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1、XXXXXXX学院毕业设计说明书数字电动伺服控制器的设计Digital electric servo controller design学生学号： 学生姓名： 专业班级： 指导教师： 职 称： 起止日期： xxxxxxxxxxx 学 院摘 要本设计课题来源于吉林大学工程机器人研究室，主旨是采用C8051F410单片机控制器实现对伺服电机系统的控制。根据控制器的要求，提出总体方案。控制器包括C8051F410单片机最小系统、AD620模拟量输出转换、RS-485接口、开关量输出信号处理、开关量输入信号处理、光电码盘四倍频鉴相及供电电路。控制器采用C8051F410单片机最小系统作为主控单元，AD
2、620模拟量输出转换电路将C8051F410单片机输出的电流转换成-10V+10V的电压信号来控制伺服电机速度，RS-485接口电路是控制器与上位机进行双向数据通讯，开关量输出信号处理电路将来自C8051F410单片机最小系统I/O口输出的高低电平转换成光敏晶体管的导通或截止来控制伺服系统，开关量输入信号处理电路是将采集到的信号转换成C8051F410单片机最小系统I/O可以认知的信号，光电码盘四倍频鉴相电路将采集到的光电码盘信号进行转换进而送给C8051F410单片机最小系统I/O，供电电路为整个控制器供电。控制器系统利用C语言编写了C8051F410单片机程序和PID控制算法，从而使控制器
3、具有无超调，实时性和响应性好，定位精确，可靠性高，尺寸小，质量轻，成本低等特点。关键词：伺服控制器；PID控制；C8051F410单片机：RS-485通讯- 39 -Abstract The design issues from Jilin University Engineering Robotics Laboratory, the subject realizes control servomotor control system from using C8051F410 MCU controller. According to the requirements ,controller p
4、uts forward the overall program. The controller includes a minimum system C8051F410 micro controller, AD620 analog output converter, RS-485 interface, the switch output signal processing, digital input signal processing, fourth harmonic phase optical encoder and power supply circuit.C8051F410 MCU co
5、ntroller uses minimum system as the main control unit, By AD620 Analog output converter circuit , micro controller C8051F410 output current is converted to-10V +10 V voltage signal to control the servo motor speed, RS485 interface circuit is the controller and PC bi-directional data communication, s
6、ignal processing circuit switch output from minimum system C8051F410 MCU I / O port into high and low output phototransistor is turned on or off to control the servo system, Switch input signal processing circuit is the collected signals into C8051F410 micro controller minimum system I / O signals c
