基于单片机的松下A4交流伺服电机控制器设计

基于单片机的松下A4交流伺服电机控制器设计 ------------------------------------------------------------------------------------------------ 基于单片机的松下A4交流伺服电机控制器设计 北方民族大学 学士学位论文 论文题目: 院(部)名 称: 电 气 信 息 工 程 学 院 学 生 姓 名: 陈文攀 专 业: 电子信息工程 学 号: 20100336 指导教师姓名: 王叔洋 论文提交时间: 2014年5月19日 论文答辩时间: 2014年5月25日 学位授予时间: 北方民族大学教务处制 摘要 在当代社会中，电动机是生产工业中不可或缺的机电能量转换装置，应用范围相当广泛，遍及各个领域。无论是在日常生活的家用电器和消费电子产品中，还是在工农业生产、国家安全防护、社会医疗、交通物流和办公设备中，都经常会和电动机打交道，工业地位十分明显。电动机调节速度的控制通常采用模拟法，平常的应用产品种，涉及到的电动机控制都比较简单。本文设计内容也主要是对电动机进行简单控制，也就是控制电机的启动与制动、加减速、正向与逆向转动。 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 本文的工作是模拟仿真一个松下A4系列的交流伺服电机的控制 器，用于与松下A4系列交流伺服电机驱动器通信，并进行精确的位 移控制、电机的启停、加减速、正向与逆向转动。设计中采用单片机 at89c52与PC串行来实现通信的功能，采用的转换电平芯片为 MAX232。 设计中采用变频的脉冲来控制电机的速度，精确控制脉冲的个数 实现位移控制，单片机的IO口控制电机的启停、读取告警信息等。 系统实现了在线调节速度、正向转动、逆向转动、加减速、制动，告 警等多种功能，具有一定的实际应用价值。 关键词:伺服电机 单片机 I ABSTRACT In contemporary society , the motor is an integral part of the production of industrial electromechanical energy conversion device , a wide range of applications , covering various fields. Whether it is in everyday life home appliances and consumer electronics products , or in industrial and agricultural production , national security, social health , transport and logistics and office equipment , and electric motors are often dealing industry position is very clear . Adjust the speed of the motor control method commonly used simulation method , the usual kinds of applications involving motor control are relatively simple. In this paper, the content is mainly designed for simple motor control , motor —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ control is starting and braking , acceleration and deceleration , the forward and reverse rotation . Work of this paper is a simulation Panasonic A4 series AC servo motor controller for communication with the Panasonic A4 series AC servo motor drives and precise shift control, motor start and stop , acceleration and deceleration , the forward and reverse rotation . Design using microcontroller at89c52 with PC serial communications functions to achieve the conversion level chip is MAX232. Pulse frequency used in the design to control the speed of