基于單片機的交流伺服電機轉速控制系統研

　　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，大轉矩輸出，低慣量和良好的控制性能等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應用于自動(dòng)控制系統和自動(dòng)檢測系統中作為執行元件，將控制電信號轉換為轉軸的機械轉動(dòng)。由于伺服電機的定位精度相當高，現代位置控制系統已越來(lái)越多地采用以交流伺服電機為主要部件的位置控制系統。這里的設計也正是通過(guò)控制繼電器的閉合、斷開(kāi)，而達到控制脈寬大小的目的，通過(guò)閉環(huán)控制非標準交流伺服電機的滑動(dòng)磁塊的位移，利用磁場(chǎng)變化達到控制電機轉速的目的。

　　1 交流伺服電機控制系統設計方案

　　系統使用的交流伺服電機為三相交流電機；驅動(dòng)器控制U／V／W三相電形成電磁場(chǎng)；轉子在此磁場(chǎng)的作用下轉動(dòng)，同時(shí)電機由接近傳感器將轉速信號反饋給驅動(dòng)器；驅動(dòng)器根據反饋值與目標值進(jìn)行比較，調整轉子轉動(dòng)的角度。伺服電動(dòng)機又稱(chēng)執行電動(dòng)機，在自動(dòng)控制系統中，用作執行元件，把所收到的電信號轉換成電動(dòng)機軸上的角位移或角速度輸出。

　　2 系統硬件設計

　　本項目實(shí)質(zhì)上采用STC89C52RC單片機構建一個(gè)最小系統，實(shí)現脈寬可調輸出控制兩個(gè)繼電器，實(shí)現電機正反轉智能控制，從而實(shí)現伺服電機的精確位移控制?？刂葡到y組成如圖1所示。

　　通過(guò)按鍵輸入電機所需的轉速值并與轉速傳感器反饋回來(lái)的電機轉速相比較，采用PID算法，經(jīng)單片機處理后，轉化成相應的脈沖信號，再經(jīng)光電耦合器調節繼電器的開(kāi)度，通過(guò)調節繼電器的脈沖寬度，達到脈寬的調制，從而控制伺服電機上的磁塊正負位移，使電機達到給定的轉速值，同時(shí)單片機接受固定在伺服電機轉軸上的轉速傳感器隨著(zhù)電機轉動(dòng)而產(chǎn)生的反饋脈沖信號，并在LED實(shí)時(shí)顯示電機的實(shí)際轉速。

　　2．1 單片機控制器的硬件設計

　　在此開(kāi)發(fā)了一套運動(dòng)控制器的軟件系統。該系統的硬件結構是基于單片機而開(kāi)發(fā)的，所用功能為外部中斷、定時(shí)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(guò)STC89C52定時(shí)器T0的定時(shí)中斷控制脈沖發(fā)送頻率，進(jìn)而控制電機的轉速。系統原理圖如圖2所示。

　　2．2 驅動(dòng)部分電路的硬件設計

　　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(kāi)關(guān)量控制信號電平無(wú)法直接驅動(dòng)電機，所以在P2．6口控制升速信號輸出端需加入驅動(dòng)電路；同理該驅動(dòng)電路也應用于P2．7口的降速輸出端。系統采用光耦耦合器和晶體管作驅動(dòng)，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。電機驅動(dòng)電路如圖3所示。

　　3 系統軟件設計

　　控制器的軟件主要完成LED顯示，接受鍵盤(pán)輸入，實(shí)現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(shí)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中，單片機的主要作用是產(chǎn)生脈沖序列，它是通過(guò)STC89C52RC的P3．2口發(fā)送的。系統軟件編制采用定時(shí)器定時(shí)中斷產(chǎn)生周期性脈沖序列，不使用軟件延時(shí)，不占用CPU。CPU在非中斷時(shí)間內可以處理其他事件，惟有到了中斷時(shí)間，才驅動(dòng)伺服電機轉動(dòng)一步。系統程序流程圖如圖4所示。

　　3．1 按鍵預置子程序

　　面板上有3個(gè)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(lái)確定設定位，共有4位，包括個(gè)位、十位、百位和千位；MOVE用來(lái)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)。當用戶(hù)確定其輸入時(shí)可按鍵SET，程序便根據輸入的值確定伺服電機工作時(shí)的給定轉速，最后，將設定值存人對應的變量中，按鍵子程序流程如圖5所示。

　　3．2 定時(shí)中斷服務(wù)子程序

　　電機每轉動(dòng)1圈，單片機就中斷1次。通過(guò)檢測兩次中斷的時(shí)間間隔，即通過(guò)定時(shí)器的計數，就可以算出電機轉速。為了實(shí)現轉速檢測需將轉速中斷配置為最高中斷優(yōu)先級INTO。中斷計數的程序框圖如圖6所示。

　　3．3 轉速的PID控制算法

　　作為模糊控制和PID控制相結合的產(chǎn)物，模糊自適應PID控制除具有調速范圍寬，調節速度快和不要求掌握受控對象的精確數學(xué)模型等優(yōu)點(diǎn)外，還具備結構簡(jiǎn)單、容易實(shí)現的特點(diǎn)。根據直線(xiàn)電機位置運動(dòng)規律，模糊自適應PID控制的基本思想是：當誤差大時(shí)，需加大誤差控制作用的權重，以快速消除誤差，提高系統響應速度；當誤差小時(shí)，需加大誤差變化量控制作用的權重，以避免超調使系統盡快進(jìn)入穩態(tài)。根據上述規律，可設計模糊自適應PID控制系統的模糊推理規則表。表1給出KP的模糊調整規則實(shí)例。其中，e(k)和△e(k)分別為位置誤差及其變化量。模糊推理規則形式為：

　　模糊自適應PID控制的原理如圖7所示。

　　模糊PID的參數調整值為：

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

　　在實(shí)現了電機轉速的實(shí)時(shí)檢測之后，就可以采用閉環(huán)控制來(lái)調節電機的轉速。轉速的控制框圖如圖8所示。其計算如式(2)所示：

　　式中：Nr為由按鍵設定的轉速；N為實(shí)際的轉速輸出值。PI控制器由STC89C52RC單片機通過(guò)編程實(shí)現實(shí)際轉速與設定轉速之間的控制偏差△N。

　　4 結 語(yǔ)

　　該系統研究以單片機作為控制器，對非標準交流伺服電機進(jìn)行控制，有效利用單片機內部資源以及詳細了解相應電機運動(dòng)控制系統的運行特性，在生產(chǎn)調速電機的配套裝置實(shí)際應用中，降低了系統的成本，提高了系統的性能。