毕业设计(论文)-数字电动伺服控制器的设计(3)

第2章 整体方案设计

2.1课题的要求

1.课题解决的主要关键技术问题

（1）数字PID控制算法的实现和参数整定；

（2）伺服电机转速相对光电码盘的测量电路及计算程序； （3）复杂电磁场和的抗干扰和可靠性设计。 2.功能要求

（1）数字电动伺服控制器能够接受系统上位机的控制命令，对伺服机进行闭环控制，并实时向上位机传输控制系统必须的伺服机构状态参数。

（2）控制系统根据不同的应用场合和伺服机构型号，提供不同的控制算法及控制参数。

2.2课题设计的主要内容

本课题为设计性题目，设计一个数字式电动伺服控制器，用于电动伺服系统的控制，实现各种操作功能。具体要求：

1.脉冲输入信号：相对光电码盘信号，差分式A、B相脉冲； 2.模拟输出信号：伺服电机速度控制信号，-10V～+10V； 3.开关量输出：伺服电机启动信号（SON）；

4.开关量输入：伺服电机故障信号（ALRM）、电动缸极限低位、电动缸极限高位； 5.环境湿度：≤85%； 6.供电电源：220VC±10%； 7.通信方式：RS485。

2.3整体方案设计框图

本设计控制器主要由C8051F410单片机系统电路、RS-485通讯接口电路、AD620模拟量输出电路、伺服电机故障信号（ALRM）开关量输入电路、电动缸极限低位信号开关量输入电路、电动缸极限高位信号开关量输入电路、光电码盘鉴相电路、开关量输出信号处理电路及供电电路组成。

为了使伺服系统有更高的响应速度、更强的实时控制采用了PID控制算法，控制器的控制单元采用C8051F410单片机系统作为主控CPU。RS-485通讯接口部分实现上位机与控制器之间的双向数据的传送。伺服电机故障信号（ALRM）开关量输入电路、电

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数字电动伺服控制器的设计

动缸极限低位信号开关量输入电路、电动缸极限高位信号开关量输入电路将传感器采集到的信号给到C8051F410单片机系统，然后再由C8051F410单片机系统将开关信号传出经过开关量输出电路来控制伺服系统。，光电码盘鉴相电路是把采集到的伺服电机的速度信号转变成模拟信号转送给C8051F410单片机系统进行处理，然后再由AD620模拟量输出电路把C8051F410单片机计算的控制值转换成电压信号（-10V～+10V）输出给伺服电机系统，从而控制其转速。供电电路向控制器内部的模拟、数字电路提供电源。整体方案设计框图如图2-1。

供电电路 图2-1 整体方案设计框图

上位机 伺服电机故障信号 （ALRM） 光电码盘鉴相信号 C8051F410 开关量输出 单片机系统 电动缸极限低位信号 信号 电动缸极限高位信号 AD620模 拟量输出 RS-485通讯接口

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第3章 硬件设计

3.1总述

本设计控制器主要由C8051F410单片机最小系统电路、RS-485通讯接口电路、AD620模拟量输出电路、伺服电机故障信号（ALRM）开关量输入电路、电动缸极限低位信号开关量输入电路、电动缸极限高位信号开关量输入电路、开关量输出信号处理电路、光电码盘鉴相电路及供电电路组成。

3.2 C8051F410单片机最小系统

3.2.1 C8051F410单片机 1.C8051F410单片机概述

C8051F410单片机[2]是完全集成的低功耗混合信号片上系统型MCU。下面列出了一些主要特性：

（1）高速、流水线结构的8051兼容的微控制器核； （2）全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）； （3）真12位200 ksps的24通道ADC，带模拟多路器； （4）两个12位电流输出DAC；

（5）高精度可编程的24.5MHz内部振荡器； （6）达32KB的片内FLASH存储器； （7）2304字节片内RAM；

（8）硬件实现的SMBus/ I2C、增强型UART和增强型SPI串行接口； （9）4个通用的16位定时器；

（10）具有6个捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器阵列（PCA）；

（11）硬件实时时钟（smaRTClock），工作电压可低至1V，带64字节电池后备RAM和后备稳压器；

（12）硬件CRC引擎；

（13）片内上电复位、VDD监视器和温度传感器； （14）片内电压比较器； （15）多达24个端口I/O。

具有片内上电复位、VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F410单片机

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数字电动伺服控制器的设计

是真正能独立工作的片上系统。FLASH存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。用户软件对所有外设具有完全的控制，可以关断任何一个或所有外设以节省功耗。

片内Silicon Labs二线（C200.）开发接口允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。调试逻辑支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、单步、运行和停机命令。在使用C2进行调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。两个C2接口引脚可以与用户功能共享，使在系统调试功能不占用封装引脚。

每种器件都可在工业温度范围（-40℃到+85℃）内用2.0V～2.75V的电压工作（使用片内稳压器时电源电压可达5.25V）。C8051F410单片机使用32脚LQFP封装。

2.C8051F410单片机引脚和封装定义

C8051F410单片机是32脚LQFP封装，其引脚和封装定义如附录表1所示。 3. C8051F410单片机极限参数，如附录表2所示。 4. C8051F410单片机引脚顶视图

C8051F410单片机是32脚LQFP封装，其引脚顶视图如图3-1所示。

图3-1 C8051F410单片机引脚顶视图

3.2.2 C8051F410单片机最小系统电路图

C8051F410单片机最小系[3][4]统是本设计的主控单元，与上位机通过RS-485通讯接

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口电路进行通讯，处理伺服电机故障信号（ALRM）、电动缸极限低位信号、电动缸极限高位信、光电码盘鉴相信号，在输出给开关量输出信号处理电路和AD620模拟量输出电路来控制伺服系统。其如图3-2所示。

图3-2 C8051F410单片机最小系统电路图

3.3 RS-485通讯接口

3.3.1 MAX485的介绍 1.MAX485概述

MAX481、MAX483、MAX485、MAX487-MAX491以及MAX1487是用于RS-485与RS-422通信的低功耗收发器，每个器件中都具有一个驱动器和一个接收器。MAX483、MAX487、MAX488以及MAX489具有限摆率驱动器，可以减小EMI，并降低由不恰当的终端匹配电缆引起的反射，实现最高250kbps的无差错数据传输。MAX481、MAX485、MAX490、MAX491、MAX1487的驱动器摆率不受限制，可以实现最高2.5Mbps的传输速率。

这些收发器在驱动器禁用的空载或.满载状态下，吸取的电源电流在120?A至

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