运动控制实验报告

运动控制系统实验报告

实 验 项 目

实验一 晶闸管直流开环调速系统的安装 ................................................................................................... 2 实验二 晶闸管直流调速系统主要单元调试 ............................................................................................... 5 实验三 单闭环不可逆直流调速系统 ......................................................................................................... 9 实验四 双闭环晶闸管不可逆直流调速系统 ........................................................................................... 13 综合设计1 单片机PWM直流电机开环调速系统 .................................................................................. 17 综合设计2 舵机控制系统设计 ................................................................................................................ 23

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实验一 晶闸管直流开环调速系统的安装

班级 学号 姓名 得分

一．实验目的

1．熟悉晶闸管直流调速系统的结构和原理； 2．掌握直流调速系统的安装调试步骤和方法； 3. 观测同步信号和触发脉冲的波形； 4. 分析控制电压和转速的关系。

二．实验内容

1．晶闸管主回路的安装 2．给定信号的连接 3．用示波器观测触发信号 4．测量控制电压和单机转速

三．实验设备及仪器

1．教学实验台主控制屏。 2．NMCL—33组件 3．NMCL—31组件 4．双踪示波器 5．万用表

四．实验方法和步骤

1 连接晶闸管整流电路和直流电动机的主电路

图1 晶振管整流电源和电动机的主电路

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2 连接给定信号和触发控制电路

3 用示波器观测同步信号和触发脉冲

步骤1：用示波器的两个通道同时测量两相交流电的同步信号 记录三相交流电的波形，分析UVW的相位差。 步骤2：用示波器的两个通道观测相邻的两个触发脉冲信号 记录两个触发脉冲的波形，并分析相位差

步骤3：用示波器的两个通道同时观测同步信号和触发脉冲信号

调节控制电压Uct，观测触发脉冲和同步信号之间的延迟时间有何变化。 4 测量电机的转速和控制电压之间的关系

调节给定电位器，使电动机从静止开始加速到1500rpm，同时用万用表测量控制电压，作图分析控制电压和转速之间的关系。

五. 实验数据和结果分析

1． 实验测得UVW三相交流电的同步波形如下。

、

从同步信号波形可以看出：UVW三相交流电

2.s相邻两个触发脉冲的波形如下：

从触发信号波形可以看出：

3

3．同步信号和触发信号的变换规律 电机转速最低时 电机转速中等时 电机转速最高时 从上述几个波形图可以看出 4．转速和控制电压的关系 转速 Uc 0 200 400 600 800 100 1200 1400 1500 根据表格数据，作图如下:

从曲线可以看出，转速和控制电压之间的关系为

六. 实验总结

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实验二 晶闸管直流调速系统主要单元调试

一．实验目的

1．熟悉直流调速系统主要单元部件的工作原理。 2．掌握直流调速系统主要单元部件的调试步骤和方法。

二．实验设备及仪器

1．教学实验台主控制屏。 2．NMCL—31A组件 3．NMCL—18组件 4．双踪示波器 5．万用表

三．实验方法

1．速度调节器（ASR）的调试

按图2-1接线，DZS(零速封锁器)的扭子开关扳向“解除”。

图2-1 速度调节器的连线

（1）调整输出正、负限幅值

“5”、“6”端 接可调电容，使ASR调节器为PI调节器，加入一定的输入电压（由NMCL—31的给定提供，以下同），调整正、负限幅电位器RP1、RP2，使输出正负值等于7V。

（2）测定输入输出特性

将反馈网络中的电容短接（“5”、“6”端短接），使ASR调节器为P调节器，向调节器输入端逐渐加入正负电压，测出相应的输出电压，直至输出限幅值，并画出曲线。

（3）观察PI特性： 拆除“5”、“6”端短接线，突加给定电压，测量输出电压的变化。

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2．电流调节器（ACR）的调试 按图2-1接线。

图2-2 电流调节器的连线

（1）调整输出正,负限幅值

“9”、“10”端 接可调电容，使调节器为PI调节器，加入一定的输入电压，调整正，负限幅电位器，使输出正负最大值大于6V。

（2）测定输入输出特性

将反馈网络中的电容短接（“9”、“10”端短接），使调节器为P调节器，向调节器输入端逐渐加入正负电压，测出相应的输出电压，直至输出限幅值，并画出曲线。

（3）观察PI特性：拆除“9”、“10”端短接线，突加给定电压，观察输出电压的变化规律。 3．电平检测器的调试

3.1测定转矩极性鉴别器（DPT）的环宽

要求环宽为0.4~0.6伏，记录高电平值 ，调节RP使环宽对称纵坐标。具体方法：

图2-3 测定转矩极性鉴别器

（a）调节给定Ug，使DPT的“1”脚得到约0.3V电压，调节电位器RP，使“2”端输出从“1”变为

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“0”。

（b）调节负给定，从0V起调，当DPT的“2”端从“0”变为“1”时，检测DPZ的“1”端应为-0.3V左右，否则应调整电位器，使“2”端电平变化时，“1”端电压大小基本相等。 3.2 测定零电流检测器（DPZ）的环宽

