直流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)的研究

陳東升

【摘 要】采用一片AVR—Atmega48單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，不僅輸出伺服電機(jī)的PWM控制信號，而且運(yùn)用內(nèi)部集成的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將外部模擬電壓控制信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。運(yùn)用伺服電機(jī)的電機(jī)控制器：SERIES- MCDC2805，與MEGE 48單片機(jī)一起完成電機(jī)的控制任務(wù)。最后采用OCMJ-4X8LCD液晶作為這個(gè)系統(tǒng)的顯示部分。

【關(guān)鍵詞】伺服電動機(jī)；單片機(jī) ；LCD；實(shí)時(shí)顯示

引言

伺服電動機(jī)又稱為執(zhí)行電動機(jī)，在自動控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件， 它將輸入的電壓信號變換成轉(zhuǎn)軸的角位移或角速度輸出。輸入的電壓信號又稱為控制信號或電壓信號。改變控制電壓可以變更伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向。

為了滿足生產(chǎn)過程中自動控制系統(tǒng)的各種不同控制要求，對直流電機(jī)也提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)，改變電樞回路電阻調(diào)速和變電壓調(diào)速等技術(shù)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代控制技術(shù)的要求，PWM方式控制直流伺服電機(jī)調(diào)速的方法應(yīng)運(yùn)而生。

該設(shè)計(jì)準(zhǔn)備用單片機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)，使得伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速的可以直觀的顯示出來，使得調(diào)節(jié)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速以達(dá)到控制要求的工作變得更簡潔。

1.直流伺服電動機(jī)控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

如圖，設(shè)計(jì)主要由三部分構(gòu)成：信號源部分、控制核心部分，LCD顯示部分等。

信號源部分：通過切換相應(yīng)的開關(guān)給電機(jī)控制器提供模擬電壓源或是PWM信號。

控制核心部分：該部分是負(fù)責(zé)發(fā)出控制信號，對各種信息做出快速、準(zhǔn)確的反應(yīng)，處理外部隨時(shí)變化的信號。

LCD顯示部分：該部分顯示由單片機(jī)通過對電壓信號處理過后產(chǎn)生的相應(yīng)的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。

2.電機(jī)驅(qū)動調(diào)速的實(shí)現(xiàn)

SERIE—2224—012SR型直流微型電機(jī)的控制是通過控制MCD2805控制器來實(shí)現(xiàn)的。MCDC2805控制器與上述直流微型電機(jī)組合主要有步進(jìn)模式、速度模式、PWM模式等控制模式。本設(shè)計(jì)決定采用速度模式和PWM模式。

2.1 控制器內(nèi)部設(shè)置

正如上述驅(qū)動器MCDC2805的介紹那樣，其內(nèi)部設(shè)置通過RS—232根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)置的，程序已設(shè)置，主要的技術(shù)參數(shù)具體如下：

3. CPU控制模塊的實(shí)現(xiàn)

前面已經(jīng)提到，核心控制器采用的是ATMEL公司的推出的Atmega 48單片機(jī)，其主要特點(diǎn)如下：

高速度和低功耗，具有SLEEP（休眠）功能。

具有（吸入電流）10-20mA或40mA（單一輸出）大電流?？芍苯域?qū)動SSR，內(nèi)置Watch Dog 電路。

程序?qū)懭肫骷刹⑿袑懭耄部纱性诰€下載（ISP）擦寫。

單片機(jī)內(nèi)置模擬比較器，具有較高精度的6路10 位A/D轉(zhuǎn)換器 （ PDIP 封裝）。

五種休眠模式：空閑模式、ADC 噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式和Standby 模式

具有內(nèi)部RC振蕩器，無需外加晶振即可工作。

計(jì)數(shù)器/定時(shí)器：有2個(gè)8位和一個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，可做比較器、計(jì)數(shù)器外部中斷和PWM用于控制輸出（此功能應(yīng)用在本系統(tǒng)中）

4.PWM模式

本設(shè)計(jì)控制電機(jī)要求控制核心發(fā)出不同占空比的脈沖來實(shí)現(xiàn)調(diào)速，故采用相位可調(diào)PWM模式，具體為16種模式中的第10種。T/C1工作在相位可調(diào)PWM 模式（WGM13：0 = 1、2、3、10、11） 可以獲得高精度的、相位可調(diào)的PWM波形。

