【文章內(nèi)容簡介】 的控制改名為運動控制。 對電動機的控制可分為簡單控制和復雜控制兩種。簡單控制是指對電動機進行啟動、制動、正反轉(zhuǎn)控制和順序控制。這類控制可以通過繼電器、 可編程控制器和開關元件來實現(xiàn)。 復雜控制足指對電動機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩、電壓、電流等 物理量進行控制．而且有時往往需要非常精確的控制。以前．對電動機的簡單控制應用較多．但是．隨著現(xiàn)代化步伐的邁進．人們對自動化的需求越來越高．使電動機的復雜控制逐漸成為主流．其應用領域極為廣泛。例如：軍事和宇航方向的雷達天線、火炮瞄準、慣性導航、衛(wèi)星等。 電動機的控制技術的發(fā)展得利于微電子技術、電力電子技術、傳感器技術、永磁材料技術、自動控制技術、微機應用技術的最新發(fā)展成就。正是這些技術的進步發(fā)展使電動機控制技術在近幾十年發(fā)生的翻天覆地的變化。其中電動機的發(fā)展部分已由模擬控制逐漸讓位于以單片機為主的微處理器控制 ，形成數(shù)字與模擬的混合控制系統(tǒng)和純數(shù)字控制系統(tǒng)的應用，并正向全數(shù)字控制方向快速發(fā)展。電動機的驅(qū)動部分所用的功率期間經(jīng)歷了幾次更新?lián)Q代，目前開關速度更快、控制第二章 機器人禮儀小姐的制作工具 9 更容易的全控型功率器件成為主流。功率器件控制條件的變化和微電子技術的使用也使新型的電動機控制方法能夠得到實現(xiàn)，脈寬調(diào)制控制方法、變頻技術在直流調(diào)速和交流調(diào)速中獲得廣泛的應用。永磁材料技術的發(fā)展的突破與微電子技術的結(jié)合又產(chǎn)生了一批新型的電動機，如永磁直流電動機、交流伺服電動機等 。 電動機的控制技術與微電子技術、電力電子技術的結(jié)合使 其發(fā)展成為一門新的技術 —— 運 動 控制。由于有微處理器和傳感器作為系統(tǒng)的組成部分．賦予了系統(tǒng)以智能．所以又稱為智能運動控制。它作為一門多學科交叉技術而存在。當每種技術出現(xiàn)了新的進展時．都使它向前邁進一步．因此電動機控制技術的進步是日新月異的。 功率半導體器件與驅(qū)動電路的發(fā)展 自從上個世紀 50 年代，硅晶閘管問世以后，功率半導體器件的研究取得了飛速的發(fā)展。 60 年代后期，可關斷晶閘管 GTO 實現(xiàn)了門極可關斷功能，并使斬波頻率擴展到 1kHZ 以上。 70 年代到 80 年代， 大 功率晶體管、功率 MOSFET 和絕緣柵門控雙極性晶體管 IGBT 相繼問世， 功率器件實現(xiàn)了全控功能，使得高頻應用成為可能。這些全控型功率器件取代了普通晶閘管系統(tǒng)，提高了工作頻率，簡化了電路結(jié)構(gòu)，提高了效率和可靠性。原來諧波成分大、功率因數(shù)差的相控變流器已逐漸由斬波器或 PWM 變流器所取代，使電動機的調(diào)速范圍明顯增加。而且在中小功的電動機中功率變換器多由 MOSFET 或 IGBT 構(gòu)成，具有控制容易、開關頻率高、可靠性高等諸多優(yōu)點。其后又出現(xiàn)了功率場效應管、絕緣柵雙極晶體管、MOS 控制晶閘管等，形成了第三代功率器件。這些新型功率器件采用場控，工作頻率可以更高，驅(qū)動電路更簡單。 然而發(fā)展并沒有 就此停止．號稱第四代的功率集成電路已嶄露頭角。功率集成電路是電力電子技術與微電子技術相結(jié)合的產(chǎn)物。它將半導體功率器件與驅(qū)動電路、邏輯控制電路、檢測初診斷電路、保護電路集成在一塊芯片上，使功率器件含有某種智能功能．因此又稱智能功率集成電路。 在功率器件發(fā)展的同時，驅(qū)動電路也獲得了飛速的發(fā)展。驅(qū)動電路是將控制電路的輸出信號進行功率放大、并向各功率管送去能使其飽和導通和可靠關斷的驅(qū)動信號。