基于單片機(jī)的伺服電機(jī)控制系統(tǒng)

文/張靖輝

當(dāng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，交流伺服電機(jī)的主要功能是把電壓控制信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械位移，然后將接收到的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡姍C(jī)的一定轉(zhuǎn)速或者是角位移，所以可利用單片機(jī)來對(duì)伺服電機(jī)的進(jìn)行控制。交流伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)較多，其靈巧輕便、體積小，容易控制，因此，交流伺服電機(jī)受到人們的喜愛，廣泛應(yīng)用在控制系統(tǒng)之中。

1 單片機(jī)、伺服電機(jī)概述

單片機(jī)是一種集成電路芯片，又叫做微型控制器，單片機(jī)是將中央處理器、定時(shí)器、各類接口都集成在一塊集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)。簡(jiǎn)單來說，單片機(jī)就相當(dāng)于一個(gè)小型電腦，體積雖小，但是與計(jì)算機(jī)并無大的差別。單片機(jī)的價(jià)格低廉，因此將單片機(jī)作為小型家電的控制器具有非常高的性價(jià)比。單片機(jī)的運(yùn)行是依靠程序進(jìn)行的，這種程序可人進(jìn)行修改。單片機(jī)與電腦中常用的微型處理器相比構(gòu)造簡(jiǎn)單、更具靈活性、體積較小、便于存放、使用方便，并且能耗很低，可在各種惡劣的環(huán)境下正常運(yùn)行，適應(yīng)環(huán)境能力很強(qiáng)。近年來，隨著我國(guó)信息技術(shù)與高科技的飛速發(fā)展，單片機(jī)各方面也得到擴(kuò)展和進(jìn)步，被家用電器、電子產(chǎn)品、機(jī)械產(chǎn)品等廣泛應(yīng)用。

伺服電機(jī)是一種控制零部件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，是變速裝置的一種。伺服電機(jī)可以控制發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，較為精準(zhǔn)，利用電壓信號(hào)進(jìn)行控制。伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入信號(hào)密切相關(guān)。伺服電機(jī)主要分為兩大類，即交流電機(jī)以及直流電機(jī)。伺服一般情況下都是通過脈沖定位，當(dāng)伺服電機(jī)收到一個(gè)脈沖后，就會(huì)相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)脈沖的角度，從而實(shí)現(xiàn)位置的變化，伺服電機(jī)本身能夠發(fā)出脈沖，因此，伺服電機(jī)每發(fā)生一次位移，都會(huì)發(fā)出和位移角度相對(duì)應(yīng)的脈沖，這樣電機(jī)接收和發(fā)出的脈沖形成閉環(huán)。

2 總設(shè)計(jì)方案

圖1：控制系統(tǒng)組成

在本次研究之中，所選用的是松下交流伺服電機(jī)，根據(jù)單片機(jī)的工作原理來實(shí)現(xiàn)對(duì)松下伺服交流電機(jī)的控制。通過鍵盤輸入詳細(xì)的轉(zhuǎn)速參數(shù)，單片機(jī)在收到具體的轉(zhuǎn)數(shù)參數(shù)之后，將信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號(hào)，差動(dòng)驅(qū)動(dòng)器把脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為差動(dòng)脈沖信號(hào)后傳輸給伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器；驅(qū)動(dòng)器依據(jù)接收的脈沖信號(hào)對(duì)交流伺服電機(jī)進(jìn)行控制；然后驅(qū)動(dòng)器在收到編碼器反饋的信號(hào)之后，再將反饋的數(shù)據(jù)和目標(biāo)數(shù)值進(jìn)行系統(tǒng)對(duì)比，之后再對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度機(jī)型進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)單片及對(duì)交流伺服電機(jī)的有效控制。為了提升CCD成像的精準(zhǔn)度，特別選擇20位的增量式光電編碼器?？刂葡到y(tǒng)組成如圖1所示。

3 硬件設(shè)計(jì)

在本次研究中，在實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服交流電機(jī)控制的過程中，選擇的是STC12C5A60S2型號(hào)的單片機(jī)作為系統(tǒng)處理器，與此同時(shí)，將單片機(jī)設(shè)定為1T模式，這樣設(shè)定可以使其高速運(yùn)算，整體更為簡(jiǎn)便、效率更好。片上集成1280字節(jié)RAM，60K flash程序存儲(chǔ)器以及EEPRΟM。在本次研究中，選用的交流伺服電機(jī)型號(hào)為松下MSMD5AZG1U，它的額定輸出功率時(shí)50W，編碼器為20位的增量式光電編碼器。所選擇的驅(qū)動(dòng)器與單片機(jī)均為松下品牌。

在本次研究中，單片機(jī)主要通過以下三種方式對(duì)交流伺服電機(jī)進(jìn)行控制：

（1）對(duì)交流伺服電機(jī)的位置進(jìn)行控制，

（2）對(duì)交流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，

（3）對(duì)交流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制。在對(duì)交流伺服電機(jī)的位置進(jìn)行控制時(shí)，驅(qū)動(dòng)器在收到位置控制指令后，通過電子齒輪分倍頻，和驅(qū)動(dòng)器接收的反饋信號(hào)產(chǎn)生信號(hào)偏差，之后形成變速信號(hào)，位置偏差與轉(zhuǎn)速信號(hào)經(jīng)調(diào)解后，形成轉(zhuǎn)矩電流，從而達(dá)到控制交流伺服電機(jī)的目的。伺服電機(jī)的編碼器種類也是多種多樣的，主要涉及到的有增量式光電編碼器以及絕對(duì)式光電編碼器。在本次研究中，我們所選用的交流伺服電機(jī)，其內(nèi)置編碼器為20位的增量式光電編碼器，這種編碼應(yīng)用范圍比較廣泛，編碼器的結(jié)構(gòu)建議，容易使人了解，使用時(shí)間較長(zhǎng)不易損壞，分辨率高。

