基于单片机的交流伺服电机转速控制系统设计

嵌入式技术 　　电 　子 　测 　量 　技 　术　　EL ECTRON IC M EASU REMEN T TECHNOLO GY 第 32 卷 第 1 期 2009 年 1 月 　 基于单片机的交流伺服电机转速控制系统设计 张国斌 　尹 　岗 (内蒙古工业大学信息工程学院 　呼和浩特 　010051) 摘 　要 : 设计一种单片机控制下的交流伺服电机转速系统 ,详细介绍它的硬件组成原理及其软件实现过程 ,实现了对 通用交流伺服电机的速度闭环控制。通过对实验结果的 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 可以看出 ,本设计基本达到了系统对伺服电机转速控制 的要求。这种方法可以广泛应用于电子机械、纺织机械、印刷机械等诸多行业中。 关键词 : 单片机 ;交流伺服电机 ;速度控制 中图分类号 : TP368. 1 　　文献标识码 : A Design of AC servo motor speed control system based on the single2chip microcomputer Zhang Guobin Yin Gang ( Information Engineering College ,Inner Mongolia University of Technology , Hohhot 010051) Abstract : This paper designs a speed system of AC servo motor controlled by single2chip microcomputer. Details of it s component of hardware and the process to realize of software. Realized it s speed closed2loop control of a universal AC servo motor. Through the analysis on the experimental result s , we can see , the design of this system reached the requirement s to control the servo motor. This method can be widely used in elect ronic machinery , textile machinery , p rinting machinery and many other indust ries. Keywords : single2chip microcomputer ;AC servo motor ;speed control 0 　引　　言 伺服电机属于一类控制电机 ,分为直流伺服电机和交 流伺服电机 2 种。交流伺服电机克服了直流伺服电机存 在的电刷、换向器等机械部件所带来的各种缺点 ,特别是 交流伺服电机的过负荷特性和低惯性更体现出交流伺服 系统的优越性。所以交流伺服系统在工厂自动化 ( FA) 等 各个领域得到了广泛的应用。本文介绍了一种基于单片 机的交流伺服系统 ,实现了对交流伺服电机转速的闭环 控制[ 1 ] 。 1 　设计原理 交流伺服电机转轴上带有光电编码器。当电机转动 时 ,光电编码器随着转动 ,能够产生 a、b 两路脉冲信号 ,这 两路信号相差 90°相位角 ,由此可测出光电编码器转动方 向与电机转速。如果 a 相脉冲比 b 相脉冲超前则电机正 转 ,反之则电机反转。通过对这两路正交信号在一定时间 内的计数 ,可以计算出电机当前的转速。然后对预定值与 测量值进行比较 ,将差值通过 D/ A 转换器转换成电压信号 输出给驱动器 ,从而实现对伺服电机的闭环控制。 2 　系统硬件设计 系统硬件原理框图如图 1 所示。 图 1 　硬件原理框图 本设计选用美信公司生产的 51 系列单片机 89C450 作为主控制芯片 ,它是当前 8051 兼容微控制器中性能最 高的。具有重新设计的处理器内核 ,在相同的晶振频率 下 ,执行指令的速度是最初的 8051 微处理器的 12 倍[ 4 ] 。 特别适用于工业控制与自动化、汽车测试设备、电机控制 等领域。 用 Hewlett2Packard 公司生产的带有数字接口的正交 解码与可逆计数专用芯片 HCTL22020 对脉冲信号进行正 交解码及计数。其接口电路框图如图 2 所示[ 2 ] 。 ·501· 　第 32 卷 电 　子 　测 　量 　技 　术 图 2 　HCTL22020 正交译码接口电路框图 正交译码器将已通过滤波的信号译成计数信号 ,并将 输入信号乘以一个 4 倍因子 ,这样可以使控制精度提高 4 倍。它给计数器提供一个计数信号和一个方向信号。图 3 表示了正交状态和有效状态的转变。当 CHA 信号超前 CHB 信号时 ,译码器给出加信号 U ,反之给出减信号/ D。 图 3 　正交状态和有效状态的转变 计数信号通过计数器计数后锁存在数据锁存器中 ,当 需要读取数据时 ,上位机发出抑制逻辑信号阻止新的数据 被锁存器捕捉 ,然后通过总线接口读取锁存器中数据。读 取结束后锁存器被自动激活 ,锁存器被 RST 信号异步清 零[ 7 ] 。Hctl22020 与单片机接口电路如图 4 所示。 图 4 　HCTL22020 与单片机接口电路 用单片机内部定时器 T0 定时 Tc 时间 ,定时时间到 , 单片机发逻辑信号给 HCTL22020 ,关锁存 ,单片机通过数 据总线读取锁存器中数据 m。本文选用 2 500 线的增量式 编码器 ,则电机的转速[ 3 ] 为 n = 60 m P ·Tc = 60 m 2500 ×4 ×Tc 。 单片机根据所设定值与这个测量值进行比较 ,将误差值转 换成数字量经 D/ A 转换器变成模拟量送给驱动器 ,从而达 到控制电机转速的目的。 