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[摘 要]介绍了以单片机分核心的、用于实现电机转速控制的智能系统，能够实现对伺服电机运转的控制。该设计方案在实现电机转速控制的 应用中得到了很好的证实，并且总体控制过程非常平稳而且具有理想的定位精度，能够满足实际系统的控制要求。
[关键词]单片机 伺服电机 转速控制 定位精度
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章編号：1009-914X（2015）11-0013-01
引言
伺服电机总体可分为直流伺服电机和交流伺服电机两种。由于交流伺服电机具有体积小、重量轻、大转矩输出、低惯量和良好的控制性能等优点，故被广泛地应用于自动控制系统和自动检测系统中作为执行元件；将控制电信号转换为转轴的机械转动。由于伺服电机定位精度相当高，现代位置控制系统已越来越多地采用以交流伺服电机为主要部件的位置控制系统，本文的设计也正是用于电动机的转速控制系统之中。
1 交流伺服电机控制系统设计方案
本系统所用的是交流伺服电机为三相交流电机，驱动器控制的UN/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机由接近传感器将转速的信号反馈给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，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。
2 系统硬件设计
采用STC89C52单片机构建一个最小系统，实现脉宽可调输出控制两个继电器，实现电机正反转智能控制，从而达到伺服电机精确位移控制。
通过按键输入电机所需的转速值和转速传感器反馈回来的电机转速相比较，采用PID算法，经单片机处理后，转化成相应的脉冲信号经光电耦合器，调节继电器的开度，通过调节继电器的脉冲宽度，达到脉宽的调制，从而控制伺服电机上的磁块正负位移，使电机达到给定的转速值，同时，单片机接受固定在伺服电机转轴上的转速传感器随着电机转动而产生的反馈脉冲信号，并在LED实时显示电机实际转速。
2.1 单片机控制器的硬件设计
该系统的硬件结构是基于单片机而开发，所用功能为外部中断、定时中断、检测传感器脉冲信号、及输入输出等。STC89C52的P0.0、P0.1、P0.2端口分别作为按键SET、按键MO'dE、按键UP的输人口，通过STC89C52的定时器T0的定时中断控制脉冲发送频率，进而控制电机的转速121。
2.2 驱动部分电路的硬件设计
由于单片机属于TFL电路（逻辑1“和0”的电平分2.4V和0.4V和0.4V），它的I/0口输出的开关量控制信号电平无法直接驱动电机，所以在P2.6口控制升迷信号输出端需加入驱动电路；同理应用于P2.7口的降速输出端。系统采用光耦耦合器和三极管作驱动，由光电耦合器输出通道传人控制电机，所以具有很强的抑制噪声干扰能力隔离作用，可防止强电磁干扰。
3 系统软件设计
控制器的软件主要完成LED显示、接受键盘输入、伺服电机匀速运行和继电器控制几项功能，包括主程序、按键中断服务程序、定时器T0中断服务程序及LED显示子程序。在交流伺服电机控制系统中单片机的主要作用是产生脉冲序列，它是通过STC89C52的P3.2口发送的。系统软件编制采用定时器定时中断产生周期性脉冲序列，不使用软件延时；不占用CPU。
CPU在非中断时间内可以处理其它事件，唯有到了中断时间，驱动伺服电机转动一步。系统程序流程图如图1所示。
3.1 按键预置子程序
面板上有三个键和本子程序相关SET、MOVE和UP，它们的功能分grJ是SET用来确定设定位，共有四位，个位、十位、百位和千位。MOVE用来选择哪一位。UP控制被控位的增加，每次增加，在0—9之间循环。当用户确定其输入时可按键SET，程序便根据输入的值确定伺服电机工作时的给定转速，最后，将设定值存人对应的变量中。
3.2 定时中断服务子程序
电机每转动一圈单片机就中断一次，通过检测两次中断的时间间隔既通过定时器的计数，我们就可以算出电机转速。为了实现转速检测需将转速中断配置为最高中断优先级INTO。中断计数的程序框图如下图2所示。
3.3 转速的PID控制算法
一般情况下，PI调节较容易实现，如果系统性能要求不高，就只需采用PI控制。对连续系统的PI控制算法采用矩形逼近离散方法，可以得到数字PI控制规律如下：
式中：e（k）与e（k—1）为第k，k-1拍的偏差输入；c（K）与c（k-1）为比例积分算法输出的第k，k-1拍的数值；T为运算步长；kn为PI运算的比例系数；tn为积分时间常数。在实现了电机转速的实时检测之后，我们就可以采用闭环控制来调节电机的转速。转速的控制框图如图3所示。它根据公式
△N=Nr-N
其中Nr为由按键设定的转速，N为实际的转速输出值。PI控制器由STC89C52单片机通过编程来实现实际转速与设定转速之间的控制偏差△N
4 结语
本系统研究了以单片机为控制器的对交流伺服电机的转速控制实现过程，在生产调速电机的配套装置实际应用中，降低了系统设计的成本并且极大地提高了系统的总体性能指标。
参考文献
[1] 王福瑞.单片微机测控系统设计大全[M）.北京：北京航空航天大学.2002：25-37.