要求环宽也为0.4~0.6伏，调节RP，使回环向纵坐标右侧偏离0.1~0.2伏。具体方法：

图2.4 零电流检测器接线图

（a）调节给定Ug，使DPZ的“1”端为0.7V左右，调整电位器RP，使“2”端输出从“1”变为“0”。 （b）减小给定，当“2”端电压从“0”变为“1”时，“1”端电压在0.1～0.2V范围内，否则应继续调整电位器RP。

（3）按测得数据，画出两个电平检测器的回环。 4．反号器（AR）的调试

测定输入输出比例，输入端加+5V电压，调节RP，使输出端为-5V。 5．逻辑控制器（DLC）的调试

测试逻辑功能，列出真值表，真值表应符合下表： 输入 UM UI Uz(Ublf) UF(Ublr) 1 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0

输出 调试时的阶跃信号可从给定器得到。 图 2.5 逻辑控制器接线图

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调试方法：

（a）给定电压顺时针到底，Ug输出约为12V。

（b）此时上下拨动NMCL—31中G（给定）部分S2开关，Ublf、Ublr的输出应为高、低电平变化，同时用示波器观察DLC的“5”，应出现脉冲，用万用表测量，“3”与“Ublf”，“4”与“Ublr”等电位。

（c）把+15V与DLC的“2”连线断开，DLC的“2”接地，此时拨动开关S2，Ublr、Ublf输出无变化。

四. 实验结果与分析

4.1 速度调节器的测试结果

经过调试，速度调节器的最高输出电压为 V, 最低输出电压为 V。 改变输入电压，可知输入输出之间的电压关系。测量结构如下表所示： 表2-1 速度调节器的输入输出特性 输入电压（V） 输出电压（V） 根据上表中的数据绘制速度调节器的输入输出特性曲线如下：

图2.4 速度调节器的输入输出特性曲线

4.2 电流调节器的测试结果

经过调试，电流调节器的最高输出电压为 V, 最低输出电压为 V。 改变输入电压，可知输入输出之间的电压关系。测量结果如下表所示： 表2-2 电流调节器的输入输出特性 输入电压（V） 输出电压（V） 根据表中的数据绘制电流调节器的输入输出特性曲线如下：

图2.4 电流调节器的输入输出特性曲线

四. 实验总结

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实验三 单闭环不可逆直流调速系统

班级 学号 姓名 得分

一．实验目的

1．研究晶闸管直流电动机调速系统在反馈控制下的工作。

2．研究直流调速系统中速度调节器ASR的工作及其对系统静特性的影响。 3．学习反馈控制系统的调试技术。

二．预习要求

1．了解速度调节器在比例工作与比例—积分工作时的输入—输出特性。 2．弄清不可逆单闭环直流调速系统的工作原理。

三．实验设备及仪表

1．教学实验台主控制屏。 2．NMCL—33组件 3．NMEL—03组件 4．NMCL—18组件

5．电机导轨及测速发电机（或光电编码器）、直流发电机M01

6．直流电动机M03 7．双踪示波器 8．万用表

四．注意事项

1．直流电动机工作前，必须先加上直流激磁。

2．接入ASR构成转速负反馈时，为了防止振荡，可预先把ASR的RP3电位器逆时针旋到底，使调节器放大倍数最小，同时，ASR的“5”、“6”端接入可调电容（预置7μF）。

3．测取静特性时，须注意主电路电流不许超过电机的额定值（1A）。 4．三相主电源连线时需注意，不可换错相序。

5．系统开环连接时，不允许突加给定信号Ug起动电机。

6．改变接线时，必须先按下主控制屏总电源开关的“断开”红色按钮，同时使系统的给定为零。 7．双踪示波器的两个探头地线通过示波器外壳短接，故在使用时，必须使两探头的地线同电位（只用一根地线即可），以免造成短路事故。

