组成。
直流有刷电机通过有刷换向使主磁极下的电枢导体的电流方向保持不变，从而使产生转矩的方向不变，使电动机的转子能连续旋转。
为了使直流有刷电动机在电枢绕组流过电流时能产生最大转矩，必须正确调整有刷换向装置中电刷的位置。
下面进行较为详细的讨论。
（1）有刷换向装置的作用有刷换向装置由电刷和换向片组成。
直流有刷电机的电枢绕组为环形绕组，主磁极下的每个电枢导体连接到换向片上。
换向片为彼此绝缘，均匀分布在换向器圆周上的金属片组成。
电刷与换向片滑动接触。
电枢电流通过电刷和连接电枢导体的换向片引入电枢绕组。
电枢旋转时，电刷和换向片就象一个活动接头一样始终与主磁极下的导体连接，使主磁极下电枢导体的电流方向不变，产生使电枢连续旋转的转矩。
（2）产生最大转矩的条件产生最大转矩的条件是：一个磁极下的所有电枢导体的电流方向一致。
或者说，电枢导体产生的合成磁场与主磁场垂直。
（3）直流有刷电机的运行直流有刷电机的运行可用四个基本方程式来描述：①转矩平衡方程式：电流I M流过电枢绕组，载流导体在磁场中受力（受力方向用左手法则判断），产生能使电枢连续旋转的转矩T M。
直流无刷伺服电机运动控制系统设计Motionchip是一种性能优异的专用运动控制芯片，扩展容易，使用方便。
本文基于该芯片设计了一款可用于直流有刷/无刷伺服电机的智能伺服驱动器，并将该驱动器运用到加氢反应器超声检测成像系统中，上位机通过485总线分别控制直流有刷电机和无刷电机，取得了很好的控制效果，满足了该系统的高精度要求。
在传统的电机伺服控制装置中，一般采用一个或多个单片机作为伺服控制的核心处理器。
由于这种伺服控制器外围电路复杂，计算速度慢，从而导致控制效果不理想。
近年来，许多新的电机控制算法被研究并运用于电机控制系统中，如矢量控制、直接转矩控制等。
随着这些控制算法的日益复杂，必须具备高速运算能力的处理器才能实现实时计算和控制。
为了适应这种需要，国外许多公司开发了控制电机专用的高档单片机和数字信号处理器（DSP）。
现在，通常使用的伺服控制器的控制核心部分大都由DSP和大规模可编程逻辑器件组成，这种方案可以根据不同需要，灵活的设计出性能很好的专用伺服控制器，但是一般研制周期都比较长。
MotionChip的特点MotionChip是瑞士Technosoft公司开发的一种高性能且易于使用的电机运动控制芯片，它是基于TMS320C240的DSP，外围设置了许多电机伺服控制专用的可编程配置管脚。
TMS320C240是美国TI公司推出的电机控制专用16位定点数字信号处理器，其具有高速的运算能力和专为电机控制设计的外围接口电路。
MotionChip很好的利用了该DSP的优点，并集成多种电机控制算法于一身，以简化用户设计难度为目的，设计成为一种新颖的电机专用控制芯片。
MotionChip有着集成全部必要的配置功能在一块芯片的优点，它是一种为各种电机类型进行快速和低投入设计全数字、智能驱动器的理想核心处理器。
具有如下特点：?可用于控制5种电机类型：直流有刷/无刷电机、交流永磁同步电机、交流感应电机和步进电机，且易于嵌入到用户的硬件结构中；?可以选择独立或主从方式工作，并可根据需要，设置成通过网络接口进行多伺服控制器协同工作；?全数字控制环的实现，包括电流/转矩控制环、速度控制环、位置控制环；?可实现各种命令结构：开环、转矩、速度、位置或外环控制，步进电机的微步进控制，并可实现控制结构的配置，其中包括交流矢量控制；?可以配置使用各种运动和保护传感器（位置、速度、电流、转矩、电压、温度等）；?使用各种通讯接口，可以实现RS232/RS485通讯、CAN总线通讯；?基于Windows95/98/2000/ME/NT/XP平台，强大功能的IPM Motion Studio 高级图形编程调试软件：可通过RS232快速设置，调整各参数与编程运动控制程序。
其功能强大的运动语言包括：34种运动模式、判决、函数调用，事件驱动运动控制、中断。
