机电一体化
技
!!!
术
基于单片机的交流伺服电机控制系统
蔡志祥!刘冬生!曾晓雁
!华中科技大学"湖北 武汉
V$%%&V#
P>*5)278IGP),C7 2757,G7/5,744)0=>P6/A4) -.63G723F5),
E-*9=> G>$%&!)*" ’(%& /=4%&!9H;$( 5$%
"DF+E.7/AB/6C),*65>78P-6)/-)+/0:)-./747A>!NF.+/V$%%&V!G.6/+#
I:XKG’!
摘要$介 绍 了 一 种 由
单 片 机 控 制 伺
!!
服电机的系统方案"包括系统硬件设计和软件设计%
该系统在激光熔覆 自 动 送 粉 器 上 得 到 了 成 功 应 用"
能实现对送粉过程的平稳控制%
关键词$单片机%伺服电机%位置控制方式
中图分类号$:U$X$#V"%:9"&$
文献标识码$T
文章编号$!%%! ""’&""%%’#%’ %%"X %$
-./01$20$:.)3+3),3,7C60)*+*-.)2)57-7/L
5,74IG*),C7 2757,F*6/A*6/A4) -.63-723F5),
I:XKG’!!6/-4F06/A.+,0O+,)0)*6A/+/0*785O+,)
0)*6A/#:.)*>*5)26*+3346)06/5.)4+*),-4+006/A
+F578))06/A 37O),* 2+-.6/) *F--)**8F44>!O.6-.
-+/-7/5,748))06/A3,7-)**O)44#
3456(17/$*6/A4) -.63-723F5),%*),C7 27L
57,%37*6567/-7/5,7446/A270)
引言
%!
在自 动 控 制 系 统 中!交 流 伺 服 电 机 的 作 用 是 把
控制电压信号或相 位 信 号 变 换 成 机 械 位 移!也 就 是
把接收到的电信号 变 为 电 机 的 一 定 转 速 或 角 位 移!
因此可以用单片机实现对电机的数字控制&
系统硬件设计
!!
控制系统组成如图
所示&
!
图
!!
控制系统
通过键盘输入速度值!经单片机处理后!转化成
收稿日期$"%%’ %$ !&
)X")
相应的脉冲信号传 给 电 机 的 驱 动 器!通 过 驱 动 器 驱
动伺服电机按要求动作!同时!单片机接受固定在伺
服电机转轴上的光电编码器随着电机转动而产生的
反馈脉冲信号!以实 现 对 伺 服 电 机 带 动 螺 杆 运 行 速
度的检测控制&
的
VMT
Q9(SU
字 节
控制系 统 采 用
系 列 单 片 机
I:XKG’!
UGP’!
!" UDE!运 算 速 度 快!
作为处理器 系 统!时 钟 可 达
(IU!而 且 内
控制功能完善!其 内 部 具 有
!"X
不需要外扩展存储器!可使
部还有
系统整体结构更 为 简 单’实 用& 电 机 选 用 的 是 松 下
型 交 流 伺 服 电 机!额 定 输 出 功 率
!%%%%&
系列全数字式交流
UP;I%X$I!I!适 用 于 小 惯 量 的 电 机&
脚#信 号 作 为 外 部 控
脚#作为伺 服
UPUI%X"I!H
&’% N!内置增 量 式 旋 转 编 码 器!分 辨 率 为
驱动器选用的是松下
伺服驱动器连接器
制信号输入’输出!连接器
电机编码器的连接线&
G[P1H""%
G[1(_"’%
伺服驱动器
U1[IPI
V
$
伺服 电 机 的 控 制 方 式 有 位 置 控 制’速 度 控 制 和
转矩控制
种&在 位 置 控 制 方 式 下!伺 服 驱 动 器 接
收单片机发出的位置指令信号"脉冲(方向#!送入脉
冲系列形态!经电子齿轮分倍频后!在偏差可逆计数
器中与反馈脉冲信号比较后形成偏差信号&反馈脉
冲是由光 电 编 码 器 检 测 到 电 机 实 际 所 产 生 的 脉 冲
数!经
倍频后 产 生 的& 位 置 偏 差 信 号 经 位 置 环 的
复合前馈控制器 调 节 后!形 成 速 度 指 令 信 号& 速 度
指令信号与速度反 馈 信 号 比 较 后 的 偏 差 信 号!经 速
度环比例积分控制器调节后!产生电流指令信号!在
电流环中经矢量 变 换!由
输 出 转 矩 电 流!控
制交流伺服电机的运行&位置控制精度由光电编码
器每转产生的脉冲数控制&它分增量式光电编码器
和绝对式光电编 码 器& 增 量 式 编 码 器 构 造 简 单!易
于掌 握!平 均 寿 命 长!分 辨 率 高!实 际 应 用 较 多& 绝
对式光电编码器按二进制编码输出!信号线多!由于
*机械与电子+"%%’"’#
P9NU
精度取决于位数!所 以 高 分 辨 率 不 易 得 到" 但 是 这
种编码器即使不动 时 也 能 输 出 绝 对 角 度 信 息!主 要
用于全闭环高级数控机床中"
9B
%9,VJe"9,VI&*9,VTc!%%%%
%!&
式中
!!
!;
电机转
!
圈所需的内部指令脉冲数
电机转
!
圈所需指令脉冲数
"’%%!故
9,VJ
可 设 定 为(!%%%%)!
