郴州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 張玲玲

當(dāng)今社會(huì)，電動(dòng)機(jī)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人們?nèi)粘Ｉ钪衅鹬种匾淖饔谩Ｆ渲?，步進(jìn)電機(jī)是最常見的一種控制電機(jī)，在各領(lǐng)域中：如加工中心，打印機(jī)、自動(dòng)化生產(chǎn)線等等場(chǎng)合都可以得到應(yīng)用。研究伺服電機(jī)的控制系統(tǒng)，對(duì)提高控制精度和響應(yīng)速度、節(jié)約能源等都具有重要意義。本系統(tǒng)是基于80C51的伺服電機(jī)控制系統(tǒng)，在脈沖控制控制作用下控制電機(jī)運(yùn)行于0-3000轉(zhuǎn)/分鐘，并實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。

1 引言

在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，伺服電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行元件，作用是把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。它有直流電機(jī)和交流電機(jī)之分。其中交流伺服有更廣的適用性。交流伺服系統(tǒng)已成為當(dāng)代高性能伺服系統(tǒng)的主要發(fā)展方向。

本文介紹如何使用C8051F060來控制交流伺服電機(jī)，使電機(jī)運(yùn)行于0-3000轉(zhuǎn)/分鐘的任意轉(zhuǎn)速。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1所示是伺服電機(jī)控制系統(tǒng)，它以C8051F060為核心，同時(shí)還有顯示電路、編碼器、編碼器處理電路、RS485通信電路、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、伺服電機(jī)。

圖1 伺服電機(jī)控制系統(tǒng)圖

3 電路及原理

3.1 主芯片介紹

C8051F060是Silicon Lab公司出品的完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU。它使用了Cygnal專利的高速、流水線結(jié)構(gòu)以及與MCS-51指令集完全兼容的CIP251微處理器內(nèi)核。C8051F060具有P0-P7，共計(jì)8個(gè)端口，64個(gè)可以實(shí)際使用的IO。

3.2 LED電路

如圖2所示，系統(tǒng)使用6個(gè)LED數(shù)碼管顯示伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速，LED數(shù)碼管采用MC14489芯片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，MC14489采用SPI通信方式和CPU進(jìn)行通信，可以節(jié)省IO口的使用。

3.3 編碼器及處理電路

系統(tǒng)采用多個(gè)BCD撥碼開關(guān)來設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)。BCD撥碼開關(guān)是十進(jìn)制輸入，BCD碼輸出，又稱為8421撥碼開關(guān)。每位BCD撥碼開關(guān)可輸入1位10進(jìn)制數(shù)。每個(gè)BCD撥碼開關(guān)后面有5個(gè)接點(diǎn)，其中C為輸入控制線，另外4根是BCD碼輸出信號(hào)線。撥盤撥到不同的位置時(shí)，輸入控制線C分別與4根BCD碼輸出線中的某根或某幾根接通。其接通的BCD碼輸出線狀態(tài)正好與撥盤指示的10進(jìn)制數(shù)相一致，符合2-10進(jìn)制編碼關(guān)系。

BCD撥碼開關(guān)通過如圖3所示電路，讀取開關(guān)的設(shè)置。

圖3 BCD碼處理電路

BCD_S1-BCD_S8是BCD碼輸出信號(hào)線，BCD_1—BCD_6接的是BCD撥碼開關(guān)的控制線C，每次P2.0跳變一次，就會(huì)選中具體的一個(gè)BCD撥碼開關(guān)的控制線，再讀取4根信號(hào)線上面的值，就可以將BCD撥碼開關(guān)設(shè)置的值讀取進(jìn)來。根據(jù)設(shè)置的值，使電機(jī)運(yùn)行于相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。

3.4 頻率輸出

現(xiàn)有的伺服電機(jī)的控制方式有脈沖控制、模擬信號(hào)控制兩種比較常用的控制方式，由于模擬信號(hào)控制方式對(duì)于速度變化不確定，而且精度很高的場(chǎng)合缺乏靈活性。故通常采用脈沖控制的方式。

PWM信號(hào)的產(chǎn)生有許多種方式，比較常用的有模擬電路、單片機(jī)I／O端口的輸出及單片機(jī)PWM部件的輸出。

本設(shè)計(jì)中采用C8051F020單片機(jī)內(nèi)部的捕捉/比較寄存器來產(chǎn)生PWM信號(hào)。如下：?jiǎn)?dòng)PCA時(shí)鐘計(jì)數(shù)器PCA0進(jìn)行加1計(jì)數(shù)，當(dāng)PCA0計(jì)數(shù)值與PCA0CPn相等時(shí)，CEXn引腳為輸出高電平，當(dāng)PCA溢出時(shí)。CEXn引腳輸出低電平。因此改變PCA0CPn的值，可以輸出占空比可變的波形。（黃慧,等.基于C8051F020的PWM輸出頻率分析[J].數(shù)據(jù)采集與處理,2009,10）

圖2 LED顯示電路

本設(shè)計(jì)采用16位PWM輸出，能受到高分辨率控制；允許CF以及CFFn中斷；占空比為1／2，比較／捕捉寄存器初值經(jīng)過計(jì)算為0x8000。PCA初始化程序如下：

4 小結(jié)

本文介紹了通過使用C8051F060單片機(jī)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)來控制伺服電機(jī)，具有成本低，控制靈活等特點(diǎn)?？梢詰?yīng)用于各種場(chǎng)合。