基于CPLD的扭簧分選儀交流伺服系統的設計

喬 橋，張 弛，鄒安陽

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基于CPLD的扭簧分選儀交流伺服系統的設計

喬 橋，張 弛，鄒安陽

（武漢紡織大學 機電工程學院，湖北 武漢 430073）

彈簧分選控制設備是對大批量生產的彈簧依據其彈性系數不同，按照預先規定的指標進行測試自動篩選出合格與不合格產品，并在不合格產品范圍內依據是否可以修復將彈簧進一步細分，自動流入不同料箱，以用于不同場合。本文介紹了一種由AT89C51單片機及CPLD技術控制交流伺服電機的系統方案，包括系統硬件設計和軟件設計。該系統在彈簧分選設備上得到了成功應用，能實現對彈簧分選過程的平穩控制。

彈簧分選；單片機；交流伺服；CPLD

在自動控制系統中，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為電機的一定轉速或角位移，由于其具備調速范圍廣、控制精度高等優點，在工業環境中得到廣泛推廣。針對彈簧分選系統要求驅動模塊轉速高度均勻、制動性好、響應迅速、控制方便、性能可靠等要求，最終選擇了交流永磁伺服電機，本文主要描述如何在彈簧分選控制系統中實現單片機對伺服電機的數字控制[1]。

1　彈簧分選機運動控制系統

彈簧分選機運動控制主要包括兩個部分：工作臺的高速回轉運動、彈簧壓縮高度調整運動。在該設備控制系統的設計中，結合現代工業控制技術，采用了以下改進措施：使用兩臺電機來完成彈簧分選機的運動控制，工作臺的高速回轉運動由交流伺服控制來實現，彈簧壓縮高度調整運動由步進電機來實現[2]，其工作原理圖如圖1。

圖1　彈簧分選設備電機控制系統圖

彈簧分選機運動控制由單片微型計算機統一控制，通過運動控制模塊的設計，很好的實現了該模塊與控制系統其它模塊的良好配合。該運動控制模塊的實現，很大程度的簡化了傳統彈簧分選設備復雜的傳動系統，解決了傳統設備工作噪音大、部件磨損快、工作效率低等缺點。

由圖1可知，工作臺的高速回轉運動主要由伺服控制系統實現，CPU通過并口總線與伺服控制器通訊，從而控制主伺服控制電機，實現伺服電機的無級調速及工作臺的精確定位。伺服控制器選用華中數控GA-16系列通用伺服器。

2　彈簧分選伺服控制系統硬件設計

該系統伺服運動控制系統如圖2所示：

圖2　彈簧分選設備伺服控制系統圖

通過撥碼盤輸入速度值，經單片機處理后，轉化成相應的脈沖信號傳給伺服器，通過伺服控制器驅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軸上的光電編碼器隨著電機轉動而產生的反饋脈沖信號，以實現對伺服電機帶動分選工作臺運行速度的檢測控制，并且將電機工作狀態通過LCD顯示輸出。

2.1伺服控制器控制參數設置

該系統選用的一款伺服驅動裝置為華中數控GA-16系列通用伺服器，提供了很良好的人機接口界面。方便對相關參數的設定，同時也大大縮短了伺服系統的開發周期，下面對該伺服驅動裝置的控制面板簡單的介紹：

驅動器面板由六個LED數碼管顯示器和五個按鍵組成，數碼管可顯示四級子目錄：“DP-EPS”、“PR--0”、“EE-WRI”、“SER-0”（見華中數控GA-16系列使用手冊）。

2.1.1 “DP-EPS”子目錄

“DP-EPS”子目錄用于設定驅動器的顯示方式，共有14種顯示方式，該目錄的設定不是重點。

2.1.2 “PR-0”子目錄

“PR--0”子目錄用于設定運動參數，共有32種運動參數需要設定，下面對四種運動參數進行介紹：

（1）“PR--13”、“PR--14”：這兩個參數代表位置指令脈沖分頻分子和指令脈沖分母，通過設定這兩個參數，可以很方便的與各種脈沖源相匹配，以達到用戶理想的控制分辨率。其演算公式為：P*G=N*C*4。

