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1、嵌入式控制系统及应用设计报告伺服系统位置控制装置设计学号姓名小组成绩个人成绩0901560117蒋泽浩评语0 引言伺服系统位置控制器作为串联控制器的形式在系统中，主要的功能是测量被控对象的输出量，求解控制量，并输出给驱动器以驱动被控对象（包括伺服电机、减速装置和负载）转动。且通过控制器中的控制算法使整个系统达到规定的性能指标。1 系统总体设计1要实现引言中所要求的系统功能，可知在此位置控制装置中要有一个控制器完成控制算法的实现，同时由于测定负载输出的传感器测量的是实际的角度信号，所以要给传感器设计配套的模电转换电路。同样的，由于控制器输出的控制信号为电信号，而控制驱动器速度的信号却是模拟信号，
2、故也要设计配套的数模转换电路。该系统应该采用嵌入式的解决方案，故主要完成的是控制芯片和其配套A/D,D/A芯片的连接与设计，即图1-1中框中所示的部分。 图1-1 位置控制装置及其控制系统其中，驱动器的输入输出信号特性如表1-1所示 表1-1 驱动器输入信号特性 信号定义信号类型输入范围备注电机使能DI（数字量输入）5V TTL使能信号用于电机运行前，允许电机转动速度指令AI（模拟量输入）-10V-+10V位置控制器给驱动器的指令信号，驱动器根据该指令信号驱动电机以给定速度转动模拟地AGND与速度指令成对的地准备好DO（数字量输出）5V TTL驱动器输出信号，表明设备已经准备好可以运行故障DO
3、（数字量输出）5V TTL驱动器输出信号，当驱动器、电机发生故障时,该信号输出为高电平 2 硬件部分设计 2.1 硬件结构在驱动器等其他条件已知道情况下，所需设计的硬件结构如图2-1所示，其中引入传感器的量为负载的输出角度量，而数模转换器将通过对微处理器芯片所产生的控制信号转换成驱动器所能接受的模拟信号输出给驱动器。 图2-1 位置控制装置硬件结构 2.2 硬件选型1.微处理器：AT89C51单片机2AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容
4、。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，它灵活性高且成本低廉，性能上也完全可以满足所设计的位置伺服装置要求。它的主要特性有： 与MCS-51 兼容 4K字节可编程FLASH存储器 寿命：1000写/擦循环 数据保留时间：10年 全静态工作：0Hz-24MHz 三级程序存储器锁定 1288位内部RAM 32可编程I/O线 两个16位定时器/计数器 5个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路AT89C51的引脚图如图2-2-1所示。 图2-2-1 AT89C51引脚图2.模数转换器：ADC08093ADC08
5、09是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模/数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。ADC0808是ADC0809的简化版本，功能基本相同。一般在硬件仿真时采用ADC0808进行A/D转换，实际使用时采用ADC0809进行A/D转换。可以满足本次设计的需要。它的主要特性有：1）8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。 2） 具有转换起停控制端。 3） 3）转换时间为100s(时钟为640kHz时)，130s（时钟为500kHz时） 4） 4）单个+5V电源供电 5） 5）模拟输入电压范围0+5V，不需
6、零点和满刻度校准。 6） 6）工作温度范围为-40+85摄氏度 7） 7）低功耗，约15mW。 ADC0809的引脚如图2-2-2所示。 图2-2-2 ADC0808引脚图 3.数模转换器DAC08324 DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。需要说明的是，虽然DCA0832的输出并不能满足驱动器-10V到+10V的模拟量输入要求，但经过简单的附加电路变换即可实现(其中附加电路示于下文芯片连接
7、图2-3），所以DAC0832依然为经济方便的一种选择。它的主要特性有：分辨率为8位 电流稳定时间1us 可单缓冲、双缓冲或直接数字输入 只需在满量程下调整其线性度 单一电源供电（+5V+15V）低功耗DAC0832的引脚图如图2-2-3所示 图2-2-3 DAC0832引脚图4.传感器：旋转变压器5旋转变压器是一种电磁式传感器，又称同步分解器。它是一种测量角度用的小型交流电动机，用来测量旋转物体的转轴角位移和角速度，由定子和转子组成。其中定子绕组作为变压器的原边，接受励磁电压，励磁频率通常用400、3000及5000HZ等。转子绕组作为变压器的副边，通过电磁耦合得到感应电压。旋转变压器的工作
8、原理和普通变压器基本相似，区别在于普通变压器的原边、副边绕组是相对固定的，所以输出电压和输入电压之比是常数，而旋转变压器的原边、副边绕组则随转子的角位移发生相对位置的改变，因而其输出电压的大小随转子角位移而发生变化,输出绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系，或保持某一比例关系，或在一定转角范围内与转角成线性关系。旋转变压器在同步随动系统及数字随动系统中可用于传递转角或电信号；在解算装置中可作为函数的解算之用，故也称为解算器。旋转变压器一般有两极绕组和四极绕组两种结构形式。两极绕组旋转变压器的定子和转子各有一对磁极，四极绕组则各有两对磁极，主要用于高精度的检测系统。除此之外，还有多极式旋
9、转变压器，用于高精度绝对式检测系统。2.3 芯片连接由以上芯片的引脚介绍和对硬件结构的设计，给出主要芯片互相的连接方式6，如图2-3所示，从左到又三芯片分别为DAC0809，AT89C51和DAC0832。 图2-3 芯片连接3 软件部分设计3.1 软件结构要完成伺服系统位置控制装置的设计，软件部分是核心，是控制和协调各硬件芯片共同工作以达到系统要求的基础。此处软件主要分为三个部分，一是PID的控制算法部分，一是ADC0809的部分，以及DAC0832的部分。软件结构由图3-1中的程序结构流程图所示。 图3-1 程序结构流程图3.2 子程序1. ADC0809部分 程序流程图如图3-2-1所示
10、 图 3-2-1 ADC0809程序流程 图3-2-2 DAC0832程序流程ADC0809程序段内容为：float ADC()TMOD=0x20; /定时器给时钟脉冲TH1=0x216; TL1=0x216; ET1=1; TR1=1; P3_5=P3_5; /使能及设置 ADC_START=1; ADC_ALE=1; ADC_START=0; ADC_ALE=0; delay(1); while(ADC_EOC=0); /等待转换好 delay(1); ADC_OE=1; /读取 temp+=ADC_OUT1*(1/2); /转换十进制 temp+=ADC_OUT2*(1/4); temp
11、+=ADC_OUT3*(1/8); temp+=ADC_OUT4*(1/16); temp+=ADC_OUT5*(1/32); temp+=ADC_OUT6*(1/64); temp+=ADC_OUT7*(1/128); temp+=ADC_OUT6*(1/256); return(temp);2. DAC0832部分程序流程图如图3-2-2所示。DAC0832程序内容部分较为简易，没有设置单独的子程序，涉及DAC0832的程序部分将在3.3程序附录中给出。3. PID计算部分7程序流程图如图3-2-3所示 图3-2-3 PID计算流程图PID计算部分的程序段为：float PIDcontro
12、ller(real_point) uchar error=set_point-real_point; sum_error+=error; derror=last_error-previous_error; previous_error=last_error; last_error=error; return(PP*error+I*sum_error+D*derror); 3.3 程序附录（已通过编译） #include typedef unsigned char uchar; sbit ADC_CLOCK=P00; sbit ADC_START=P01; sbit ADC_EOC=P02; sbi