the motor , the number of pulses to achieve precise control of displacement control , microcontroller IO port to control the motor start and stop, read alarm information. Online adjust the speed of the system to achieve a forward rotation , reverse rotation , acceleration, braking , alarm and other functions, has some practical value. Keywords : servo motor microcontroller II 目录 第一章 绪 论.......................................................................................................... 1 1.1 课题研究的目的和意 义......................................................................... 1 1.2.松下伺服交流电机的优 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 势...................................................................... 1 1.3 伺服交流电机的控制方式的选 择......................................................... 2 第二章 交流伺服电机控制的整体方 案.............................................................. 5 2.1 松下A4驱动器接口分 析 ...................................................................... 5 2.1.1 差分专用电路接 口...................................................................... 5 2.1.2指令脉冲输入形 式....................................................................... 6 2.2 单片机控制交流伺服电机整体控制 图................................................. 7 2.3电机转动中的设 计.......................................................................... 7 2.3.1 单片机控制设 计.......................................................................... 7 2.3.2 电机转动控制算 法...................................................................... 8 第三章 硬件设 计.................................................................................................. 9 3.1微处理器单元模块设 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 计.......................................................................... 9 3.2 电机驱动模块设 计............................................................................... 10 3.3电机控制接口电 路................................................................................ 11 3.4电机状态获取接口电 路........................................................................ 12 3.5驱动参数设置单 元................................................................................ 13 第四章 运动控制算 法........................................................................................ 15 4.1插补算 法................................................................................................ 15 4.1.1插补的作用................................................................................. 