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基于单片机的两轴转台控制系统

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收稿日期：2008 06 20 作者简介：刘凤芹（1972 ），女，硕士研究生，主要从事精密测控技术及仪器的研究，E-mail：lfqzdwzxq@。
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长春理工大学学报（自然科学版）
2008年
前馈控制和反馈控制有机结合起来的复合校正系 统，除设置了位置反馈外，还设置了速度反馈和电 流反馈［1］。
第4期
刘凤芹：基于单片机的两轴转台控制系统
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DAC0832 输出的数据决定，数据改变时，增益也将 被改变。
2.3 转台转角位置数显
单片机获得转台实际转角位置后，通过键盘显 示器接口芯片 8255 用液晶显示器显示出来，实现 转台位置数显。其采样间隔为 1ms。
3 软件设计
3.1 主程序设计
图 4 补偿参数确定程序 流程图
系统软件由一个主程序和两个中断子程序组 成，图 3 5 为程序流程图。主程序主要完成初始 化，对转台转角数显，将控制信号与实际位置信号 进行比较，并将偏差值按 PID 算法计算出控制指 令，启动 DAC0832 输出控制指令。系统首先初始 化变量，数显表清屏，设置定时器初值，定时器 T0 设置为工作方式 1、16 位计数模式、计数初值为 FC18H，将 P2. 7（启动控制）清零，然后查询等 待，若 P2. 7=1，则启动系统，运行程序，开中断， 启动定时器 T0，使定时器 T0 每隔 1ms 中断一次 （采用 12MHz 晶振），待软件定时器到时后，进 行键盘扫描读入控制信号，读入粗、精通道的测角
2008年
(6 )，采样时间为 1ms，仿真结果如图 6 所示。
、 、 ，达到该频率下的最佳补偿效果。最后返 回中断。定时器 T0 每隔 1ms 中断一次，计数器加 1，系统进行一次采样处理，T0 赋初值后重新开始 计数。
4 仿真结果
转台使用的电机型号为 336LYX28B，其额定
电流 =25.6A ，额定电压 =180 V，电枢转动惯
量 =0. 108 kg·m2，电枢电阻 =0. 25 ，负载为
数据，进行处理后求出转台的位置（转角），换算 为十进制数，送给显示［4］。求转台位置偏差信号按 PID 算法计算后输出，返回到软件定时等待。
3.2 中断子程序设计
两个中断子程序是外部中断 0 脉冲下降沿触发 中断和定时器 T0 溢出中断。外部中断 INT0 主要完 成对控制信号的鉴频，并查找相应的补偿参数。当 INT0 下降沿触发时，产生中断，记录相对于定时器 T0 的下降沿触发时间，计算相邻两个下降沿的触发 时差，并考虑定时器 T0 的溢出次数，求得控制信 号的周期或频率。查找补偿参数表，取得补偿参数
2.1 系统的主要任务
根据控制系统的要求，单片机系统主要完成下 列三大功能：一是鉴别控制信号的频率，然后根据
频率选择不同的前馈补偿参数 、 、 ；二是将控 制信号与转台实际转角位置信号进行数字比较，将
偏差信号按 PID 控制算法计算出控制指令，将控制 指令发送到 DAC0832，实现控制器的输出；三是动 态显示转台两轴转角位置和状态。单片机系统结构 如图 2 所示。
多路转换开关
前馈补偿
D AC0 83 2
AT89C51 单 片 机
信号调理
AD2S80A 轴角位置转换器
旋转变压器
感应同步器
8255
显示器 LCD2021
键盘
总线
图２ 单片机系统结构框图 Fig.2 The construction of single chip microcomputer systerm
1.3 测角系统设计
转台系统的控制精度在很大程度上取决于测角 系统的精度，测角系统采用双通道结构，工作方式 为单相激磁、双相输出鉴幅型［2］。主要由四部分组 成：一是感应同步器和旋转变压器；二是激磁电 源；三是角位置数据变换及编码；四是数据处理。 数据变换即把感应同步器和旋转变压器输出的位置 信号转换为数字信号，主要靠轴角数字转换芯片 AD2S80A 来实现［3］。粗、精两个通道在实现中是 相互独立的，不能将测得的两组数据简单地组合起 来，为了从这两组数据中得到正确的角度测量值， 必须进行粗、精耦合处理。本设计采用一种粗、精
耦合的单片机处理模块，这种设计既简化了测角系 统的设计、改善了可靠性，又有利于提高测量精 度。
鉴频
前馈补偿系统 E(s)
2 AT89C51 单片机系统硬件结构
位置调
节器
D/A
速度调 节器
电流调 节器
PWM 功放
力矩电机
负载
测速电机
测角系统
图 1 转台单独控制系统结构框图 Fig.1 Construction of turntable control system
20 N·m 时，转速 =2100 r/min，峰值力矩 =60
N·m，力矩系数 =0. 772 N·m·A，机电时间常
数 =45 ms，电枢电感 =0.2H，忽略电机与负载的
