基于單片機的伺服電機控制系統

文/張靖輝

當自動化控制系統運行時，交流伺服電機的主要功能是把電壓控制信號轉變為機械位移，然后將接收到的電壓信號轉變為電機的一定轉速或者是角位移，所以可利用單片機來對伺服電機的進行控制。交流伺服電機的優點較多，其靈巧輕便、體積小，容易控制，因此，交流伺服電機受到人們的喜愛，廣泛應用在控制系統之中。

1 單片機、伺服電機概述

單片機是一種集成電路芯片，又叫做微型控制器，單片機是將中央處理器、定時器、各類接口都集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機。簡單來說，單片機就相當于一個小型電腦，體積雖小，但是與計算機并無大的差別。單片機的價格低廉，因此將單片機作為小型家電的控制器具有非常高的性價比。單片機的運行是依靠程序進行的，這種程序可人進行修改。單片機與電腦中常用的微型處理器相比構造簡單、更具靈活性、體積較小、便于存放、使用方便，并且能耗很低，可在各種惡劣的環境下正常運行，適應環境能力很強。近年來，隨著我國信息技術與高科技的飛速發展，單片機各方面也得到擴展和進步，被家用電器、電子產品、機械產品等廣泛應用。

伺服電機是一種控制零部件運轉的發動機，是變速裝置的一種。伺服電機可以控制發動機的轉速，較為精準，利用電壓信號進行控制。伺服電機的轉速與輸入信號密切相關。伺服電機主要分為兩大類，即交流電機以及直流電機。伺服一般情況下都是通過脈沖定位，當伺服電機收到一個脈沖后，就會相對應的轉動一個脈沖的角度，從而實現位置的變化，伺服電機本身能夠發出脈沖，因此，伺服電機每發生一次位移，都會發出和位移角度相對應的脈沖，這樣電機接收和發出的脈沖形成閉環。

2 總設計方案

圖1：控制系統組成

在本次研究之中，所選用的是松下交流伺服電機，根據單片機的工作原理來實現對松下伺服交流電機的控制。通過鍵盤輸入詳細的轉速參數，單片機在收到具體的轉數參數之后，將信號轉變為脈沖信號，差動驅動器把脈沖信號轉換為差動脈沖信號后傳輸給伺服電機驅動器；驅動器依據接收的脈沖信號對交流伺服電機進行控制；然后驅動器在收到編碼器反饋的信號之后，再將反饋的數據和目標數值進行系統對比，之后再對電機轉動的角度機型進行調整，進而實現單片及對交流伺服電機的有效控制。為了提升CCD成像的精準度，特別選擇20位的增量式光電編碼器?？刂葡到y組成如圖1所示。

3 硬件設計

在本次研究中，在實現對伺服交流電機控制的過程中，選擇的是STC12C5A60S2型號的單片機作為系統處理器，與此同時，將單片機設定為1T模式，這樣設定可以使其高速運算，整體更為簡便、效率更好。片上集成1280字節RAM，60K flash程序存儲器以及EEPRΟM。在本次研究中，選用的交流伺服電機型號為松下MSMD5AZG1U，它的額定輸出功率時50W，編碼器為20位的增量式光電編碼器。所選擇的驅動器與單片機均為松下品牌。

在本次研究中，單片機主要通過以下三種方式對交流伺服電機進行控制：

（1）對交流伺服電機的位置進行控制，

（2）對交流伺服電機的轉速進行控制，

（3）對交流伺服電機的轉矩進行控制。在對交流伺服電機的位置進行控制時，驅動器在收到位置控制指令后，通過電子齒輪分倍頻，和驅動器接收的反饋信號產生信號偏差，之后形成變速信號，位置偏差與轉速信號經調解后，形成轉矩電流，從而達到控制交流伺服電機的目的。伺服電機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式光電編碼器。在本次研究中，我們所選用的交流伺服電機，其內置編碼器為20位的增量式光電編碼器，這種編碼應用范圍比較廣泛，編碼器的結構建議，容易使人了解，使用時間較長不易損壞，分辨率高。

圖2：單片機與差動驅動器和連接器接口電路圖

3.1 單片機控制器硬件

單片機控制系統的核心零件選用STC12C5A60S2，控制器的硬件應與外部電路相匹配，從而實現對伺服交流電機的控制。單片機的獨立鍵盤輸入口為P3口，液晶模塊控制端口為P0、P1.0、P1.1、P1.2，脈沖信號發送口為P2.6和P2.7。

3.2 差分驅動器與伺服電機驅動器硬件

本次所用的單片機Ι/Ο口輸出開關量可控制信號電平并無直接驅動外圍設備，需要在信號輸入控制端需要增設相關的驅動電路。伺服驅動器連接器的控制信號輸入模式采用差動模式，所有采用SN75174差動驅動器。單片機+差動驅動器+連接器接口電路見圖2。

4 軟件設計

在設計其軟件時，主要有三個關注點：

（1）零點定位；

（2）對交流伺服電機均速運行控制；

（3）對交流伺服電機加速以及減速的控制。

軟件設計主要包含幾大部分，主程序、中止服務程序以及控制交流伺服電機運行速度的程序。系統面板包括按鍵有8個，包括開始暫停、零點標定，以及6個轉速設置按鍵。

4.1 零點定位

系統零點定位判斷原點的決定條件是編碼器Z脈沖信號E2與原點近位信號ΟRG。E2信號為編碼器Z脈沖，一般情況下電機轉動360°后就會產生1個Z脈沖，即電機每轉動一圈編碼器就對應產生1個Z脈沖。

4.2 轉速控制

伺服電機的轉速控制是依靠定時器來實現的，因此對定時裝置時間常熟的確定是整個系統的一個重要內容，現將時間常數的計算情況進行討論：

電機轉速取值n是由脈沖頻率、轉子齒數和拍數所決定的，脈沖頻率與角速度之間存在正相關關系。驅動器電子齒輪比為1000，編碼器分辨率設為F，定時時間設為T，則T=電機轉速×分辨率÷（60×電子齒輪比）=n×F÷（60×1000）；單片機一個機器周期設為Tc，晶振為fl（11.0592MHz），默認的單片機模式為LT模式，所以一個時鐘周期Tc為本次所采用的定時器模式為1，定時時間為1，定時器裝入初始值N，則Tc=定時器定時初值設定公式為T=（65536-N）×Tc。

4.3 升降頻率控制

通常步進電機常用的升降頻率控制有直線型、S型和指數型升速方式，本次系統采用直線型升速方式。

5 結果及結論

通過對系統軟件程序的編程、調試，控制相關的參數，對交流伺服電機進行控制。通過多次實驗、比對，單片機對交流伺服電機的控制情況良好，控制系統電機轉速0～10000r/min內運轉，定位精度0.1°；不僅如此，本次所選用的硬件里，電路比較簡易，程序簡單，系統的獨立運行能力較強，定位準確，轉臺平穩轉動，成像像質較好。由以上論述可知，將單片機作為控制器，對交流伺服電機進行控制，使系統性能得到最大限度的發揮，進而有利于低系統的運行成本，提高經濟效益。