7、an be cognitive, Optical encoder four octave phase circuit will be collected Optical encoder signal is converted and then sent C8051F410 SCM minimum system I / O, power supply circuit for the entire controller.The controller system uses C language 8051F410 MCU programs and PID control algorithm, so
8、that the controller has no overshoot, timeliness and responsiveness is good, accurate positioning, high reliability, small size, light weight, and low cost.Key Words：servo controller; proportional integral differential(PID)control； C8051F410Single-chip microcomputer；RS-485Communications目 录摘 要IAbstra
9、ctII第1章 绪 论11.1课题在国内外的现状11.2课题的目的和意义21.3伺服系统的介绍21.3.1伺服系统的基本要求21.3.2伺服系统的主要特点21.3.3伺服系统的分类3第2章 整体方案设计52.1课题的要求52.2课题设计的主要内容52.3整体方案设计框图5第3章 硬件设计73.1总述73.2 C8051F410单片机最小系统73.2.1 C8051F410单片机73.2.2 C8051F410单片机最小系统电路图83.3 RS-485通讯接口93.3.1 MAX485的介绍93.3.2 RS-485通讯接口电路103.4 AD620模拟量输出113.4.1 AD620的介绍11
10、3.4.2 AD620模拟量输出电路123.5开关量输入信号处理13 3.5.1开关量输入接口13 3.5.2光电隔离的器件光电耦合器简介14 3.5.3开关量输入信号处理电路153.6开关量输出信号处理163.6.1开关量输出接口163.6.2开关量输出信号处理电路163.7光电码盘鉴相电路163.7.1光电码盘的简介163.7.2光电码盘鉴相电路的设计原理及其电路图183.8供电电路的设计203.8.1三端稳压集成电路的介绍203.8.2供电电路21第四章 软件设计234.1软件设计要求234.2主程序实现框图234.2.1增量式PID控制算法24第五章 开发环境275.1 KEIL软件2
11、75.1.1 KEIL软件简介275.1.2 KEIL软件使用步骤275.2 Altium Designer Summer 09软件33总 结35致 谢36参考文献37附 录381附录表38第1章 绪 论1.1课题在国内外的现状 伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。伺服电动机分为直流和交流伺服电动机两大类，直流伺服电动机具有响应快、低速平稳性好、调速范围宽等特点，因而常用于实现精密调速和位置控制的随动系统中，在工业、国防和民用等领域内的到广泛应用，特别是在火炮稳定系统、舰艇平台、雷达天线、机器人控制等对位置速度的控制精
12、度要求较高的场合。 伺服系统16属于自动控制系统中的一种随动系统，要求被控量能够以一定准确度跟踪输入量的变化，常常被称为随动系统。它伴随现在电机的制造和驱动技术最早出现于二十世纪初，一九三四年有人第一次提出了伺服机构（Servo Mechanism）这个概念。伺服系统的发展与伺服电动机的不同发展阶段紧密地联系在一起。伺服驱动技术经历了步进电机构成的开环驱动系统、闭环直流伺服系统及目前广泛应用的交流伺服系统三个主要的发展阶段。交流伺服系统的研究工作国外始于70年代，80年代就开始进入实用阶段，到90年代技术趋于成熟，其中日本的三菱、三洋、松下电器、东芝、立石电机、安川电机、PANUC公司，美国的
13、ABB公司、Gettys公司，德国的Siemens公司的产品都已经达到比较高的实用水平。 我国的伺服技术开始于70年代，主要集中在高等院校和科研单位，如北京机床所，西安微电机研究所，中科院沈阳自动化研究所等，产品主要以军工及航天卫星技术为主。改革开放后，随着工业发展，国内对伺服系统的需求不断增加，在国际品牌大批进入中国市场的同时，也同时出现了一批自主品牌，如华中数控、广数、森创、南京埃斯顿、兰州电机厂等。但是与国际大品牌的产品相比，在控制精度、调速范围等各项性能指标上还完全不可同日而语。国外大公司都已推出多种先进控制技术的高性能数字交流伺服产品，而国内的大多厂家还停留在初级的电机控制阶段，远远
