基于单片机的交流伺服电机控制系统

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

　　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 MHz ，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MSMA082A1G 型交流伺服电机， 额定输出功率750W ，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CNI/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+24V电源正负端。 SRV ON与COM-相连。 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:

　　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) 。

　　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LMBGA_032_49CK_ ，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，它与A T89C51 的接口电路，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;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TTL 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。 

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。

　　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 MHz 。

　　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0.09 %。 在0.5 g/ min 以下的低送粉量情况下，重复性仍然很好。