【正文】 種考慮的改進(jìn)電路，它在基本H橋電路的基礎(chǔ)上增加了4個與門和2個非門。此時，電路中除了三極管外沒有其他任何負(fù)載，因此電路上的電流就可能達(dá)到最大值（該電流僅受電源性能限制），甚至燒壞三極管。 圖23 H橋驅(qū)動電機(jī)逆時針轉(zhuǎn)動　　驅(qū)動電機(jī)時，保證H橋上兩個同側(cè)的三極管不會同時導(dǎo)通非常重要。圖22 H橋電路驅(qū)動電機(jī)順時針轉(zhuǎn)動　　圖23所示為另一對三極管Q2和Q3導(dǎo)通的情況，電流將從右至左流過電機(jī)。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅(qū)動電機(jī)順時針轉(zhuǎn)動。 圖21 H橋驅(qū)動電路要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須使對角線上的一對三極管導(dǎo)通。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對角線上的一對三極管。4個三極管組成H的4條垂直腿，而電機(jī)就是H中的橫杠（注意：圖21及隨后的兩個圖都只是示意圖，而不是完整的電路圖，其中三極管的驅(qū)動電路沒有畫出來）。43第二章 直流電機(jī)的控制原理第二章 直流電機(jī)的控制原理 “H橋”整流電路的原理 “H橋”整流電路的驅(qū)動原理圖21中所示為一個典型的直流電機(jī)控制電路。 本章小結(jié) 本章通過對伺服電機(jī)資料的搜集，介紹了伺服電機(jī)的原理及特點(diǎn)，加深對伺服電機(jī)的了解。 對于TTL的帶有對稱負(fù)信號輸出的編碼器，信號傳輸距離可達(dá)150米。 信號連接—編碼器的脈沖信號一般連接計數(shù)器、PLC、計算機(jī)，PLC和計算機(jī)連接的模塊有低速模塊與高速模塊之分，開關(guān)頻率有低有高。B,B。分辨率—編碼器以每旋轉(zhuǎn)360度提供多少的通或暗刻線稱為分辨率，也稱解析分度、或直接稱多少線，一般在每轉(zhuǎn)分度5~10000線。由于A、B兩相相差90度，可通過比較A相在前還是B相在前，以判別編碼器的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，通過零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。多圈式絕對編碼器在長度定位方面的優(yōu)勢明顯，已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于工控定位中。編碼器生產(chǎn)廠家運(yùn)用鐘表齒輪機(jī)械的原理，當(dāng)中心碼盤旋轉(zhuǎn)時，通過齒輪傳動另一組碼盤（或多組齒輪，多組碼盤），在單圈編碼的基礎(chǔ)上再增加圈數(shù)的編碼，以擴(kuò)大編碼器的測量范圍，這樣的絕對編碼器就稱為多圈式絕對編碼器，它同樣是由機(jī)械位置確定編碼，每個位置編碼唯一不重復(fù)，而無需記憶。旋轉(zhuǎn)單圈絕對式編碼器，以轉(zhuǎn)動中測量光碼盤各道刻線，以獲取唯一的編碼，當(dāng)轉(zhuǎn)動超過360度時，編碼又回到原點(diǎn)，這樣就不符合絕對編碼唯一的原則，這樣的編碼器只能用于旋轉(zhuǎn)范圍360度以內(nèi)的測量，稱為單圈絕對式編碼器。絕對型編碼器因其高精度，輸出位數(shù)較多，如仍用并行輸出，其每一位輸出信號必須確保連接很好，對于較復(fù)雜工況還要隔離，連接電纜芯數(shù)多，由此帶來諸多不便和降低可靠性，因此，絕對編碼器在多位數(shù)輸出型，一般均選用串行輸出或總線型輸出，德國生產(chǎn)的絕對型編碼器串行輸出最常用的是SSI（同步串行輸出）。這樣，編碼器的抗干擾特性、數(shù)據(jù)的可靠性大大提高了。這樣的編碼器是由碼盤的機(jī)械位置決定的，它不受停電、德國hubner編碼器干擾的影響。絕對型旋轉(zhuǎn)光電編碼器，因其每一個位置絕對唯一、抗干擾、無需掉電記憶，已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用于各種工業(yè)系統(tǒng)中的角度、長度測量和定位控制。比如，打印機(jī)掃描儀的定位就是用的增量式編碼器原理，每次開機(jī)，我們都能聽到噼哩啪啦的一陣響，它在找參考零點(diǎn)，然后才工作。在參考點(diǎn)以前，是不能保證位置的準(zhǔn)確性的。這樣，當(dāng)停電后，編碼器不能有任何的移動，當(dāng)來電工作時，編碼器輸出脈沖過程中，也不能有干擾而丟失脈沖，不然，計數(shù)設(shè)備記憶的零點(diǎn)就會偏移，而且這種偏移的量是無從知道的，只有錯誤的生產(chǎn)結(jié)果出現(xiàn)后才能知道。