15 4.1.2插补周期的选择......................................................................... 16 4.2加减速处 理............................................................................................ 17 4.3软件流 程................................................................................................ 20 第五章 仿真调 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 试................................................................................................ 24 III 5.1 电路 图................................................................................................... 24 5.2 仿真调 试............................................................................................... 24 5.3 仿真结 果............................................................................................... 25 第六章 结束 语.................................................................................................... 26 致 谢...................................................................................................................... 27 参考文 献.............................................................................................................. 28 附录1 源程序代 码............................................................................................. 29 附录2 外文文 献................................................................................................. 39 附录3 中文翻 译................................................................................................. 47 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ IV 北方民族大学学士学位论文 基于单片机的松下A4交流伺服电机的控制设计 第一章 绪论 1.1 课题研究的目的和意义 随着社会经济的发展，科技的应用水涨船高，20世纪80年代开始，集成电路、电力电子技术以及交流可变速驱动技术有了很大的提升，对交流伺服驱动技术的发展起了很大的作用，世界各电器厂商不断推出了不同的伺服驱动器系列产品，随着应用的过程中出现的缺陷逐渐被弥补，交流伺服系统已然成为了现代高性能伺服系统的发展趋势，相应的直流伺服系统也必将会被淘汰。1990年后，交流伺服电机的发展又提升了很大的水平，采用的是全数字控制的正弦波伺服驱动。在传动领域，交流伺服驱动装置的发展蒸蒸日上。 交流伺服驱动控制系统乃是国际上崛起的高性能产品，随着各厂商之间产品的相互竞争，优点不断地被发掘，缺陷也不断地被弥补，良好的性能特性越来越明显。