P：輸入指令的脈沖數

G：電子齒輪比

G=分頻分子/分頻分母

N：電機旋轉圈數

C：光電編碼器線數/轉，本系統C=2500

經過公式演變：G=N*2500*4/P。如果N取1，發送333個脈沖，電機轉動一圈，則電子齒輪比G=30，所以設定“PA--13”為30，設定“PA--14”為1。（注：G的取值范圍為0.02到50之間）

（2）“PA--22”：該參數用于設定指令脈沖的輸入方式，通過設定可選擇三種輸入方式。

當輸入為0時代表兩相正交脈沖輸入；

當輸入為1時代表脈沖+方向輸入；

當輸入為2時代表CCW脈沖/CW脈沖輸入。

我們選擇輸入參數為1，既脈沖+方向輸入，其脈沖的輸入端口及方向的輸入方式將在下面端口介紹中說明。

（3）“PA--23”：該參數用于設定控制方式，主要有四種方式可供選擇。

當輸入為0時代表選擇位置控制方式，接收位置脈沖輸入指令；

當輸入為1時代表選擇模擬速度控制方式，接收模擬速度指令；

當輸入為2時代表選擇模擬轉矩控制方式，接收模擬轉矩指令；

當輸入為3時代表內部速度控制方式，由參數20設定數字速度指令。

（“PA--20”參數設定值乘于0.1轉/每分鐘即為內部速度大小，）該模式用于測試電機在內部伺能下的工作是否正常。

在該系統正常工作下，我們選用模式0-位置控制。

2.1.3 “EE-WRI”子目錄

“EE-WRI”子目錄代表輔助模式選擇，共有四項功能控制。

（1）“EE-WRI”：該輔助模式功能為控制參數保存，進入該功能項后，伺服驅動器將設置的控制參數保存至內部的EEPROM內。

（2）“JOG--” ：該輔助模式功能作為電機點動任務觸發，可用于測試電機是否正常工作。由上面“PA--23”參數設定為內部速度控制時，會設定一個轉速，而后通過設定內部使能方式（將在下面“STA--6”參數設定中介紹）。在作完以上工作，即可在無外部脈沖的條件下，完全由伺服器內部完成電機的驅動。只要始終按住相應按鍵，電機會按照設定的轉速及方向旋轉。

2.1.4 “STA-0”子目錄

“STA--0”子目錄提供了13種控制參數和3種保留控制參數。下面選擇兩種常用的參數進行介紹：

（1）“STA—6”：該參數用于是否允許由系統內部啟動SVR-ON控制來給電機提供使能信號。當參數為0時代表不允許內部使能，此時，由端子XS4的1腳“EN”和8腳“24V”供應一個24V的壓降來實現外部使能。當參數為1時代表允許內部使能，則不需要外部提供使能信號。

（2）“STA—1”：該參數用于設定位置指令脈沖方向或速度指令輸入取反。當參數為1時代表位置指令脈沖或速度指令方向取反向，為0不取反。該參數在我們的系統里很重要，由于伺服系統采用“脈沖+方向”控制電機，而該參數的設定可以控制在主CPU發出相同脈沖及方向信號時，電機的轉動方向[3]。

2.2單片機伺服控制系統硬件設計

選用MCS51系列AT89C51單片機作為CPU，在彈簧分選伺服控制系統中主要工作任務包括：接受撥碼盤電機旋轉速度信息；產生控制脈沖控制伺服電機工作速度、方向；接受伺服電機光電編碼信息，并實現伺服電機的位置控制；監測電機工作狀態，并通過LCD顯示模塊顯示電機當前工作狀態。單片機與伺服控制器的硬件連線如圖3所示：