五．实验内容

1．移相触发电路的调试（主电路未通电）

（a）用示波器观察NMCL—33的双脉冲观察孔，应有双脉冲，且间隔均匀，幅值相同；观察每个晶闸管的控制极、阴极电压波形，应有幅值为1V～2V的双脉冲。

（b）触发电路输出脉冲应在30°～90°范围内可调。可通过对偏移电压调节单位器及ASR输出电压的调整实现。例如：使ASR输出为0V，调节偏移电压，实现α=90°；再保持偏移电压不变，

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调节ASR的限幅电位器RP1，使α=30°。

2．求取调速系统在无转速负反馈时的开环工作机械特性。

a．断开ASR的“3”至Uct的连接线，G（给定）直接加至Uct，且Ug调至零，直流电机励磁电源开关闭合。

b．NMCL-32的“三相交流电源”开关拨向“直流调速”。合上主电源，即按下主控制屏绿色“闭合”开关按钮，这时候主控制屏U、V、W端有电压输出。

c．调节给定电压Ug，使直流电机空载转速n0=1500转/分，调节直流发电机负载电阻，在空载至额定负载的范围内测取7～8点，读取整流装置输出电压Ud，输出电流id以及被测电动机转速n。

表1 调速系统在无转速负反馈时的开环工作机械特性数据 id（A） Ud（V） n（r/min） 3．带转速负反馈有静差工作的系统静特性

a．断开G（给定）和Uct的连接线，ASR的输出接至Uct，把ASR的“5”、“6”点短接。 b．合上主控制屏的绿色按钮开关。

c．调节给定电压Ug至2V，调整转速变换器RP电位器，使被测电动机空载转速n0=1500转/分，调节ASR的调节电容以及反馈电位器RP3，使电机稳定运行。

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调节直流发电机负载电阻，在空载至额定负载范围内测取7～8点，读取Ud、id、n。 表2带转速负反馈有静差工作的系统静特性数据 id（A） Ud（V） n（r/min） 4．测取调速系统在带转速负反馈时的无静差闭环工作的静特性

a．断开ASR的“5”、“6”短接线，“5”、“6”端接可调电容，可预置7μF，使ASR成为PI（比例—积分）调节器。

b．调节给定电压Ug，使电机空载转速n0=1500转/分。在额定至空载范围内测取7～8个点。 表3 调速系统在带转速负反馈时的无静差闭环工作的静特性数据 id（A） Ud（V） n（r/min）

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六．实验报告

绘制实验所得静特性，并进行分析、比较回答以下问题。

1．系统在开环、有静差闭环与无静差闭环工作时，速度调节器ASR各工作在什么状态？实验时应如何接线？

2．要得到相同的空载转速n0，亦即要得到整流装置相同的输出电压U，对于有反馈与无反馈调速系统哪个情况下给定电压要大些？为什么？

3．在有转速负反馈的调速系统中，为得到相同的空载转速n0，转速反馈的强度对Ug有什么影响？为什么？

4．如何确定转速反馈的极性与把转速反馈正确地接入系统中？又如何调节转速反馈的强度，在线路中调节什么元件能实现？

根据表1绘制调速系统在无转速负反馈时的开环工作机械特性曲线如下：

根据表2绘制带转速负反馈有静差工作的系统静特性曲线如下：

根据表3绘制调速系统在带转速负反馈时的无静差闭环工作的静特性曲线如下：

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实验四 双闭环晶闸管不可逆直流调速系统

一．实验目的

1．了解双闭环不可逆直流调速系统的原理，组成及各主要单元部件的原理。 2．熟悉电力电子及教学实验台主控制屏的结构及调试方法。 3．熟悉NMCL-18，NMCL-33的结构及调试方法

4．掌握双闭环不可逆直流调速系统的调试步骤，方法及参数的整定。

二．实验内容

1．各控制单元调试 2．测定电流反馈系数。

3．测定开环机械特性及闭环静特性。 4．闭环控制特性的测定。 5．观察，记录系统动态波形。

三．实验系统组成及工作原理

双闭环晶闸管不可逆直流调速系统由电流和转速两个调节器综合调节，由于调速系统调节的主要量为转速，故转速环作为主环放在外面，电流环作为付环放在里面，这样可抑制电网电压波动对转速的影响，实验系统的控制回路如图1-8b所示，主回路可参考图1-8a所示。

系统工作时，先给电动机加励磁，改变给定电压的大小即可方便地改变电机的转速。ASR,ACR均有限幅环节，ASR的输出作为ACR的给定，利用ASR的输出限幅可达到起动电流的目的,

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ACR的输出作为移相触发电路的控制电压，利用ACR的输出限幅可达到min和min的目的。