14、达不到高性能水平。20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。90年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。目前，我国在现代工业各个领域中所使用的交流伺服驱动控制器依然主要依赖进口，我们国家在交流伺服系统控制器方面的研究工作任重而道远。作为一个经济飞速发展的新兴制造工业大国，研制拥有
15、自主知识产权、自主品牌、且具有国际先进水平的高性能交流伺服系统，对促进我国的工业自动化发展，打破国外大公司品牌垄断及对国防科技领域的发展具有非常重要的战略意义。1.2课题的目的和意义 近几十年来在新技术革命的推动下，特别是伴随着微电子技术和计算机技术的飞速进步，伺服技术更是如虎添翼突飞猛进，它的应用几乎遍及社会的各个领域。从国防、工业生产、交通运输到家庭生活，而且必将发展应用到更新的领域。 由于现代工业中伺服系统1被广泛的应用于机器人、数控机床、包装、印刷、食品、纺织、航空航天以及变频器等众多工业领域，特别微电子技术、功率半导体技术、计算机技术以及控制理论取得的惊人的进步，新型控制策略如矢量控
16、制的应用，使得伺服系统的性能取得了长足的发展，具备了宽调速范围、高稳速精度、快速动态性能等良好的技术性能。数字伺服控制器已成为现代控制器的方向。1.3伺服系统的介绍伺服系统是用来控制被控对象的某种状态，使其能够自动地、连续地、精确地复现输入信号的变化规律，通常是闭环控制系统。1.3.1伺服系统的基本要求 1.稳定性好：稳定是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后到达新的或者回复到原有平衡状态。 2.精度高：数控伺服系统的精度是指输出量能跟随输入量的精确程度。作为精密加工的数控机床，要求的定位精度或轮廓加工精度通常都比较高，允许的偏差一般都在0.010.00lmm之间。 3.快速
17、响应性好：快速响应性是伺服系统动态品质的标志之一，即要求跟踪指令信号的响应要快，一方面要求过渡过程时间短，一般在200ms以内，甚至小于几十毫秒；另一方面，为满足超调要求，要求过渡过程的前沿陡，即上升率要大。1.3.2伺服系统的主要特点1.精确的检测装置：以组成速度和位置闭环控制。2.有多种反馈比较原理与方法:根据检测装置实现信息反馈的原理不同，伺服系统反馈比较的方法也不相同。目前常用的有脉冲比较、相位比较和幅值比较3种。3.高性能的伺服电动机(简称伺服电机)：用于高效和复杂型面加工的数控机床，伺服系统将经常处于频繁的启动和制动过程中。要求电机的输出力矩与转动惯量的比值大，以产生足够大的加速或
18、制动力矩。要求伺服电机在低速时有足够大的输出力矩且运转平稳，以便在与机械运动部分连接中尽量减少中间环节。4.宽调速范围的速度调节系统，即速度伺服系统：从系统的控制结构看，数控机床的位置闭环系统可看作是位置调节为外环、速度调节为内环的双闭环自动控制系统，其内部的实际工作过程是把位置控制输入转换成相应的速度给定信号后，再通过调速系统驱动伺服电机，实现实际位移。数控机床的主运动要求调速性能也比较高，因此要求伺服系统为高性能的宽调速系统。1.3.3伺服系统的分类伺服系统按其驱动元件划分为步进式伺服系统、直流电动机（简称直流电机）伺服系统、交流电动机（简称交流电机）伺服系统等。按控制方式划分为开环伺服系
19、统、闭环伺服系统、版闭环伺服系统等。实际上数控系统也分为开环、闭环和半闭环三种类型，就是雨伺服系统这三种方式相关。 1.开环伺服系统开环-即无位置反馈的系统，其主要由驱动电路、执行单元和电机三大部分组成。驱动电路的主要任务是将指令脉冲转化为驱动执行元件所需的信号。具体构成如图1-1所示。驱动电路执行元件电 机图1-1 开环伺服系统构成图 2.闭环伺服系统 闭环-误差控制随动随动系统。主要由执行元件、检测单元、比较环节、驱动电路和机床5部分组成。具体如图1-2所示。比较单元驱动电路执行元件电 机 检测元件图1-2 闭环伺服系统构成图 在闭环系统中，检测单元将电机的实际转速检测出来并转换成电信号反