驅(qū)動電路的工作方式直接影響著功率管的一些參數(shù)和特性，從而影響著整個電動機控制系統(tǒng)的正常工作。傳統(tǒng)的驅(qū)動電路大多是采用分立元件搭 接而成，這種方法使得電路復雜、調(diào)試困難、可靠性差。隨著集成電路技術的發(fā)展，現(xiàn)在每一類功率器件都有相應的專用驅(qū)動集成電路可供選用。這些專用驅(qū)動集成第二章 機器人禮儀小姐的制作工具 10 電路都是經(jīng)過優(yōu)化設計而定型的，它的使用可大大提高整機的可靠性。已經(jīng)可以做到使用一片驅(qū)動器件，一個驅(qū)動電源來驅(qū)動三相 jp,745 器的六個開關管，而不必為每個開關元件獨立提供電源、隔離驅(qū)動等，大大簡化了外圍電路特別是驅(qū)動電路的設計。 與分立功率器件織成的電動機驅(qū)動電路相比，智能功率集成電路有如下優(yōu)點 1 體積小重量輕．但功能強大。很有能降驅(qū)動器安裝在電動機內(nèi)部．形成 —種“ 電子電動機” 2 減少了電器元件數(shù)量．可提高系統(tǒng)的可靠性。內(nèi)部集成的檢測電路、診斷電路和保護電路增加了系統(tǒng)的可靠性。 3 控制電路與功率電路集成在一起。使監(jiān)控更易實現(xiàn)。 4 集成化使電路的連線減少。減少了分布電容和分布電感及信號傳輸?shù)难訒r．從而增加了系統(tǒng)抗干擾的能力。 ①集成化可以使電路參數(shù)優(yōu)化 ，避免在使用分立元件時．因不同廠商的產(chǎn)品所帶來的兼容性問題。 ⑥使用集成化取代分立元件來實現(xiàn)這些功能，將大大降低系統(tǒng)成本。 半導體功率器件發(fā)展的另一個方向是稱之為智能功率模塊。它是將多個 (或單個 )功率 器件組成半橋或全橋．并集成了快速恢復二極管、柵極 (或基極 )驅(qū)動電路、保護電路，并形成的 — 個混合模塊。 所有這些部位電功機的驅(qū)動走向了集成化。 電機控制器的發(fā)展 電機控制器是直流電動機正常運行并實現(xiàn)各種調(diào)速伺服功能的指揮中心，它主要完成以下功能 :對各種信號進行邏輯綜合，以給驅(qū)動電路提供各種控制信號 。產(chǎn)生 PWM 調(diào)制信號，實現(xiàn)電機的調(diào)速 。對電機進行速度環(huán)和電流環(huán)調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)具有較好的動態(tài)和靜態(tài)性能 。實現(xiàn)短路、過流、欠壓等故障保護功能。 現(xiàn)代控制技術的發(fā)展與微處理器的發(fā)展息息相關，可以說，每一次微處理器的進步都推動了控制技術的一次飛躍。在微處理器出現(xiàn)之前，控制器只能由模擬系統(tǒng)構(gòu)成。由模擬器件構(gòu)成的控制器只能實現(xiàn)簡單的控制，功能單一升級換代困難，而且由分立器件構(gòu)成的系統(tǒng)控制精度不高，溫度漂移，器件老化嚴重，使得維護成本增高，限制了它的發(fā)展和應用。 第二章 機器人禮儀小姐的制作工具 11 隨著微處理器的迅速發(fā)展和推廣，控制器由模擬式轉(zhuǎn)換成了數(shù)?；旌鲜剑⑦M一步發(fā)展到全數(shù)字式，技術的進步使得許多模擬器件難以實現(xiàn)的功能都可以方便地用軟件實現(xiàn)，使系統(tǒng)的可靠性和智能化水平大大提高。全數(shù)字系統(tǒng)簡化了硬件，縮小了裝置體積，消除了溫度變化的影響，升級換代十分 容易，控制精度不斷提高，重復性能也更好了。目前市場上微處理器品種繁多，檔次、性能各不相同，不同的廠商生產(chǎn)的微處理器都各有特點。有的價格低廉但功能不夠完善，速度慢，如傳統(tǒng)的 8051 單片機 。有的具有高速的數(shù)字處理能力，能實現(xiàn)一些復雜的控制算法，但價格不菲，如 DSP 微處理器。 