用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的電機(jī)速度和位置測(cè)量與控制

    肖本賢  (合肥工業(yè)大學(xué)230009)

    【摘  要】介紹8098單片機(jī)用于電機(jī)速度和位置的反饋測(cè)量、控制的原理及方法，且對(duì)測(cè)量精度與光柵信號(hào)的抗干擾措施作了分析，并給出了實(shí)際使用中的線路及位置調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)。

1  引  言

    現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，特別是近年來(lái)的cnc技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，有速度和位置控制的要求越來(lái)越多。在cnc系統(tǒng)中，位置控制是決定其最終性能的關(guān)鍵技術(shù)，也是數(shù)控技術(shù)開(kāi)發(fā)中難點(diǎn)所在。本文結(jié)合我所研制的yk8320銑齒機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中采用

了三臺(tái)直流伺服電機(jī)，其型號(hào)為b8—5，即o．8kw，反饋元件僅安裝有脈沖編碼器。因此cnc系統(tǒng)不僅要實(shí)現(xiàn)位置計(jì)數(shù)與控制，還要給出速度反饋電壓，供伺服單元使用。為了提高伺服電機(jī)的調(diào)速與伺服性能。反饋信號(hào)的準(zhǔn)確檢測(cè)、實(shí)時(shí)快速控制是穩(wěn)定性與精度的保證與前提，本文針對(duì)僅帶有光碼盤(pán)作為檢測(cè)器的這類伺服系統(tǒng)，介紹與之相適應(yīng)

的測(cè)速與位置控制方法。為實(shí)現(xiàn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，控制部分采用以單片機(jī)為核心，配以數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、計(jì)數(shù)電路、接口輔助電路等，重點(diǎn)介紹與速度位置檢測(cè)相關(guān)電路的設(shè)計(jì)。由于8098單片機(jī)內(nèi)部有16位數(shù)據(jù)總線和8位地址總線，能把寄存器算術(shù)邏輯運(yùn)算單元ralu與256字節(jié)的寄存器緊密地聯(lián)系起來(lái)，故具有高速度和16位高精度控制的能力，且有多級(jí)中斷，從而可提高速度位置控制的實(shí)時(shí)性。測(cè)速方法采用軟件m／t法，位置環(huán)是由單片機(jī)進(jìn)行直接數(shù)字控制。為了保證位置環(huán)的動(dòng)態(tài)特性與穩(wěn)態(tài)特性，適應(yīng)快速跟蹤曲線能力，數(shù)字位置環(huán)的控制策略采用變結(jié)構(gòu)控制，以滿足高速、高精度加工要求。

2測(cè)量系統(tǒng)的硬件線路

在數(shù)控系統(tǒng)和工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)中，光電編碼器是作為閉環(huán)控制的一個(gè)主要反饋

現(xiàn)高精度的數(shù)字測(cè)量。

光電測(cè)速的基本原理是，光碼盤(pán)每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)一定，隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和輸出脈沖頻率的不同，頻率與轉(zhuǎn)速成正比，能測(cè)量其頻率，通過(guò)軟件計(jì)算就能得到速度，鑒相電路還能同時(shí)反映實(shí)際轉(zhuǎn)速的方向。

設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)速為，n，每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)光碼盤(pán)發(fā)出k個(gè)脈沖，設(shè)定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)頻率，f0(f₀=f_cp=2mhz)，在采樣周期tms內(nèi)采樣到標(biāo)準(zhǔn)脈沖n個(gè)。電機(jī)脈沖m個(gè)，則有

一般，f₀》f，則m《n，這樣在丁內(nèi)采樣到整數(shù)個(gè)電機(jī)脈沖m，則由標(biāo)準(zhǔn)頻率f₀采樣引起的量化誤差可忽略。在低速段為保證每采樣周期得到整個(gè)脈沖數(shù)，則每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)越多越好，測(cè)速越精確，一是通過(guò)倍頻來(lái)提高，二是通過(guò)加長(zhǎng)低速段的采樣周期丁。如圖1鑒向倍頻線路的輸出1y、2y直接接到8253的clkl和clk2端，clk0用于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘f_cp的計(jì)數(shù)。

4位置調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)

圖2所示為一由8098單片機(jī)作位置控制器的原理框圖。從圖中可以看出，該閉環(huán)控制系統(tǒng)硬件主要由兩部分組成，一是單片機(jī)及其計(jì)數(shù)、d／a等接口電路組成的位置控制器及測(cè)速單元。二是伺服驅(qū)動(dòng)裝置。單片機(jī)在位置環(huán)中作為一個(gè)實(shí)時(shí)控制器主要處理三種外部信號(hào)，一是接收來(lái)自上位機(jī)的命令信號(hào)，即給定的位置、速度及其方向信號(hào)，而上位機(jī)即cnc系統(tǒng)的插補(bǔ)周期為6ms，本系統(tǒng)位置調(diào)節(jié)為3ms，因此系統(tǒng)每6ms與cnc通信一次，并將所接收的位置指令值除以2，作為每次中斷調(diào)整的位置指令值。且上位機(jī)以中斷方式傳送，中斷請(qǐng)求信號(hào)是通過(guò)8098的外部中斷輸入端extlnt送入的。二是從電機(jī)的光電編碼器那里得到的位置反饋信號(hào)，三路分別是正向4f₊反向4f_-基準(zhǔn)脈沖，f₀信號(hào)，分別由8253可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，單片機(jī)從這三個(gè)信號(hào)中可以算出電機(jī)的實(shí)際位置、速度及其方向信號(hào)，以確定電機(jī)離給定位置的偏差值的大小和電機(jī)應(yīng)運(yùn)行的速度、方向等。三是單片機(jī)確定了輸出電壓的大小和方向后，通過(guò)d／a轉(zhuǎn)換接口，向伺服驅(qū)動(dòng)單元輸出一個(gè)帶有極性的模擬量的控制電壓vcu。和一個(gè)帶有極性的速度反饋電壓t_sa，在系統(tǒng)中兩個(gè)d／a芯片為12位dacl210，采用雙極性輸出模式，v_cmd給定速度信號(hào)每3ms由位置環(huán)調(diào)整一次，而速度反饋信號(hào)t_sa每6ms由m／t法重新計(jì)算調(diào)整一次，當(dāng)

速度低時(shí)，6ms定時(shí)中斷增至12ms定時(shí)中斷。

從圖2可見(jiàn)，位置控制環(huán)節(jié)是利用可逆計(jì)數(shù)器，實(shí)時(shí)采樣計(jì)算位置跟蹤誤差