机电一体化
技 术
基于单片机的交流伺服电机控制系统
蔡志祥 ,刘冬生 ,曾晓雁
(华中科技大学 ,湖北 武汉 430074)
System of AC Servo motor Cont rolled by Single chip Computer
CAI Zhi xiang ,LIU Dong sheng , ZENG Xiao yan
( Huazhong University of Science and Technology ,Wuhan 430074 ,China)
摘要 :介绍了一种由 A T89C51 单片机控制伺
服电机的系统
方案
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,包括系统硬件设计和软件设计.
该系统在激光熔覆自动送粉器上得到了成功应用 ,
能实现对送粉过程的平稳控制.
关键词 :单片机 ;伺服电机 ;位置控制方式
中图分类号 : TM383. 42 ; TP273
文献标识码 :B
文章编号 :1001 2257 (2005) 05 0028 03
收稿日期 :2005 03 17
Abstract :The paper p rovides a scheme to con2
t rol AC servo motor using single chip comp uter
A T89C51 ,including hardware design and sof tware
design. The system is applied in t he laser cladding
autofeeding powers machine successf ully , which
can cont rol feeding process well .
Key words :single chip comp uter ; servo mo2
tor ;position cont rolling mode
0 引言
在自动控制系统中 ,交流伺服电机的作用是把
控制电压信号或相位信号变换成机械位移 ,也就是
把接收到的电信号变为电机的一定转速或角位移 ,
因此可以用单片机实现对电机的数字控制.
1 系统硬件设计
控制系统组成如图 1 所示.
图 1 控制系统
通过键盘输入速度值 ,经单片机处理后 ,转化成
相应的脉冲信号传给电机的驱动器 ,通过驱动器驱
动伺服电机按
要求
对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗
动作 ,同时 ,单片机接受固定在伺
服电机转轴上的光电编码器随着电机转动而产生的
反馈脉冲信号 ,以实现对伺服电机带动螺杆运行速
度的检测控制.
控制系统采用 MCS51 系列单片机 A T89C51
作为处理器系统 ,时钟可达 12 M Hz ,运算速度快 ,
控制功能完善 ,其内部具有 128 字节 RAM ,而且内
部还有 4 kB 的 EPROM 不需要外扩展存储器 ,可使
系统整体结构更为简单、实用. 电机选用的是松下
MSMA082A1 G 型交流伺服电机 ,额定输出功率
750 W ,内置增量式旋转编码器 ,分辨率为 10 000.
驱动器选用的是松下 MINAS A 系列全数字式交流
伺服驱动器 MSDA083A1A ,适用于小惯量的电机.
伺服驱动器连接器 CN I/ F (50 脚) 信号作为外部控
制信号输入、输出 ,连接器 CN SIG(20 脚) 作为伺服
电机编码器的连接线.
伺服电机的控制方式有位置控制、速度控制和
转矩控制 3 种. 在位置控制方式下 ,伺服驱动器接收
单片机发出的位置指令信号 (脉冲/ 方向) ,送入脉冲
系列形态 ,经电子齿轮分倍频后 ,在偏差可逆计数器
中与反馈脉冲信号比较后形成偏差信号. 反馈脉冲
是由光电编码器检测到电机实际所产生的脉冲数 ,
经 4 倍频后产生的. 位置偏差信号经位置环的复合
前馈控制器调节后 ,形成速度指令信号. 速度指令信
号与速度反馈信号比较后的偏差信号 ,经速度环比
例积分控制器调节后 ,产生电流指令信号 ,在电流环
中经矢量变换 ,由 SPWM 输出转矩电流 ,控制交流
伺服电机的运行. 位置控制精度由光电编码器每转
产生的脉冲数控制. 它分增量式光电编码器和绝对
式光电编码器. 增量式编码器构造简单 ,易于掌握 ,
平均寿命长 ,分辨率高 ,实际应用较多. 绝对式光电
编码器按二进制编码输出 ,信号线多 ,由于精度取决
·82· 1机械与电子22005 (5)
于位数 ,所以高分辨率不易得到. 但是这种编码器即
使不动时也能输出绝对角度信息 ,主要用于全闭环
高级数控机床中.
