基于单片机的伺服电机控制本科毕业设计(编辑修改稿)

基于单片机的伺服电机控制本科毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

跟踪控制：在机械的同有振动频率较低时，通过将机械系模型化补偿其滞 P，从而抑制其振动。 利用该功能，可缩短低刚性机械的整定时间。 ⑵ 机械共振抑制沪波器： _当机械产生高频共振间时，设走与机械系共振频率 „ „ 致 的振动泸波器，从而抑制共振。 ⑶ 速度观测控制：由于采用了速度观测，实现了低速下的平滑运转和定位整定时 间的缩短，如图 3所示。 7 ⑷ 前馈补偿：因加入了前馈补偿，从而缩短了定位时间，如图 4所示。 (5)偏置：当欲缩短定位时间时，可根据负载条件使用，如图 4所示。 (6) 零钳位功能：使用速度控制时，有时即使速度指令为 “ 0 ” ，由于漂移亦会产 生移动。 零箝位动作就是与速度指令低于设定值时，经位置环将伺服锁定而使其停转的 功能。 (7) 制振控制：与机械的驱动系发生振动时，利用观测控制合其减低，实现高伺服 增益的驱动。 通过该功能，改善伺服特性。 ⑶ 转矩指令沪波器：由于轴共振引起伺服系起振时，通过转矩指令泸波器抑制轴 共振。 ⑶ 模式开关：为改善电机加减速运转时的过渡特性，速度环的 PI (比例积分）控 制和 P (比例 ） 控制 ||丨切换。 从而抑制过调和欠调，如图 5所示。 Z — II伺服控制器的设定 (1) Z — II伺服控制器的用户常数 Z — II伺服单元具有很多功能，为了对这些功能进行选择以及进行细微调整，设定 有称为 “ 用户常数 ” 的参数。 阁 3速度观测控制 图 4前馈补偿和偏置 基千单片机的伺服电机控制器 8 ⑵ 微动 （ JOG)速度 当使用面板操作器或者数字操作器进行屯机的转速设定以及变更时，请使用该用户 常数。 表 H川户常数分为 3类 用户常数的种类 功 能 PnOOO〜 Pn601 设定伺服单元的各种功能选择及伺服增益 FnOOO〜 Fn012 执行微动模式运行以及原 UnOOO〜 UnOOO 对丁 „ 电机的转速以及扭转指令值等，可以用面板显示器进行监视 表四参数设 W. Pn304 微动 (X)G)速度 单位 设定范围 出厂时的 出厂时 速度，扭矩 min一 1 0〜 10000 设定 500 的设定 控制位置控 500 制 ⑶ 输入屯路的信号分配 HJ以改变顺序用输入信号电路的分配。 出厂时，对来自连接器 CN1的输入信号的 分配设定如下。 表五端子设定 连接器 CN1的 端子编号 输入端子名称 出厂时的设定 缩写 名称 40 SI0 /SON 伺服 ON 41 SI1 /PCON (比例动作指令） 42 SI2 POT 禁止正传驱动 43 SI3 NOT 禁止反转驱动 44 SI4 /ALMRST 警报清除 45 SI5 /PCL (正转侧电流限制） 46 SI6 /NCL (反转侧电流限制） 根据下述的用户常数，对输入倍号的分配可以进行自由设定 表六输入信号出 r设定 9 (4)控制方式（模式 ） 选择 SGDM型伺服单元，以速度控制，位置控制，扭矩控制为首，具有下述 12种控制方 式的用户常数如下所示。 (5) Z — II伺服控制器的直流屯源输入 ① 设定。 + 1 端子 +280V 输入信号分配模式出厂时的设定 0 速度，扭矩控制位置控制 的 设定 内 容 0 顺序用输入信号的分配为出厂时的设定与本公司 SGDB— DAD□ 型伺服单元的设定相同。 1 可以对顺序用输入信号进行 S由设定 表七控制方式 控制方式 0 速度控制（模拟指令） 1 位置控制（脉冲列指令 ） 2 扭矩控制（模拟指令） 3 内部设定速度选择（接点指令） 4 内部设定速度选择（接点指令）一速度控制（模拟指令） 5 内部设定速度选择（接点指令）一位置控制（脉冲列指令 ） 6 内部设定速度选择（接点指令）一扭矩控制（模拟指令） 7 位置控制（脉冲列指令 ） 一速度控制（模拟指令） 8 位置（脉冲列指令 ） 一扭矩控制（模拟指令） 9 扭矩控制（模拟指令）一速度控制（模拟指令） A 速度控制（模拟指令）一零箝位 B 位置控制（脉冲列指令 ） 一位置控制（禁止 ） 基千单片机的伺服电机控制器 10 + 140V (100V 输入 SGDM— ： ]BD(A)型的情况 ) 一端子 ： 0V B. 