当加入给定Ug后，ASR即饱和输出，使电动机以限定的最大起动电流加速起动，直到电机转速达到给定转速（即Ug=Ufn），并出现超调后，ASR退出饱和，最后稳定运行在略低于给定转速的数值上。

四．实验设备及仪器

1．教学实验台主控制屏。 2．NMCL—33组件 3．NMEL—03组件 4．NMCL—18组件

5．电机导轨及测速发电机（或光电编码器）、直流发电机M01

6．直流电动机M03 7．双踪示波器 8．万用表

五．注意事项

1．三相主电源连线时需注意，不可换错相序。 2．系统开环连接时，不允许突加给定信号Ug起动电机

3．改变接线时，必须先按下主控制屏总电源开关的“断开”红色按钮，同时使系统的给定为零。

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4．进行闭环调试时，若电机转速达最高速且不可调，注意转速反馈的极性是否接错。 5．双踪示波器的两个探头地线通过示波器外壳短接，故在使用时，必须使两探头的地线同电位（只用一根地线即可），以免造成短路事故。

六. 实验方法和步骤

1．按图接线，未上主电源之前，检查晶闸管的脉冲是否正常。 （1）用示波器观察双脉冲观察孔，应有间隔均匀，幅度相同的双脉冲

（2）检查相序，用示波器观察“1”，“2”脉冲观察孔，“1”脉冲超前“2”脉冲600，则相序正确，否则，应调整输入电源。

（3）将控制一组桥触发脉冲通断的六个直键开关弹出，用示波器观察每只晶闸管的控制极，阴极，应有幅度为1V—2V的脉冲。

2．双闭环调速系统调试原则

（1）先部件，后系统。即先将各单元的特性调好，然后才能组成系统。

（2）先开环，后闭环，即使系统能正常开环运行，然后在确定电流和转速均为负反馈时组成闭环系统。

（3）先内环，后外环。即先调试电流内环，然后调转速外环。 3．开环外特性的测定

（1）控制电压Uct由给定器Ug直接接入。主回路按图1-8a接线，直流发电机所接负载电阻RG断开，短接限流电阻RD。

（2）使Ug=0，调节偏移电压电位器，使α稍大于90°。

（3）NMCL-32的“三相交流电源”开关拨向“直流调速”。合上主电源，即按下主控制屏绿色“闭合”开关按钮，这时候主控制屏U、V、W端有电压输出。

（4）逐渐增加给定电压Ug，使电机起动、升速，调节Ug使电机空载转速n0=1500r/min，再调节直流发电机的负载电阻RG，改变负载，在直流电机空载至额定负载范围，测取7～8点，读取电机转速n，电机电枢电流Id，即可测出系统的开环外特性n=f (Id)。 n(r/min) I(A) 注意，若给定电压Ug为0时，电机缓慢转动，则表明α太小，需后移 4．单元部件调试

ASR调试方法与实验二相同。

ACR调试：使调节器为PI调节器，加入一定的输入电压，调整正，负限幅电位器，使脉冲前移300,使脉冲后移=300，反馈电位器RP3逆时针旋到底，使放大倍数最小。

5．系统调试

将Ublf接地，Ublr悬空，即使用一组桥六个晶闸管。 （1）电流环调试 电动机不加励磁

（a）系统开环，即控制电压Uct由给定器Ug直接接入，主回路接入电阻RD并调至最大（RD

由NMEL—03的两只900Ω电阻并联）。逐渐增加给定电压，用示波器观察晶闸管整流桥两端电

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压波形。在一个周期内，电压波形应有6个对称波头平滑变化 。

（b）增加给定电压，减小主回路串接电阻Rd，直至Id=1.1Ied，再调节NMCL-33挂箱上的电流反馈电位器RP，使电流反馈电压Ufi近似等于速度调节器ASR的输出限幅值（ASR的输出限幅可调为±5V）。

（c）NMCL—31的G（给定）输出电压Ug接至ACR的“3”端，ACR的输出“7”端接至Uct，即系统接入已接成PI调节的ACR组成电流单闭环系统。ASR的“9”、“10”端接可调电容，可预置7μF，同时，反馈电位器RP3逆时针旋到底，使放大倍数最小。逐渐增加给定电压Ug，使之等于ASR输出限幅值（+5V），观察主电路电流是否小于或等于1.1Ied，如Id过大，则应调整电流反馈电位器，使Ufi增加，直至Id<1.1Ied；如Id（2）速度变换器的调试

电动机加额定励磁，短接限流电阻RD。

（a）系统开环，即给定电压Ug直接接至Uct，Ug作为输入给定，逐渐加正给定，当转速n=1500r/min时，调节FBS（速度变换器）中速度反馈电位器RP，使速度反馈电压为+5V左右，计算速度反馈系数。

