文/張靖輝

當自動化控制系統(tǒng)運行時，交流伺服電機的主要功能是把電壓控制信號轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械位移，然后將接收到的電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡姍C的一定轉(zhuǎn)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(yōu)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(tǒng)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(huán)境下正常運行，適應環(huán)境能力很強。近年來，隨著我國信息技術與高科技的飛速發(fā)展，單片機各方面也得到擴展和進步，被家用電器、電子產(chǎn)品、機械產(chǎn)品等廣泛應用。

伺服電機是一種控制零部件運轉(zhuǎn)的發(fā)動機，是變速裝置的一種。伺服電機可以控制發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，較為精準，利用電壓信號進行控制。伺服電機的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動一個脈沖的角度，從而實現(xiàn)位置的變化，伺服電機本身能夠發(fā)出脈沖，因此，伺服電機每發(fā)生一次位移，都會發(fā)出和位移角度相對應的脈沖，這樣電機接收和發(fā)出的脈沖形成閉環(huán)。

2 總設計方案

圖1：控制系統(tǒng)組成

在本次研究之中，所選用的是松下交流伺服電機，根據(jù)單片機的工作原理來實現(xiàn)對松下伺服交流電機的控制。通過鍵盤輸入詳細的轉(zhuǎn)速參數(shù)，單片機在收到具體的轉(zhuǎn)數(shù)參數(shù)之后，將信號轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號，差動驅(qū)動器把脈沖信號轉(zhuǎn)換為差動脈沖信號后傳輸給伺服電機驅(qū)動器；驅(qū)動器依據(jù)接收的脈沖信號對交流伺服電機進行控制；然后驅(qū)動器在收到編碼器反饋的信號之后，再將反饋的數(shù)據(jù)和目標數(shù)值進行系統(tǒng)對比，之后再對電機轉(zhuǎn)動的角度機型進行調(diào)整，進而實現(xiàn)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(tǒng)組成如圖1所示。

3 硬件設計

在本次研究中，在實現(xiàn)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(tǒng)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(jié)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(qū)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(zhuǎn)速進行控制，

（3）對交流伺服電機的轉(zhuǎn)矩進行控制。在對交流伺服電機的位置進行控制時，驅(qū)動器在收到位置控制指令后，通過電子齒輪分倍頻，和驅(qū)動器接收的反饋信號產(chǎn)生信號偏差，之后形成變速信號，位置偏差與轉(zhuǎn)速信號經(jīng)調(diào)解后，形成轉(zhuǎn)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(nèi)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(jié)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(qū)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(tǒng)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(xiàn)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(fā)送口為P2.6和P2.7。

3.2 差分驅(qū)動器與伺服電機驅(qū)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(qū)動外圍設備，需要在信號輸入控制端需要增設相關的驅(qū)動電路。伺服驅(qū)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(qū)動器。單片機+差動驅(qū)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(tǒng)面板包括按鍵有8個，包括開始暫停、零點標定，以及6個轉(zhuǎn)速設置按鍵。

4.1 零點定位

系統(tǒng)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(zhuǎn)動360°后就會產(chǎn)生1個Z脈沖，即電機每轉(zhuǎn)動一圈編碼器就對應產(chǎn)生1個Z脈沖。

4.2 轉(zhuǎn)速控制

伺服電機的轉(zhuǎn)速控制是依靠定時器來實現(xiàn)的，因此對定時裝置時間常熟的確定是整個系統(tǒng)的一個重要內(nèi)容，現(xiàn)將時間常數(shù)的計算情況進行討論：

電機轉(zhuǎn)速取值n是由脈沖頻率、轉(zhuǎn)子齒數(shù)和拍數(shù)所決定的，脈沖頻率與角速度之間存在正相關關系。驅(qū)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(zhuǎn)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(shù)型升速方式，本次系統(tǒng)采用直線型升速方式。

5 結(jié)果及結(jié)論

通過對系統(tǒng)軟件程序的編程、調(diào)試，控制相關的參數(shù)，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(tǒng)電機轉(zhuǎn)速0～10000r/min內(nèi)運轉(zhuǎn)，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(tǒng)的獨立運行能力較強，定位準確，轉(zhuǎn)臺平穩(wěn)轉(zhuǎn)動，成像像質(zhì)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(tǒng)性能得到最大限度的發(fā)揮，進而有利于低系統(tǒng)的運行成本，提高經(jīng)濟效益。