本論文根據(jù)機器人禮儀小姐控制系統(tǒng)的功能設計要求，希望選用的微處理器具有響應速度快、功耗低、體積小、性價比比較小以及組成系統(tǒng)時所需要的外圍器件少的特點。分析對比各類控制器后決定采用 ATMEL 公司推出的具有極高性能價格比的 AVR 單片機 AT90S8535。在論文的下面章節(jié)中將對其作詳細介紹。 電機控制理論的發(fā)展 目前機器人禮儀小姐控制系統(tǒng)采用的控制理論淘汰了傳統(tǒng)的控制理論 ，而 推廣了 現(xiàn)代控制理論及智能 控制理論的應用。如具有二次型性能指標的最優(yōu)控制，可以用來設計最優(yōu)調(diào)節(jié)器和最優(yōu)跟蹤器，提高控制系統(tǒng)的動態(tài)性能 。模型參考自適應控制，可以使受控對象漸近跟蹤參考模型的輸出，從而獲得理想的控制性能 。具有狀態(tài)估計功能的卡爾曼濾波器可以獲得系統(tǒng)無法實測的狀態(tài)信息，濾除模型及測量的隨即噪聲干擾，獲得以最小方差為指標的最優(yōu)狀態(tài)估計 ?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制可以使系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)在動態(tài)過程中根據(jù)系統(tǒng)當時的偏差及導數(shù)以躍變方式作有目的的改變，使系統(tǒng)達到最佳指標 。模糊控制不依賴被控對象精確的數(shù)學模型，對系統(tǒng)動態(tài)響應有較好的魯棒性 。神經(jīng)網(wǎng)絡具有非線性映射能力，可逼近任意線性和非線性模型，又具有自學習、自收斂的特性，對參數(shù)變化有較強的警棒性 。 本章小結(jié) 綜上所述，根據(jù)機器人禮儀小姐的具體要求以及各種元器件的性能，機器人禮儀小姐的主要制作工具應該選擇 AVR 系列單片機中的具有極高性價比的AT90S8535 和具有 優(yōu)良的調(diào)速和啟動性能 的直流電機。 第三章 AT90S8535 單片機 12 第三章 AT90S8535 單片機 AT90S8535 單片機是 AT90 系列 AVR 單片機中接口豐富、功能齊全、性價比比較高的產(chǎn)品 單片機的特點 AT90S8535 單片機 具有如下特點： 1． AVR RISC 結(jié)構(gòu) AVR 高性能、低功耗 RISC 結(jié)構(gòu) 118 條指令構(gòu)成的精簡指令集，大多數(shù)為單指令周期 32 個 8 位通用寄存器 工作在 8MHZ 時具有 8MIPS 的性能 2．數(shù)據(jù)和非易失性程序存儲器 8KB 的在線可編程 FLASH 存儲器，可擦寫 1000 次以上 512B 的 SRAM 512B 在線可編程 EEPROM 可擦寫 100000 次 3．外圍器 件特點 兩個可與分頻的 8 位定時 /計數(shù)器 {T/C0、 T/C2}其中 T/C2 具有輸出比較和PWM 功能 一個可預分頻的 16 位定時 /計數(shù)器（ T/C1） T/C1 具有輸入捕獲、輸出比較和 PWM 功能 片內(nèi)模擬比較器 可編程的看門狗定時器 8 通道 10 位 ADC 2 通道 10 位和 1 通道 8 位 PWM 脈寬調(diào)制輸出，可作 D/A 轉(zhuǎn)換器 SPI 同步接口 全雙工 UART 第三章 AT90S8535 單片機 13 4． MCU 特點 上電復位電路 具有計數(shù)功能、又獨立振蕩器的實時時鐘 RTC 低功耗空閑省電和掉電模式 16 種中斷源，每種中斷源具有一個中斷向量作為相應的中斷入口地址 5． 4MHZ3V20℃條件下的功耗（ AT90S8535） 工作模式： 空閑模式： 掉電模式： 1 32 個可編程的 I/O 腳，每個腳都可以指定工作模式 40 腳 PDIP/PLCC/TQFP 7．