1、沈陽航空航天大學電子信息工程學院開題報告電子信息工程學院畢業設計開題報告飛思卡爾智能車速度伺服系統硬件設計學生姓名： 宋軍 專 業： 電子信息工程 班 級： 94020101 學 號： 2009040201018 指導教師： 宋軍 2013 年 3 月開題報告一 選題的依據和意義伺服系統屬于自動控制系統中的一種，它是伴隨電的應用發展起來的，最早出現于二十世紀初。1934年第一次提出了伺服機構(Servomechanism)這個詞，隨著自動控制理論的發展，到二十世紀中期，伺服系統的理論與實踐均趨于成熟。近幾十年來在新技術革命的推動下，特別是伴隨著微電子技術和計算機技術的飛速進步，伺服技術更是如虎

2、添翼突飛猛進，它的應用幾乎遍及社會的各個領域。從國防、工業生產、交通運輸到家庭生活，而且必將發展應用到更新的領域。伺服電動機又稱執行電動機，在自動控制系統中，用作執行元件，把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。伺服電動機分為直流和交流伺服電動機兩大類，直流伺服電動機具有響應快、低速平穩性好、調速范圍寬等特點，因而常用于實現精密調速和位置控制的隨動系統中，在工業、國防和民用等領域內的到廣泛應用，特別是在火炮穩定系統、艦艇平臺、雷達天線、機器人控制等對位置速度的控制精度要求較高的場合。LM629 是National Semiconductor公司的一款電機專用運動控制處理器,可用于

3、直流、無刷直流電機及其它可提供增量式位置反饋信號的伺服機構。該器件可完成數字運動控制中的高精度實時計算任務。該元件不但能簡化系統軟、硬件設計，提高系統可靠性、減輕工作量而且能提高系統性能，反映速度快、控制精度高。LM629在一個芯片內集成了數字式運動控制器的全部功能，使得設計一個快速、準確的運動控制系統的任務變得輕松、容易,它提供8位PWM調制信號和方向信號直接驅動橋式電路。可通過8位I/O口及6根控制線與主處理器通信以控制LM629內部PID控制器及速度圖編程。二 選題研究的基本內容 設計任務的主要內容是設計一個小功率有刷直流電機伺服驅動器。該伺服驅動器的設計工作包括2個部分：硬件設計和軟件

4、設計。硬件設計包括：電機驅動單元、位置反饋單元單元等；軟件部分包括：電機速度反饋控制，速度、加速度、位置PID閉環控制的處理和賽道信息的識別。時間允許的情況下可以考慮部分軟件設計。本任務的重點是硬件的設計，結合軟件，完成如下技術要求：1.硬件設計：(1) 主控單元。(2) 轉速測量單元。(3) 速度伺服驅動單元。(4) 電源單元。2.軟件設計：(1) 伺服驅動器可以驅動一個小功率有刷直流電機運行。(2) 伺服驅動器可以控制電機運動的速度、位置和加速度。(3) 伺服驅動器根據賽道情況可以實現對電機運動的速度和位置數據的反饋控制。完成此任務的過程中，首先要學習并掌握有刷直流電機的工作原理，并分析和

5、理解有刷直流電機伺服驅動器的工作原理。在此基礎上，學習主處理器STM32F103VE、運動控制器LM629和運動驅動器LMD18200的基本原理及接口知識。采用Protel99se繪制有刷直流電機伺服驅動器原理圖并且制作硬件電路板。由于該系統的使用C語言編程，所以要學習并掌握單片機C語言的基本知識和的STM32F103VE的中斷、定時器功能。在了解了運動控制器LM629的命令集和控制時序后，設計LM629的初始化子程序、讀寫數據子程序、中斷子程序等應用子程序和主控制程序。三 研究方法及措施1.設計方案1硬件方案： 1. 主控制器電源部分STM32F103VE的工作電壓為2V-3.6V，在設計最

6、小系統中，采用LM1117-3.3穩壓芯片將5V降到3V為中央處理器供電。其中的4個電容是濾波電容，LED作為電源指示燈。為了更好的降電壓波動波對處理器的干擾，在接近STM32F103VE的四個VDD引腳附近仍需采用0.1uF的濾波電容。電源部分原理圖如圖1.1所示。1.1 最小系統電源設計原理圖2. 復位部分復位是STM32F103VE的初始化操作，只需給復位引腳RST加上低電平既可使其復位。復位電路通常采用上電復位和手動復位兩種方式。本系統采用上電和手動兩種復位方式，以便于電路調試需要，原理圖如圖1.2所示。圖1.2 最小系統復位設計原理圖LM629是全數字式控制的專用運動控制處理器。通過