20、馈给比较环节。常见的检测元件有旋转变压器、感应同步器、光栅、磁栅、和编码盘等。比较环节的作用是将指令信号和反馈信号进行比较，两者的差值作为伺服系统的跟随误差，经驱动电路，控制执行元件带动工作台继续工作，闭环（半闭环）系统可以分为脉冲比较伺服系统、相位比较伺服系统和幅值比较伺服系统三种。由于比较环节输出的信号比较弱，不足以驱动执行执行元件，故需要对其进行放大，驱动电路正是为此而设置的。执行元件的作用就是控制信号，即来自比较环节的跟随误差信号，将表示转速的电信号转化为机械转速。常用的执行元件有直流电动机，交流电动机等。执行元件是伺服系统中必不可少的一部分，驱动电路是随执行元件的不同而不同。通常把安
21、装在丝杠上的检测元件组成的伺服系称为半闭环系统；把安装在工作台上的检测元件组成的伺服系统成为闭环系统（在设计中不做过多介绍）。由于丝杠和工作台之间传动从在误差，半闭环伺服系统的精确度要比闭环伺服系统的精度低一些。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
22、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：220VC10%； 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、AD
23、620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
24、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。C8051F410单片机系统供电电路伺服电机故障信号（ALRM）电动缸极限低位信号电动缸极限高位信号上位机AD620模拟量输出光电码盘鉴相信号开关量输出信号RS-485通讯接口 图2-1 整体方案设计框图第3章 硬件设计3.1总述本设计控制器主要
25、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
26、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
27、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
28、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2.0V2.75V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C805
29、1F410单片机最小系34统是本设计的主控单元，与上位机通过RS-485通讯接口电路进行通讯，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、MAX
30、487、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至500之间。另外，MAX481、MAX483与MAX487具有低电流关断模式，仅消耗0.1。所有器件都工作在5V单电源下。 驱动器具有短路电流限制，并可以通过热关断电路将驱动器输出置为高阻状态，防止过度的功率损耗。接收器输入具有失效保护特性，当输入开
31、路时，可以确保逻辑高电平输出。 MAX487与MAX1487具有1/4单位负载的接收器输入阻抗，使得总线上最多可以有128个MAX487/MAX1487收发器。使用MAX488-MAX491可以实现全双工通信，而MAX481、MAX483、MAX485、MAX487与MAX1487则为半双工应用设计。 2.MAX485特性MAX485特性：半双工、速率：2.5Mbps、限摆率：NO、低电流关断模式：NO、接收允许控制：YES、静态电流 300、负载个数：32、引脚数：8。 3.MAX485应用 MAX485主要应用：工业控制局域网、电平转换器、低功耗RS-422收发器、低功耗RS-485收发器
32、、用于EMI敏感应用的收发器。 4.MAX485引脚和结构图MAX485引脚和结构图如图3-3所示。图3-3 MAX485引脚和结构图3.3.2 RS-485通讯接口电路 本设计采用的是隔离式RS-485接口电路5，由于在现在控制领域现场情况十分复杂，各个节点之间存在很高的共模电压，虽然 RS-485接口采用差分传输方式，具有一定的抗共模干扰的能力，但是当共模电压超过RS-485接收器的极限电压（大于+12V或小于-7V）时,RS-485接收器将无法工作，严重时则烧毁器件。光电隔离式RS-485接口电路，能够使RS-485接口部分的输入输出完全隔离。所以采用了光电隔离式RS-485接口电路，具