粘性阻尼系数 b。其位置环控制对象参考数学模型
可表示为
=
271.4 ，输入信号为 0.075 +1
=0.5sin
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
长春理工大学学报（自然科学版）
LIU Fengqin1，ZHANG Guoyu1，WANG Lingyun1，GAO Yujun2
（1.Institute of Opto-Electronics Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022； 2.Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，the Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033） Abstract：By designing two-axis turntable system based on single chip microcomputer，using single chip microcomputer programming this paper designed a feedforward compensation system according to control signal changing rate，PID compound correction control algorithm is used in turntable control system，in this way，turntable gets a better move and static state，and simulates the filight status of aerocratfs，simulation experimental results testified its feasibility. Key words：turntable；single chip microcomputer；PID compound correction control algorithm；feedforward compensation
（1.长春理工大学 光电工程学院，长春 130022；2.中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033）
摘 要：通过基于单片机的两轴转台控制系统设计，采用单片机编程，依据控制信号的变化情况设计了前馈补偿系
统，将 PID 复合校正控制算法应用于转台控制系统中，使转台具有更好的动、静态性能，更好地模拟飞行器的飞行
2.2 控制信号鉴频
为了鉴别控制信号 的频率，将控制信号的导 数 经过调理后送入 AT89C51 的 INT0 口，信号调 理包括用运算放大器将 放大比较成方波信号，再 经过单稳态触发器74LS123 成为脉冲信号，AT89C51 的 INT0 设置为脉冲触发方式，下降沿有效。记录 每个脉冲的下降沿时刻，通过相邻两个脉冲的时间 差可求得相应的信号频率。在程序存储器中设置了 补偿参数表，在整个工作频带内可以查得相应频率 的对应值。前馈补偿器是由运算放大器、RC 网络 及 DAC0832 组成的，在 RC 网络中有一组不同的 R 和 C，分别连接着两片多路模拟转换开关 AD7501 的各个入口，而多路模拟开关的三个控制端则通过 锁存器连接到 AT89C51 数据总线的 P0.1 P0.3 及 P0.5 P0.7 上，这样 AT89C51 可以通过 AD7501 选 择不同的 RC 网络，从而组成不同的补偿参数 、 的 值，至 于 补 偿 器 增 益 系 数 的 选 择 是 通 过 DAC0832 实 现 的，把 运 算 放 大 器 的 输 出 接 到 DAC0832 的参考电压上，这时信号的增益将由
随着对飞行仿真器精度要求的不断提高，对转 台伺服控制系统的要求也越来越高，这就必然要求 其控制系统有更好的合理性和有效性，使转台具有 更好的动、静态性能。由于实际被控对象的稳态精 度和响应速度要求都很高，一般的反馈校正方法通 常很难满足控制要求，通过对仿真结果进行比较分 析，证明采用前馈控制和反馈控制相结合的复合校 正系统，成为提高转台性能的有效途径。
1 控制系统设计
1.1 控制系统构成
转台两个轴控制系统结构和功能完全相同，控 制相互独立，即为两套相互独立的控制系统，其结
构如图 1 所示。系统采用了单片机控制下的脉冲宽 度调制器（PWM），转台各轴分别由直流力矩电机 直接驱动。测角系统采用旋转变压器与圆感应同步 器组成的双通道结构，与数字变换装置构成数字式 角位置反馈回路，可以满足系统的精度和性能要 求。高灵敏度的直流测速机直接构成连续式速度控 制回路。每个轴的控制系统主要由控制器﹑数模转 换﹑前馈补偿系统、力矩电机﹑测速电机﹑测角系 统等组成，接口电路包括数模转换﹑轴角位置转换 器等。采用 AT89C51 单片机作为该伺服系统的控制 器，能够保证系统快速性的实现，同时也能很好地 完成系统控制的形成、回路内的数据采集处理和监 控管理，使系统的动态性能与安全可靠性都得到充 分的保证。为了改善系统的快速性和稳定性，采用