因此便于开发和使用。
?可以通过动态链接库TMLlib,利用VC/VB实现PC机控制；也可以与Labview和PLC无缝连接，通过动态链接库，用户可以在上层开发电机的控制程序，研究控制策略。
运动控制系统设计本文是以MotionChip为控制器核心，直流无刷电机/有刷电机/永磁同步电机为控制对象进行伺服驱动器设计。
设计指标为：适应12―36V宽范围直流母线电压输入，工业标准5V逻辑电源输入，最大输出电流3A，峰值电流6A。
在进行伺服控制器设计之前，根据MotionChip的特点和伺服电机的特性进行总体功能设计如下：?采用位置环、速度环、电流环的三环结构；三环都采用PID调节器；电机参数设置采用计算机辅助计算和工程整定相结合的办法；?具有通用伺服控制器接口，并可利用提供的人机接口进行独立参数设置，有网络通讯接口进行独立参数设置，有网络通讯接口方便外部监视和控制。
伺服系统的总体系统结构可以分为：MotionChip最小系统、驱动电路、电流反馈检测、外部控制接口、通讯接口等，如图1所示。
伺服驱动器的硬件结构分为2个主要部分：驱动电路部分：主要包括逆变桥、前置驱动、电流检测；控制电路部分：包括反馈检测、外部控制接口、通讯接口、MotionChip最小系统。
控制系统设计在MotionChip的基本系统中，选用美国 Xicor公司的SPI串行EEPROM：X25650来存储TML运动指令。
该EEPROM的存储容量为8K×8bit，最大时钟频率可达5MHz。
由于在MotionChip正常运行时指令访问时间21ns，所以为了使程序高速有效的运行，增加了2片32可×8bit的静态RAM：ASC256-12JC，该SRAM的存取时间为12ns，所以MotionChip对该芯片的存取时间为12ns，所以MotionChip对该芯片的存取数据时不需要插入等待状态。
并且该SRAM具有较低的活跃功耗，在待机状态时可自动进入更加低功耗的节能状态。
MotionChip芯片本身提供了电机控制专用的接口，包括6路PWM信号，在使用中可以配置作为三相电机逆变桥的驱动信号。
当保护中断PDPINT有效或电机使能信号ENABLE无效时，6路PWM信号立即进入高阻状态，使逆变桥全部截至，电机停转。
另外，MotionChip为每个PWM输出对提供了可编程死区时间设置（0―102μs），所以不需要外部的死区逻辑电路。
码盘反馈信号接口有ENCA，ENCB，ENCZ，其中ENCA和ENCB是相位差90°的脉冲信号，ENCZ是码盘清零信号。
MotionChip可以对ENCZ和ENCB信号进行四倍频和辨向，然后送入增量计数器计数产生电机的位置信号，码盘清零信号ENCZ可对计数误差进行修正。
电机霍尔反馈信号HALL1，HALL2，HALL3，是为直流无刷电机/永磁同步电机进行定位磁极设计的。
其它重要引脚如DIR、PULSE直接作为电机脉冲指令的输入接口。
LSP，LSN可用来扩展作为运动系统左、右限位事件的捕捉输入。
MotionChip有2个10位的A/D转换器，每个都内建了采样保持电路，最快采样速率可达10kHz。
模拟信号的输入范围通过MotionChip参考电平输入管脚VREFLO和VREFHI确定。
MotionChip可以工作在独立运行和检测引脚AUTORUN进行方式选择的，该引脚接高电平，MotionChip工作在从属方式，接低电平工作在独立运行方式。
在独立方式的工作条件下，MotionChip上电后，选检测到AUTORUN的低电平，进入独立运行方式；然后自动从SPI串行EEPROM中的开始执行TML程序。
驱动系统设计电机的驱动主要包括2个环节：电机PWM驱动电路和电流检测。
电机的PWM驱动电路如图2所示。
本电路中，无刷直流电机采用全桥驱动，这样可以使用电机工作于四象限（正向驱动、制动及反向驱动、制动）。