計(jì)數(shù)上限值（TOP值）決定著PWM波的周期；輸出比較匹配寄存器中的值（即OCR1A/OCR1B值）決定著PWM波的占空比。

Rpcpwm=log2（TOP+1）

相位可調(diào)PWM模式中，輸出的PWM波形的頻率輸出由下式確定，式中N的取值為1、8、64、256或1024。

通過設(shè)置比較寄存器OC1A/OC1B的值，可以獲得不同占空比的脈沖波形。OC1A/OC1B的一些特殊值，會產(chǎn)生極端的PWM波形。當(dāng)OC1A/OC1B的設(shè)置值與0x0000相近時(shí)，會產(chǎn)生窄脈沖序列。

5.模數(shù)轉(zhuǎn)換器

ATmega48有一個(gè)6 路10位精度的逐次逼近型ADC，0.5 LSB 的非線性度，± 2LSB 的絕對精度， 65 - 260 ?s 的轉(zhuǎn)換時(shí)間，最高分辨率時(shí)采樣率高達(dá)15 kSPS，具有連續(xù)轉(zhuǎn)換或單次轉(zhuǎn)換模式，可選的向左調(diào)整ADC 讀數(shù)。ADC與一個(gè)8通道的模擬多路復(fù)用器連接，能對來自端口C的8 路單端輸入電壓進(jìn)行采樣。單端電壓輸入以0V （GND） 為參考。ADC 包括一個(gè)采樣保持電路，以確保在轉(zhuǎn)換過程中輸入到ADC 的電壓保持恒定。

6.系統(tǒng)顯示模塊的實(shí)現(xiàn)

OCMJ 系列液晶顯示器致力于減輕編程負(fù)擔(dān)。用戶硬件接口采用 ASK/ANSWER 握手協(xié)議， ASK=1 表示 OCMJ 忙于內(nèi)部處理，不能接收用戶命令；ASK=0 表示 OCMJ 空閑，等待接收用戶命令。發(fā)送用戶命令到 OCMJ可在 ASK=0 后的任意時(shí)刻開始，先把用戶命令的當(dāng)前字節(jié)放到數(shù)據(jù)線上，接著發(fā)高電平ANSWER 脈沖把當(dāng)前用戶命令字節(jié)鎖存到 OCMJ 中。然后判斷OCMJ模塊是否在忙于內(nèi)部處理數(shù)據(jù)，（ASK=1？）如果ASK=1，那么把ANSWER拉低，等待下一次（ASK=0）再送下一個(gè)數(shù)據(jù)。采用 8 位并行數(shù)據(jù)格式。

經(jīng)過前面的論述，本設(shè)計(jì)的整體框架已經(jīng)搭建起來，首先是CPU控制核心接收外部模擬電壓控制信號，經(jīng)過處理之后，一方面產(chǎn)生PWM控制信號給驅(qū)動器為電機(jī)調(diào)速，另一方面CPU通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬電壓信號輸出給顯示模塊來展示速度等信息，以方便技術(shù)員更加及時(shí)準(zhǔn)確的把握電機(jī)運(yùn)行情況。

7.電機(jī)步進(jìn)工作模式的研究

SERIE—2224系列微型伺服電機(jī)通過RS—232可以設(shè)置為步進(jìn)電機(jī)工作模式，下邊主要對這種電機(jī)步進(jìn)模式的控制，進(jìn)行了初步的研究和試驗(yàn)：

正如上述驅(qū)動器MCDC2805的介紹那樣，其內(nèi)部設(shè)置通過RS—232根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)置的。

其中，電機(jī)轉(zhuǎn)速=脈沖頻率可見，電機(jī)轉(zhuǎn)速是由STW、STN和輸入的脈沖頻率共同決定的。（STW：指每發(fā)一個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)動的步數(shù)；STN：每一轉(zhuǎn)的總步數(shù)）

8.結(jié)論

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了通過單片機(jī)輸出PWM控制信號來給直流伺服電機(jī)調(diào)速的功能，是一種數(shù)字伺服控制系統(tǒng)；同時(shí)本系統(tǒng)還應(yīng)用了模數(shù)轉(zhuǎn)換器，把模擬電壓控制信號處理后，在顯示屏上顯示出速度等信息，體現(xiàn)了人機(jī)交互的理念。以CPU為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)的各個(gè)組成部分，通過CPU模塊的分析處理后，向電動機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，完成整個(gè)任務(wù)。

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