面对不同的应用环境，生产过程中依然面临着一些阻碍因素，考虑到伺服系统在传动工业的普遍应用，因此研究颇具必要性。 1.2.松下伺服交流电机的优势 松下伺服交流电机相对于其他直流电机、交流电机、步进电机等在工业应用上更与优势，在电机运行过程中，着重于细节方面，主要在以下几点上表现得尤为突出: —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ (1)在精度上实现了位置位移改变、调节速度大小和力矩的闭环控制的功能，弥补了步进电机失步的缺陷; (2)在转速方面，高速性能有了很大的提升，一般情况下，其额定转速通过检测可以达到2000,3000转/周期; 1 北方民族大学学士学位论文 基于单片机的松下A4交流伺服电机的控制设计 (3)同时该电机可以承受三倍于额定转矩的负载，抗过载的能力相对其他电机十分突出，对于要求快速启动和制动以及由瞬间负载波动的场合适用性很强; (4)另外电机通过加减速达到规定速度所耗费的时间比较短，一般在几十毫秒之内，反应非常及时，及时性这一点上优势明显; (5)舒适性方面，发热和产生噪音相比其他电机有明显降低。 1.3 伺服交流电机的控制方式的选择 对于如何实现对伺服交流电机的控制，本文有两种方案，或者使用PLC控制或者使用单片机控制。 用PLC来控制伺服交流电机，则需要专门的芯片实现专门的功能。对于电机在转动过程中可能面对的一些位置改变，速度调节，数据的计算等问题，就需要芯片有专门的计算方法，一般需要提前将计算方法提前固化在芯片内，例如针对电机轴的插补法等。芯片在整个系统中的作用相当于人体的大脑，需要不断的处理各种任务，发出各种指令，对芯片的要求比较高。但从本文的具体控制对象和操作来看，以—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ PLC作为交流伺服系统的控制核心，仍然有几点不适合 (1)相对简单，控制也很容易，但处理复杂的任务时有点力不从心。PLC通常用作工业控制设备，控制着通用工业中的产品生产。它处理数据的方式和继电器相似，操作起来比较容易，就算不懂计算机，没学过电工电子的人也能操作自如，但控制复杂繁琐的伺服交流电机就不合适了 (2)系统的设计和建造起来相对简便。PLC相比原来的界限逻辑，大大的缩减了系统设计和建造需要的周期，简化了接线线路，整个控制系统简洁明了，便于操作，并且PLC采用的是存储逻辑，这大大的简化了控制系统从设计到维护的复杂程度。 2 北方民族大学学士学位论文 基于单片机的松下A4交流伺服电机的控制设计 (3)有效地控制流水线的自动化动作。在国内外，无论是期刊印刷办公文具、流水加工制作、生产包装、食品检测、化工等方面的产品生产，还是信息处理、农业生产、物流运输、机械制造、纺织工业、环境保护等行业，都广泛应用有PLC。然而对于转动速度不固定，运动复杂的交流伺服系统，如若使用PLC这种控制方式就会心有余而力不足。 PLC运动控制系统在运行的过程中，对控制系统的主机的处理数据运算的能力并不是太苛刻。但是由于计算系统运动数据的算法事先就被固化在控制器上，使用时系统局限性大，不方便拓展，对于一些—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 更高级的需求不能满足。所以存在前期投入大，控制距离小以及无法进行动态调试等缺陷。 因为市场上的交流电机普遍带有驱动器，例如松下旗下的A4系列、信捷Xc3系列，交流伺服系统的控制采用单片机来实现，在使用过程中运用到单片机的灵活性大、拓展性强等特点，能大大的提升系统的运行效率。本课题的主要任务是设计一个交流伺服电机的控制器，在该控制下能实现交流伺服电机的正向和逆向转动、调节转轴的速度大小及其加减速、能发出精确的位移控制信号以及电机告警等功能。 单片机的功能特点: (1)一块芯片上集成了各个功能部件，使之体积大大减小，功能集中，操作简便，实在是工业生产中的控制法案首选; (2)可靠性很高，固化在可读内存(ROM)中的程序、数据等安全不易丢失，另外为了通信方便，芯片内有许多信号通道，故可靠性高; (3)专门性强，因为其具有位处理能力和分支转移能力，另外I/O口的逻辑操作适用于特定的控制系统，所以用来控制专门的系统; (4)无论是用来拓展的总线、用来并行或串行的输入与输出串口，还是用来计算处理信息的部件，芯片上面一应俱全，可以构成不同规模，不同配置的计算机控制系统，拓展性很强; (5)成本低廉，生产程序简便; 3 北方民族大学学士学位论文 基于单片机的松下A4交流伺服电—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 机的控制设计 本文主要工作一是电机控制方案，二是硬件的设计，三是电机运动以及软件调试，四是交流伺服系统控制方案效果的检测。构建一种设和交流伺服系统的软硬件平台，满足松下A4系列电机的伺服驱动特性。使之无论是安全可靠性、实时精确定位，还是拓展性这些特点，都能很好的在交流电机的控制中实现。 结合PLC和单片机的上述功能特点，顾本课题采用单片机的控制方式来控制伺服交流系统。