基于AVR单片机二维运动控制器的开发

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1、第1章绪论运动控制系统广泛应用于生产、生活的各个领域，典型的应用领域包括：数控机床、X-Y-Z(或X-Y)控制台、机器人、自动化仪表、绘图仪、打印机、雕刻机、印刷机、包装机械、纺织机械、打标机、绕线机、医疗设备等。步进电动机作为一种数字伺服执行元件，具有结构简单、运行可靠、控制方便、控制性能好等优点，因此步进电动机作为执行元件的运动控制系统在低端市场有着十分广泛的应用。目前，国内外运动控制器的种类和功能都在不断丰富和发展，但总的情况是，国外的运动控制器功能较强，使用的技术也比较先迸，但是价格相当昂贵，而且这种运动控制器的使

2、用方法不易为普通用户所掌握，编程复杂，即使是专业人员也很难熟练掌握，这两大不利因素限制了它的使用范围，国内的运动控制器性能和质量总体来说跟国外的产品有一定的差距，或性能单一，或结构复杂，且同样存在着使用不便难以掌握的缺点。设计一种结构较简单，成本又低，使用和维护方便的运动控制器成为当今主流。研究面向低端市场且成本低的运动控制器很有实际意义，而这种运动控制器通常就是以单片机为核心的控制器。本设计选择AVR单片机作为控制系统的处理芯片，AVR单片机具有体积小、功能强、应用面广等许多优点。本设计是基于一款功能强大的高档8位单片机

3、——ATMEL公司高档单片机ATmega16。ATmega16具有16K字节的系统内可编程Flash,512字节EEPROM,1K字节SRAM,32个通用I/O口线,32个通用工作寄存器,用于边界扫描的JTAG接口,两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器(T/C)，一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器(T/C)，ATmega16支持片内调试与编程。相比51系列的单片机具有高性能、低功耗等特点。运动控制系统广泛应用于生产、生活的各个领域，而二维运动控制是一种基本的运动控制，选择AVR单片机

4、作为控制系统的处理芯片，结构较简单，成本又低，使用和维护较为方便。51此二维运动控制系统硬件分为控制部分、电动机驱动部分、键盘输入部分和显示部分，采用C语言编程，开发工具为ICCAVR，以Atmega16单片机为控制核心，来控制电机驱动电路和液晶显示电路的协调工作，通过按键设置及液晶显示功能，来实现电机的基本位置控制和加、减速控制。51第2章运动控制系统2.1运动控制系统的概念运动：指一个物体相对于另一个物体或相对于一个坐标系统的位置变化。运动控制系统：处理机械系统中一般称之为轴的—个或多个坐标上的运动以及这些运动之间的协

5、调动作，涉及各轴上运动速度的调节，以一定的加减速度曲线来进行运动，以及形成准确的定位或遵循特定的轨迹运动等诸如此类。这些精确的位置、速度、加减速乃至力矩的控制主要是通过电动机、驱动器、反馈装置、运动控制器、主控制器来实现。在位置运动控制系统中，按机械运动的轨迹分类，可分为点位、直线、轮廓控制等。点位控制又称为点到点控制是一种从某一位置向另一位置移动对，不管中间的移动轨迹如何，要最后能正确达到目标位置的控制方式。这类控制在移动过程中，对两点问的移动速度及运动轨迹没有严格要求，可以先沿一个坐标移动完毕，再沿另一个坐标移动，也可

6、以沿多个坐标同时移动。直线控制又称为平行控制，这类运动除了控制点到点的准确位置之外，还要保证两点之间移动的轨迹是一条直线，而且对移动速度也要进行控制。轮廓控制又称为连续轨迹控，这类运动能够对两个或两个以上坐标的位移和速度进行连续相关的控制，因而可以进行曲线或曲面的运动。2.2运动控制系统的分类按被控物理量分为：以转速为被控量的运动控制系统叫调速系统；以直线位移或角位移为被控量的叫位置随动系统，或叫伺服系统。按驱动电机的类型分为：用步进电机驱动的运动控制系统称为步进传动系统；用直流电机驱动生产机械的称为直流传动系统；用交流电

7、机带动生产机械的称为交流传动系统。512.3运动控制系统的基本组成运动控制（MC）是自动化的一个分支，它使用通称为伺服机构的一些设备如液压泵，线性执行机或者是电机来控制机器的位置和/或速度。运动控制在机器人和数控机床的领域内的应用要比在专用机器中的应用更复杂，因为后者运动形式更简单，通常被称为通用运动控制（GMC）。运动控制被广泛应用在包装、印刷、纺织和装配工业中。一个运动控制系统的基本架构组成包括：一个运动控制器用以生成轨迹点（期望输出）和闭合位置反馈环。许多控制器也可以在内部闭合一个速度环。一个驱动或放大器用以将来自运

8、动控制器的控制信号（通常是速度或扭矩信号）转换为更高功率的电流或电压信号。更为先进的智能化驱动可以自身闭合位置环和速度环，以获得更精确的控制。一个执行器如液压泵、气缸、线性执行机或电机用以输出运动。一个反馈传感器如光电编码器，旋转变压器或霍尔效应设备等用以反馈执行器的位置到位置控制器，以实现和位置控制环