系统采用了增量式光电编码器的伺服驱动器 ,
它的接线是 PUL S1 与单片机输出脉冲信号相连 ,
PUL S2 接 + 5 V 信号 , SIGN1 接方向信号 , SIGN2
接 + 5 V 信号 ,COM + ,COM - 分别接 + 24 V 电源
正负端. SRV ON 与 COM - 相连[1 ] . 这样 ,就完成
了位置控制模式下的基本连线.
为了实现送粉的平稳性和实验的需要 ,同时选
用位置控制 (用于自动) 和速度控制 (用于手动) ,两
者可以通过开关自由切换.
1. 1 驱动器有关参数设置
伺服驱动器有一系列参数 ,通过对这些参数的
设置和调整 ,可以改变伺服系统的功能和性能. 为了
保证系统按照既定的方式运行 ,需要设置的用户参
数如下[1 ] :
Pr02 设定为“3" ,即选用 2 种控制方式 ,一种为
位置控制 ,另一种为速度控制.
Pr42 设定为“3" ,即从控制器送给驱动器的指
令脉冲类型选用脉冲/ 符号方式.
Pr46 ,Pr4A ,Pr4B 为指令分倍频的参数 ,可实
现任意变速比的电子齿轮功能 ,设定这 3 个参数 ,使
得分倍频后的内部指令 (F) 等于编码器的分辨率
(10 000 ) ,这 3 个参数的关系如下 :
F = f ×(Pr46 ×2Pr4A ) / Pr4B = 10 000 (1)
式中 F 电机转 1 圈所需的内部指令脉冲数
f 电机转 1 圈所需指令脉冲数
f 选用的是 2 500 ,故 Pr46 可设定为“10 000" ,
Pr4A 设为“1" ,Pr4B 设为“5 000" .
Pr50 设为“100" ,即采用速度控制方式 (用输入
电压控制电机转速) 时 ,每输入 1 V 电压 ,电机转速
为 100 r/ min.
1. 2 单片机控制器的硬件设计
A T89C51 的 P1 口作为 4 ×4 矩阵键盘输入口 ;
P0 口和 P2 口为液晶显示模块接口 ,液晶显示模块
选用台湾南亚公司的液晶显示模块 L MB GA_032_
49C K_ ,该模块是根据目前常用的液晶显示控制器
SED1335 的特性设计的[ 2 ] ,它与 A T89C51 的接口
电路如图 2 所示 ;通过 A T89C51 的定时器 T0 的定
时中断控制脉冲发送频率 ,进而控制电机的转速 ;
图 2 A T89C51 单片机与 L MB GA_032_49CK
模块的接口电路
P3. 0 口作为液晶显示模块的软件复位口 , P3. 1 口
作为电机的脉冲输入口 ;另外还有一些开关量的控
制.
由于单片机属于 T TL 电路 (逻辑“1"和“0"的
电平分别为 2. 4 V 和 0. 4 V) ,它的 I/ O 口输出的开
关量控制信号电平无法直接驱动电机 ,所以在 P3. 1
口控制信号输出端需加入驱动电路. 系统采用光耦
耦合器和三极管 S8050 作驱动 ,光电耦合器有隔离
作用 ,可防止强电磁干扰 ,三极管主要起功率放大作
用. 电机驱动电路如图 3 所示.
图 3 电机驱动电路
2 系统软件设计
控制器的软件主要完成液晶显示、接受键盘输
入、伺服电机匀速运行和气阀控制几项功能 ,包括主
·92·1机械与电子22005 (5)
程序、键盘中断服务程序、定时器 T0 中断服务程序
及液晶显示子程序. 在交流伺服电机控制系统中单
片机的主要作用是产生脉冲序列 ,它是通过 89C51
的 P3. 1 口发送的. 系统软件编制采用定时器定时
中断产生周期性脉冲序列 ,不使用软件延时 ,不占用
CPU . CPU 在非中断时间内可以处理其它事件 ,唯
有到了中断时间 ,驱动伺服电机转动一步. 因此定
时/ 计数器装入的时间常数的确定是程序的关键. 下
面重点讨论时间常数的计算[ 3 ] .