由于驱动器需要 + 10 V/ - 10 V 的电压输入范围 ,所 以选用 Texas Inst rument s 公司生产的 16 位 D/ A 转换器 DAC7731 作为本设计的转换元件。它提供一个 + 10V 的 内部参考电压 ,它的输出振幅可以设定在 + 10 V/ - 10 V、 + 5 V/ - 5V 或 + 10 V。特别适用于闭环伺服控制、电机 控制等领域[ 6 ] 。 DAC7731 的数字逻辑电压由 VDD 提供 ,它的范围是 4. 75 V～5. 25 V ,而 DS89C450 的工作范围也在这个范围 内 ,所以它们的引脚可以直接相连。DAC7731 与单片机的 接口电路如图 5 所示[ 5 ] 。 图 5 　DAC7731 与单片机接口电路 3 　系统软件设计 本设计在 Keil uVision3 软件下通过 C 语言进行编程 , 通过串口下载到单片机中。程序流程图如图 6 所示。 图 6 　程序流程图 以给定转速 100 r/ min 为例 ,假定电机转速为准确的 ·601· 　　　　　　　　张国斌 等 :基于单片机的交流伺服电机转速控制系统设计 第 1 期 100 r/ min ,则电机运转 1 周所用时间应为 0. 6 s。根据系 统指标 ,转速的周期准确率应优于 1 ×10 - 5 s ,转速的周期 稳定度应优于 1 ×10 - 6 s。表 1 所示是根据上述测量方法 得到的计数值以及误差。 由表中数据可以看出电机运行较平稳 ,速度的周期准 确度已基本达到指标要求 ,但周期稳定性有待进一步 改进。 4 　结　　论 基于 DS89C450 单片机的转速测量系统 ,具有硬件电 路简单 ,程序编程简单和运算速度快 ,测速范围宽 ,抗干扰 性好的特点。在设计的信号处理电路中经过滤波 ,能够进 一步减少误差 ,使测速精度得到提高[ 8 ] 。 表 1 　给定转速是 100 r/ min 时的测量结果 序号 周期时间 TN / ( ×10 - 7 s) 周期稳定度 TN～ TN - 1 / ( ×10 - 6 s) 周期准确度 TN～T0 / ( ×10 - 5 s) 1 6000058 0. 58 2 5999977 - 8. 1 - 0. 23 3 6000017 4. 0 0. 17 4 6000033 1. 6 0. 33 5 6000070 3. 7 0. 70 6 5999983 - 8. 7 - 0. 17 7 5999956 - 2. 7 - 0. 44 8 6000054 9. 8 0. 54 9 5999986 - 6. 8 - 0. 14 10 6000023 3. 7 0. 23 参 考 文 献 [1 ] 　孙克梅 ,腾金玉 ,等. 交流伺服电机的单片机控制及其 应用 [ J ] . 沈阳航空工业学院学报 , 2003 , 20 ( 2 ) : 50252. [2 ] 　王秀华 ,郭光明 ,等. 正交译码接口电路的原理与设计 [J ] . 机电一体化 ,2003 , (5) :62264. [3 ] 　肖本贤 .用单片机是实现的电机速度和位置测量与控 制[J ] . 微电机 ,1996 ,29 (1) :23226. [4 ] 　 Maxim 公司. DS89C430/ DS89C440/ DS89C450 超高 速闪存微控制器技术手册[ M ] . [5 ] 　 Texas Inst ruments. Interfacing the DAC7731 to the MSP430F149. 2002[ M ]. [6 ] 　张磊 ,孙国良. 电机控制卡设计 [J ] . 电子测量技术 , 2005 , (6) :59260. [7 ] 　谢元平 ,罗晖. 正交解码与可逆计数专用芯片 hctl2 2020 及其应用[J ] . 仪表技术 ,2000 , (3) :37239. [8 ] 　 刘丽 ,王翔. 基于 MCS251 单片机的转速测量系统 [J ] . 测量测试技术 ,2007 , (3) :58260. 作 者 简 介 张国斌 ,男 ,1981 年 10 月出生 ,内蒙古工业大学信息 工程学院在读硕士。 E2mail :zhangguobinnly @163. com 尹岗 ,男 ,1958 年出生 ,内蒙古工业大学信息学院硕士 生导师 ,学士 ,高级工程师 ,主要研究方向为微弱信号 处理。 (上接第 94 页) [4 ] 　吴幼芬 ,李曼. 简易晶体管特性图示仪 [J ] . 江汉大学 学报 ,2001 ,6 (18) :47250. [5 ] 　 SMIT H M ,J O HN S. Application Specific Integrated Circuit s. Addison Wesley[ R] . Geneva :W HO ,1998. [6 ] 　关鹏. 单片机控制 DDS 芯片设计可控数字频率源 [J ] . 今日电子 ,2005 , (6) :64269. [7 ] 　 马志兵. 基于 51 单片机的简易晶体管输出特性图示 仪原理与设计 [ J ] . 电子元器件应用 , 2006 , ( 5) : 93295. [8 ] 　林益平. 基于 LCD 的晶体管特性曲线图示仪 [J ] . 电 子测量技术 ,2008 , (2) :1102112. [9 ] 　傅志仁 ,杨衍明 . 基于 PC 机的晶体管特性测试系统[J ] . 核电子学与探测技术 ,1998 , (3) :2122214.作 者 简 介张银胜 ,男 ,1975 年 11 月出生 ,讲师 ,硕士学位 ,研究方向 :电子与通信系统设计、VoIP 等。E2mail :yorkzhang @nuist . edu. cn单慧琳 ,女 ,1981 年 6 月出生 ,讲师 ,研究方向 :遥感信号处理、电子系统设计等。 ·701·