（b）速度反馈极性判断： 系统中接入ASR构成转速单闭环系统，即给定电压Ug接至ASR的第2端，ASR的第3端接至Uct。调节Ug（Ug为负电压），若稍加给定，电机转速即达最高速且调节Ug不可控，则表明单闭环系统速度反馈极性有误。但若接成转速—电流双闭环系统，由于给定极性改变，故速度反馈极性可不变。

6．系统特性测试

将ASR,ACR均接成PI调节器接入系统，形成双闭环不可逆系统。 ASR的调试：（a）反馈电位器RP3逆时针旋到底，使放大倍数最小； （b）“5”、“6”端接入可调电容，预置5～7μF； （c）调节RP1、RP2使输出限幅为±5V。 （1）机械特性n=f（Id）的测定

（a）调节转速给定电压Ug，使电机空载转速至1500 r/min，再调节发电机负载电阻Rg，在空载至额定负载范围内分别记录7～8点，可测出系统静特性曲线n=f（Id） n(r/min) I(A) （2）闭环控制特性n=f(Ug)的测定

调节Ug，记录Ug和n，即可测出闭环控制特性n=f(Ug)。 n(r/min) Ug(V) 7．系统动态波形的观察

用二踪慢扫描示波器观察动态波形，用数字示波器记录动态波形。在不同的调节器参数下，观察，记录下列动态波形：

（1）突加给定起动时，电动机电枢电流波形和转速波形。 （2）突加额定负载时，电动机电枢电流波形和转速波形。

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（3）突降负载时，电动机电枢电流波形和转速波形。 注：电动机电枢电流波形的观察可通过ACR的第“1”端 转速波形的观察可通过ASR的第“1”端

七． 实验报告

1．根据实验数据，画出闭环控制特性曲线。

2．根据实验数据，画出闭环机械特性，并计算静差率。

3．根据实验数据，画出系统开环机械特性，计算静差率，并与闭环机械特性进行比较。 4．分析由数字示波器记录下来的动态波形。

综合设计1 单片机PWM直流电机开环调速系统

班级 学号 姓名 得分

1 目的和要求

请采用单片机为一个12V直流电动机设计一个开环PWM调速器，要求输入12V 直流电压，用“加”“减”按键调节电机的速度。 2 电路设计

以微处理器为核心的数字控制系统（简称微机数字控制系统）硬件电路的标准化程度高，制作成本低，且不受器件温度漂移的影响；其控制软件能够进行逻辑判断和复杂运算，可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律，而且更改起来灵活方便。

如下图所示， 单片机PWM开环调速系统包括PWM控制和PWM变换器两个组成部分。 单片机系统在程序的控制下输出幅度为5v的矩形波，按键可调节PWM的占空比。考虑到单片机输出的PWM信号电压低功率小，用一个PWM变换器将PWM的工作电压提升到12V，由于采用了大功率三极管，功率也显著提升。

图1 PWM调速器的方框图

2．1PWM变换器设计

如图2所示的PWM变换器由1个三极管、一个限流电阻和1个三极管构成。

其中三极管在电路中起开关的作用，因此叫开关管，开关管的集电极与电动机串联接入12V直流电源，三极管的基极串联一个限流电阻，然后接PWM控制器。当控制器输出低电平时，三极管截止，当控制器输出高电平时，三极管正向导通。

电机两端并联一个二极管用作续流，因此又叫续流二极管。当三极管导通时，电机通电运转，

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当三极管突然断开的一瞬间，因电机的线圈能产生感应电动势，该电动势通过二极管形成短暂的电流。三极管在PWM信号的控制下会周期性地导通和截止，在截止期就可以靠二极管形成续流。

当然这个续流时间非常短暂，如果三极管截止时间比较大，就难以为继了。

图2用三极管设计的PWM变换器

2.2 PWM控制器设计

用一个单片机、一个晶振和两个辅助电容可以构成一个单片机最小系统，一般来说，单片机的任何一个IO端口都可以输出PWM信号。如果用单片机内部的PWM信号发生器，就需要特定的引脚。在任意端口接上几个按键，就可以通过按键调节PWM信号的占空比。