如上所述優(yōu)點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)編碼器已經(jīng)越來越廣泛地被應(yīng)用于各種工控場合。多功能化：除了定位，還可以遠(yuǎn)傳當(dāng)前位置，換算運(yùn)動速度，對于變頻器，步進(jìn)電機(jī)等的應(yīng)用尤為重要。可是，隨著工控的不斷發(fā)展，又有了新的要求，這樣，選用旋轉(zhuǎn)編碼器的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)就突出了：信息化：除了定位，控制室還可知道其具體位置；編碼器柔性化：定位可以在控制室柔性調(diào)整；現(xiàn)場安裝的方便和安全、長壽：拳頭大小的一個旋轉(zhuǎn)編碼器，可以測量從幾個μ到幾十幾百米的距離，n個工位，只要解決一個旋轉(zhuǎn)編碼器的安全安裝問題，可以避免諸多接近開關(guān)、光電開關(guān)在現(xiàn)場機(jī)械安裝麻煩，容易被撞壞和遭高溫、水氣困擾等問題。絕對式編碼器的每一個位置對應(yīng)一個確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關(guān)，而與測量的中間過程無關(guān)。按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對式兩類。 編碼器的原理 編碼器的介紹編碼器是將信號或數(shù)據(jù)進(jìn)行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設(shè)備。通過調(diào)節(jié)方波的占空比和頻率能獲得不同的PWM信號，從而實(shí)現(xiàn)可控電平的模擬信號輸出。電源以一系列脈沖的形式給負(fù)載供電。從本質(zhì)上看，PWM是一種模擬信號電平幅度的數(shù)字編碼，通過使用高分辨的計數(shù)器，方波的占空比被調(diào)制，從而使模擬信號幅度的有效值得到改變。負(fù)載所獲得的功率與電源接通的時間成正比。在t時間內(nèi)，開關(guān)閉合的時間為t*60%，而斷開的時間為t*40%，所以平均電壓為6V，此時電燈比10V時暗，比5V時亮。通過使開關(guān)閉合與斷開的時間各為50%，是電燈亮度降低，從平均上看，電燈的供電電壓變成了5V。如果在1s內(nèi)，這種以50ms為間隔的開關(guān)動作不斷地進(jìn)行，那1s這間的平均電壓就是5V，既然平均電壓只有原來的一半，由于人視覺的暫留作用，就會看到電燈的亮度降低了。圖12（a）10W 圖12（b）5W下面介紹一個效率更高的方法:如果閉合開關(guān)50ms，在這50ms內(nèi)電燈的電壓為10V，接著斷開開關(guān)50ms，在這50ms的電燈的電壓為0V。如圖12（b）所示，增加一個電阻R吸收掉5V，這就使電燈的電壓變成了5V，亮度降低。如圖12（a）所示電路，當(dāng)開關(guān)S閉合時，電燈L發(fā)光，電壓為10V，由于電路中再沒有其他的損耗，所以電池B的輸出電壓也是10V。 為控制電機(jī)準(zhǔn)備 如何控制電壓第一個需要解決的是電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。容易實(shí)現(xiàn)智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相。因此它可以用于對成本敏感的普通工業(yè)和民用場合。因此它可以用于對成本敏感的普通工業(yè)和民用場合。直流伺服電機(jī)分為有刷和無刷電機(jī)。 直流伺服電機(jī)的簡介直流電機(jī)如下圖（11）所示：圖11 直流伺服電機(jī) 本伺服電機(jī)為試驗(yàn)用伺服電機(jī)，接線一共有7條，紫色線為無用線，兩邊的線為電源線，次中間兩條為編碼器供電線，接+5V和地，最中間兩條為A、B項接線。（5）畫出電路原理圖，進(jìn)行電子自動化設(shè)計。（1）通過單片機(jī)實(shí)驗(yàn)加深對伺服電機(jī)的驅(qū)動電源和電機(jī)工作情況了解，在單片機(jī)輸出PWM信號給伺服電機(jī)，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速；（2）通過橋式整流電路控制伺服電機(jī)的正反轉(zhuǎn)；（3）然后通過編碼器反饋信號給單片機(jī)計數(shù)，在數(shù)碼管上顯示脈沖數(shù)。本課題研究的就是基于單片機(jī)的伺服直流電機(jī)控制，作為一個機(jī)電一體化的學(xué)生，既要掌握機(jī)械原理，更重要的是通過電來控制機(jī)械的運(yùn)行，從最基本的微機(jī)入手，選用51單片機(jī)作為控制電機(jī)的芯片。