基于单片机的伺服电机控制系统设计

郴州职业技术学院 张玲玲

当今社会，电动机在工农业生产、人们日常生活中起着十分重要的作用。其中，步进电机是最常见的一种控制电机，在各领域中：如加工中心，打印机、自动化生产线等等场合都可以得到应用。研究伺服电机的控制系统，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。本系统是基于80C51的伺服电机控制系统，在脉冲控制控制作用下控制电机运行于0-3000转/分钟，并实现正转与反转。

1 引言

在自动控制系统中，伺服电动机作为执行元件，作用是把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。它有直流电机和交流电机之分。其中交流伺服有更广的适用性。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向。

本文介绍如何使用C8051F060来控制交流伺服电机，使电机运行于0-3000转/分钟的任意转速。

2 系统设计

图1所示是伺服电机控制系统，它以C8051F060为核心，同时还有显示电路、编码器、编码器处理电路、RS485通信电路、伺服电机驱动电路、伺服电机。

图1 伺服电机控制系统图

3 电路及原理

3.1 主芯片介绍

C8051F060是Silicon Lab公司出品的完全集成的混合信号片上系统型MCU。它使用了Cygnal专利的高速、流水线结构以及与MCS-51指令集完全兼容的CIP251微处理器内核。C8051F060具有P0-P7，共计8个端口，64个可以实际使用的IO。

3.2 LED电路

如图2所示，系统使用6个LED数码管显示伺服电机的转速，LED数码管采用MC14489芯片进行驱动，MC14489采用SPI通信方式和CPU进行通信，可以节省IO口的使用。

3.3 编码器及处理电路

系统采用多个BCD拨码开关来设置系统运行参数。BCD拨码开关是十进制输入，BCD码输出，又称为8421拨码开关。每位BCD拨码开关可输入1位10进制数。每个BCD拨码开关后面有5个接点，其中C为输入控制线，另外4根是BCD码输出信号线。拨盘拨到不同的位置时，输入控制线C分别与4根BCD码输出线中的某根或某几根接通。其接通的BCD码输出线状态正好与拨盘指示的10进制数相一致，符合2-10进制编码关系。

BCD拨码开关通过如图3所示电路，读取开关的设置。

图3 BCD码处理电路

BCD_S1-BCD_S8是BCD码输出信号线，BCD_1—BCD_6接的是BCD拨码开关的控制线C，每次P2.0跳变一次，就会选中具体的一个BCD拨码开关的控制线，再读取4根信号线上面的值，就可以将BCD拨码开关设置的值读取进来。根据设置的值，使电机运行于相应的转速。

3.4 频率输出

现有的伺服电机的控制方式有脉冲控制、模拟信号控制两种比较常用的控制方式，由于模拟信号控制方式对于速度变化不确定，而且精度很高的场合缺乏灵活性。故通常采用脉冲控制的方式。

PWM信号的产生有许多种方式，比较常用的有模拟电路、单片机I／O端口的输出及单片机PWM部件的输出。

本设计中采用C8051F020单片机内部的捕捉/比较寄存器来产生PWM信号。如下：启动PCA时钟计数器PCA0进行加1计数，当PCA0计数值与PCA0CPn相等时，CEXn引脚为输出高电平，当PCA溢出时。CEXn引脚输出低电平。因此改变PCA0CPn的值，可以输出占空比可变的波形。（黄慧,等.基于C8051F020的PWM输出频率分析[J].数据采集与处理,2009,10）

图2 LED显示电路

本设计采用16位PWM输出，能受到高分辨率控制；允许CF以及CFFn中断；占空比为1／2，比较／捕捉寄存器初值经过计算为0x8000。PCA初始化程序如下：

4 小结

本文介绍了通过使用C8051F060单片机产生的脉冲信号来控制伺服电机，具有成本低，控制灵活等特点。可以应用于各种场合。