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基于单片机的步进电机多轴运动控制系统设计

基于单片机的步进电机多轴运动控制系统设计

摘要步进电机是将电脉冲信号转变成角位移的执行机构，其转速、停止位置只与脉冲信号的频率和脉冲数有关，具有误差小，易控制等特点，广泛应用于机械、电子、纺织、化工、石油等行业。

尤其是在医疗行业中，比如在 X 光扫描方面，都会用到电机，步进电机的优点使其成为医疗行业里最为适用的电机。

本设计中的多轴控制系统可以运用在 X 光扫描仪等多种仪器上。

本设计选用 STC89C55RD+型单片机作为核心控制单元，实现 M35SP-7 型步进电机的多轴运动控制，并通过 RS232 串口实现与上位 PC 机通讯功能。

设计中运用单片机软件编程方式实现步进电机环形分配器功能，用 P1.0 口、P1.1 口、P1.2 口和P1.3 口分别控制四相步进电机的 A 相、B 相、C 相和 D 相绕组的通电顺序，软件上采用查表方法实现单双八拍工作方式环形脉冲分配。

步进电机驱动部分采用ULN2003A 驱动芯片，实现功率放大，驱动步进电机。

最后使用 Proteus 软件绘制了单片机控制步进电机多轴运动的原理图。

上述设计经实验验证是有效可行的。

关键词单片机，步进电机，多轴运动，串口通讯AbstractStepper motor is an implementing mechanism that convert the electronic pulse intoangle displacement.Its speed and the stop position only about the frequencyand pulseseveral of the pulse signal,its characteristics are minor error,easy to control and so on,itis widely applied to mechanical, electronic, textile, chemical, oil, etc. Especially in themedical industry,such as an x-ray scanning,need motors.Stepper motor'sadvantagesmake it become the most suitable medical industry machine.The multi-axiscontrolsystem in the design can be used on a variety of instruments such as an x-ray scanning.This design choose STC89C55RD + SCM as the core of the control unit,to realizeM35SP-7 type stepper motor's multi-axis control,and use RS232 serial torealize PCcommunication function.This design use SCM software programming realize steppermotor circular distribution function,P1.0, P1.1, P1.2 and P1.3 respectively controllingA, B, C and D phases' electricity order on the four phase step motor's.Software is usedon look-up table method teak eight single working way circular pulse distribution.Thisdesign use ULN2003A realize power amplifier to drive stepper motor.Finally Keywords：SCM, Stepper Motor, Multi-axis motion, serial communicationusingProteus to draw the principle diagram of the SCM control stepper motormulti-axismotion.The above design experiments showed is effective and feasible.基于单片机的步进电机多轴运动控制系统设计 目 录第一章 引言..........................................................................................................................1 1.1 选题背景............................................................................................ (1)1.2 研究意义 (1)1.3 发展状况 (2)1.4 课题主要研究的内容 ................................................... 3 第二章 控制系统硬件设计 ........................................................................................... (4)2.1 单片机控制系统原理............................................................................................ (4)2.1.1 单片机的种类............................................................................................ (4)2.1.2 单片机的发展历程............................................................................................ (4)2.1.3 51 单片机的引脚安排 (5)2.1.4 单片机的结构............................................................................................ (7)2.2 步进电机............................................................................................ (11)2.2.1 M35SP-7 步进马达的性能参数 (12)2.2.2 步进电机原理............................................................................................ (13)2.2.3 驱动控制系统组成..............................................................................................182.2.4 步进电机的应用............................................................................................ (21)2.2.5 步进电机的单片机控制 (22)2.2.6 步进电机的多轴联动 (23)2.3 ULN2003A 驱动芯片............................................................................................4.1 单片机程序设计........................................................................................... (34)4.2 程序实现与调试........................................................................................... (34)第五章结论与展望........................................................................................... . (37)5.1 结论........................................................................................... . (37)5.2 展望........................................................................................... . (37)参考文献 .......................................................................................... .. (38)致谢........................................................................................... . (40)附录........................................................................................... . (41)声明........................................................................................... . (48)第一章引言1.1 选题背景不仅在大型工业中，在医疗过程中也需要机械的帮助，利用步进电机的多轴控制可以让医疗设备精确的扫描人体的各个部位，为治疗带来更精确的数据来正确、快速的治疗病人。

TMS320F28335 DSP在控制双轴转台方面的应用

TMS320F28335 DSP在控制双轴转台方面的应用

TMS320F28335 DSP在控制双轴转台方面的应用【摘要】双轴转台通过方位轴和俯仰轴的合成运动，实现二维控制;本论文中，转轴的动力设备采用力矩容量大，响应快的直流力矩电动机;应用角位变送器，进行实际位置的测量，在闭环的控制下，满足精度要求;TMS320F28335 DSP 作为控制芯片对转台的运动进行控制，应用到了TMS320F28335 DSP中的SCI 和PWM模块。

【关键词】转台;方位轴;俯仰轴;DSP;SCI;PWM1.系统介绍整个控制系统以TMS320F28335DSP为CPU，它作为主控芯片。

上位机与DSP通过RS422进行通讯，上位机将转台的目标位置指令发送给DSP。

角位变送器通过RS232将转台当前的实际位置反馈给DSP。

DSP将接收到的目标位置指令与反馈回来的实际位置进行PID运算，将解算出的数据赋给PWM模块，最终通过调节PWM的占空比控制电机的运动。

2.硬件总体硬件控制系统包括dsp主控板控制部分和电机驱动板控制部分。

主控板电气控制部分包括供电电路、程序仿真口、488电路组成的422通信、232通信电路、I/O口电路，电机驱动板控制部分包括电源供电电路、方位MSK4201驱动模块电路、俯仰MSK4201驱动模块电路。

