基于单片机的交流伺服电机控制系统

0 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。

1 系统硬件设计

　　控制系统组成如图1 所示。

图1 　控制系统

　　通过键盘输入速度值，经单片机处理后，转化成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。

　　控制系统采用MCS51 系列单片机A T89C51作为处理器系统，时钟可达12 MHz ，运算速度快，控制功能完善，其内部具有128 字节RAM ，而且内部还有4 kB 的EPROM 不需要外扩展存储器，可使系统整体结构更为简单、实用。 电机选用的是松下MSMA082A1G 型交流伺服电机， 额定输出功率750W ，内置增量式旋转编码器，分辨率为10 000。驱动器选用的是松下MINAS A 系列全数字式交流伺服驱动器MSDA083A1A ，适用于小惯量的电机。伺服驱动器连接器CNI/F(50 脚) 信号作为外部控制信号输入、输出，连接器CN SIG(20 脚) 作为伺服电机编码器的连接线。

　　伺服电机的控制方式有位置控制、速度控制和转矩控制3 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4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SPWM 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。

　　系统采用了增量式光电编码器的伺服驱动器，它的接线是PUL S1 与单片机输出脉冲信号相连，PUL S2 接+ 5 V 信号， SIGN1接方向信号，SIGN2接+ 5 V 信号，COM + ，COM-分别接+24V电源正负端。 SRV ON与COM-相连。 这样，就完成了位置控制模式下的基本连线。

　　为了实现送粉的平稳性和实验的需要，同时选用位置控制(用于自动) 和速度控制(用于手动) ，两者可以通过开关自由切换。

　　1.1 驱动器有关参数设置

　　伺服驱动器有一系列参数，通过对这些参数的设置和调整，可以改变伺服系统的功能和性能。 为了保证系统按照既定的方式运行，需要设置的用户参数如下:

　　Pr02 设定为“3”，即选用2 种控制方式，一种为位置控制，另一种为速度控制。

　　Pr42 设定为“3” ，即从控制器送给驱动器的指令脉冲类型选用脉冲/ 符号方式。

　　Pr46 ，Pr4A ，Pr4B 为指令分倍频的参数，可实现任意变速比的电子齿轮功能，设定这3 个参数，使得分倍频后的内部指令(F)等于编码器的分辨率(10 000) ，这3 个参数的关系如下:

　　f 选用的是2 500 ，故Pr46 可设定为“10 000" ，Pr4A 设为“1" ，Pr4B 设为“5 000" 。

　　Pr50 设为“100” ，即采用速度控制方式(用输入电压控制电机转速) 时，每输入1 V 电压，电机转速为100 r/ min。