图3 单片机最小系统构成的ＰＷＭ控制器

2.3 总电路

将两个电路组合成一个完整的电路如下：

图4 单片机PWM控制器总电路

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3 硬件电路的安装调试

3.1 单片机最小系统的安装和调试

步骤1：安装单片机。注意使用单片机插座，缺口向上， 小心不要搞断引脚。

步骤2：焊接时钟振荡电路。在单片机的18和19脚之间焊接一个晶振，在晶振的两端焊接两个33pF的辅助电容。

步骤3：焊接下载线。根据上正下负的基本原，Vcc在上，GND在下，中间为RXD和TXD。 步骤4：下载测试。用STCISP 程序下载一个测试程序，如果能正常下载，说明最小系统可以正常工作。如果不能下载，请检查是否有虚焊，用二极管档测量以下几个关键点是否导通：

（1） 测量下载线的Vcc和单片机的40脚，看是否导通； （2） 测量下载线的Gnd和单片机的20脚，看是否导通； （3） 测量下载线的第2脚，是否与RXD导通； （4） 测量下载先的第3脚，是否与TXD导通；

（5） 测量晶振与18脚和19脚是否能通电，是否存在短路。 3.2 按键电路的安装和调试 步骤1：安装按键。

步骤2：测量按键是否起作用。

测量每个按键对地是否导通：用万用表的二极管档位测量按键连接的单片机IO口与GND的电阻，按下按键应能听到响声，释放按键无声。 3.3 电源电路的安装和调试

安装7805，接入12V电压，测量输入电压应为12V，测量单片机的工作电压应为5V 3.5 PWM转换电路安装和调试

步骤1：安装2.2K的限流电阻、开关三极管、限流二极管。注意三极管的三个引脚不能接错，二极管的正负极不能接反。

步骤2：在限流电阻输入端用飞线给一个高电平（5V电压），电机应该能转动。 步骤3：在限流电阻输入端用飞线给一个低电平（接GND），电机应该能停止转动。 4程序设计

4.1 程序模块分析

根据项目要求，需要用按键控制单片机产生一个1KHz占空比可调的PWM信号，如果单片机内部没有专用的PWM发生器，可以用定时器来设计，程序主要模块如下：

（1）定时器初始化程序

在定时器初始化程序中设定定时器的中断时间为 PWM周期除以分辨率。1KHz的周期为1mS，如果分辨占空比的为100，则需要将1mS分为100份，最小时间单位为10uS，也就是定时器必须10us中断一次。

(2) PWM输出程序

定时器每10us中断一次，在定时中断程序中需要判断定时的次数，如果定时次数小于占空比就输出高电平，否则输出低电平。如果定时器次数为100次，一个PWM周期结束。重新开始下一个PWM周期。

（3）键盘程序 共由四个按键，都是用来调节占空比的大小的。按键1用于占空比加1，按键2用于占空比减1，按键3用于快加（+10），按键4用于快减（-10）。

（4）拆字显示程序

如果采用数码管显示，就只能显示占空比；如果电路板用LCD1602液晶显示，就可以调用LCD1602液晶显示占空比的大小，还可以显示更多的内容。 4.2 绘制程序流程图

根据上述分析，定时器初始化程序只在通电的时候执行一次，应该放在while（1）之前；拆字、显示和键盘程序可以重复执行，应该放在无穷循环的while（1）内部，PWM输出程序需要精确的时间控制，应该放在定时中断程序中。

综上所述，绘制PWM程序流程图如下：

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图5 PWM开环调速系统程序流程图

4.3 编写程序框架代码

根据上述程序流程图，编写程序的框架代码如下： # include Void Timer_init ( ) { }

Void Chaizi ( ) { }

Void Display( ) { }

Void Keyboard( ) { }

Void main( ) // 任何单片机程序必须有且只有一个main函数 {

Timer_init( ) ； //定时器初始化程序

While（1） //无条件循环程序，又叫无穷循环 { //开始无穷循环

Chaizi ( )； Display（）； Keyboard （）；

} //循环体结束 }

Void PWM_Out ( ) interrupt 1 //定时中断程序 { }

上述程序代码只是一个空壳，准确地表达了程序流程，但是却没有任何具体的程序。编译正确后才可以继续编写子程序代码。 4.4 定时器初始化程序设计

考虑到定时器时间比较短，可以设置定时器T0工作在方式2（自动重装的8位定时器），可以设置TMOD= 0x02 ；

8位定时的最大长度为256uS，为了使得定时器计时10uS，可以设置初始值为246；因为定时器可以自动重装，需要对定时器的高8位和低8位同时赋初值，代码如下：

TH0=TL0=246；

此外还需要允许总中断和定时中断，最后要启动定时器，代码如下： EA=1； ET0=1； TR0=1；

综上所述，定时器初始化的程序设计如下：

Void timer_init() {

TMOD= 0x02 ;