由于定时/ 计数器以加 1 方式计数 ,假定计数值
为 X ,则应装入定时/ 计数器的初值为 a = 2n - X , n
取决于定时/ 计数器的工作方式. 每个机器周期 (设
为 T J ) 包括 12 个振荡周期 ,控制系统的晶振频率
(设为 F) 选为 12 M Hz .则
TJ = 12F =
12
12 ×106 = 1μs (2 )
定时时间为 :
T = X! TJ (3 )
应装入定时 / 计数器的初值为 :
a = 2n - X = 2n - TT J
(4 )
系统所设定的电机每转 1 圈需要 2 500 个脉
冲 ,设输入转速为 N ( r/ min) ,则 MCU 每分钟需要
进入中断输出的脉冲数为 :
M = 2 500 N (5 )
由于软件中采用 CPL 指令 ,故进入定时中断频
率是输出脉冲频率的 2 倍 ,每秒钟进入中断数为 :
Z = 2 ×M60 =
2 ×2 000 N
60 =
200 N
3 (6 )
定时时间为 :
TC = 1Z =
3
200 N (7 )] X = TCT J = 3200 N1 ×10 - 6 = 3 ×106200 N (8 )
由于系统的定时 / 计数器的工作方式是 1 ,n 取
16 ,故输入的电机转速是 N ( r/ min )时 ,应装入的时
间常数为 :
a = 2n - X = 2n - TCT J = 2
16
-
3 ×106
200 N (9 )
系统的控制软件用的汇编语言 ,为方便计算 ,程
序中涉及到的数据均用 16 进制 ,所以 MCU 在接收
到式 (9)中的速度输入值 N 之后 ,通过 10 进制转换
为 2 进制的子程序 ,将式 (9 )中的 N 转换为 2 进制
数 ,再通过除法子程序和减法子程序 ,得到式 (9 )中
的时间常数 a.
3 结束语
基于 89C51 单片机的交流伺服电机控制系统 ,
具有电路简洁、性能良好、成本低和可靠性高等特
点 ,在激光熔覆自动送粉器中应用取得了良好的效
果 ,可以实现平稳送粉 ,送粉量波动性小、重复性好 ,
其最大波动值不超过 4. 17 % ,最小波动值可以达到
0109 %. 在 0. 5 g/ min 以下的低送粉量情况下 ,重复
性仍然很好.
参考文献 :
[1 ] Panasonic 交流伺服电机驱动器 MINAS A 系列使用
说明书[ Z]. 2003.
[2 ] 李维諟 ,郭 强. 液晶显示应用技术 [ M ] . 北京 :电子工
业出版社 ,2000.
[3 ] 张鄂亮 ,等. 微型计算机原理与应用. 2 版 [ M ] . 武汉 :
华中科技大学出版社 ,2001.
作者简介 :蔡志祥 (1980 - ) ,男 ,江苏盐城人 ,华中科技大学
激光技术国家重点
实验室
17025实验室iso17025实验室认可实验室检查项目微生物实验室标识重点实验室计划
硕士研究生 ,主要从事激光加工自动送粉
系统的科研工作.
(上接第 11 页)
3 结束语
随着结构优化理论和计算机软硬件的不断发展
和完善 ,各种优化方法正越来越多的应用于工程实
践之中. 对有限元技术在机械结构优化中的应用探
讨 ,为雷达结构优化设计提供了一种思路.
参考文献 :
[1 ] 汪冬生 ,等. 基于 CA E 技术的两阶段结构优化设计方
法[J ] . 交通科技 ,2004 , (3) :45 - 47.
[2 ] 刘惟信 ,等.机械最优化设计[ M ] . 北京 :清华大学出版
社 ,1986.
[3 ] 马 迅 ,等. 基于有限元法的结构优化与灵敏度分析
[J ] . 机械科学与技术 ,21 (4) :558 - 561.
[4 ] 夏元杰. 天线结构的优化设计 [J ] . 机械与电子 ,2004 ,
(1) :29 - 32.
作者简介 :张红旗 (1975 - ) ,男 ,安徽合肥人 ,华东电子工程
研究所工程师 ,硕士 ,研究方向为智能 CAD ,虚拟设计和优化技术.
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