上位机通过422通信给DSP发送预定位置指令，通过DSP中PWM调节来控制俯仰、方位电机的运动状态，另外通过232通信检测转台的实际运动位置送给DSP，通过PID调节使转台到达预定位置，从而完成整体控制。

（1）电源模块MSK4201驱动模块DC12V供电电路;角位变送器DC24V供电电路;主控板DC5V供电电路;片内CPU DC1.8V供电电路;片内flash、片内I/O、仿真下载口，DC3.3V供电电路;（2）14针仿真下载口（3）RS-422通讯串口RS-422是EIA推荐的“平衡式电压数字接口电路的电气特性标准”。

此标准是为改善RS-232C标准的电气特性和与RS-232C兼容而制定的。

基于运动控制卡的两轴转台控制系统设计

基于运动控制卡的两轴转台控制系统设计

0引言数控机床控制系统体系架构庞大，较难整体掌握，若构建一个相对简易的平台来模拟数控系统的部分结构和功能，则可针对性地进行相关测试，减少工作量；在导航制导领域，航模惯性测试，飞行姿态角、飞行加速度等参数的测量，常常需要花费大量的时间和精力，所得结果还会受到众多外界因素的干扰，不易得到单一非耦合的数据，若能通过建立仿真平台直接测量，则可以减少不必要的实际试飞测算，既安全又可靠。

国外在数控及直升机等研究领域常常处于领先地位，究其原因，主要在于有高速高精度的仿真机及有先进完备的环境模拟设备，而国内在这方面的空缺亟需填补。

本文利用PC 机，配合mesa运动控制卡，通过伺服装置实现对两轴转台的精确控制，从而构建了一个硬件回路仿真测试平台。

该平台的实现将非常有利于相关项目研究的加速。

1硬件系统架构及其特点两轴转台系统基本硬件组成为：PC机+mesa运动控制卡+接口电路+伺服控制器+电机+转台机械结构，该转台的实物图及控制系统总体架构如图1所示。

两轴转台控制系统选择mesa运动控制卡作为底层主要控制硬件。

该运动控制卡具有如下特征：(1)采用PCI总线接口。

PCI总线具有32位总线宽度，工作频率可达33MHz，最大传输速度为132Mbyte/s，远大于ISA 总线最大33Mbyte/s的速率，可实现高速数据传输，为精确控制提供了前提保证。

(2)主控芯片是xilinx公司的Spartan-3系列FPGA——XC3S200，该芯片资源丰富，共192个CLB，4320个逻辑单元，足够满足设计的需要。

辅助FPGA工作的PCI接口芯片为PCI9054，该款芯片采用了先进的PLX数据流水线结构技术，符合PCI本地总线规范2.2版，本地总线支持复用/非复用的32位地址/数据，有M、C、J共3种模式；传输方式支持主模式、从模式、DMA方式3种；工作时钟频率可达到50MHz，并且支持数据预取功能。

(3)FPGA芯片的配置文件可以通过xilinx专用下载线下载，也可以经由PCI总线及其接口芯片，通过PC机上层软件收稿日期：2010-03-26；修订日期：2010-05-28。

一种基于单片机的运动轴控制系统[实用新型专利]

一种基于单片机的运动轴控制系统[实用新型专利]

专利名称：一种基于单片机的运动轴控制系统专利类型：实用新型专利
发明人：张虎,张高源,黄华杰,温发裕,吴月明申请号：CN202122993006.1
申请日：20211130
公开号：CN216310575U
公开日：
20220415
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型公开一种基于单片机的运动轴控制系统，包括：MCU控制器，以及分别与MCU控制器对应端电性连接的DCDC电源、距离传感器、步进电机模块、LCD显示器、键盘、IO兼容接口、RS485接口；所述MCU控制器设为SWM32SRET6芯片及其外围电路；所述距离传感器包括一距离传感器电路，该距离传感器电路设为GS8511芯片及其外围电路；所述DCDC电源包括一电源电路，该电源电路设为MC33063芯片及其外围电路。

本实用新型系统取代手动控制的与半自动控制，能精确自动运动控制光学镜头实现对焦，从而实现机械联动提高生产效率，与镜头和加工点绑定到一起从而实现更精细化更加自动化的实现工业加工生产。

申请人：广东镭锳光电科技有限公司
地址：523835 广东省东莞市大岭山镇大岭山拥军路136号3栋302室
国籍：CN
代理机构：深圳市中科创为专利代理有限公司
代理人：何路
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