基于單片機的伺服電機控制系統分析

俞立峰 袁方紅 徐成前

摘要： 隨著時代的發展社會的進步，科學技術水平日益提高，電動機被普遍應用到了人民的日常生活及工農業生產過程中，發揮了重要作用。其中較為典型的控制電機應該是步進電機，在當前多個領域如打印機、加工中心、自動化生產線等均可得到有效應用。本篇文章通過對系統軟件的相關程序的設計、調試以及控制有關的參考數，對單片機的伺服電機的控制系統進行分析。通過大量的實驗和對比，來展現了單片機的伺服電機的控制情況良好。

關鍵詞：單片機;伺服電機;控制系統分析

引言：當自動控制的系統啟動時，單片機的伺服電機的馬達能夠發揮的主要作用是將電壓的控制信號轉化為機械位置，然后，接下來再把所收集到的電壓信號轉化為伺服電機的角位移，又或者是一定的轉速。因此，工作人員可以通過使用單片機來控制伺服電機。單片機的伺服電機具有靈活、輕巧、體積小、控制方便等方面的優勢，所以，伺服電機在現如今的生活之中深受到人們的熱愛，從而在控制系統中可以得到廣泛的應用。

一、單片機以及伺服電機的總論

單片機本質上是一種集成電路芯片，又稱微型控制器，單片機是一種由中央處理機、計時器、各種接口組合而成的集成電路芯片，簡單來說，單片機就是一臺小型的電腦，雖然體積小，但計算機和單片機的差別不是很大，并且，單片機具有的價格低廉的優勢，所以作為小型家電控制器來說，單片機具有很高的性價比，單片機的運行是依靠程序來進行的，程序可以人為的進行修改[1]。相比之下，單片機具有結構簡單、靈活性強、體積小、儲存方便、能耗少等優勢，它在各種惡劣條件下都可以正常的運行，具有較強的環境適應力[2]。近幾年來，我國的計算機隨著信息技術和尖端技術的快速發展，單機技術也得到了快速發展，它在家電、電子產品、機械產品等領域也得到了擴大和先進。

伺服電機是由控制部件運行的發動機，是其中的一種變速裝置，伺服電機可以調節發動機的轉動速度，以電壓信號來控制，伺服電機的轉動速度和輸入信號有著密切的關系。伺服電機主要分為交流電氣和直流電機分為兩種，一般伺服電機是通過脈沖來進行定位的，電機在接受脈沖時，它會相應地旋轉。伺服電機本身會產生脈沖，當伺服電機移動位置時，就會產生相對應位移的脈沖，因此，接收電機和發出來的脈沖會形成一個閉鎖環。

二、總體設計方案

本次的研究中，采用的是松下交流伺服電機。根據單片機的工作原理，來對松下伺服交流電機進行一定的控制，利用鍵盤來輸入準確的速度參數，單片機在接收具體的速度參數后，然后把信號轉化為脈沖信號，在通過差動驅動器將脈沖信號轉化為差動脈沖信號之后，然后在傳送到伺服電機的驅動器中;接下來，編碼器傳回來的信號由驅動器接受，然后再將系統反饋數據和目標值進行比較，其后，調整電機旋轉的角度類型，實現單片機有效的控制交流伺服電機。

三、在控制系統方面的分析

3.1硬件設計分析

本次探討和分析中，為了實現了單片機的伺服電機的控制過程。因此選擇使用型號為STC12C5A 60S2的單片機成為系統的處理器。同時，把單片機的模式可以設置成1T的模式，這樣的操作可以使單片機的運算速度變高，工作速度變快，整體更容易，效率更好[3]。單片機上具有1280字節的內存，60K閃存程序設計存儲器和電子涂抹式可復寫只讀存儲器，本次的研究中，SONAMOOMSMD5AZG1U是本次選擇的單片機的伺服電機的型號，其額定輸出的功率是50W時，增量式光電編碼器是20位的編碼器。選擇的驅動程序和單片機都是松下品牌。