圖3　單片機與伺服控制器的硬件連線

由于在該控制系統中，伺服系統選用“脈沖+方向”工作方式。在硬件連線中，單片機P10輸出控制脈沖，P11口輸出控制電機選擇方向信號，伺服端子中+CB與+CA為輸出腳，輸出光電編碼器記數脈沖，該輸出脈沖通過CPLD芯片EPF10K10LC-84接受，并將脈沖記數存入內部寄存器，由單片機隨時通過數據接口讀取。

3　系統軟件設計

控制系統軟件主要完成電機狀態LCD顯示、撥碼盤數據接收、CPLD數據通訊、控制脈沖輸出等任務，在交流伺服電機控制系統中單片機的主要作用是產生控制脈沖序列，它是通過89C51的P1．0口發送的。系統軟件編制采用定時器定時中斷產生周期性脈沖序列，不使用軟件延時，不占用CPU資源。CPU在非中斷時間內可以處理其它事件，唯有到了中斷時間，驅動伺服電機轉動一步。單片機另一個關鍵技術在與CPLD的數據通訊，對光電編碼器的脈沖反饋信號，單片機不用使用資源去采集，而是當系統軟件需要獲取相關信息時，直接去提取CPLD內部相關寄存器信息即可。其軟件框圖如圖4。

圖4　光電編碼器反饋軟件框圖

在該系統中，主CPU為單片機控制平臺，主要完成數字信號的處理運算，它把位置、方向和速度信號通過數據總線寫入CPLD（脈沖發送模塊）內的相關寄存器，然后發送啟動信號，這樣脈沖發送模塊會自動完成電動機的定位和調速，達到精確的位置和速度控制。該系統用硬件描述語言（VHDL）編寫了精插補器中的各個功能模塊，并進行了功能和時序仿真，然后把代碼通過專用下載線下載到電路板上的CPLD芯片中進行調試。以下為伺服驅動脈沖的VHDL語言實現。

library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;entity xzestai isport( A0:in std_logic; -----定義端口狀態 reset:in std_logic; jfp:out std_logic; ofp:out std_logic );end xzestai;architecture behavior of xzestai issignal temp:std_logic_vector(1 down to 0);begintemp<=A0&reset; --- temp代表輸入狀態process(temp)begin case temp is when "10" => -----選擇奇分頻 jfp<='1'; ofp<='0'; when "00" => -----選擇偶分頻 jfp<='0'; ofp<='1'; when others=> -----非法操作 jfp<='0'; ofp<='0';end case;end process;end behavior;

4　結束語

基于AT89C51單片機的交流伺服電機控制系統，具有電路簡潔、性能良好、成本低和可靠性高等特點，在彈簧分選控制系統中應用取得了良好的效果，可以實現伺服電機的無級調速、精確的位置控制、速度控制，滿足了該系統對驅動模塊的要求。

[1] 卞宗林，等. 國內彈簧高新技術(材料)的發展[J]. 彈簧工程，2000，(4): 3-5.

[2] 陳亦靜. 關于彈簧的疲勞壽命與材料選擇[J]. 彈簧工程，2001，(4):20-24.

[3] Adam Feiler, Phil Attard, Ian Larson. Calibration of the torsional spring [M]. Review of Scientific Instruments，2000.

The Design of AC Servo—motor Technology in the Controlling Device of Spring Sorting Based on CPLD

QIAO Qiao, ZHANG Chi, ZOU An-yang

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073, China)

Automatic spring classification machine is the machine that can test large quantities of springs, which have different flexibility coefficients and used for different situations, and sieve automatically the qualified from the unqualified according to the rules proceeded in advance, also further subdivide the spring coil according to whether it can repair within the scope of the unqualified, automatically afflux an- -ticipate box.The paper provides a scheme to control AC servo—motor using singlechip—computer AT89C51 and CPLD，including hardware design and software design．The system is applied in spring sorting machine successfully，which can control spring sorting wel1．

Spring Sorting; Single—chip Computer; Servo—motor; CPLD

TP21

A

1009－5160(2011)03－0062－04

喬橋（1980-），男，講師，研究方向：CADCAM、模糊控制、機電一體化.