工业机器人-基于伺服电机的PMSM控制系统硬件电路设计
第十章 基于单片机的PMSM控制系统硬件电路设计
10.1 硬件电路设计概述
在对腕关节的控制器的设计上，主要采用单片机作为主控制器，通过双电源为控制机和伺服电机进行供电，从而保障机械臂的正常使用。电路结构图如图10-1所示。
图10-1 电路结构图
单片机最小系统也称最小应用系统，是指用最少的元件组成的可工作的单片机系统。电源电路是电源的稳定可靠是系统平稳运行的前提和基础，所以为单片机系统提供稳定的电源供电对一个完整的电源电路来说非常重要。时钟电路：时钟是单片机的心脏 ，单片机指令的执行需要用到时钟信号晶振就是用来为单片机提供基本时钟信号的，时钟频率越高，单片机的运行速度具越快。每一个单片机都有它能够接受的最高时钟频率。复位电路：单片机复位电路的作用就是把电路复位到一个确定的状态。在上电、断电或者发生故障后都要复位。下载电路：程序下载电路可以将编写好的程序下载到单片机中。
系统硬件设计包括AT89C51单片机的最小系统、电源模块、键盘控制模块、步进电机驱动模块、数码显示模块、测速模块（含霍尔片UGN3020或者其他测速原件）6个功能模块的设计，以及各模块在电路板上的有机结合而实现。软件设计包括键盘控制、步进电机脉冲、数码管动态显示以及转速信号采集模块的控制程序，最终实现对步进电机转动方向及转动速度的控制，并将步进电机的转动速度动态显示在LED数码管上，对速度进行实时监控显示[20]。
10.2 芯片选择
1、 AT89C51单片机
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS-8位微处理器，俗称单片机。AT89C51的管脚说明如下：
图10-2 芯片结构图
P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0用于外部程序数据存储器，为数据/地址的八位。
P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入。
P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。
P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号，也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：P3.0 RXD（串行输入口），P3.1 TXD（串行输出口），P3.2 /INT0（外部中断0），P3.3 /INT1（外部中断1），P3.4 T0（记时器0外部输入），P3.5 T1（记时器1外部输入），P3.6 /WR（外部数据存储器写选通），P3.7 /RD（外部数据存储器读选通），RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出用于锁存地址的地位字节。PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。EA/VPP：当EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
XTAL1，XTAL2：反向振荡放大器的输入和输出及内部时钟工作电路的输入。XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。
2、 L298
使用单片机管脚直接驱动电机是不可行的，由于电流太下，无法使电机转动。因此需要驱动芯片，此处使用L298N。其中VCC为芯片工作电压，5V即可；VS为电机工作电压，该电压越高，则电机转速越快，一定范围内。ENA、ENB为A、B通道的使能端。
3、 8255A
鉴于51单片机的端口可能不够，采用了82C55芯片来进行端口扩展,设置PA口为输入，其他口（PB、PC高四位、PC低四位）全为输出。
4 、LM331
F/V转换器可接收各种周期变化的信号波形并产生于输入信号频率成正比的模拟量输出。本电路采用的AD651是高精度、高频型单片集成电压 频率和频率电压变换电路。AD651可构成廉价高分辨率低速A/D转换器、远距离信号传输电路、锁相环电路、调制解调器电路、精密步进马达速度控制电路、窄带滤波电路。
LM331可用作精密的频率电压(F／V)转换器、A／D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器以及其他相关的器件。内置温度补偿能隙基准电源，在整个工作温度范围内都具有很高的转换精度和温度稳定性。且频率适应范围宽(1 Hz～100 kHz)、线性度好、外围电路简单。LM331内部由输入比较器、定时比较器、R-S触发器、输出驱动、复零晶体管、能隙基准电路和电流开关等部分组成。输出驱动管采用集电极开路形式，因而可以通过选择逻辑电流和外接电阻，灵活改变输出脉冲的逻辑电平，以适配TTL、DTL和CMOS等不同的逻辑电路。