在本次的研究中，單片機對伺服電機的控制主要是通過以下三個方面來進行的。方式如下：

（1）為了控制交流伺服電機的位置，

（2）為了控制交流伺服電機的速度，

（3）為了控制交流伺服電機的轉矩。

控制交流伺服電機位置時，當接到位置控制指令后，通過驅動器收到的傳送回來信號以及電子齒輪分倍頻信號之間產生的信號誤差，然后形成了變信號，調整位置偏差和速度信號之后，形成了轉矩電流，然后可以實現把交流伺服電機進行控制的目的。此外，伺服電機的編碼器種類也是十分的繁雜，以絕對式光電編碼器以及增量式光電子編碼器為主。在這個研究中，我們采用的是交流伺服電機，內含的增量式光電編碼器是2 0位的編碼器。寬泛的編碼器結構容易讓人們有一個更好的理解，并且使用時間還非常的長，不容易受到損壞，還具有很高的分辨率。

3.1.1單片機的控制器硬件分析

STC12C 5 A60S 2控制器的硬件與單片機控制系統的核心部分的外部電路相吻合，以便能夠完成對伺服電機的控制，P3口是單片機的獨立鍵盤輸入口，液晶模塊的控制口是P0、P1.0、P1.1、P1.2，P2.6以及P2.7是脈沖信號的發送口。

3.1.2伺服電機驅動器和差分驅動器的硬件分析

這次所選用的單片機是I/O口，通信的輸出開關可以在不直接驅動外部設備的情況下控制信號電平，因此，需要在信號的輸入端以及信號的控制端方面，分別增加相應的驅動器[4]。伺服電機的驅動器的連接器在控制信號方面，是以差動的方式進行輸入的，全部都是使用的型號是SN 75174差動驅動器。

3.2軟件的設計分析

（1）0點定位;

（2）控制交流伺服電機的勻速運行;

（3）控制交流伺服電機減速和加速。

軟件設計主要包括主程序、中止服務程序和交流伺服電機運行速度控制程序幾個部分，系統面板上有包括啟動、暫停，校準零，設定6個速度的設置按鍵。

在內的8個按鍵。

3.2.1零點位置確認

系統的零點位置判斷原點的確定條件是編碼器的Z脈沖信號E2和原點附近的信號ORG。E2信號就是編碼器的Z脈沖，在同一情況下，電動機在旋轉360度之后就會制造1個Z脈沖[5]。

3.2.2升降頻率的相關控制分析

普通步電機的升降頻率分為直線路型、S型、指數型的提速方式，但是在本系統中所使用的升速方式是直線型模式。

3.2.轉速的控制分析

運用定時器可以實現伺服電機的在轉速方面的控制，所以，確定整個系統的一個很重要的版塊就是熟悉定時裝置的時間。

結語：綜上所述，要想更好的控制交流伺服電機，就必須對其系統結構軟件進行必要的程序調試、程序編程以及相關的參數控制。經過數次的實驗對此，我們可以輕松看出在控制交流伺服電機方面單片機的效果會更好一點，控制系統的實際轉速保持在每分鐘0-10000轉范圍之內，定位精準到0.1度。除此之外，本文中所采用的硬件設施里，電路均較簡易，程序也是相當簡便，不會太過繁瑣復雜，系統不僅可以獨立運轉，還能做到精準定位，轉臺運轉過程平穩，所成像像素高、質感好、還不模糊。經過以上數據研究，我們可以更好的得出只有將單片機當做交流伺服電機的控制器，才能最大限度的發揮系統軟件的功能，不僅可以在一定程度上有效降低系統運行成本，還可以有效提高經濟效益。

參考文獻

[1]李永聰，袁森，馮治國，謝良松.伺服電機控制系統調試平臺設計與開發[J].組合機床與自動化加工技術，2020（06）：98-100+105.

[2]魯健，傅戈雁.基于PLC的三光束光內送絲伺服控制系統[J].機械制造與自動化，2020，49（03）：167-169.

[3]馬文明，李文文.復卷機伺服張力控制系統設計及優化[J].中國造紙，2020，39（03）：66-70.

[4]何俊，鄧成軍.基于LabVIEW的直流伺服電機控制系統開發[J].實驗科學與技術，2020，18（01）：39-46.

[5]李文廣，馮國勝.多線切割機伺服電機控制系統設計與試驗[J].電子工藝技術，2020，41（01）：5-7+11.