基于單片機的交流伺服電機轉速控制系統(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，大轉矩輸出，低慣量和良好的控制性能等優(yōu)點，已廣泛應用于自動控制系統(tǒng)和自動檢測系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，將控制電信號轉換為轉軸的機械轉動。由于伺服電機的定位精度相當高，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)。這里的設計也正是通過控制繼電器的閉合、斷開，而達到控制脈寬大小的目的，通過閉環(huán)控制非標準交流伺服電機的滑動磁塊的位移，利用磁場變化達到控制電機轉速的目的。

　　1 交流伺服電機控制系統(tǒng)設計方案

　　系統(tǒng)使用的交流伺服電機為三相交流電機；驅動器控制U／V／W三相電形成電磁場；轉子在此磁場的作用下轉動，同時電機由接近傳感器將轉速信號反饋給驅動器；驅動器根據(jù)反饋值與目標值進行比較，調整轉子轉動的角度。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換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。

　　2 系統(tǒng)硬件設計

　　本項目實質上采用STC89C52RC單片機構建一個最小系統(tǒng)，實現(xiàn)脈寬可調輸出控制兩個繼電器，實現(xiàn)電機正反轉智能控制，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速值并與轉速傳感器反饋回來的電機轉速相比較，采用PID算法，經單片機處理后，轉化成相應的脈沖信號，再經光電耦合器調節(jié)繼電器的開度，通過調節(jié)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，同時單片機接受固定在伺服電機轉軸上的轉速傳感器隨著電機轉動而產生的反饋脈沖信號，并在LED實時顯示電機的實際轉速。

　　2．1 單片機控制器的硬件設計

　　在此開發(fā)了一套運動控制器的軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)的硬件結構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，進而控制電機的轉速。系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

　　2．2 驅動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口輸出的開關量控制信號電平無法直接驅動電機，所以在P2．6口控制升速信號輸出端需加入驅動電路；同理該驅動電路也應用于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。電機驅動電路如圖3所示。

　　3 系統(tǒng)軟件設計

　　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、按鍵中斷服務程序、定時器T0中斷服務程序及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在非中斷時間內可以處理其他事件，惟有到了中斷時間，才驅動伺服電機轉動一步。系統(tǒng)程序流程圖如圖4所示。

　　3．1 按鍵預置子程序

　　面板上有3個鍵與該子程序相關，它們是SET，MOVE和UP，其功能分別是：SET用來確定設定位，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 定時中斷服務子程序

　　電機每轉動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)，就可以算出電機轉速。為了實現(xiàn)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(shù)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控制相結合的產物，模糊自適應PID控制除具有調速范圍寬，調節(jié)速度快和不要求掌握受控對象的精確數(shù)學模型等優(yōu)點外，還具備結構簡單、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PID控制的基本思想是：當誤差大時，需加大誤差控制作用的權重，以快速消除誤差，提高系統(tǒng)響應速度；當誤差小時，需加大誤差變化量控制作用的權重，以避免超調使系統(tǒng)盡快進入穩(wěn)態(tài)。根據(jù)上述規(guī)律，可設計模糊自適應PID控制系統(tǒng)的模糊推理規(guī)則表。表1給出KP的模糊調整規(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PID控制的原理如圖7所示。

　　模糊PID的參數(shù)調整值為：

　　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)了電機轉速的實時檢測之后，就可以采用閉環(huán)控制來調節(jié)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為實際的轉速輸出值。PI控制器由STC89C52RC單片機通過編程實現(xiàn)實際轉速與設定轉速之間的控制偏差△N。

　　4 結 語

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