0 引言
在自動控制系統(tǒng)中,交流伺服電機的作用是把控制電壓信號或相位信號變換成機械位移,也就是把接收到的電信號變?yōu)殡姍C的一定轉(zhuǎn)速或角位移,因此可以用單片機實現(xiàn)對電機的數(shù)字控制。
1 系統(tǒng)硬件設計
控制系統(tǒng)組成如圖1 所示。
圖1 控制系統(tǒng)
通過鍵盤輸入速度值,經(jīng)單片機處理后,轉(zhuǎn)化成相應的脈沖信號傳給電機的驅(qū)動器,通過驅(qū)動器驅(qū)動伺服電機按要求動作,同時,單片機接受固定在伺服電機轉(zhuǎn)軸上的光電編碼器隨著電機轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生的反饋脈沖信號,以實現(xiàn)對伺服電機帶動螺桿運行速度的檢測控制。
控制系統(tǒng)采用MCS51 系列單片機A T89C51作為處理器系統(tǒng),時鐘可達12 MHz ,運算速度快,控制功能完善,其內(nèi)部具有128 字節(jié)RAM ,而且內(nèi)部還有4 kB 的EPROM 不需要外擴展存儲器,可使系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)更為簡單、實用。 電機選用的是松下MSMA082A1G 型交流伺服電機, 額定輸出功率750W ,內(nèi)置增量式旋轉(zhuǎn)編碼器,分辨率為10 000。驅(qū)動器選用的是松下MINAS A 系列全數(shù)字式交流伺服驅(qū)動器MSDA083A1A ,適用于小慣量的電機。伺服驅(qū)動器連接器CNI/F(50 腳) 信號作為外部控制信號輸入、輸出,連接器CN SIG(20 腳) 作為伺服電機編碼器的連接線。
伺服電機的控制方式有位置控制、速度控制和轉(zhuǎn)矩控制3 種。 在位置控制方式下,伺服驅(qū)動器接收單片機發(fā)出的位置指令信號(脈沖/方向) ,送入脈沖系列形態(tài),經(jīng)電子齒輪分倍頻后,在偏差可逆計數(shù)器中與反饋脈沖信號比較后形成偏差信號。 反饋脈沖是由光電編碼器檢測到電機實際所產(chǎn)生的脈沖數(shù),經(jīng)4倍頻后產(chǎn)生的。 位置偏差信號經(jīng)位置環(huán)的復合前饋控制器調(diào)節(jié)后,形成速度指令信號。 速度指令信號與速度反饋信號比較后的偏差信號,經(jīng)速度環(huán)比例積分控制器調(diào)節(jié)后,產(chǎn)生電流指令信號,在電流環(huán)中經(jīng)矢量變換,由SPWM 輸出轉(zhuǎn)矩電流,控制交流伺服電機的運行。 位置控制精度由光電編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生的脈沖數(shù)控制。 它分增量式光電編碼器和絕對式光電編碼器。 增量式編碼器構(gòu)造簡單,易于掌握,平均壽命長,分辨率高,實際應用較多。 絕對式光電編碼器按二進制編碼輸出,信號線多,由于精度取決于位數(shù),所以高分辨率不易得到。 但是這種編碼器即使不動時也能輸出絕對角度信息,主要用于全閉環(huán)高級數(shù)控機床中。
系統(tǒng)采用了增量式光電編碼器的伺服驅(qū)動器,它的接線是PUL S1 與單片機輸出脈沖信號相連,PUL S2 接+ 5 V 信號, SIGN1接方向信號,SIGN2接+ 5 V 信號,COM + ,COM-分別接+24V電源正負端。 SRV ON與COM-相連。 這樣,就完成了位置控制模式下的基本連線。
為了實現(xiàn)送粉的平穩(wěn)性和實驗的需要,同時選用位置控制(用于自動) 和速度控制(用于手動) ,兩者可以通過開關自由切換。
1.1 驅(qū)動器有關參數(shù)設置
伺服驅(qū)動器有一系列參數(shù),通過對這些參數(shù)的設置和調(diào)整,可以改變伺服系統(tǒng)的功能和性能。 為了保證系統(tǒng)按照既定的方式運行,需要設置的用戶參數(shù)如下:
