基于伺服電動機的線性升降速控制系統

  宋德杰，劉俊成

山東理工大學，山東淄博255049

    中圖分類號：TM383．4⁺2    文獻標識碼：E

    文章編號：l004-7018(2008)08-0060—01

0問題提出

    晶體的研制開發利用是當前的一項高精尖課題，大直徑單晶體高質量的晶體材料愈來愈受到人們的青睞。在單晶的研制開發過程中，為使大直徑單晶體生長良好，根據單晶的生長規律，需要對籽晶桿的旋轉速度實施線性升降控制。其控制的總體要求是：一要旋轉平穩；二要速度線性升降，升降時間可調；三要正反轉速度****值可調：它在一個周期內的運轉規律可用圖1來描述。圖中：n₁、n₂是正、反轉的****速度，要求在1～510 r/mn范圍內任意調節。

    T₁、T₃為正轉升降速時間，T₃、T₄為反轉升降速時間，它們均要求在1～60 s內可任意調節。

    除此之外，要求在T₁、T₂、T₃、T₄段上的速度變化為線性。 

1硬件設計

    由于要求正反轉速度任意可調，再加上升降速時間也要求可調，且保持線性關系，一般電機無法滿足此設計要求，經分析比較，決定采用目前較為流行的單片機和閉環交流伺服

驅動系統來實現。閉環交流伺服驅動系統有交流伺服驅動器和交流伺服電動機兩部分組成，內設速度反饋和位置反饋。具有控制精度高、性能穩定、成本較低、調試維修方便等優點，它有三種控制方式：位置控制、速度控制、轉矩控制。由于本課題要求實現速度控制，故選擇用速度控制即可完成。其控制系統結構框圖如圖2所示。   

1.1伺服驅動電動機的選擇

    伺服電動機有直流和交流之分。目前松下交流伺服電動機系統性價比較高。由松下交流伺服電動機控制系統的工作特性可知，在速度控制方式下，它的輸出轉速與輸入電壓大小成正比，即： n=kv式中：v為伺服驅動器的輸入電壓，且|v|≤lO V，n為伺服電動機的輸出轉速，k為比例系數，其具體數值可在交流伺服驅動器中根據要求設置。因此伺服電動機要實現圖1所示的旋轉波形，只要設計一個控制器即可。

    為了滿足任務要求，保證控制精度，交流伺服系統可選擇Panasonlc MINAs A系列的MsDA043A1A-2型交流伺服驅動器和MsMA042A交流伺服電動機。它采用三相交流220 V供電，內部配有250p／r增強式編碼器(分辨率為(10000)，額定轉速3000 r／min。自帶位置反饋和速度反饋電路，配有RS485、RS232C通信口^[1]。具有位置環增益、速度環增益、速度環積分、速度前饋等多項增益調整電路，適當調整以上各參數就可使伺服電動機嚴格按照指令動作。它與同類產品相比，具有體積小、重量輕、控制精度高、線勝度好、便于實現等優點。

1.2控制器的設計

    由于設計的控制器輸出電壓可調參數較多，一般電路難于實現，故采用目前較為流行的單片機設計。為了實現參數在線修改和速度控制同步進行，采用了雙單片機控制方案。目前嵌入式單片機種類繁多，綜合其性能價格比，系統采用一片89c52實現參數在線修改及參數實時顯示等操作，用另一片89c52來實現對伺服電動機的實時控制。它們的特點是分別自帶8 MB內存EEPROM，不需要擴展內存。

    為了將單片機輸出的數字信號轉換成線性模擬電壓，D／A數模轉換電路采用Burr-Brown公司生產的高精度DAc725，它是一個雙16位的數模轉換芯片，內含電壓基準和輸出放大器，具有i 10 V的雙極性模擬電壓輸出范圍和16位二進制并行數字輸入接口。它與8位單片機AT89c52適當連接，就可對數字信號實現模擬轉換，去控制伺服電動機按要求旋轉：它具有以下特點：一是轉換精度高，線性誤差僅為百分之±0 003；二是高速數字并行輸入；三是雙極性模擬電壓輸出。整個電路工作時，輸出輸入關系如表1所示。

式中：NB是單片機16位二進制輸出，電壓基準VREF=10 v。輸出電壓范圍為-10 V～十10 V。電壓分辨率是O.305 mv^[2]。

1．3數據保存電路設計

    由于AT89C52不具有對參數在線修改的斷電保存功能，本設計采用虛擬I2C技術將串行E