设为(!%%)!即采用速度 控 制 方 式%用 输 入
电 压!电 机 转 速
! ]
电压控制电机转速&时!每 输 入
为
!%%,*26/"
9,VI
;
选用的是
设为(!)!9,VT
9,’%
设为(’%%%)"
图
!!
"!I:XKG’!
单片机与
模块的接口电路
数#再通过除法子程序 和 减 法 子 程 序#得 到 式 ’K(中
的时间常数
I"
结束语
$!
基于
XKG’!
单片机的 交 流 伺 服 电 机 控 制 系 统#
具有电路简 洁!性 能 良 好!成 本 低 和 可 靠 性 高 等 特
点#在激光熔覆自动 送 粉 器 中 应 用 取 得 了 良 好 的 效
果#可以实现平稳送粉#送粉量波动性小!重复性好#
V#!&b#最 小 波 动 值 可 以 达 到
其最大波动值不超过
%g%Kb"在
以 下 的 低 送 粉 量 情 况 下#重
复性仍然很好"
%#’A$26/
参考文献)
%!&!9+/+*7/6-
交 流 伺 服 电 机 驱 动 器
U1[IP I
系 列 使 用
:%
9$#!
程序!键盘中断服务程序!定 时 器
中 断 服 务 程 序
及液晶显示子程序"在交流伺服电机控制系统中单
片机的主要作 用 是 产 生 脉 冲 序 列#它 是 通 过
XKG’!
的
口发送的" 系 统 软 件 编 制 采 用 定 时 器 定 时
中断产生周期性脉冲序列#不使用软件延时#不占用
在非中断时间内可以处理其它事件#唯
G9B"G9B
有到了中断时间#驱 动 伺 服 电 机 转 动 一 步" 因 此 定
时$计 数 器 装 入 的 时 间 常 数 的 确 定 是 程 序 的 关 键"
下面重点讨论时间常数的计算%$&"
!
由于定时$计数器以加
"#则应装入定时$计数 器 的 初 值 为
方式计数#假定计数值
为
I#"%:"#%
取决于定时$计数器的工作方式"每个机器周期’设
为
个 振 荡 周 期#控 制 系 统 的 晶 振 频 率
’设为
&E(包 括
!" UDE"则
!"
!(选为
!"
!
&E#
!"
#
!"e!%J#!"*
定时时间为)
"*&E
应装入定时$计数器的初值为)
I#"%:"#"%:
&
&E
系统 所 设 定 的 电 机 每 转
圈 需 要
冲#设输入转速 为
进入中断输出的脉冲数为)
!
@’,$26/(#则
UGB
A#"’%%@
由于软件中采用
率是输出脉冲频率的
"
G9<
’’(
指令#故进入定时中断频
倍#每秒钟进入中断数为)
"eA
"e"%%%@
"%%@
J%
#
$
#
K#
定时时间为)
J%
&3#
!
K
#
$
"%%@
$
&3
&E
"%%@
!e!%:J#
#
1"#
由于 系 统 的 定 时$计 数 器 的 工 作 方 式 是
$e!%J
"%%@
取
@’,$26/(时#应 装 入 的 时
!#%
!J#故输入的电机 转 速 是
间常数为)
&3
&E
#"!J:
’K(
I#"%:"#"%:
系统的控制软件用的汇编语言#为方便计算#程
在接收
$e!%J
"%%@
UGB
序中涉及到的数据均用
到式’K(中的速度输入值
为
!J
@
"
进制的子程序#将 式 ’K(中 的
*%$*
进制#所以
之后#通过
’"(
%"&!
’$(
%$&!
!
强
说明书%?"%%$#
李维諟#郭
液晶显示应用技 术%U
#
业出版社#"%%%#
张鄂亮#等
华中科技大学出版社#"%%!#
微 型 计 算 机 原 理 与 应 用
#"
#
北 京)电 子 工
版 %U
武 汉)
’V(
个 脉
"’%%
每 分 钟 需 要
作者简介)蔡志祥
!’!KX%Y(#男#江苏盐城 人#华 中 科 技 大 学
激光技术国家重点实验室硕士研 究 生#主 要 从 事 激 光 加 工 自 动 送 粉
系统的科研工作
"
’J(
’&(
’X(
,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,
!上接第
页"
!!
结束语
$!
随着结构优化理论和计算机软硬件的不断发展
和完善#各种优化方 法 正 越 来 越 多 的 应 用 于 工 程 实
践之中"对有限元技术在机械结构优化中的应用探
讨#为雷达结构优化设计提供了一种思路"
技 术 的 两 阶 段 结 构 优 化 设 计 方
北 京)清 华 大 学 出 版
参考文献)
%!&!
%"&!
%$&!
%V&!
#
基 于
GIQ
机械最优化设计%U
#
交通科技#"%%V#’$()V’YV
汪冬生#等
法%W
刘惟信#等
社#!KXJ#
马
迅#等
机械科学与技术#"!’V()’’XY’J!#
!
#
%W
夏元杰
’!()"KY$"#
基 于 有 限 元 法 的 结 构 优 化 与 灵 敏 度 分 析
天 线 结 构 的 优 化 设 计 %W
#
机 械 与 电 子#"%%V#
进制转换
!%
作者简介)张红旗
转 换 为
进 制
"
@
研究所工程师#硕士#研究方向为智能
!’!K&’Y(#男#安徽合肥 人#华 东 电 子 工 程
GI;#虚拟设计和优化技术"
+机械与电子,"%%’’’(