工作電壓和時鐘 工作電壓： 時鐘： 08MHZ AT90S8535 單片機的引腳配置 AT90S8535 單片機有 PDIP、 PLCC、 TQFP 和 MLF 等 4 種封裝形式，如圖 第三章 AT90S8535 單片機 14 圖 AT90S8535 單片機的引腳功能配置如下： 引腳名稱 功能 T0/PBO 定時 /計數(shù)器 0 外部計數(shù)輸入端， PB 口第 0 位 T1/PB1 定時 /計數(shù)器 1 外部計數(shù)輸入端， PB 口第 1 位 AIN0/PB2 模擬比較輸入端 0， PB 口第 2 位 AIN1/PB3 模擬比較輸入端 1， PB 口第 3 位 SS/PB4 SPI 從機選擇段， PB 口第 4 位 MOSI/PB5 SPI 主機輸出從機輸入端， PB 口第 5 位 MISO/PB6 SPI 主機輸入從機輸出端， PB 口第 6 位 SCK/PB7 SPI 串行時鐘輸入端， PB 口第 7 位 RESET 復位端，低電平有效 VCC 數(shù)字電源端 GND 數(shù)字地 XTAL2 振蕩器輸出端 XTAL1 振蕩器輸入端 表 第三章 AT90S8535 單片機 15 圖 引腳名稱 功能 RXD/PD0 UART 數(shù)據(jù)接收端， PD 口第 0 端 TXD/PD1 UART 數(shù)據(jù)發(fā)送端， PD 口第 1 端 INT0/PD2 外部中斷輸入 0， PD 口第 2 端 INT1/PD3 外部中斷輸入 0， PD 口第 3 位 OC1B/PD4 T/C1 輸出比較 1B 匹配輸出， PD 口第 4 位 OC1A/PD5 T/C1 輸出比較 1A 匹配輸出， PD 口第 5 位 ICP/PD6 T/C1 輸入捕獲端， PD 口第 6 位 OC2/PD7 T/C2 輸出比較匹配輸出， PD 口第 7 位 PA0/ADC0 PA 口第 0 位，模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入端 0 PA1/ADC1 PA 口第 1 位，模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入端 1 PA2/ADC2 PA 口第 2 位，模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入端 2 PA3/ADC3 PA 口第 3 位，模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入端 3 PA4/ADC4 PA 口第 4 位，模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入端 4 PA5/ADC5 PA 口第 5 位，模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入端 5 PA6/ADC6 PA 口第 6 位，模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入端 6 PA7/ADC7 PA 口第 7 位，模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入端 7 AREF 模數(shù)轉(zhuǎn)換參考電壓 AGND 模擬地 AVCC 模擬電源端 PC7/TOSC2 PC 口第 7 位，實時時鐘引腳 2 第三章 AT90S8535 單片機 16 PC6/TOSC1 PC 口第 6 位，實時時鐘引腳 1 PC5 PC 口第 5 位 PC4 PC 口第 4 位 PC3 PC 口第 3 位 PC2 PC 口第 2 位 PC1 PC 口第 1 位 PC0 PC 口第 0 位 A 口 (PA7PA0)： A 口是一個 8 位雙向 I／ O 口，每一個引腳都有內(nèi)部上拉電阻。