基于單片機的交流伺服電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)研

　　伺服電機屬于控制電機，它分為直流伺服電機和交流伺服電機兩種。由于交流伺服電機具有體積小，重量輕，大轉(zhuǎn)矩輸出，低慣量和良好的控制性能等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于自動控制系統(tǒng)和自動檢測系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，將控制電信號轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)軸的機械轉(zhuǎn)動。由于伺服電機的定位精度相當(dāng)高，現(xiàn)代位置控制系統(tǒng)已越來越多地采用以交流伺服電機為主要部件的位置控制系統(tǒng)。這里的設(shè)計也正是通過控制繼電器的閉合、斷開，而達(dá)到控制脈寬大小的目的，通過閉環(huán)控制非標(biāo)準(zhǔn)交流伺服電機的滑動磁塊的位移，利用磁場變化達(dá)到控制電機轉(zhuǎn)速的目的。

　　1 交流伺服電機控制系統(tǒng)設(shè)計方案

　　系統(tǒng)使用的交流伺服電機為三相交流電機；驅(qū)動器控制U／V／W三相電形成電磁場；轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時電機由接近傳感器將轉(zhuǎn)速信號反饋給驅(qū)動器；驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。伺服電動機又稱執(zhí)行電動機，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　本項目實質(zhì)上采用STC89C52RC單片機構(gòu)建一個最小系統(tǒng)，實現(xiàn)脈寬可調(diào)輸出控制兩個繼電器，實現(xiàn)電機正反轉(zhuǎn)智能控制，從而實現(xiàn)伺服電機的精確位移控制?？刂葡到y(tǒng)組成如圖1所示。

　　通過按鍵輸入電機所需的轉(zhuǎn)速值并與轉(zhuǎn)速傳感器反饋回來的電機轉(zhuǎn)速相比較，采用PID算法，經(jīng)單片機處理后，轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的脈沖信號，再經(jīng)光電耦合器調(diào)節(jié)繼電器的開度，通過調(diào)節(jié)繼電器的脈沖寬度，達(dá)到脈寬的調(diào)制，從而控制伺服電機上的磁塊正負(fù)位移，使電機達(dá)到給定的轉(zhuǎn)速值，同時單片機接受固定在伺服電機轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)速傳感器隨著電機轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生的反饋脈沖信號，并在LED實時顯示電機的實際轉(zhuǎn)速。

　　2．1 單片機控制器的硬件設(shè)計

　　在此開發(fā)了一套運動控制器的軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)是基于單片機而開發(fā)的，所用功能為外部中斷、定時中斷、檢測傳感器脈沖信號、及輸入／輸出等。STC89C52RC的P0．0，P0．1，P0．2端口分別作為按鍵SET、按鍵MOVE、按鍵UP的輸入口，通過STC89C52定時器T0的定時中斷控制脈沖發(fā)送頻率，進(jìn)而控制電機的轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

　　2．2 驅(qū)動部分電路的硬件設(shè)計

　　由于單片機屬于TTL電路(邏輯1和0的電平分別為2．4 V和0．4 V)，其I／O口輸出的開關(guān)量控制信號電平無法直接驅(qū)動電機，所以在P2．6口控制升速信號輸出端需加入驅(qū)動電路；同理該驅(qū)動電路也應(yīng)用于P2．7口的降速輸出端。系統(tǒng)采用光耦耦合器和晶體管作驅(qū)動，由光電耦合器輸出通道傳入控制電機，所以具有很強的抑制噪聲干擾能力，起隔離作用，可防止強電磁干擾；晶體管主要起功率放大作用。電機驅(qū)動電路如圖3所示。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　控制器的軟件主要完成LED顯示，接受鍵盤輸入，實現(xiàn)伺服電機勻速運行和繼電器控制幾項功能，包括主程序、按鍵中斷服務(wù)程序、定時器T0中斷服務(wù)程序及LED顯示子程序。在交流伺服電機控制系統(tǒng)中，單片機的主要作用是產(chǎn)生脈沖序列，它是通過STC89C52RC的P3．2口發(fā)送的。系統(tǒng)軟件編制采用定時器定時中斷產(chǎn)生周期性脈沖序列，不使用軟件延時，不占用CPU。CPU在非中斷時間內(nèi)可以處理其他事件，惟有到了中斷時間，才驅(qū)動伺服電機轉(zhuǎn)動一步。系統(tǒng)程序流程圖如圖4所示。

　　3．1 按鍵預(yù)置子程序

　　面板上有3個鍵與該子程序相關(guān)，它們是SET，MOVE和UP，其功能分別是：SET用來確定設(shè)定位，共有4位，包括個位、十位、百位和千位；MOVE用來選擇那一位；UP控制被控位的增加，每次增加，在0～9之間循環(huán)。當(dāng)用戶確定其輸入時可按鍵SET，程序便根據(jù)輸入的值確定伺服電機工作時的給定轉(zhuǎn)速，最后，將設(shè)定值存人對應(yīng)的變量中，按鍵子程序流程如圖5所示。

　　3．2 定時中斷服務(wù)子程序

　　電機每轉(zhuǎn)動1圈，單片機就中斷1次。通過檢測兩次中斷的時間間隔，即通過定時器的計數(shù)，就可以算出電機轉(zhuǎn)速。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速檢測需將轉(zhuǎn)速中斷配置為最高中斷優(yōu)先級INTO。中斷計數(shù)的程序框圖如圖6所示。

　　3．3 轉(zhuǎn)速的PID控制算法

　　作為模糊控制和PID控制相結(jié)合的產(chǎn)物，模糊自適應(yīng)PID控制除具有調(diào)速范圍寬，調(diào)節(jié)速度快和不要求掌握受控對象的精確數(shù)學(xué)模型等優(yōu)點外，還具備結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)的特點。根據(jù)直線電機位置運動規(guī)律，模糊自適應(yīng)PID控制的基本思想是：當(dāng)誤差大時，需加大誤差控制作用的權(quán)重，以快速消除誤差，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度；當(dāng)誤差小時，需加大誤差變化量控制作用的權(quán)重，以避免超調(diào)使系統(tǒng)盡快進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。根據(jù)上述規(guī)律，可設(shè)計模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)的模糊推理規(guī)則表。表1給出KP的模糊調(diào)整規(guī)則實例。其中，e(k)和△e(k)分別為位置誤差及其變化量。模糊推理規(guī)則形式為：

　　模糊自適應(yīng)PID控制的原理如圖7所示。

　　模糊PID的參數(shù)調(diào)整值為：

　　式中：j為規(guī)則條件語句的條數(shù)，j=1，2，…，n；ukxy(Cx)為各規(guī)則語句中Kx的隸屬度；Cx為參數(shù)x所取得的模糊子集模糊論域的中心值。

　　在實現(xiàn)了電機轉(zhuǎn)速的實時檢測之后，就可以采用閉環(huán)控制來調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速的控制框圖如圖8所示。其計算如式(2)所示：

　　式中：Nr為由按鍵設(shè)定的轉(zhuǎn)速；N為實際的轉(zhuǎn)速輸出值。PI控制器由STC89C52RC單片機通過編程實現(xiàn)實際轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速之間的控制偏差△N。

　　4 結(jié) 語

　　該系統(tǒng)研究以單片機作為控制器，對非標(biāo)準(zhǔn)交流伺服電機進(jìn)行控制，有效利用單片機內(nèi)部資源以及詳細(xì)了解相應(yīng)電機運動控制系統(tǒng)的運行特性，在生產(chǎn)調(diào)速電機的配套裝置實際應(yīng)用中，降低了系統(tǒng)的成本，提高了系統(tǒng)的性能。