Pr02 設定為“3”,即選用2 種控制方式,一種為位置控制,另一種為速度控制。
Pr42 設定為“3” ,即從控制器送給驅(qū)動器的指令脈沖類型選用脈沖/ 符號方式。
Pr46 ,Pr4A ,Pr4B 為指令分倍頻的參數(shù),可實現(xiàn)任意變速比的電子齒輪功能,設定這3 個參數(shù),使得分倍頻后的內(nèi)部指令(F)等于編碼器的分辨率(10 000) ,這3 個參數(shù)的關系如下:
f 選用的是2 500 ,故Pr46 可設定為“10 000" ,Pr4A 設為“1" ,Pr4B 設為“5 000" 。
Pr50 設為“100” ,即采用速度控制方式(用輸入電壓控制電機轉(zhuǎn)速) 時,每輸入1 V 電壓,電機轉(zhuǎn)速為100 r/ min。
1.2 單片機控制器的硬件設計
A T89C51 的P1 口作為4 ×4 矩陣鍵盤輸入口;P0 口和P2 口為液晶顯示模塊接口,液晶顯示模塊選用臺灣南亞公司的液晶顯示模塊LMBGA_032_49CK_ ,該模塊是根據(jù)目前常用的液晶顯示控制器SED1335 的特性設計的,它與A T89C51 的接口電路如圖2 所示;通過A T89C51 的定時器T0 的定時中斷控制脈沖發(fā)送頻率,進而控制電機的轉(zhuǎn)速;P3.0 口作為液晶顯示模塊的軟件復位口, P3.1 口作為電機的脈沖輸入口;另外還有一些開關量的控制。
圖2 AT89C51 單片機與LMBGA_032_49CK模塊的接口電路
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) ,它的I/ O 口輸出的開關量控制信號電平無法直接驅(qū)動電機,所以在P3.1口控制信號輸出端需加入驅(qū)動電路。 系統(tǒng)采用光耦耦合器和三極管S8050 作驅(qū)動,光電耦合器有隔離作用,可防止強電磁干擾,三極管主要起功率放大作用。 電機驅(qū)動電路如圖3 所示。
圖3 電機驅(qū)動電路
2 系統(tǒng)軟件設計
控制器的軟件主要完成液晶顯示、接受鍵盤輸入、伺服電機勻速運行和氣閥控制幾項功能,包括主程序、鍵盤中斷服務程序、定時器T0 中斷服務程序及液晶顯示子程序。 在交流伺服電機控制系統(tǒng)中單片機的主要作用是產(chǎn)生脈沖序列,它是通過89C51的P3.1 口發(fā)送的。 系統(tǒng)軟件編制采用定時器定時中斷產(chǎn)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(nèi)可以處理其它事件,唯有到了中斷時間,驅(qū)動伺服電機轉(zhuǎn)動一步。 因此定時/計數(shù)器裝入的時間常數(shù)的確定是程序的關鍵。 下面重點討論時間常數(shù)的計算。
由于定時/ 計數(shù)器以加1 方式計數(shù),假定計數(shù)值為X ,則應裝入定時/ 計數(shù)器的初值為a= 2n -X , n取決于定時/ 計數(shù)器的工作方式。 每個機器周期(設為T J ) 包括12 個振蕩周期,控制系統(tǒng)的晶振頻率(設為F) 選為12 MHz 。則
系統(tǒng)的控制軟件用的匯編語言,為方便計算,程序中涉及到的數(shù)據(jù)均用16 進制,所以MCU 在接收到式(9) 中的速度輸入值N 之后,通過10 進制轉(zhuǎn)換為2 進制的子程序,將式(9 )中的N 轉(zhuǎn)換為2 進制數(shù),再通過除法子程序和減法子程序, 得到式(9 )中的時間常數(shù)a。
3 結(jié)束語
基于89C51 單片機的交流伺服電機控制系統(tǒng),具有電路簡潔、性能良好、成本低和可靠性高等特點,在激光熔覆自動送粉器中應用取得了良好的效果,可以實現(xiàn)平穩(wěn)送粉,送粉量波動性小、重復性好,其最大波動值不超過4.17 % ,最小波動值可以達到0.09 %。 在0.5 g/ min 以下的低送粉量情況下,重復性仍然很好。
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