在实际工业运用中，利用单片机集成度高，体积小的特点可以方便控制电机的转动，位移，速度等功能，亦能简化电机内部构造，缩小体积，简化生产工艺和节约生产成本。 4 北方民族大学学士学位论文 基于单片机的松下A4交流伺服电机的控制设计 第二章 交流伺服电机控制的整体方案 2.1 松下A4驱动器接口 2.1.1 差分专用电路接口 根据指令脉冲的情况可以选择差分专用电路接口，其功能特性如表2-1所示 表2-1差分电路接口功能特性 5 北方民族大学学士学位论文 基于单片机的松下A4交流伺服电机的控制设计 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 下图2-1为差分电路专用的脉冲串接口: 图2-1 差分电路专用的脉冲串接口 2.1.2指令脉冲输入形式 指令脉冲输入形式如下表2-2 表2-2 指令脉冲输入形式 6 北方民族大学学士学位论文 基于单片机的松下A4交流伺服电机的控制设计 2.2 单片机控制交流伺服电机整体控制图 单片机控制的交流伺服电机如果应用在生产实践中，其性能会对工业生产的产品质量有很大的影响，更甚会发生安全事故，所以如何提高该电机的安全性能和运行效率是非常重要的，因此安全性、高效性、整体性、精确性是改交流伺服电机的设计目标。基于上述目标，顾设计交流伺服电机在单片机控制下的整体框图，如下图2-2所示: 图2-2 整体框图 图中Rs232串口用于电平转换，便于单片机与外设端口的连接，例如，示波器，信号发生器等外设连接装置。I/O控制口用于电机控制和状态读取。在电源供电下，外设端发出的脉冲经单片机转换成脉冲信号，进而控制驱动器，驱动器进一步控制着电机的位移、速度、正反转等功能，同时电机发出的机械故障、告警等信号也会由驱动器传输给单片机，可以对电机的运行状态及故障较为方便的了解。 2.3电机转动方案中的设计 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 2.3.1 单片机控制设计 结合本专业所学知识，所以选择AT89c52单片机作为本设计的控制核心。 7 北方民族大学学士学位论文 基于单片机的松下A4交流伺服电机的控制设计 该芯片的主要特点是低电压，高性能，定时、中断功能明显，另外其运行速度快，时钟频率高。其内部具有三级加密的程序存储器，稳定性能优越。芯片内有通用的8位微型处理器，并且和MCS-51指令系统的兼容性很好。同时，AT89c52可以串行多种时钟源，全静态操作下，最高可以达到24MHZ，功能相当强大。所以完全可以作为伺服交流电机控制时间的控制器。具体的控制器主要分为以下几个模块: (1)接口电路:该芯片本身具有的总线接口能很好地和外端设备进行信号连接，包括pc机和驱动机之间的通信连接，主要包括接收脉冲等信号、发送给驱动器信号包。 (2)数字量的输入与输出:芯片内置有32个可编程的I/O口线，无论是和外部设备还是和存储器的连接、中断、缓冲，都需要通过这些口线来进行数据交换。32个I/O口线足以满足该控制器的信号输入输出需求。 (3)控制脉冲信号输出电路:利用一对差分信号来控制电机的各项功能指标，例如位移，速度，加减速等。在设计接口时，使用长的驱动电路，可以提高信号质量。相比传统的集电极开路驱动电路，—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 长线驱动电路更抗干扰，在电机的强电磁干扰，传输过程几乎可以不受影响。 (4)可编程定时器:该芯片中内置的定时器2编程后可以输出一个占空比为50%的时钟信号。当时钟脉冲振荡频率变化时，输出的时钟频率相应的会变化。 2.3.2 电机转动控制算法 在控制电机的转动过程中需要利用到精插补的算法。芯片发给驱动器的信号在电机转动的过程中，因为环境因素的影响，可能会发生较小的误差。为了电机转动的精确性，利用插补法可以弥补出现的误差。插补法主要应用于电机轴，通过精确控制电机轴来控制电机的精确性。一般的插补法有直线插补法和圆弧插补法。 另外还要考虑到电机在特有的运行环境中的因素限制，在电机的启动和停止瞬间，考虑到电机的承受力，需要对电机转动的加减速有一个缓冲阶段，进而保护电机。 8 北方民族大学学士学位论文 基于单片机的松下A4交流伺服电机的控制设计 第三章 硬件设计 3.1微处理器单元模块设计 本系统采用的是ATMEL公司生产的8位通用微处理器AT89c52，低电压、高性能。其主要特性体现如下: —兼容MCS51指令系统 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ —8kB可反复擦写(大于1000次)Flash ROM; —32个双向I/O口; —256x8bit内部RAM; —可以用来编程的16位定时器/计数器中断有3个; —时钟频率0-24MHz; —有2个可以编程UART串行通道的串行中断; —总共8个中断源，其中包含外部中断源2个; —2个具有3级加密位功能的读写中断口线; —低消耗，软件有睡眠功能，亦可以唤醒; 特殊功能: —在该内存储器中，80H—FFH是特殊的功能寄存器(SFR); —除了有AT89C51所有的定时/计数器0 和定时/计数器1 外，还增加了一个定时/计数器2。 