0 引言

　　在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，交流伺服電機(jī)的作用是把控制電壓信號(hào)或相位信號(hào)變換成機(jī)械位移，也就是把接收到的電信號(hào)變?yōu)殡姍C(jī)的一定轉(zhuǎn)速或角位移，因此可以用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的數(shù)字控制。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　通過鍵盤輸入速度值，經(jīng)單片機(jī)處理后，轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的脈沖信號(hào)傳給電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器，通過驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)按要求動(dòng)作，同時(shí)，單片機(jī)接受固定在伺服電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的光電編碼器隨著電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生的反饋脈沖信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)帶動(dòng)螺桿運(yùn)行速度的檢測(cè)控制。

　　控制系統(tǒng)采用MCS51 系列單片機(jī)A T89C51作為處理器系統(tǒng)，時(shí)鐘可達(dá)12 MHz ，運(yùn)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(kuò)展存儲(chǔ)器，可使系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)更為簡單、實(shí)用。 電機(jī)選用的是松下MSMA082A1G 型交流伺服電機(jī)， 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(dòng)器選用的是松下MINAS A 系列全數(shù)字式交流伺服驅(qū)動(dòng)器MSDA083A1A ，適用于小慣量的電機(jī)。伺服驅(qū)動(dòng)器連接器CNI/F(50 腳) 信號(hào)作為外部控制信號(hào)輸入、輸出，連接器CN SIG(20 腳) 作為伺服電機(jī)編碼器的連接線。

　　伺服電機(jī)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(dòng)器接收單片機(jī)發(fā)出的位置指令信號(hào)(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(jì)數(shù)器中與反饋脈沖信號(hào)比較后形成偏差信號(hào)。 反饋脈沖是由光電編碼器檢測(cè)到電機(jī)實(shí)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(hào)經(jīng)位置環(huán)的復(fù)合前饋控制器調(diào)節(jié)后，形成速度指令信號(hào)。 速度指令信號(hào)與速度反饋信號(hào)比較后的偏差信號(hào)，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(hào)，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(jī)的運(yùn)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(duì)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(shí)際應(yīng)用較多。 絕對(duì)式光電編碼器按二進(jìn)制編碼輸出，信號(hào)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(dòng)時(shí)也能輸出絕對(duì)角度信息，主要用于全閉環(huán)高級(jí)數(shù)控機(jī)床中。

　　系統(tǒng)采用了增量式光電編碼器的伺服驅(qū)動(dòng)器，它的接線是PUL S1 與單片機(jī)輸出脈沖信號(hào)相連，PUL S2 接+ 5 V 信號(hào)， SIGN1接方向信號(hào)，SIGN2接+ 5 V 信號(hào)，COM + ，COM-分別接+24V電源正負(fù)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(shí)現(xiàn)送粉的平穩(wěn)性和實(shí)驗(yàn)的需要，同時(shí)選用位置控制(用于自動(dòng)) 和速度控制(用于手動(dòng)) ，兩者可以通過開關(guān)自由切換。

　　1.1 驅(qū)動(dòng)器有關(guān)參數(shù)設(shè)置

　　伺服驅(qū)動(dòng)器有一系列參數(shù)，通過對(duì)這些參數(shù)的設(shè)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(yùn)行，需要設(shè)置的用戶參數(shù)如下:

　　Pr02 設(shè)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(shè)定為3 ，即從控制器送給驅(qū)動(dòng)器的指令脈沖類型選用脈沖/ 符號(hào)方式。

　　Pr46 ，Pr4A ，Pr4B 為指令分倍頻的參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)任意變速比的電子齒輪功能，設(shè)定這3 個(gè)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) 。

　　f 選用的是2 500 ，故Pr46 可設(shè)定為10 000" ，Pr4A 設(shè)為1" ，Pr4B 設(shè)為5 000" 。

　　Pr50 設(shè)為100 ，即采用速度控制方式(用輸入電壓控制電機(jī)轉(zhuǎn)速) 時(shí)，每輸入1 V 電壓，電機(jī)轉(zhuǎn)速為100 r/ min。

　　1.2 　單片機(jī)控制器的硬件設(shè)計(jì)

　　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(tái)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(shè)計(jì)的，它與A T89C51 的接口電路，通過A T89C51 的定時(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(jī)的轉(zhuǎn)速;P3.0 口作為液晶顯示模塊的軟件復(fù)位口， P3.1 口作為電機(jī)的脈沖輸入口;另外還有一些開關(guān)量的控制。

　　由于單片機(jī)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(guān)量控制信號(hào)電平無法直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，所以在P3.1口控制信號(hào)輸出端需加入驅(qū)動(dòng)電路。 系統(tǒng)采用光耦耦合器和三極管S8050 作驅(qū)動(dòng)，光電耦合器有隔離作用，可防止強(qiáng)電磁干擾，三極管主要起功率放大作用。 

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　控制器的軟件主要完成液晶顯示、接受鍵盤輸入、伺服電機(jī)勻速運(yùn)行和氣閥控制幾項(xiàng)功能，包括主程序、鍵盤中斷服務(wù)程序、定時(shí)器T0 中斷服務(wù)程序及液晶顯示子程序。 在交流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)中單片機(jī)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(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(nèi)可以處理其它事件，唯有到了中斷時(shí)間，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一步。 因此定時(shí)/計(jì)數(shù)器裝入的時(shí)間常數(shù)的確定是程序的關(guān)鍵。 下面重點(diǎn)討論時(shí)間常數(shù)的計(jì)算。

　　由于定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器以加1 方式計(jì)數(shù)，假定計(jì)數(shù)值為X ，則應(yīng)裝入定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器的初值為a= 2n -X ， n取決于定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器的工作方式。 每個(gè)機(jī)器周期(設(shè)為T J ) 包括12 個(gè)振蕩周期，控制系統(tǒng)的晶振頻率(設(shè)為F) 選為12 MHz 。

　　系統(tǒng)的控制軟件用的匯編語言，為方便計(jì)算，程序中涉及到的數(shù)據(jù)均用16 進(jìn)制，所以MCU 在接收到式(9) 中的速度輸入值N 之后，通過10 進(jìn)制轉(zhuǎn)換為2 進(jìn)制的子程序，將式(9 )中的N 轉(zhuǎn)換為2 進(jìn)制數(shù)，再通過除法子程序和減法子程序， 得到式(9 )中的時(shí)間常數(shù)a。

3 結(jié)束語

　　基于89C51 單片機(jī)的交流伺服電機(jī)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(diǎn)，在激光熔覆自動(dòng)送粉器中應(yīng)用取得了良好的效果，可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)送粉，送粉量波動(dòng)性小、重復(fù)性好，其最大波動(dòng)值不超過4.17 % ，最小波動(dòng)值可以達(dá)到0.09 %。 在0.5 g/ min 以下的低送粉量情況下，重復(fù)性仍然很好。