基于伺服電動(dòng)機(jī)的線性升降速控制系統(tǒng)

  宋德杰，劉俊成

山東理工大學(xué)，山東淄博255049

    中圖分類號(hào)：TM383．4⁺2    文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：E

    文章編號(hào)：l004-7018(2008)08-0060—01

0問題提出

    晶體的研制開發(fā)利用是當(dāng)前的一項(xiàng)高精尖課題，大直徑單晶體高質(zhì)量的晶體材料愈來愈受到人們的青睞。在單晶的研制開發(fā)過程中，為使大直徑單晶體生長(zhǎng)良好，根據(jù)單晶的生長(zhǎng)規(guī)律，需要對(duì)籽晶桿的旋轉(zhuǎn)速度實(shí)施線性升降控制。其控制的總體要求是：一要旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)；二要速度線性升降，升降時(shí)間可調(diào)；三要正反轉(zhuǎn)速度****值可調(diào)：它在一個(gè)周期內(nèi)的運(yùn)轉(zhuǎn)規(guī)律可用圖1來描述。圖中：n₁、n₂是正、反轉(zhuǎn)的****速度，要求在1～510 r/mn范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)。

    T₁、T₃為正轉(zhuǎn)升降速時(shí)間，T₃、T₄為反轉(zhuǎn)升降速時(shí)間，它們均要求在1～60 s內(nèi)可任意調(diào)節(jié)。

    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(shè)計(jì)

    由于要求正反轉(zhuǎn)速度任意可調(diào)，再加上升降速時(shí)間也要求可調(diào)，且保持線性關(guān)系，一般電機(jī)無法滿足此設(shè)計(jì)要求，經(jīng)分析比較，決定采用目前較為流行的單片機(jī)和閉環(huán)交流伺服

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。閉環(huán)交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有交流伺服驅(qū)動(dòng)器和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩部分組成，內(nèi)設(shè)速度反饋和位置反饋。具有控制精度高、性能穩(wěn)定、成本較低、調(diào)試維修方便等優(yōu)點(diǎn)，它有三種控制方式：位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩控制。由于本課題要求實(shí)現(xiàn)速度控制，故選擇用速度控制即可完成。其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。   

1.1伺服驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選擇

    伺服電動(dòng)機(jī)有直流和交流之分。目前松下交流伺服電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)性價(jià)比較高。由松下交流伺服電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的工作特性可知，在速度控制方式下，它的輸出轉(zhuǎn)速與輸入電壓大小成正比，即： n=kv式中：v為伺服驅(qū)動(dòng)器的輸入電壓，且|v|≤lO V，n為伺服電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速，k為比例系數(shù)，其具體數(shù)值可在交流伺服驅(qū)動(dòng)器中根據(jù)要求設(shè)置。因此伺服電動(dòng)機(jī)要實(shí)現(xiàn)圖1所示的旋轉(zhuǎn)波形，只要設(shè)計(jì)一個(gè)控制器即可。

    為了滿足任務(wù)要求，保證控制精度，交流伺服系統(tǒng)可選擇Panasonlc MINAs A系列的MsDA043A1A-2型交流伺服驅(qū)動(dòng)器和MsMA042A交流伺服電動(dòng)機(jī)。它采用三相交流220 V供電，內(nèi)部配有250p／r增強(qiáng)式編碼器(分辨率為(10000)，額定轉(zhuǎn)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(huán)增益、速度環(huán)增益、速度環(huán)積分、速度前饋等多項(xiàng)增益調(diào)整電路，適當(dāng)調(diào)整以上各參數(shù)就可使伺服電動(dòng)機(jī)嚴(yán)格按照指令動(dòng)作。它與同類產(chǎn)品相比，具有體積小、重量輕、控制精度高、線勝度好、便于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。

1.2控制器的設(shè)計(jì)

    由于設(shè)計(jì)的控制器輸出電壓可調(diào)參數(shù)較多，一般電路難于實(shí)現(xiàn)，故采用目前較為流行的單片機(jī)設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)參數(shù)在線修改和速度控制同步進(jìn)行，采用了雙單片機(jī)控制方案。目前嵌入式單片機(jī)種類繁多，綜合其性能價(jià)格比，系統(tǒng)采用一片89c52實(shí)現(xiàn)參數(shù)在線修改及參數(shù)實(shí)時(shí)顯示等操作，用另一片89c52來實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)控制。它們的特點(diǎn)是分別自帶8 MB內(nèi)存EEPROM，不需要擴(kuò)展內(nèi)存。

    為了將單片機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成線性模擬電壓，D／A數(shù)模轉(zhuǎn)換電路采用Burr-Brown公司生產(chǎn)的高精度DAc725，它是一個(gè)雙16位的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，內(nèi)含電壓基準(zhǔn)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(jìn)制并行數(shù)字輸入接口。它與8位單片機(jī)AT89c52適當(dāng)連接，就可對(duì)數(shù)字信號(hào)實(shí)現(xiàn)模擬轉(zhuǎn)換，去控制伺服電動(dòng)機(jī)按要求旋轉(zhuǎn)：它具有以下特點(diǎn)：一是轉(zhuǎn)換精度高，線性誤差僅為百分之±0 003；二是高速數(shù)字并行輸入；三是雙極性模擬電壓輸出。整個(gè)電路工作時(shí)，輸出輸入關(guān)系如表1所示。

式中：NB是單片機(jī)16位二進(jìn)制輸出，電壓基準(zhǔn)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(shù)據(jù)保存電路設(shè)計(jì)

    由于AT89C52不具有對(duì)參數(shù)在線修改的斷電保存功能，本設(shè)計(jì)采用虛擬I2C技術(shù)將串行E