定时器2: —由两个8位寄存器TH2和TL2组成; —一个16位定时/计数器; —中断入口地址是:002BH ——0032H; 中断向量: —两个外中断(INTO和NT1); 9 北方民族大学学士学位论文 基于单片机的松下A4交流伺服电机的控制设计 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ —3个定时器中断(定时器0、1、2); —串行口中断。 3.2 电机驱动模块设计 在设计电机驱动模块硬件接口时，如何调节电机的转速都是通过控制脉冲的频率来决定的。脉冲频率变化的越精确，就可以越精确的控制电机的转速。指令脉冲接口电路如图3-1所示。通过AM26LS31的长线驱动控制方式可以构建指令脉冲的输入电路。并且构建成的这个的电路可以输出更加稳定的方波波形，也可以避免其他因素的干扰，更加准确的控制电机信号。另外，信号的质量越好，系统的越抗干扰。 图3-1 电机驱动模块单元电路 10 北方民族大学学士学位论文 基于单片机的松下A4交流伺服电机的控制设计 3.3电机控制接口电路 如下面两图所示，图3-2是松下电机手册上的集电极开路电路，图3-1是本文设计的集电极开路设计。 图3-1 本文设计的集电极开路设计 11 北方民族大学学士学位论文 基于单片机的松下A4交流伺服电机的控制设计 图3-2 松下电机集电极开路电路 3.4电机状态获取接口电路 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 如下图3-3所示，此图是松下A4交流伺服电机手册上的电路图 图3-3 松下A4交流伺服电机手册上的电路图 12 北方民族大学学士学位论文 基于单片机的松下A4交流伺服电机的控制设计 结合松下电机的手册上的电路图，本文设计的电路图如下图3-4所示，图中statrdy表示伺服准备好，当控制电源接通，且没有报警发生时，此输出晶体管导通;stasval,表示伺服报警，当报警状态发生时，此输出晶体管关断;statcoin表示定位完成，这个引脚的功能取决于不同的控制模式，主要分为位置和全闭环控制。 图3-4 本文设计电路图 3.5驱动参数设置单元 对应的参数设置不同的数值时，其功能作用也大不相同，下面列出几个主要的参数来分析 Pr02=3时，当c-mode与com-断开时，表示的是位置控制; Pr24=0时，暂时没有使能。如果使能，要通过2B、2C来选择; Pr40=1时，指令脉冲输入选择; Pr41=0和Pr42=3时，采用指令脉冲和指令方向的选择; Pr43=1时，表示禁止指令脉冲输入inh.参数设为1是将该功能屏蔽; 13 北方民族大学学士学位论文 基于单片机的松下A4交流伺服电—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 机的控制设计 针对Pr48或Pr49或Pr4B这三个参数，给出下列的功能与含义: 用来对指令脉冲的频率进行分频或倍频设置。分倍频比率计算如下面的公式: (1)如果分子(Pr48或Pr49)=0，则实际分子计算值等于编码器分辨率，Pr4B即可设为电机每转一圈所需的指令脉冲数。 (2)如果分子(Pr48或Pr49)不等于0，那么分倍频率比根据上式计算。而每转所需指令脉冲数的计算如下式: 每转所需指令脉冲数?编码器分辨率*分倍频分子(Pr48或Pr49)*2Pr4A指令脉冲分倍频Pr4BPr4B Pr48(或Pr49)*2Pr4A 14 北方民族大学学士学位论文 基于单片机的松下A4交流伺服电机的控制设计 第四章 运动控制算法 控制器实际上是通过调节连续脉冲方波的频率来实现对伺服电机的控制的。以本文中的伺服电机MHMAD022P1U为例，其旋转编码器为2500P/r，即电机转动一周需要输入2500个脉冲伺服。倘若能够生成可控变频脉冲，就可以对电机的转速进行精确的控制，继而可以更加精准的控制伺服电机。 本方案中控制交流伺服电机转动的核心芯片AT89c52，驱动脉冲的发送是利用计数器产生中断来实现的。 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 4.1插补算法 4.1.1插补的作用 为了实现伺服交流电机的空间定位以及位移改变的精确性,所以运动控制器在相应的时候需要插补进去对应的操作。插补的过程采用的是时间分割法。它是通过将一段直线或圆孤的整段时间等分为许多相同的时间间隔，这一个间隔称为插补周期。 伺服电机轴的位置改变，电机速度的改变，电机运行安全等强实时性工作都是由运动控制器完成的。最为精确的插补方法是直线(LINEAR)插补，并且处理起来也是十分的简单，通常只需要考虑的是起点、终点以及速度和加速度的限制条件。插补时采用的通常是时间分割法，设定一个固定的插补周期，例如100ms 或者 200ms，在对应的时刻进行插补。 选择插补周期的时候，要注意不能大于实际机构的物理参量，通常这个周期值不能大于 200ms。