7、一片單片機、一片LM629、一片功率驅動器、一臺直流電機、一個光電編碼盤就可以構成一個伺服系統。使用6MHz或8MHz時鐘頻率和5V電源工作。3驅動控制器部分LM629N是NMOS結構，采用28引腳雙列直插式封裝。引腳圖如圖1.3所示，引腳功能如表1.4所示。圖1.3 LM629引腳示意圖表1.4 LM629引腳名稱及其功能引腳名稱功能描述1/IN接收從增量編碼器來的標記(index)信號(標記信號為低)。該引腳如果不使用，必須置高。當引腳1，2和3為低電平時讀取INDEX位置。2、3A、B接收從增量編碼器來的兩個正交信號。當電機正轉時，2腳信號應超前于3腳信號90度。4-11D0-D7連接主

8、計算機或主處理器的I/O口。通過控制/CS(12腳)、/PS(16腳)、/RD(13腳)和/WR(15腳)的高低電平可向LM629寫入指令和數據，或從LM629讀出狀態字節和數據。12/CS片選輸入，由主機用來選用LM628，進行讀寫操作。13/RD由主機用來讀出LM629狀態和數據。14GND電源，地。15/WR用來控制寫入指令和數據。16/PS用來選擇指令口或數據口。當PS為低電平時，向指令口寫入指令，或從指令口讀出狀態，當PS為高電平時，經數據口寫入或讀出數據。17HI高電平有效，通知主計算機中斷條件己具備。18SIGN控制PWM方波符號。19MAG控制PWM方波強度。26CLK系統時鐘

9、輸入端。27RST復位輸入端，低電位有效。28VDD電源，電壓為十4.55.5v，100mA。LM629有如下特性：(1)32位的位置、速度和加速度寄存器；(2)16位參數的可編程數字PID控制器；(3)可編程微分項采樣時間間隔；(4)8位脈沖調制PWM信號輸出；(5)速度、位置及PID參數可在運動過程中實時改變；(6)位置、速度兩種控制方式；(7)具備增量式編碼器接口；(8)實時可編程中斷；(9)可對增量式光電編碼盤的輸出進行4 倍頻處理。4. LM629的時鐘電路LM629的電源采用振蕩頻率為6M有源晶振。有源晶振通常的用法：一腳懸空，二腳接地，三腳接輸出，四腳接電壓。時鐘電路的原理示意圖

10、如圖1.5所示。圖1.5 LM629時鐘電路原理圖有源晶振不需要DSP的內部振蕩器，信號質量好，比較穩定，而且連接方式相對簡單，不需要復雜的配置電路。相對于無源晶體，有源晶振的缺陷是其信號電平是固定的，需要選擇好合適輸出電平，靈活性較差，而且價格高。5. 光電隔離電路光耦能以光形式傳輸信號，有較好的抗干擾效果，輸出側電路能在一定程度上得以避免強電壓的引入和沖擊。LM629的電源電壓為5V，其輸出的兩路號MAG，SIGN控制LMD18200的PWM，DIR端。但是LMD18200供電電壓為24V，兩類信號之間的電壓相差很大。為了避免電流回流對LM629造成干擾和損害，所以在SIGN和DIR、MA

11、G和PWM之間用光耦進行隔離。SIGN和DIR之間使用TLP521，MAG和PWM之間使用6N137。增量編碼器(1000線)與直流無刷電機的主軸相連，輸出A、B路數字脈沖信號。LM629對這兩路信號進行四倍頻，提高其分辨率。A脈沖與B脈沖邏輯狀態每變化一次，LM629內的位置寄存器就會加(減)l。另外A脈沖和B脈沖保持90度的相位差，LM629通過對相位差的識別分析出電機運行的方向。但考慮到來自編碼器的信號不穩定且容易對LM629產生干擾甚至損壞，故輸入給LM629的兩路脈沖信號也需要光電隔離，隔離光耦采用6N137。光電隔離增量編碼器接口設計原理示意圖如圖1.6所示。圖1.6 光耦原理示意

12、圖當電信號送入光電耦合器的輸入端時，發光二極體通過電流而發光，光敏元件受到光照后產生電流，CE導通；當輸入端無信號，發光二極體不亮，光敏三極管截止，CE不通。對于數字量，當輸入為低電平“0”時，光敏三極管飽和導通，輸出為低電平“ 0”；反之則輸出為高電平“1”。TLP521光耦合器性能較好，價格便宜，因而一般選擇TLP521；但在電平轉換頻率較高時，改用6N137。 本設計體統的驅動模塊部分主要是以LMD18200為核心的驅動電路。H橋驅動組件LMD18200是由美國國家半導體公司生產的，用于電機驅動的功率集成驅動芯片。LMD18200外形結構和內部框圖如圖1.7所示。6. 電機驅動電路圖1.