5、ADC0808 /DCA0832
ADC0809采用的基准电压为+5V,转换所得结果二进制数字，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。
根据对DAC0832的数据锁存器和DAC寄存器的不同的控制方式，DAC0832有三种工作方式：直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式。
1、单缓冲方式。单缓冲方式是控制输入寄存器和DAC寄存器同时接收资料，或者只用输入寄存器而把DAC寄存器接成直通方式。此方式适用只有一路模拟量输出或几路模拟量异步输出的情形。
2、双缓冲方式。双缓冲方式是先使输入寄存器接收资料，再控制输入寄存器的输出资料到DAC寄存器，即分两次锁存输入资料。此方式适用于多个D/A转换同步输出的情节。
3、直通方式。直通方式是资料不经两级锁存器锁存，即 CS*，XFER* ，WR1* ，WR2* 均接地，ILE接高电平。此方式适用于连续反馈控制线路和不带微机的控制系统，不过在使用时，必须通过另加I/O接口与CPU连接，以匹配CPU与D/A转换。DAC0832引脚功能电路应用原理图DAC0832是采样频率为八位的D/A转换芯片，集成电路内有两级输入寄存器，使DAC0832芯片具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式，以便适于各种电路的需要（如要求多路D/A异步输入、同步转换等）。
10.3 机械臂控制系统硬件电路设计
10.3.1AT89C51主板设计
以40总线为基础设计了多种I/0接口通用模块如:存储器扩展模块(通过跳线可在实际应用中使用者可根据需要选择不同的模块进行配置,考虑到总线上可能要连接多块模板，将系统的3组总线经驱动后接到40脚总线接口，再通过40脚接插件与总线底板的插口连接，P1口及定时器输入T0、T1由16脚接插件引出。利用8255A进行接口扩展，用于实现三个电机的控制和反馈测量。
图10-1 主板控制电路结构图
10.3.2键盘/显示器控制模块
在电机转速控制系统中，系统需要按键进行参数的输入、工作方式的设定以及电机起停的控制，因 此键盘在整个系统中是不可缺少的一部分，采用行列式键盘， 这种键盘的特点是行线、列线分别接输入线、输出线。按键设置在行、列线的交叉点上， 利用这种矩阵结构只需 m 行线和n 列线就可组成m×n 个按键的键盘，因此矩阵式键盘适用于按键数量较多的场合。
根据设计需求， 本系统中使用了4×4键盘用以实现对P、L D 三个参数和电机正反转的设定， 以及对电机启动、停止、暂停、继续的控制， 其电路原理图如图 4.8 所示。图中 LO~ L3 为 4x4 键盘的列信号， HO~ H3 为 4×4 键盘的行信号。键盘操作说明：在系统开始运行时 ， 128 x64LCD 将显示开机界面， 若按下设置键显示屏进入参数设置界面，此时按l 、2、3、4 进入相应参数的设置的状态， 输入相应的数字即可完成该参数的设置，待所有量设置完成后按正／反控制键设置正反转， 最后按启动键启动系统， 在运行过程中可按下相应键对电机进行暂停、继续、停止运行的控制。
图10-2 键盘显示器控制模块
10.3.3.D/A转换电路模块
D/A转换模块利用DAC0832芯片，DAC0832具有两个输入寄存器的8位D/A转换器，可以直接与8位微处理器直接相连。其主要技术特性:分辨率为8位：基准电压UREF工作范围±10～–10V；供电电源为+5～+15V,电源稳定时N为1us，功耗为20mW；所有引脚的逻辑电平与TTL电平兼容，是电流输出型的数模转换器，使用时一般需要通过运算放大器转换为电压信号输出。DAC0832的两个寄存器同时选通和锁存，即采用的是单缓冲型工作方式，双极性输出方式可以满足系统的双极性控制。
图10-3 D/A转换电路结构图
由图可见，设置开关SW-1和SW-2在不同位置以及不同的输入信号时，可以得到已经具有电流控制回路的不同结构的直流伺服控制系统。
工业机器人-基于伺服电机的PMSM控制系统硬件电路设计相关推荐
- LCD接口设计系列一：基于eDP接口屏的硬件电路设计
LCD的接口类型较多,主要有RGB接口.LVDS接口.eDP接口.MIPI-DSI接口.HDMI接口等,这些接口的定义/协议/特点等各有不相同,一直想对这些接口电路做一个总结.由于涉及到的内容比较多, ...