33、体电路图如图3-4所示。图3-4 隔离式RS-485接口电路3.4 AD620模拟量输出3.4.1 AD620的介绍1.AD620的信息AD620的基本特点为精确度高、低噪声，此放大器有高输入阻抗：10G|2pF，高共模具斥比高(CMR)：100dB，低输入抵补电(Input offset Voltage)：50uV，低输入偏移电流(Input bias current)：1.0nA，低消耗功率：1.3mA，以及过电压保护等特性应用十分广泛。 AD620的规格特性总览如附表3-1所示。然而会选用它，是因AD620价格较实惠、增益值大、漂移电位低等，正好符合成本合理及有效放大惠斯顿电桥所输出的微
34、小变化讯号。表3-1 AD620的规格特性总览项目规格特性备注增益范围11000 只需一个电阻即可设定电源供应范围2.3V18V-低耗电量Max supplycurrent=1.3mA可用电池驱动，方便应用于可携式器材中精确度高低补偿压：VOFFSET(max)=50V漂移电压：0.6V/max.-低噪声Low input voltage noise of at 1kHz-应用场合ECG量测与医疗器材、压力量测、V/I转换、数据撷取系统等- 2.AD620的引脚功能图 AD6206的各管脚的作用意义是：1、8脚是外接调整电阻；2、3外接输入信号的两（2接信号的负极，3接信号的正极）；4、7是接
35、外部电源的两极（4接电源的负极，7接电源的正极）；5是参考端，一般情况下与地连接；6是放大后信号的输出端。AD620的引脚功能图如图3-5所示。图3-5 AD620的引脚功能图3.4.2 AD620模拟量输出电路AD620模拟量输出电路的作用是将C8051F410单片机DAC1和DAC0输出00.5mA的电流首先经过和转换为00.5V的电压信号,在经过、和、组成的两个低通滤波器进行滤波，最后传入放大倍数为20倍的AD620将信号放大为-10V+10V电压信号，经过后面、D8、D9组成的保护电路，从而来控制伺服电机的转速。如图3-6所示。图3-6 AD620模拟量输出电路图3-6中AD620放大
36、倍数计算过程： 上述公式中，和为1K，代入数据,，当，则可以计算出放大倍数,即3.5开关量输入信号处理3.5.1开关量输入接口 开关量输入接口用于监测物理量的“状态”，其可以是电平的高/低、运行的启动/停止、开关的开启/关闭等。实际系统典型的开关量输入包括开关、按钮、其他设备的开关量输出、离散量传感器及其他开关传感设备等。开关量的状态通过输入接口电路为单片机系统所感知,当开关闭合有电流导通时，输入状态有效；当开关断开无电流导通时，输入状态无效。常见的开关量有四种形式：机械开关的闭合和断开、半导体器件的导通和截止、高低电平信号、差分电平信号。在大多数情况下实际对象的输入与单片机系统内部电路相隔离
37、是很重要的，这样可以防止某些外部环境对单片机系统电路毁坏事故的发生。电气隔离的有效手段是采用光电隔离，因此在单片机系统中开关量的输入接口电路6多采用光电隔离的方式。3.5.2光电隔离的器件光电耦合器简介光电偶合器件7（简称光耦）是把发光器件（如发光二极体）和光敏器件（如光敏三极管）组装在一起，通过光线实现耦合构成电光和光电的转换器件。光电耦合器分为很多种类，最常用的是图3-7所示为常用的三极管型光电耦合器原理图。1243发光二极管光敏三极管 图3-7 最常用三极管型光电耦合器原理图当电信号送入光电耦合器的输入端时，发光二极体通过电流而发光，光敏元件受到光照后产生电流，CE导通；当输入端无信号，
38、发光二极体不亮，光敏三极管截止，CE不通。对于数位量，当输入为低电平“0”时，光敏三极管截止，输出为高电平“1”；当输入为高电平“1”时，光敏三极管饱和导通，输出为低电平“0”。若基极有引出线则可满足温度补偿、检测调制要求。这种光耦合器性能较好，价格便宜，因而应用广泛。光电耦合器之所以在传输信号的同时能有效地抑制尖脉冲和各种杂讯干扰，使通道上的信号杂讯比大为提高，主要有以下几方面的原因。 1.光电耦合器的输入阻抗很小，只有几百欧姆，而干扰源的阻抗较大，通常为105106。据分压原理可知，即使干扰电压的幅度较大，但馈送到光电耦合器输入端的杂讯电压会很小，只能形成很微弱的电流，由于没有足够的能量而
39、不能使二极体发光，从而被抑制掉了。 2.光电耦合器的输入回路与输出回路之间没有电气联系，也没有共地；之间的分布电容极小，而绝缘电阻又很大，因此回路一边的各种干扰杂讯都很难通过光电耦合器馈送到另一边去，避免了共阻抗耦合的干扰信号的产生。3.光电耦合器可起到很好的安全保障作用，即使当外部设备出现故障，甚至输入信号线短接时，也不会损坏仪表。因为光耦合器件的输入回路和输出回路之间可以承受几千伏的高压。4.光电耦合器的回应速度极快，其回应延迟时间只有10s左右，适于对回应速度要求很高的场合。3.5.3开关量输入信号处理电路在本设计中有伺服电机故障信号（ALRM）、电动缸极限低位信号、电动缸极限高位信号三