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TH0=TL0= 246 ； EA=1；

ET0=1； TR0=1； }

4.5定时器中断程序设计

在定时器中断程序中判断中断次数，根据中断次数来决定输出高电平还是低电平。

Void PWM_outt ( ) interrupt 1 {

counter++；

if（counterelse counter=0； //时间大于周期，重新计算时间，开始新的周期

}

4.6键盘程序设计

Void keyboard （） ｛

CurrentKey= P2&0x0F； if（CurrentKey！=0x0F） ｛ if （LastKey= =0x0F） Switch（CurrentKey） ｛

Case 0x0E： if（duty<100）duty++; break； //按键1占空比加

Case 0x0D： if（duty<91）duty+=10; break； //按键2占空比快加 Case 0x0B：if（duty>0）duty- -; break； //按键3占空比减 Case 0x07：if（duty>9）duty-=10; break； //按键4占空比快减 ｝ ｝

LastKey=CurrentKey; ｝

到此，程序已经可以输出PWM，也可以由用户控制PWM的占空比，但是用户不知道占空比是多少。

4.7拆字显示程序设计

为了能看到占空比，设计拆字和显示程序如下：

Void chaizi ( ) //拆字程序 {

Unsigned int temp; Temp=duty;

Buffer[0]= table[temp%10];temp=temp/10; //拆个位查表送显示缓存 Buffer[1]= table[temp%10];temp=temp/10; //拆十位查表送显示缓存 Buffer[2]= table[temp%10];temp=temp/10; //拆百位查表送显示缓存

If （temp>0）Buffer[3]= table[temp%10];temp=temp/10; //拆千位查表送显示缓存 Else Buffer[3]=0xff； }

Void Display ( ) // 数码管显示程序, 液晶显示程序略 {

P2=0xFF;P0=Buffer[0];P2=0x10;delay( ); //显示个位 P2=0xFF;P0=Buffer[1];P2=0x20;delay( ); //显示十位 P2=0xFF;P0=Buffer[2];P2=0x40;delay( ); //显示百位 P2=0xFF;P0=Buffer[3];P2=0x80;delay( ); //显示千位 }

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5试验数据分析

将程序编译成功后，下载到单片机，然后通电测试。按步进10%的方法调节占空比，同时测量电机两端的电压，观察电机的转速。记录数据如下：

表1： 开环PWM调速系统试验结果 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 占空比 电机电压 电机转速 作出电压-占空比曲线、转速-占空比曲线。

6实验结论

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综合设计2 舵机控制系统设计

班级 学号 姓名 得分

1 目的和要求

请设计用单片机设计一个舵机控制器，并设计单片机的程序可以同时控制机械手的开合运动。 2 基本原理 2.1舵机的结构

舵机是用于遥控模型控制动作的动力电机，主要是由外壳、电路板、小型直流点击、减速齿轮与用于位置检测的可调电阻和控制电路板构成。

图1 舵机的内部结构

舵机内部的控制电路一般如下图所示：

图2舵机的内部电路

其工作原理是PWM信号由接收通道进入信号解调电路BA6688的12脚进行解调，获得一个直流偏置电压。该直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差由BA6688的3脚输出。该输出送入电机驱动集成电路BAL6686，以驱动电机正反转。当电机转动时，通过级联减速齿轮带动电位器Rw1旋转，直到电压差为O，电机停止转动。

如下图所示，舵机的电缆中有三根线，分别是 、 、 。

图3 舵机的控制电缆

图中的Vcc一般为6V，控制线需要一个20ms的PWM脉冲信号，脉冲信号的宽度决定了舵机的转动角度。

2.2舵机的控制原理

舵机控制线的输入是一个宽度可调的周期性方波脉冲信号，方波脉冲信号的周期为20ms(即频率为50Hz)。当方波的脉冲宽度改变时，舵机转轴的角度发生改变，角度变化与脉冲宽度的变化成正比。某型舵机的输出轴转角与输入信号的脉冲宽度之间的关

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系如下图所示。

图4 PWM的脉冲宽度与舵机转动角度的关系

3电路设计

在单片机最小系统上增加六个舵机接口就可以构成一个六自由度的机器人控制系统，考虑到单片机需要5V 电源，为此采用LM7805设计一个12V转5V的稳压电源；舵机需要6V电源，而且功率较大，采用LM2596设计一个开关稳压电源。

总电路方框图如下：

图5 舵机控制电路

4程序设计

4.1 程序模块分析

根据项目要求，需要用按键控制单片机产生一个20mS的PWM信号，脉冲宽度从0.5mS到2.5mS按键可调，程序主要模块如下：

（1）定时器初始化程序

在定时器初始化程序中设定定时器的中断时间为脉冲宽度除以分辨率。应脉冲宽度可调范围是0.5mS到2.5mS，如果分辨占空比的为100，则需要将2mS分为100份，最小时间单位为20uS，也就是定时器必须20us中断一次。