- 智能家居-2.基于esp8266的语音控制系统(硬件篇)
智能家居-1.基于esp8266的语音控制系统(开篇) 智能家居-2.基于esp8266的语音控制系统(硬件篇) 智能家居-3.基于esp8266的语音控制系统(软件篇) 赞赏支持 QQ:505645 ...
- LCD接口设计系列二：基于LVDS接口屏的硬件电路设计
LCD的接口类型较多,主要有RGB接口.LVDS接口.eDP接口.MIPI-DSI接口.HDMI接口等,这些接口的定义/协议/特点等各有不相同,一直想对这些接口电路做一个总结.由于涉及到的内容比较多, ...
- 基于FPGA音乐播放器硬件电路设计
语言是VHDL语言 音乐硬件演奏电路基本原理 硬件电路的发声原理,声音的频谱范围约在几十到几千赫兹,若能利用程序来控制FPGA芯片某个引脚输出一定频率的矩形波,接上扬声器就能发出相应频率的声音.乐曲中 ...
- 基于ETest的车身控制系统硬件在环测试技术研究
设备组成 Etest_CPS系统主要由硬件部分与软件部分组成.硬件部分由PCI机箱.PCI控制器以及各种PCI接口板卡组成.软件部分由测试设计软件模块.测试执行服务软件模块.测试执行客户端软件模块.设 ...
- 智能家居-3.基于esp8266的语音控制系统(软件篇)
智能家居-1.基于esp8266的语音控制系统(开篇) 智能家居-2.基于esp8266的语音控制系统(硬件篇) 智能家居-3.基于esp8266的语音控制系统(软件篇) 赞赏支持 QQ:505645 ...
- 智能家居-1.基于esp8266的语音控制系统(开篇)
智能家居-1.基于esp8266的语音控制系统(开篇) 智能家居-2.基于esp8266的语音控制系统(硬件篇) 智能家居-3.基于esp8266的语音控制系统(软件篇) apache-apollo安 ...
- 基于Internet联网的一种报警主机硬件电路设计
本文主要介绍了基于Internet联网的一种报警主机硬件电路设计,系统主要介绍了系统的详细设计过程,系统主要包括Atmega128外围电路,ENC28J60以太网接口电路,键盘/显示接口部分,电源部分 ...
- 基于STM32-消防栓监测系统毕业设计---论文(附加最全面的从硬件电路设计-＞驱动程序设计-＞阿里云物联网搭建-＞安卓APP设计)
设计展示视频连接:消防栓监测系统视频 驱动程序工程文件:消防栓监测系统驱动程序工程(全寄存器开发的) 消防栓监测系统所有设计资料:全栈设计,如下图所示 消防栓监测系统论文(图片看不清的可以下载文档看) ...
最新文章
- ubuntu16.04安装R及RStudio
- Qt工作笔记-获取选中的文件名（lastIndexOf的使用）
- 判断一个字符（小写变为大写，大写变小写，数字不变，空格输出space，其他字符输出other）C语言
- 问题 F: Search Problem (III)
- NOIP2018初赛翻车总结
- Q120：PBRT-V3，“直接光照”积分器（14.3章节）
- 算法题在我看来都是小意思
- node.js安装以及git 的使用说明
- matlab·计算机视觉·工具箱
- paip.提升安全性-------用户口令密码的检测与生成
- 服务器如何自动校准北京时间,北京时间
- Allwinner V3s RFBNet
- eclipse下载哪个版本开发java_官网上有很多版本的eclipse，下载哪个版本比较合适？...
- PIL IOError: cannot identify image file './temp.jpg'
- 几个可以提高工作效率的Python内置小工具
- stm32f103移植ucosIII系统
- Kubernetes一致性认证
- Android自定义步骤指示器
- git 连接远程仓库并推送代码
- PaddleOCR学习（一）PaddleOCR安装与测试