40、种，它们开关量输入信号处理全部采用光电隔离的方式。具体电路如图3-8所示。图3-8 开关量输入信号处理电路 伺服电机故障信号（ALRM）、电动缸极限低位信号、电动缸极限高位信号经过开关量输入信号处理电路分别传输到单片机的IO_1、IO_2、IO_3端口，进行进一步的处理。3.6开关量输出信号处理3.6.1开关量输出接口在工业生产现场中，有不少控制对象是电磁继电器、电磁开关或晶体闸管、固态继电器和功率电子开关，其控制信号都是开关量。单片机应用系统在控制大功率负载时，如电动机、电磁铁、继电器、灯泡等，就不能用I/O线来驱动，而必须通过各种驱动电路和开关电路来驱动。此外为了使单片机与强电隔离和抗干扰
41、，有时需要加光耦合器。这些外围电路、光耦合器与单片机的接口电路，被称为单片机的功率接口。开关量输出用于控制“负载”的开和关。“负载”可以是其他设备的开关量输入电路6、指示灯、电机、电磁阀，或者实际环境中的其他类型开关设备。3.6.2开关量输出信号处理电路C8051F410单片机系统往往要为其他控制器、变频器提供控制信息，这些控制信息可以通过现场总线或输入输出接口两种形式提供。在本设计中控制伺服电机的启动和停止，是用光电隔离的开关量输出接口电路来实现的。C8051F410单片机I/O口（SON)输出高电平时，光耦合器的发光二极管没有电流通过，光敏晶体管截止；C8051F410单片机I/O口（SO
42、N)输出低电平时，光耦合器的发光二极管有电流通过，光敏晶体管导通。通过这个电路的处理，可以把C8051F410单片机I/O口（SON)输出的高低电平转换成隔离的光敏晶体管的截止和导通信号，从而进一步控制伺服电机。具体电路图如图3-9所示。 图3-9 开关量输出信号处理电路3.7光电码盘鉴相电路3.7.1光电码盘的简介光电码盘是由光学玻璃制成，在上面刻有许多同心码道，每个码道上都有按一定规律排列的透光和不透光部分。如图3-10所示。工作时，光投射在码盘上，码盘随运动物体一起旋转，透过亮区的光经过狭缝后由光敏元件接受，光敏元件的排列与码道一一对应，对于亮区和暗区的光敏元件输出的信号，前者为“1”，
43、后者为“0”，当码盘旋转在不同位置时，光敏元件输出信号的组合反映出一定规律的数字量，代表了码盘轴的角位移。图3-10 光电码盘光电码盘由光电盘(透光栅板并刻有线条)、小电珠(光源)、光敏管和光电整形放大电路所组成。当主轴带动光电盘转动时，光源经光电盘透射至光敏管，使光敏管接收到光线亮、暗变化的信号，引起光敏管所通过的电流发生变化，该变化信号电流经光电整形放大，输出矩形脉冲。光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同
44、轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。其原理示意图如图3-11所示。透镜光源码盘透镜光敏元件放大整形脉冲输出光源图3-11 光电编码器原理示意图3.7.2光电码盘鉴相电路的设计原理及其电路图光电码盘8的典型输出为两个相位差为 的方波信号（A和B）， 以及零位脉冲信号Z。其中，A、B两相信号的脉冲数标志码盘轴所转过的角度，A、B之间的相位关系标志码盘的转向， 即当A相超前B相 时，标志码盘正转（见图3-12 ），当B相超前A相时，码盘反转（见图3-13）。 图3-12 码盘
45、正转时输出信号图 3-13 码盘反转时输出信号对于每个确定的码盘，其脉冲周期T对应的码盘角位移固定为，故其量化误差为/2。如果能够将A或B信号四倍频， 则计数脉冲的周期将减小到T/4，量化误差下降为/8 ，从而使光电码盘的角位移测量精度提高4倍。由于伺服系统中的码盘转速具有不可预见性，造成脉冲周期T具有不确定的特点，从而无法使用锁相环等常用倍频方案。详细观察图3-12和图3-13可以发现，在脉冲周期T内，A、B两相信号共产生了四次变化，t1、t2 时刻的上升沿和t3 、t4 时刻的下降沿。尽管T不确定， 但由于A、B两方波信号之间相位关系确定，使这四次变化在相位上平均分布，如果利用这四次变化产生四倍频信号，则可以实现光电码盘测量精度的提高。 四倍频8后的码盘信号，需经计数器计数后，才能转化为相对位置。计数过程一般有两种实现方法：一是由可编程计数器或微处理器内部定时/计数器实计数；二是由可逆计数器实现对正反向脉冲的计数。当需控制的