第一章 緒論直流電機(jī)伺服系統(tǒng)的控制畢業(yè)論文目 錄摘要 IAbstract II第一章 緒論 1 1 1 1 軟件方面 1 直流伺服電機(jī)的簡介 2 為控制電機(jī)準(zhǔn)備 3 如何控制電壓 3 什么是PWM 3 編碼器的原理 4 編碼器的介紹 4 編碼器工作原理 6 本章小結(jié) 6第二章 直流電機(jī)的控制原理 7 “H橋”整流電路的原理 7 “H橋”整流電路的驅(qū)動原理 7 8 關(guān)于“H橋”整流電路的制作 9 制作電路選用的芯片 9 練習(xí)用的驅(qū)動板 9 驅(qū)動板電路圖 10 關(guān)于電路的接線說明 10 碼盤輸入信號的過濾 10 制作該電路的原因 10 該電路的芯片 11 該電路的原理圖 12 該電路的練習(xí)實(shí)物圖 13 本章小結(jié) 13第三章 控制器的介紹 14 控制器的選擇 14 STC12C5A60S2引腳說明 15 由STC12C5A60S2及其它組成的最小系統(tǒng) 17 最小系統(tǒng)概述 17 復(fù)位電路 17 18 按鍵電路 18 顯示電路 19 STC12C5A60S2如何輸出PWM方波 20 20 輸出PWM原理 23 輸出PWM時的寄存器設(shè)置 24 在單片機(jī)中輸出PWM的程序 25 八位數(shù)碼管的顯示原理 26 段選顯數(shù)原理 26 關(guān)于三八譯碼器 27 單片機(jī)的計數(shù)器 28 計數(shù)器的工作原理 28 計數(shù)器的設(shè)置 28 PID控制 29 PID概述 29 PID算法介紹 31 針對本課題用到的比例調(diào)節(jié) 32 關(guān)于硬件的制板 33 PCB的制板流程 33 整個設(shè)計的電路圖 34 本章小結(jié) 34結(jié)束語 35參考文獻(xiàn) 38致謝 39第一章 緒論自動化不但能給我們帶來人員進(jìn)出方便，更令我們的大門增添了不少高貴典雅的氣息。然而實(shí)施自動化的一個極為主要的器件就要靠電機(jī)。直流伺服電機(jī),它包括定子、轉(zhuǎn)子鐵芯、電機(jī)轉(zhuǎn)軸、伺服電機(jī)繞組換向器、伺服電機(jī)繞組、測速電機(jī)繞組、測速電機(jī)換向器,所述的轉(zhuǎn)子鐵芯由矽鋼沖片疊壓固定在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上構(gòu)成。（4）根據(jù)功能需要選擇電路元器件和型號，設(shè)計電路。 軟件方面（1）通過STC12C5A60S2單片機(jī)直接設(shè)置寄存器輸出PWM信號，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動；（2）對計數(shù)器進(jìn)行設(shè)置，讀入脈沖；（3）運(yùn)用PID算法，對實(shí)時輸入的伺服電機(jī)輸入的轉(zhuǎn)速進(jìn)行計算，再調(diào) 整PWM輸出，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到用戶設(shè)定速度。伺服主要靠脈沖來定位，基本上可以這樣理解，伺服電機(jī)接收到1個脈沖，就會旋轉(zhuǎn)1個脈沖對應(yīng)的角度，從而實(shí)現(xiàn)位移，因?yàn)?，伺服電機(jī)本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個角度，都會發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機(jī)接受的脈沖形成了呼應(yīng)，或者叫閉環(huán)，如此一來，系統(tǒng)就會知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機(jī)，同時又收了多少脈沖回來，這樣，就能夠很精確的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)精確的定位。有刷電機(jī)成本低，結(jié)構(gòu)簡單，啟動轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，控制容易，需要維護(hù)，但維護(hù)方便（換碳刷），產(chǎn)生電磁干擾，對環(huán)境有要求。按電刷類型可分為： 有刷直流伺服電機(jī)——電機(jī)成本低，結(jié)構(gòu)簡單，啟動轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，控制容易，需要維護(hù)，但維護(hù)方便（換碳刷），會產(chǎn)生電磁干擾，對環(huán)境有要求。