(2) PWM输出程序

定时器每20us中断一次，在定时中断程序中需要判断定时的次数，如果定时次数小于（25+占空比）就输出高电平，否则输出低电平。如果定时器次数为1000次，一个周期20mS结束。重新开始下一个PWM周期。

（3）键盘程序

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共由四个按键，都是用来调节占空比的大小的。按键1用于占空比加1，按键2用于占空比减1，按键3用于快加（+10），按键4用于快减（-10）。

（4）拆字显示程序

如果采用数码管显示，就只能显示占空比。 4.2 绘制程序流程图

根据上述分析，定时器初始化程序只在通电的时候执行一次，应该放在while（1）之前；拆字、显示和键盘程序可以重复执行，应该放在无穷循环的while（1）内部，PWM输出程序需要精确的时间控制，应该放在定时中断程序中。

综上所述，绘制PWM程序流程图如下：

图5 PWM开环调速系统程序流程图

4.3 编写程序框架代码

根据上述程序流程图，编写程序的框架代码如下： # include Void Timer_init ( ) { }

Void Chaizi ( ) { }

Void Display( ) { }

Void Keyboard( ) { }

Void main( ) {

Timer_init( ) ； While（1） {

Chaizi ( )； Display（）； Keyboard （）； } }

Void PWM_Out ( ) interrupt 1 { }

上述程序代码只是一个空壳，准确地表达了程序流程，但是却没有任何具体的程序。编译正确后才可以继续编写子程序代码。 4.4 定时器初始化程序设计

考虑到定时器时间比较短，可以设置定时器T0工作在方式2（自动重装的8位定时器），可以设置TMOD= ；

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8位定时的最大长度为256uS，为了使得定时器计时10uS，可以设置初始值为236；因为定时器可以自动重装，需要对定时器的高8位和低8位同时赋初值，代码如下：

TH0=TL0=236；

此外还需要允许总中断和定时中断，最后要启动定时器，代码如下： EA=1； ET0=1； TR0=1；

综上所述，定时器初始化的程序设计如下： Void timer_init() {

TMOD= ; TH0=TL0= ； EA=1；

ET0=1； TR0=1； }

4.5定时器中断程序设计

在定时器中断程序中判断中断次数，根据中断次数来决定输出高电平还是低电平。 Void PWM_outt ( ) interrupt 1 {

counter++；

if（counterelse if（counter<100）PWM=0; else counter=0；

}

4.6键盘程序设计

Void keyboard （） ｛

CurrentKey= P2&0x0F； if（CurrentKey！=0x0F） ｛ if （LastKey= =0x0F） Switch（CurrentKey） ｛

Case 0x0E： if（duty<100）duty++; break； //按键1占空比加 Case 0x0D： if（duty<91）duty+=10; break； //按键2占空比快加 Case 0x0B：if（duty>0）duty- -; break； //按键3占空比减 Case 0x07：if（duty>9）duty-=10; break； //按键4占空比快减 ｝ ｝

LastKey=CurrentKey; ｝

4.7拆字显示程序设计

Void chaizi ( ) //拆字程序 {

Unsigned int temp; Temp=duty;

Buffer[0]= table[temp%10];temp=temp/10; //拆个位查表送显示缓存 Buffer[1]= table[temp%10];temp=temp/10; //拆十位查表送显示缓存 Buffer[2]= table[temp%10];temp=temp/10; //拆百位查表送显示缓存 Buffer[3]= table[temp%10];temp=temp/10; //拆千位查表送显示缓存 }

Void Display ( ) // 数码管显示程序, 液晶显示程序略 {

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P2=0xFF;P0=Buffer[0];P2=0x10;delay( ); //显示个位 P2=0xFF;P0=Buffer[1];P2=0x20;delay( ); //显示十位 P2=0xFF;P0=Buffer[2];P2=0x40;delay( ); //显示百位 P2=0xFF;P0=Buffer[3];P2=0x80;delay( ); //显示千位 }

5试验数据分析

将程序编译成功后，下载到单片机，然后通电测试。按步进10%的方法调节控制系数，用示波器观测输出脉冲的占空比，观察舵机的转动角度。记录数据如下：

表2： 舵机PWM控制系统试验结果 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 控制百分比 PWM占空比 舵机转角 作出舵机转角-控制系数曲线

6实验结论

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