插补过程中，周期越短，机器运动时轨迹就会越光滑，可以达到更高的进给率;同样需要注意的是:过低的插补周期，会增加控制器的计算量和通讯负载，不能达到预期的效果，也可能会因为一小部分的指令不断被执行，而产生意外的高频振动。 15 北方民族大学学士学位论文 基于单片机的松下A4交流伺服电机的控制设计 4.1.2插补周期的选择 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 插补周期的选择主要受到三个因素的影响: (1)传动装置的运行速度和位置精度 使用插值运算时间分割法时，当传动装置的运行速度值和位置精度值都很高时，相应的插补周期要短;当传动装置的运行速度值和位置精度值都很高时，相应的插补周期会变长 (2)传动装置的响应速度 传动装置的响应速度越快，电机轴的转动速度越快，可以用来进行插补的时间段越短，这样会使得对电机轴的插补更加精确，进而也可以决定传动装置在执行上一级命令时所能达到的精准度。相反，传动装置的响应速度稍小一点，则电机轴的转动速度就会下降，插补周期就会变长，插补的结果就会不精确，甚至会导致传动装置的失灵 (3)控制器与传动装置之间的通信速度 控制器与传动装置之间的通信速度直接决定了插补周期的最小值，所以哪怕插补周期不受其他条件的限制，一旦受到控制器与传动装置之间的通信速度的限制，那么选择的插补周期就不能对传动装置起到作用。传动装置的实际执行时间就会与控制器与传动装置之间的通信速度所对应的周期相对应。在这一状态下，传动装置不受控制器的控制，会自然的振动。为了杜绝这种情况，一般插补周期不宜过长，不得超过200ms。 插补过程如图4-1所示。 图4-1 脉冲插补过程 本方案中的插补周期定为200ms。 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 16 北方民族大学学士学位论文 基于单片机的松下A4交流伺服电机的控制设计 4.2加减速处理 本课题中控制器控制着驱动系统，驱动系统控制着传动装置，由于惯性使然，传动装置的速度的改变也会受到影响，它不能突变，不能以很小的速度突变成较大的速度，亦不能从较大的速度突变成很小的速度，这中间有一个缓冲的过程，也是对传动装置的保护。所以在控制传动装置启动和制动的时候，速度的改变也需要一个缓慢改变的过程。否则会对机器有一定的损害，也会使控制器控制下产生的最终效果产生误差，降低了机械的精准度。为了杜绝这些问题，一般会稍稍改变传动装置的原有运行轨迹，主要是启动和制动时有一个加减速的过程 运行伺服电机一般要经过三个阶段的加速，恒速，减速。伺服电机加减速曲线如图4-2所示。从图中可以看出，纵坐标是频率f，以脉冲/秒为单位，实质上表示的就是速度，横坐标是时间t，以秒为单位。伺服电机在控制器控制下以f0的初始频率启动，做以加速度为a，时间为t1的匀加速运动直到达到最大频率fh，然后匀速运行，直到开始制动前，再做以加速度?a的匀减速运动直到te时刻停止。经过一段的时间间隔后，在控制器的控制下继续重复前面的动作。 从图4-2可以得出f和t的线性关系: f?f0?at —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ (1) 式中:f表示某一时刻下的瞬时速度;f0表示传动装置的初始速度;a是加速度;t是加速时间。 17 北方民族大学学士学位论文 基于单片机的松下A4交流伺服电机的控制设计 图4-2伺服电机加减速 本文控制器采用的是芯片AT89c52，该芯片一个显著的特点就是具有定时功能，可以定时中断控制器对驱动装置的控制。通过控制器的这个功能特性，只要对定时器设定相应的装载值，就可以对传动装置的速度起到调节的作用，不断地改变装载值，驱动装置会不停的改变速度，或者是匀变速或者非匀变速。为了改变传动装置的速度，如若不停地设定新的装载值，未免繁琐，因为可以用阶梯曲线来模拟传动装置的加减速过程，曲线如图4-3所示，将时间均匀离散化，取每个时间段内传动装置的速度与时间对应的坐标图，这样可以看出传动装置的速度在一个周期内匀速运动，到下一个周期时，速度会突变成另一个速度值，直到达到额定速度。从图表可以看出速度的改变图呈阶级变化，逐步变大或者变小。通过阶梯曲线可以解决电机轴因为惯性产生的滞后问题。 由式(1)可知加速算法为 fr?f0?atr (2) 在控制器的控制下，当电机转动速度达到fh时，由(2)式可以算出加速所花的时间 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ tr?(fh?f0)/a (3) 把电机的加速这段时间均匀分为n段，则每段的时间都一样，所以速度改变周期为 tu?tr/n (4) 也可知道每一个加速阶段的频率为 18 北方民族大学学士学位论文 基于单片机的松下A4交流伺服电机的控制设计 fk?f0?a(k?tr) 各阶段运行的距离Nk为 Nk?fk?tu?fktr/n 则总距离Nr为Nr??k?1n 当传动装置为减速过程是，其处理方法和上面一样。 