圖2：?jiǎn)纹瑱C(jī)與差動(dòng)驅(qū)動(dòng)器和連接器接口電路圖

3.1 單片機(jī)控制器硬件

單片機(jī)控制系統(tǒng)的核心零件選用STC12C5A60S2，控制器的硬件應(yīng)與外部電路相匹配，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服交流電機(jī)的控制。單片機(jī)的獨(dú)立鍵盤輸入口為P3口，液晶模塊控制端口為P0、P1.0、P1.1、P1.2，脈沖信號(hào)發(fā)送口為P2.6和P2.7。

3.2 差分驅(qū)動(dòng)器與伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器硬件

本次所用的單片機(jī)Ι/Ο口輸出開關(guān)量可控制信號(hào)電平并無直接驅(qū)動(dòng)外圍設(shè)備，需要在信號(hào)輸入控制端需要增設(shè)相關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路。伺服驅(qū)動(dòng)器連接器的控制信號(hào)輸入模式采用差動(dòng)模式，所有采用SN75174差動(dòng)驅(qū)動(dòng)器。單片機(jī)+差動(dòng)驅(qū)動(dòng)器+連接器接口電路見圖2。

4 軟件設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)其軟件時(shí)，主要有三個(gè)關(guān)注點(diǎn)：

（1）零點(diǎn)定位；

（2）對(duì)交流伺服電機(jī)均速運(yùn)行控制；

（3）對(duì)交流伺服電機(jī)加速以及減速的控制。

軟件設(shè)計(jì)主要包含幾大部分，主程序、中止服務(wù)程序以及控制交流伺服電機(jī)運(yùn)行速度的程序。系統(tǒng)面板包括按鍵有8個(gè)，包括開始暫停、零點(diǎn)標(biāo)定，以及6個(gè)轉(zhuǎn)速設(shè)置按鍵。

4.1 零點(diǎn)定位

系統(tǒng)零點(diǎn)定位判斷原點(diǎn)的決定條件是編碼器Z脈沖信號(hào)E2與原點(diǎn)近位信號(hào)ΟRG。E2信號(hào)為編碼器Z脈沖，一般情況下電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)360°后就會(huì)產(chǎn)生1個(gè)Z脈沖，即電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈編碼器就對(duì)應(yīng)產(chǎn)生1個(gè)Z脈沖。

4.2 轉(zhuǎn)速控制

伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制是依靠定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)的，因此對(duì)定時(shí)裝置時(shí)間常熟的確定是整個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)重要內(nèi)容，現(xiàn)將時(shí)間常數(shù)的計(jì)算情況進(jìn)行討論：

電機(jī)轉(zhuǎn)速取值n是由脈沖頻率、轉(zhuǎn)子齒數(shù)和拍數(shù)所決定的，脈沖頻率與角速度之間存在正相關(guān)關(guān)系。驅(qū)動(dòng)器電子齒輪比為1000，編碼器分辨率設(shè)為F，定時(shí)時(shí)間設(shè)為T，則T=電機(jī)轉(zhuǎn)速×分辨率÷（60×電子齒輪比）=n×F÷（60×1000）；單片機(jī)一個(gè)機(jī)器周期設(shè)為Tc，晶振為fl（11.0592MHz），默認(rèn)的單片機(jī)模式為L(zhǎng)T模式，所以一個(gè)時(shí)鐘周期Tc為本次所采用的定時(shí)器模式為1，定時(shí)時(shí)間為1，定時(shí)器裝入初始值N，則Tc=定時(shí)器定時(shí)初值設(shè)定公式為T=（65536-N）×Tc。

4.3 升降頻率控制

通常步進(jìn)電機(jī)常用的升降頻率控制有直線型、S型和指數(shù)型升速方式，本次系統(tǒng)采用直線型升速方式。

5 結(jié)果及結(jié)論

通過對(duì)系統(tǒng)軟件程序的編程、調(diào)試，控制相關(guān)的參數(shù)，對(duì)交流伺服電機(jī)進(jìn)行控制。通過多次實(shí)驗(yàn)、比對(duì)，單片機(jī)對(duì)交流伺服電機(jī)的控制情況良好，控制系統(tǒng)電機(jī)轉(zhuǎn)速0～10000r/min內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)，定位精度0.1°；不僅如此，本次所選用的硬件里，電路比較簡(jiǎn)易，程序簡(jiǎn)單，系統(tǒng)的獨(dú)立運(yùn)行能力較強(qiáng)，定位準(zhǔn)確，轉(zhuǎn)臺(tái)平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)，成像像質(zhì)較好。由以上論述可知，將單片機(jī)作為控制器，對(duì)交流伺服電機(jī)進(jìn)行控制，使系統(tǒng)性能得到最大限度的發(fā)揮，進(jìn)而有利于低系統(tǒng)的運(yùn)行成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。