13、7 LMD18200引腳示意圖LM18200采用了將4個DMOS管組成的H橋及其邏輯控制電路均包含在一個11腳的T-220封裝中，主要性能：1. 峰值輸出電流高達6A，連續輸出電流達3A；2. 工作電壓高達55V；3. TTL/CMOS兼容電平的輸入；4.具有溫度報警和過熱與短路保護功能；5. 芯片結溫達145，結溫達170時，芯片關斷；6. 具有良好的抗干擾性。7. 系統電源電路該系統的供電電源端分為三個部分，5V直流電源，24V直流電源和接地端。由于STM32F103VE需要3.3V電源供電，此系統中采用LM1117-3.3穩壓芯片進行電壓轉換(在4.1.1節中已介紹)。系統的供電電源設計

14、如圖1.8所示。圖1.8 系統供電電源原理示意圖圖4.15中的兩個發光二極管用于電源指示。3.3V直流電源用于給主處理器STM32F103VE，部分光耦TLP521，部分光耦6N137和MAX3232供電；5V直流電源用于給運動控制器LM629，部分光耦TLP521，部分光耦6N137和有源晶振供電。因為LMD18200的供電電壓高達55V，本系統選擇24V直流電壓給驅動器LMD18200供電。具體電源分配如表1.9所示。表1.9 電源分配表電源供電芯片編號及名稱3.3VU1：STM32F103VEU10：MAX3232U6、U9：TLP5215VU2：LM1117-3.3U4、U5、U7：6

15、N137U6、U8、U9：TLP521U11：LM629Y3：有源晶振24VU3：LMD182008. 主控制器STM32F103VE采用2V-3.6V供電，5V邏輯的I/O管腳，擁有優異的安全時鐘模式、帶喚醒功能的低功耗模式、內部RC振蕩器、內嵌復位電路以及工作溫度范圍為-40度至+105度。STM32F103VE使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC內核，工作頻率為72MHz，內置高速存儲器(高達512K字節的閃存和64K字節的SRAM)，豐富的增強I/O端口和聯接到兩條APB總線的外設。STM32F103VE包含2個12位的ADC、3個通用16位定時器和一個PWM定時器

16、，還包含標準和先進的通信接口：多達2個I2C和SPI、3個USART、一個USB和一個CAN。STM32F103VE的管腳如圖2.0所示。2.0 STM32F103VE管腳圖2軟件設計：1.速度伺服程序設計部分LM629可以工作在位置控制方式和速度控制方式，下面先以位置模式來闡述其控制原理。主處理器指定加速度、最大速度、最終的目標位置LM629首先以給定的加速度使電機加速，直到達到目標速度值，在此過程中，LM629記錄下達到目標速度值所需的脈沖，此脈沖值從目標位置值中減去以確定何時開始減速從而確保在目標位置處停止。減速度與加速度相等。在有些情況下，受限于目標速度、加速度和位置的相對值，當目標速

17、度值尚未達到時就必須開始減速。主機可以在運動的任意時刻改變最大速度值或目標位置值。LM629要求主處理器提供軌跡參數:加速度、速度和位置值，并且這些參數必須轉化為LM629所要求的形式，LM629利用這些數據計算運行軌跡。電機的編碼器為1000線，假設電機運動參數要求為：加速度為1r/s，最大速度為60r/min，電機完成10圈轉動。LM629所要求的各參數計算過程如下:1. 編碼器信號處理結果由于LM629對其進行了4倍頻，所以編碼器處理結果應為：Z=1000線4=4000計數值/每圈，即電機每轉一圈，LM629計4000個數。2. 采樣周期 （5.2）3. 加速度 （5.3）取，得計數值/

18、每采樣周期2，計數值/每采樣周期2，取整得：計數值/每采樣周期2，hex計數值/每采樣周期2，32位加速度有16bit的正整數和16bit的小數構成，所以計算結果必須乘以65536，并且轉換成十六進制，以滿足LM629所要求的形式。4. 速度計數值/每采樣周期 （5.4）計數值/每采樣周期，取整后：計數值/每采樣周期，hex計數值/每采樣周期，32bit速度也由16bit的正整數和16bit的小數構成，所以計算結果同必須乘以65536，并且轉換成十六進制，以滿足LM629所要求的形式。5. 目標位置計數值 （5.5）轉換成十六進制(位置值有正負)：hex計數值/每采樣周期。軌跡參數編程時，以L