图4-3加速减速过程 采用单片机控制伺服电机的加速和减速，事实上，可以通过改变单片机的输出脉冲的时间间隔来实现，在控制伺服电机的加减速时，有软件方法和硬件方法两种来实现: 软件方法:通过延时程序控制脉冲输出频率，逐渐提高或者降低频率，伺服电机的转动速度就会不断地变大或者减小。由于需要不停地控制脉冲频率，控制器的工作量比较大，其他的控制动作可能不能实现。 硬件方法:当伺服系统定时中断后，通过改变定时器的参数来调—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 节速度的大小，可以达到电机不断加速和减速的过程，随着速度的改变，相应的脉冲频率也会改变。这种方法受控制器的影响较小，所以单片机的负载小，可以同时进行其他的控制动作。因此在单片机控制的传动装置中，调节速度一般选用硬件方法。 19 北方民族大学学士学位论文 基于单片机的松下A4交流伺服电机的控制设计 4.3软件流程 本文设计的软件要求单片机与电机驱动之间能够无障碍的进行通信交流，单片机接受指令，发出脉冲，在驱动的作用下驱动电机运动。另外作为实时多任务系统，能智能判断总线上的数据包。 初始化完成后，控制器的多任务系统特点会体现出来，逐步的处理多个任务，发出不同任务的动作指令。定时中断后，也会不断的接收新的任务，每个任务的处理指令在初始化时就已给出。 单片机在同时处理多个任务时，会将系统分为多个多个任务模块。每个模块的分工清楚明白，对所面临的任务分开解决。做任务模块时，把面临的延时指令变成对模块的执行脉冲。模块之间的相互独立，对程序进行调试和维护时会更加方便。 本文的主程序流程图如下图4-4所示。开始之后，串口和定时器time0初始化，然后打开中断，进入到while循环，判断是否有位移数据需要运行，如果没有继续进入循环，如果有数据需要运行，接着就要计算加减速，匀速运行的时间，然后更新200ms时间内发送的—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 脉冲数量，在判断正向或逆向运动，对应的会输出相应的高低电平，否则继续进入到whlie循环中 20 北方民族大学学士学位论文 基于单片机的松下A4交流伺服电机的控制设计 图4-4 主程序流程图 21 北方民族大学学士学位论文 基于单片机的松下A4交流伺服电机的控制设计 下图4-5是定时器中断服务程序流程图，定时器设定的是250us中断 图4-5 定时器中断服务程序流程图 开始后，250us的计数变量会记录下来发出的脉冲频率以及时间片,接着需要判断运行时间是否达到200ms,如果到了200ms，则需要更新频率，将g16Counter250usNum1清零，发出脉冲后判断是否能结束运行，如果可以结束，就关掉定时器，重新初始化变量，如果不能结束运行，就返回至开始，一直循环。 22 北方民族大学学士学位论文 基于单片机的松下A4交流伺服电机的控制设计 接下来是串口服务程序的流程图图 4-6 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 图4-6 串口服务程序的流程图 初始化T1作为波特率发生器，初始化为1200bps.采用不倍频的串口模式。Timer0初始化后需要判断能否接收到数据，接收到以后将数据放入g8RcvData数组中去，可以从数据中判断出给电机转动的方向以及需要执行的位移数据等信息，根据上面的流程图，不同的选择发出不同的指令，直到结束。 23 北方民族大学学士学位论文 基于单片机的松下A4交流伺服电机的控制设计 第五章 仿真调试 5.1 电路图 本文用来仿真采用的是proteus软件，电路图中主要包括:AT89c52芯片，示波器，频率计数器等。其总体图如下图5-1所示 图5-1 总体图 为了方便操作，在仿真的过程中本文设计了一个虚拟中断，可以发出脉冲指令，控制电机的正反转，以及转速大小。每发出100个脉冲电机就转动一圈，对应的位移距离是1mm。另如前文所述，电机启停的瞬间会有加减速的过程，在仿真调试中可以看出电机加减速的效果很明显。 5.2 仿真调试 为了精确的控制电机的位移，方向，可以通过虚拟中断发出指令，包括正向或逆向，电机运行的距离。在虚拟中断中可以预设数值1表—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 示电机正向旋转，中 24 北方民族大学学士学位论文 基于单片机的松下A4交流伺服电机的控制设计 断上显示为31数字;0表示逆向旋转，中断上显示为30。在虚拟中断内利用键盘发出指令时，第一个数字表示电机转动的方向，第二个数字表示要求电机转动的距离，设计采用的是16进制。例如第二个数字输入的是9，则在中断上显示的是39，换算成10进制，就是要求电机转动57mm的距离，那么需要发出5700个脉冲才行，如下图5-2所示: 5-2 仿真截图 理论上需要发出5700个脉冲，才能控制电机的精确性，而实际发出的脉冲数为5695个，这样产生了一些误差，但电机转动一圈需要100个脉冲，相对来说，这样的误差在可以接受的范围内。 5. ——————————————————————————————————————