驱动一个无刷直流电机需要6路PWM信号，而MotionChip 的每个事件管理模块（EV）中3个带可编程死区控制的比较单元可以产生独立的3对共6路PWM信号。
所以在电路中，直接选用事件管理模块B（EVB）中的比较单元来产生6路所需要的PWM信号，其输出引脚为PWM7~PWM12，其中PWM7~PWM9输出设为驱动MOSFET功率管桥路的上半桥，PWM10~PWM12输出驱动下半桥。
DSP输出的这两种3路PWM信号经过IR2102前置放大后分别驱动MOSFET功率管桥路的上半桥（Q1，Q3，Q5）和下半桥（Q2，Q4，Q6）进行电机的驱动。
电流检测电机电流检测电路可提供重要的反馈信息，将该信息与来自主控DSP的控制信号相结合，可以控制MOSFET或IGBT的栅极驱动芯片并最终调整电机速度。
如果要实现过流保护，还必需进行电流监控，不过对于低端应用而言，传统的过流保护却显得过于昂贵。
电流采样的方案是在逆变桥的下桥臂串一0.027Ω采样电阻如图3（a），采样电流范围为0~6.22A，采样后的电压放大倍数为14.63倍，放大电路如图3（b），并经2.5V电压抬升输入DSP，所以输入DSP的电流模拟电压量为：U AD=2.5+I×0.027×14.63。
MotionChip AD口的模拟量输入电压为0~5V，所以电流采样经量化的值为：应用加氢反应器超声检测成像系统是一套适用于现场检测的加氢反应器堆焊层剥离超声检测成像系统，实现加氢反应器堆焊层层间剥离的在役半自动超声扫查，检测数据的自动存储、分析与评判，同时该系统对不同直径的加氢反应器有一定的适用性。
加氢反应器剥离成像系统的控制系统本质上是一个二维的运动控制平台，从系统要求的性能指标来看，控制系统需要满足如下指标：?水平扫查速度可达6mm/s无级可调；垂直扫查速度达300mm/s无级可调；?能够实现粗扫查和精密扫查，对指定的区域实现精密扫查；?系统的控制方式分为手动/自动，两者之间可以切换；?X轴（水平）和Y轴（垂直）2个方向上的运动误差≤±1mm。
系统硬件设计由此选择了上述设计的运动控制系统，具有体积小，性能高，控制简单，价格低，但是每个只能控制一个电机。
若要两台电机协同控制，则须通过RS485总线将其连接起来。
控制系统的总体结构如图4所示。
X向电机用来控制丝杠的运动：选用EC-max32，无刷70W+减速器为行星轮减速箱（速比为23，型号为GP 32C）+码盘（三通道500线）。
Y方向电机用来控制探头的运动，采用RE-32，有刷80W+减速器为行星轮减速箱，型号为GP42C（速比为33）+码盘（三通道500线）。
图5示出硬件连接图。
系统软件设计控制系统的软件是基于Vc++和MotionChip的动态链接库设计的，软件主要完成对探头位置的运动控制，如图6。
用户操作界面功能有：?参数设置与显示模块主要是设置一些系统参数（如扫查长度，探测宽度）和控制参数（如速度参数、加速度参数等）；?任何时刻，控制程序都时刻监视系统的运行状况，随时对系统故障做出相应的处理。
软件部分包括X向运动和Y向的扫查运动，数据存储及处理，手动控制，故障处理，运动状态显示及故障显示等。
操作界面（GUI）给予清晰、简单的用户界面，方便用户调试、运行，同时能够将伺服驱动器传递过来的信息显示出来，便于监控。
任务编程模块将要实现控制任务的规划，如X轴向和Y轴向运动等，包括故障查询、处理。
运行效果智能伺服驱动器性能的好坏直接决定整个系统设计的成败，为此用一直流电机对驱动器进行测试，电机的电流和位置误差如图7（a）、（b）所示，从图7中可以看出，驱动器的响应时间只有0.12s，位置误差很小。
通过对通讯速度及上位机控制命令的测试显示，在实时性要求不是非常严格的情况下，以RS232串口或者485串口的通讯速率是完全可以满足系统需求的。
结语本文基于一类新颖的专用伺服控制芯片Motionchip，进行了伺服控制器设计和实践研究，并设计了一个功能较为完善的直流无刷伺服驱动器的原型。