[2] 黄智伟.全国大学生电子设计精彩系统设计.[M]北京：北京航空航天大学：k，2006：309-360.
[关键词]单片机 伺服电机 转速控制 定位精度
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章編号：1009-914X（2015）11-0013-01
引言
伺服电机总体可分为直流伺服电机和交流伺服电机两种。由于交流伺服电机具有体积小、重量轻、大转矩输出、低惯量和良好的控制性能等优点，故被广泛地应用于自动控制系统和自动检测系统中作为执行元件；将控制电信号转换为转轴的机械转动。由于伺服电机定位精度相当高，现代位置控制系统已越来越多地采用以交流伺服电机为主要部件的位置控制系统，本文的设计也正是用于电动机的转速控制系统之中。
1 交流伺服电机控制系统设计方案
本系统所用的是交流伺服电机为三相交流电机，驱动器控制的UN/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机由接近传感器将转速的信号反馈给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，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。
2 系统硬件设计
采用STC89C52单片机构建一个最小系统，实现脉宽可调输出控制两个继电器，实现电机正反转智能控制，从而达到伺服电机精确位移控制。
通过按键输入电机所需的转速值和转速传感器反馈回来的电机转速相比较，采用PID算法，经单片机处理后，转化成相应的脉冲信号经光电耦合器，调节继电器的开度，通过调节继电器的脉冲宽度，达到脉宽的调制，从而控制伺服电机上的磁块正负位移，使电机达到给定的转速值，同时，单片机接受固定在伺服电机转轴上的转速传感器随着电机转动而产生的反馈脉冲信号，并在LED实时显示电机实际转速。
2.1 单片机控制器的硬件设计
该系统的硬件结构是基于单片机而开发，所用功能为外部中断、定时中断、检测传感器脉冲信号、及输入输出等。STC89C52的P0.0、P0.1、P0.2端口分别作为按键SET、按键MO'dE、按键UP的输人口，通过STC89C52的定时器T0的定时中断控制脉冲发送频率，进而控制电机的转速121。
2.2 驱动部分电路的硬件设计
由于单片机属于TFL电路（逻辑1“和0”的电平分2.4V和0.4V和0.4V），它的I/0口输出的开关量控制信号电平无法直接驱动电机，所以在P2.6口控制升迷信号输出端需加入驱动电路；同理应用于P2.7口的降速输出端。系统采用光耦耦合器和三极管作驱动，由光电耦合器输出通道传人控制电机，所以具有很强的抑制噪声干扰能力隔离作用，可防止强电磁干扰。
3 系统软件设计
控制器的软件主要完成LED显示、接受键盘输入、伺服电机匀速运行和继电器控制几项功能，包括主程序、按键中断服务程序、定时器T0中断服务程序及LED显示子程序。在交流伺服电机控制系统中单片机的主要作用是产生脉冲序列，它是通过STC89C52的P3.2口发送的。系统软件编制采用定时器定时中断产生周期性脉冲序列，不使用软件延时；不占用CPU。
CPU在非中断时间内可以处理其它事件，唯有到了中断时间，驱动伺服电机转动一步。系统程序流程图如图1所示。
3.1 按键预置子程序
面板上有三个键和本子程序相关SET、MOVE和UP，它们的功能分grJ是SET用来确定设定位，共有四位，个位、十位、百位和千位。MOVE用来选择哪一位。UP控制被控位的增加，每次增加，在0—9之间循环。当用户确定其输入时可按键SET，程序便根据输入的值确定伺服电机工作时的给定转速，最后，将设定值存人对应的变量中。
3.2 定时中断服务子程序
电机每转动一圈单片机就中断一次，通过检测两次中断的时间间隔既通过定时器的计数，我们就可以算出电机转速。为了实现转速检测需将转速中断配置为最高中断优先级INTO。中断计数的程序框图如下图2所示。
3.3 转速的PID控制算法
一般情况下，PI调节较容易实现，如果系统性能要求不高，就只需采用PI控制。对连续系统的PI控制算法采用矩形逼近离散方法，可以得到数字PI控制规律如下：
式中：e（k）与e（k—1）为第k，k-1拍的偏差输入；c（K）与c（k-1）为比例积分算法输出的第k，k-1拍的数值；T为运算步长；kn为PI运算的比例系数；tn为积分时间常数。在实现了电机转速的实时检测之后，我们就可以采用闭环控制来调节电机的转速。转速的控制框图如图3所示。它根据公式
△N=Nr-N
其中Nr为由按键设定的转速，N为实际的转速输出值。PI控制器由STC89C52单片机通过编程来实现实际转速与设定转速之间的控制偏差△N
4 结语
本系统研究了以单片机为控制器的对交流伺服电机的转速控制实现过程，在生产调速电机的配套装置实际应用中，降低了系统设计的成本并且极大地提高了系统的总体性能指标。
参考文献
[1] 王福瑞.单片微机测控系统设计大全[M）.北京：北京航空航天大学.2002：25-37.
[2] 黄智伟.全国大学生电子设计精彩系统设计.[M]北京：北京航空航天大学：k，2006：309-360.