19、TRJ命令引導，LTRJ命令通過寫入命令字節后緊跟者要寫入軌跡控制字來決定上述軌跡參數的。輸入軌跡控制字后，隨后輸入的參數都以雙十六位數據字輸入，這些參數按其在軌跡控制字相關聯的控制Bit位的降序排列依次為加速度、速度、位置。每個雙控制字輸入時都按從最高有效位到最低有效位的順序寫入LM629。設定軌跡參數時，輸入的信息的流程如表2.1所示。需要注意的是：除了加速度以外這些參數都可以在運動中更新。只有在軌跡完成，或軌跡控制字的第8位發出指令是電機關閉時，加速度才能改變。如果加速度改變了，而且STT已經發出，但電機驅動的加速度仍是當前的，將會產生一個錯誤中斷指令，同時當前指令被忽略。當該命令發出時

20、，PS管腳的狀態和命令LFIL類似，同時也要執行忙位查詢。與LFIL命令類似，LM629內部存儲這些軌跡參數都采取了雙緩沖結構。這些數據先存入主寄存器，等開始指令(STT)發出，這些軌跡數據傳送至有雙重緩沖區電路的工作寄存器以使電機啟動。表2.1 設定軌跡參數表端口命令寫入值（hex）備注命令口LTRJ1F該命令用于初始化LM629中PID參數接受緩沖區“忙”狀態檢測數據口HB00這兩個字節為軌跡的控制字，低字節2A表示加速度、速度和位置值要傳輸給LM629，并且都是絕對值。數據口LB2A“忙”狀態檢測數據口HB00加速度是兩個字節，先傳輸高字節數據口LB00“忙”狀態檢測數據口HB00傳輸加

21、速度的低位字數據口LB02“忙”狀態檢測數據口HB00速度也是兩個字節，先傳輸高位字節數據口LB02“忙”狀態檢測數據口HB34傳速度的低位字數據口LB6E“忙”狀態檢測數據口HB00位置也是兩個字，先傳輸高位字數據口LB00“忙”狀態檢測數據口HB1F傳輸位置值的低位字數據口LB40“忙”狀態檢測命令口STT01該命令讓LM629開始按該軌跡運行四 畢業設計進度及步驟1.畢業設計的進度安排第12周復習單片機的相關知識，深入學習軟件編程。第35周查閱資料，進行方案設計。第613 進行硬件電路設計并制作第1416周進行軟件調試。第1719周進行論文撰寫，準備答辯。2. 畢業設計的一般步驟在指導教

22、師的指導下，畢業設計的過程一般可分為三個階段：系統分析階段、系統設計階段、系統實施和調試階段。1.系統分析階段 （1）熟悉課題：畢業設計任務下達后 ，首先應該了解課題的名稱，課題的來源，課題的設計任務；所提供的原始數據，所要求的技術指標等。要對整體的設計要求有充分的了解和掌握。 （2）收集資料、調查研究：圍繞課題收集有關的資料，查閱有關的文獻及技術參數，收集有關的數據，并對用戶的實際需求等進行調研 ，以能對所涉及課題的功能和性能有全面和深入的了解。 （3）可行性分析：學生在熟悉課題、調研、收集資料和數據的基礎上，對設計課題進行可行性分析并形成相應的文檔。2.系統設計階段（1）概要設計：在可行性

23、分析的基礎上采用較好的方法就系統的總體結構、數據結構、控制結構、接口、界面、系統的輸入、輸出方式等方面進行設計并寫出分析說明書。同時按系統的總體功能進行模塊劃分和模塊設計，已明確模塊設計的任務和要求。（2）詳細設計：在概要設計的基礎上采用較好的方法和工具進一步確定總體功能和各個模塊功能的設計方案 。3.系統實施、調試階段 （1）程序編碼：這個階段應根據課題的控制結構圖和各個模塊的功能說明書按模塊分別進行所承擔的設計任務，進行程序編碼。并在計劃指定時間內完成各個子模塊的設計。（2）系統調試：各個子模塊功能設計完成后應該進行整個系統的調試，并在系統測試中不斷修改和完善系統功能，最終達到設計目標。設

24、計課題完成后應該撰寫“畢業設計論文”。五 參考文獻1 葉美桃.直流無刷電動即原理及其在汽車中的應用.機械管理開發，2008（4）：90-932 王為.基于LM629對足球機器人運動控制的設計.武漢工程大學學報2008 (1)：104-1073 賀志軍.基于LM629的電機伺服控制系統設計.機械設計與制造，2009（2）40-424 張毅剛.劉杰主編.MCS-51單片機原理及應用M .哈爾濱工業大學出版社，2008.95 范志宇.基于MATLAB的模糊PID調速系統的設計與仿真J .太原理工大學報：自然科學版2008(5)：1431456 董大為等.移動機器人自動循線及壁障檢測的設計.機床與液壓

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