对于控制电源，请如下所示，输入至 L1C , L2C(没冇极性 ）。 „ DC280V „ DC140(100V 输入 SGDM— CIBD (A)型的情况 ) C. 请将用户常数 1。 D. 控制电源上的重新。 ② Z _ II伺服控制器的偏移量的调整 当为速度，扭矩控制时（模拟指令 ）， 虽然已将指令电压指令为 0V,但是有时电机 仍然以微小的速度旋转不停止。 这是由 T来自上级装置或者外部的指令电压，带有微小 量 （ mv单位）的偏移而引起的。 在调整该偏移量，将其修正为 0V后，电机便会停止。 ③ Z — II伺服控制器的动态制动器 在运行中，如果想使用动态制动器，使伺服电机停止时，请将下述的用户常数设定为所 希望的方式。 如果不使用动态制动器，则变为由机械摩擦而兴城的自然停止。 2伺服系统的控制 2. 1. 1伺服电机的工作原理 伺服 IU动机实际上就是两相异步电动机，所以有时也叫两相伺服电动机。 如图 6所 示，电机定子上有两相绕组，一相叫励磁绕组接到交流励磁电源 ^上，另一相为 控制绕组接入控制电压 K， 两绕组在空间上互差 90176。 电角度，励磁电压和控 制电压 R频率相卜 (]。 交流伺服电动机的丁作原理与单相异步电动机有相似之处。 汽交流伺服电动机的励 磁绕组接到励磁电流 ~上，若控制绕组加上的控制屯压 amp。 为 0「时 （ 即无控制电压 ） ， 所产生的是脉振磁通势，所建立的是脉振磁场，电机无起动转矩；当控制绕组加上的控 制电压 K产生的控制屯流与励磁电流的相位不同时，建立起椭圆形旋转磁场 (若 t与 7/相位差为 9〇 176。 时，则为 |到形旋转磁场 ）， 于 „ 是产生起动力矩，电机转子转 图 6伺服电动机丁作股理图 基千单片机的伺服电机控制器 12 动起来。 如果屯机参数与 一 „ 般的单相异步电动机一样，那么当控制信号消失时，电机转 速虽会下降些，但仍会继续不停地转动。 2. 伺服电机的最大特点是，它可以通过输入脉冲佶号来进行控制的，即电机的总转动 角度可以由输入脉冲数来决定，而电机的转速由脉冲信号频率来决定。 伺服电机的驱动 电路根据控制信号工作，控制信号是由单片机 AT89S52产生的。 其基本原理作用如下： ⑴ 控制换相顺序 通电换相这一过程称为脉冲分配。 例如：三相伺服电机的三拍丁 .作方式，其各相通 电顺序为 A— B — C 一 D，通电 控制脉冲必须严格按照这一顺序分別控制 A， B， C， D相的通断。 (2) 控制伺服电机的转向 如果给定工作方式正序换相通电，伺服电机正转，如果按反序通电换相，则电机就 会反转。 (3) 控制伺服电机的速度 如果给伺服电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。 两 个脉冲的间隔越短，伺服电机就转得越快。 所以调整单片机发出的脉冲频率，就可以对 伺服电机进行调速。 交流伺服电动机的结构主要可分为两部分，即定子部分和转子部分。 其中定子的结构与旋转变压器的定子基本相同，在定子铁心中也安放着空间互成 90度 电角度的两相绕组。 其中一组为激磁绕组，另一组为控制绕组，交流伺服电动机一种两 相的交流电动机。 . 1伺服系统的概念 “ 伺服 ” 一词源 T希腊语 “ 奴隶 ” 的意思。 人们想把 “ 伺服机构 ” 当个得心应手的 驯服 T具，服从控制信号的要求而动作。 在讯号来到之前，转子静止不动；讯号来到之 后，转子立即转动；当讯号消失，转子能即时自行停转。 由于它的 “ 伺服 ” 性能，因此 而得名一伺服系统。 伺服系统是机电产品中的重耍环节，其控制性能反映了机屯设备的控制质量。 伺服 系统的发展经历了由液压到电气，电气伺服又经历了由模拟到模拟 „ 数字混合再到全数 字化伺服的演进过程。 伺服系统根据所驱动的电机对象，又分为直流（直流 ） 伺服系统 和交流（ AC )伺服系统。 到 90年代初期，随着微处理技术、高性能功率半导体功率 器件等产品制造工艺的发展及性价比的日益提高，交流伺服技术逐渐成为主导产品。 交流伺服系统按其采用的驱动电动机的类型来分，主要有两大类：永磁同步 （ SM型） 电动机交流伺服系统和感应式异步 （ IM型）电动机 交流伺服系统。 