基于單片機的伺服電機控制系統設計

郴州職業技術學院 張玲玲

當今社會，電動機在工農業生產、人們日常生活中起著十分重要的作用。其中，步進電機是最常見的一種控制電機，在各領域中：如加工中心，打印機、自動化生產線等等場合都可以得到應用。研究伺服電機的控制系統，對提高控制精度和響應速度、節約能源等都具有重要意義。本系統是基于80C51的伺服電機控制系統，在脈沖控制控制作用下控制電機運行于0-3000轉/分鐘，并實現正轉與反轉。

1 引言

在自動控制系統中，伺服電動機作為執行元件，作用是把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。它有直流電機和交流電機之分。其中交流伺服有更廣的適用性。交流伺服系統已成為當代高性能伺服系統的主要發展方向。

本文介紹如何使用C8051F060來控制交流伺服電機，使電機運行于0-3000轉/分鐘的任意轉速。

2 系統設計

圖1所示是伺服電機控制系統，它以C8051F060為核心，同時還有顯示電路、編碼器、編碼器處理電路、RS485通信電路、伺服電機驅動電路、伺服電機。

圖1 伺服電機控制系統圖

3 電路及原理

3.1 主芯片介紹

C8051F060是Silicon Lab公司出品的完全集成的混合信號片上系統型MCU。它使用了Cygnal專利的高速、流水線結構以及與MCS-51指令集完全兼容的CIP251微處理器內核。C8051F060具有P0-P7，共計8個端口，64個可以實際使用的IO。

3.2 LED電路

如圖2所示，系統使用6個LED數碼管顯示伺服電機的轉速，LED數碼管采用MC14489芯片進行驅動，MC14489采用SPI通信方式和CPU進行通信，可以節省IO口的使用。

3.3 編碼器及處理電路

系統采用多個BCD撥碼開關來設置系統運行參數。BCD撥碼開關是十進制輸入，BCD碼輸出，又稱為8421撥碼開關。每位BCD撥碼開關可輸入1位10進制數。每個BCD撥碼開關后面有5個接點，其中C為輸入控制線，另外4根是BCD碼輸出信號線。撥盤撥到不同的位置時，輸入控制線C分別與4根BCD碼輸出線中的某根或某幾根接通。其接通的BCD碼輸出線狀態正好與撥盤指示的10進制數相一致，符合2-10進制編碼關系。

BCD撥碼開關通過如圖3所示電路，讀取開關的設置。

圖3 BCD碼處理電路

BCD_S1-BCD_S8是BCD碼輸出信號線，BCD_1—BCD_6接的是BCD撥碼開關的控制線C，每次P2.0跳變一次，就會選中具體的一個BCD撥碼開關的控制線，再讀取4根信號線上面的值，就可以將BCD撥碼開關設置的值讀取進來。根據設置的值，使電機運行于相應的轉速。

3.4 頻率輸出

現有的伺服電機的控制方式有脈沖控制、模擬信號控制兩種比較常用的控制方式，由于模擬信號控制方式對于速度變化不確定，而且精度很高的場合缺乏靈活性。故通常采用脈沖控制的方式。

PWM信號的產生有許多種方式，比較常用的有模擬電路、單片機I／O端口的輸出及單片機PWM部件的輸出。

本設計中采用C8051F020單片機內部的捕捉/比較寄存器來產生PWM信號。如下：啟動PCA時鐘計數器PCA0進行加1計數，當PCA0計數值與PCA0CPn相等時，CEXn引腳為輸出高電平，當PCA溢出時。CEXn引腳輸出低電平。因此改變PCA0CPn的值，可以輸出占空比可變的波形。（黃慧,等.基于C8051F020的PWM輸出頻率分析[J].數據采集與處理,2009,10）

圖2 LED顯示電路

本設計采用16位PWM輸出，能受到高分辨率控制；允許CF以及CFFn中斷；占空比為1／2，比較／捕捉寄存器初值經過計算為0x8000。PCA初始化程序如下：

4 小結

本文介紹了通過使用C8051F060單片機產生的脈沖信號來控制伺服電機，具有成本低，控制靈活等特點。可以應用于各種場合。