無刷直流伺服電機(jī)——電機(jī)體積小，重量輕，出力大，響應(yīng)快，速度高，慣量小，轉(zhuǎn)動平滑，力矩穩(wěn)定。電機(jī)免維護(hù)不存在碳刷損耗的情況，效率很高，運(yùn)行溫度低噪音小，電磁輻射很小，長壽命，可用于各種環(huán)境。這里用電燈來了解負(fù)載的功率是如何控制的。如果想降低電燈的亮度，只需要吧供給電燈的電壓降低即可。圖12（b）的方法降低電燈亮度雖然可行，但是多出的電能會變成熱能損失掉，而電池B的電壓仍然是10V。在這100ms內(nèi)，電燈的平均電壓為（10V*50ms+0V*50ms）/100ms=5V。因?yàn)殚_關(guān)的作用，使得1s內(nèi)只有500ms電池向電燈供電，所以電能的損耗要比圖12（b）的節(jié)省一半。如果想降低到6V又該怎么辦呢？很簡單，只要使開關(guān)閉合與斷開的時間分配成60%和40%即可。 什么是PWM這種利用開關(guān)對通、斷時間的控制來改變平均電壓的機(jī)制稱為PWM（又稱脈寬調(diào)制）。PWM是一種非常常用的數(shù)字控制模擬方法，在測量、通信等諸多領(lǐng)域都被廣泛地應(yīng)用。PWM仍然是一個數(shù)字信號，這是因?yàn)樵谀骋粫r刻，直流電平要么出現(xiàn)，要么不出現(xiàn)。在帶寬足夠的情況下，任何模擬電平值都可以由PWM產(chǎn)生。至于如何獲得PWM的輸出，在下一章會有詳細(xì)介紹。編碼器把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號，前者成為碼盤，后者稱碼尺．按照讀出方式編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩種．接觸式采用電刷輸出，一電刷接觸導(dǎo)電區(qū)或絕緣區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“1”還是“0”；非接觸式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件時以透光區(qū)和不透光區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“1”還是“0”，通過“1”和“0”的二進(jìn)制編碼來將采集來的物理信號轉(zhuǎn)換為機(jī)器碼可讀取的電信號用以通訊、傳輸和儲存。增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再把這個電信號轉(zhuǎn)變成計數(shù)脈沖，用脈沖的個數(shù)表示位移的大小。（REP）工業(yè)控制中的定位，接近開關(guān)、光電開關(guān)的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟了，而且很好用。由于是光電碼盤，無機(jī)械損耗，只要安裝位置準(zhǔn)確，其使用壽命往往很長。經(jīng)濟(jì)化：對于多個控制工位，只需一個旋轉(zhuǎn)編碼器的成本，以及更主要的安裝、維護(hù)、損耗成本降低，使用壽命增長，其經(jīng)濟(jì)化逐漸突顯出來。絕對式編碼器旋轉(zhuǎn)增量式編碼器以轉(zhuǎn)動時輸出脈沖，通過計數(shù)設(shè)備來知道其位置，當(dāng)編碼器不動或停電時，依靠計數(shù)設(shè)備的內(nèi)部記憶來記住位置。解決的方法是增加參考點(diǎn)，編碼器每經(jīng)過參考點(diǎn)，將參考位置修正進(jìn)計數(shù)設(shè)備的記憶位置。為此，在工控中就有每次操作先找參考點(diǎn)，開機(jī)找零等方法。這樣的方法對有些工控項目比較麻煩，甚至不允許開機(jī)找零（開機(jī)后就要知道準(zhǔn)確位置），于是就有了絕對編碼器的出現(xiàn)。絕對編碼器光碼盤上有許多道刻線，每道刻線依次以2線、4線、8線、16線......編排，這樣，在編碼器的每一個位置，通過讀取每道刻線的通、暗，獲得一組從2的零次方到2的n1次方的唯一的2進(jìn)制編碼（格雷碼），這就稱為n位絕對編碼器。絕對編碼器由機(jī)械位置決定的每個位置的唯一性，它無需記憶，無需找參考點(diǎn)，而且不用一直計數(shù)，什么時候需要知道位置，什么時候就去讀取它的位置。由于絕對編碼器在定位方面明顯地優(yōu)于增量式編碼器，已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于工控定位中。從單圈絕對式編碼器到多圈絕對式編碼器。如果要測量旋轉(zhuǎn)超過360度范圍，就要用到多圈絕對式編碼器。多圈編碼器另一個優(yōu)點(diǎn)是由于測量范圍大，實(shí)