感应式异步电动机 交流伺服系统由于电动机结构坚岡、制造容易、价格低廉，具有良好的发展前景，是未 来伺服技术的发展方向之一。 2. 2. 2伺服系统定义 伺服系统一是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入冃标 （ 或给定 值）的任意变化的自动控制系统。 伺服的主要任务是按控制命令的要求，对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱 动装置输出的力矩、速度和位置控制得非常灵活方便。 2. 2. 4伺服系统的纟 _R成 伺服系统如图 7所示，是具有反馈的闭环自动控制系统。 它由位置监测部分、误差放 大部分、执行部分及被控对象组成。 2. 2. 5伺服系统的性能要求 伺服系统必须具备可控性好，稳定性高和速应性强等基本性能。 说明一下，可控性 好是指讯号消失以后，能立即自行停转。 稳走性高楚指转速随转距的增加而均匀下降。 速 应性强是指反应快、灵敏、响态品质好。 通常根据伺服驱动机的种类来分类，有电气式、油丨 U式或电气一油式三种。 (输入 ） 放大 执行 被控对象（输出 ) 图 7伺服系统的组成 基千单片机的伺服电机控制器 14 伺服系统若按功能来分，则有计量伺服和功率伺服系统。 模拟伺服和功率伺服系统。 位置伺服和加速度伺服系统等。 电气式伺服系统根据电气信号可分为直流伺服系统和 AC交流伺服系统二大类。 AC交流伺服系统又有异步电机伺服系统和同步电机伺服系统两种。 伺服电机要求从最低速到最高速都能平稳运行，转矩纹波要小，尤其在低速时仍有 平稳的速度而无爬行现象；电机应具有较大的长时间过载能力：电机应有较小的转动惯 量和大的堵转转矩，并具有尽可能小的时间常数和启动电压；电机能承受频繁启动、制 动和反转。 2. 2. 8伺服控制方式的优点和缺点 伺服控制方式的优点： ⑴ 可靠性高，不易发生飞车事故。 用模拟电压方式控制伺服电机时，如果出现接 线接错或使用中元件损坏等问题时，有可能使控制屯压升至正的最人值。 这种情况是很 危险的。 如果用脉冲作为控制信号就不会出现这种问题。 ⑵ 信号抗干扰性能好。 数字电路抗干扰性能是模拟电路难以比拟的。 当然 R前由丁 „ 伺服驱动器和运动控制器的限制，用脉冲方式控制伺服电机也有一些 性能方面的弱点。 一是伺服驱动器的脉冲工作方式脱离不了位置工作方式，二是运动控 制器和驱动器如何用足够高的脉冲信号传递佶息。 这两个根本的弱点使脉冲控制伺服电机有很大限制。 (1) 控制的灵活性大大下降。 这是因为伺服驱动器工作在位置方式下，位置环在伺 服驱动器内部。 这样系统的 PID参数修改起来很不方便。 当用户要求比较高的控制性 能时实现起来会很 W难。 从控制的角度来看，这只是一种很低级的控制策略。 如果控制 程序不利用编码器反馈信号，事实上成了一种开环控制。 如果利用反馈控制，整个系统 存在两个位置环，控制器很难设计。 在实际屮，常常不用反馈控制，但不定时的读取反 馈进行参考。 这样的一个开环系统，如果运动控制器和伺服驱动器之间的信号通道上产 生干扰，系统是不能克服的。 (2) 控制的快速性速度不高。 3基于单片机的伺服机控制器 AM26LS31和 AT89S52的介绍 3. AM26LS31的工作原理 15 AM26LS31是一个四条的正负输出线驱动器，这个设计符合 ANSITIA/EIA422 B的 和 ITU(从前的 CCITT)推荐 V. 11的要求。 3个状态输出端的驱动器有高现在的能力 平衡了线，例如拧 双或平行 电线输电线路，而且他们提供断电情况的高阻抗。 对所 有的四个驱动器提供高电平的选择或者低电平 (G,G)输入端，这个使能功能楚通常的。 低电压的 Schottky电路在不降低速度的情况减少电力损耗。 AM26LS31C是在 0C到 70C之间操作是正常的。 3. 1. 2 AT89S52 的介绍 AUnel公司的 AT89S52单片机。 AT89S52是 „ 种低损耗高性能，互补型金属氧化半 导体/I位微处理器，含有闪现存储器，能重复写入嚓除 1000次，数据保持时间为 10 年，因此，有着十分广泛 （ T2) P ，特別是在便携 式，省电和特殊信息保存的仪器和系统中显得更为有用它的主要特点为。 ： ⑴ 内含闪光存储器由 T内部含有闪光存储器，因此在系统的开发过程中可以十分 容易。