摘  要： 通過對(duì)BE系列伺服電機(jī)工作原理的分析，利用STC89C52單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種電機(jī)控制器,。通過單片機(jī)I/O口向TLC5618數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片發(fā)送數(shù)據(jù)，輸出電壓信號(hào)經(jīng)運(yùn)放加法電路放大控制轉(zhuǎn)速,。運(yùn)放輸出末端放置一雙刀雙擲繼電器,，驅(qū)動(dòng)芯片為ULN2003，改變輸出電壓正負(fù)極性可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制,，并通過USB轉(zhuǎn)串口與上位機(jī)通信。最后,，將驅(qū)動(dòng)器反饋的方波信號(hào)頻率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向顯示在液晶屏上,。該設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的平穩(wěn)控制和精確調(diào)速,，能夠滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需要,。

　　關(guān)鍵詞： 單片機(jī)；伺服電機(jī),；轉(zhuǎn)向控制,；精確調(diào)速

0 引言

　　伺服電機(jī)的定位精度相當(dāng)高，現(xiàn)代位置控制系統(tǒng)已越來越多地采用交流伺服電機(jī)作為主要部件[1],。本設(shè)計(jì)采用的BE系列伺服電機(jī)以其體積小,、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、應(yīng)用廣泛成為了多種場(chǎng)合的通用驅(qū)動(dòng)設(shè)備,，也是學(xué)習(xí)伺服電機(jī)控制的良好對(duì)象,。但與其配套的控制器價(jià)格較高，并不適合一般小型試驗(yàn)的需求,。本文給出了一種低成本的控制方案,，使其在52單片機(jī)的控制下也能充分發(fā)揮其功能。

1 伺服電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

　　本設(shè)計(jì)以STC89C52RC單片機(jī)作為控制器,，充分利用其價(jià)格低廉,、編程方便、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn),，并以TLC5618作為模擬信號(hào)輸出芯片,，經(jīng)OP07運(yùn)放搭建的加法電路,，使DA芯片的雙路輸出電壓相加，最大值可達(dá)到10 V,，精度為0.002 4 V,。設(shè)計(jì)出一款轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)精度高、轉(zhuǎn)向可控,、成本較低的伺服電機(jī)控制器,，可以顯示實(shí)時(shí)采集的轉(zhuǎn)速數(shù)和轉(zhuǎn)向，并能夠?qū)⒉杉降姆讲ㄐ盘?hào)頻率轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制數(shù)一同顯示在液晶屏上,。此外,，本系統(tǒng)還利用CH340G芯片連接USB線，通過上位機(jī)軟件對(duì)BE系列伺服電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向的控制,，實(shí)現(xiàn)了上下位機(jī)通信,、數(shù)模轉(zhuǎn)換、電壓放大,、電機(jī)精確調(diào)速,、數(shù)據(jù)顯示等一系列功能和過程。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)采用STC89C52RC單片機(jī)構(gòu)建了一個(gè)最小系統(tǒng),，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換,、運(yùn)放、轉(zhuǎn)向控制和隔離繼電器等模塊實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)智能切換,，而且實(shí)現(xiàn)了伺服電機(jī)的精確調(diào)速控制[2],。其控制系統(tǒng)組成如圖1所示。

　　通過LCD1602顯示模塊將轉(zhuǎn)速,、轉(zhuǎn)向以及脈沖頻率顯示在液晶屏上,；利用串口通信模塊接收上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)發(fā)送給DA轉(zhuǎn)換輸出模塊,；轉(zhuǎn)換后的模擬電壓通過運(yùn)算放大器將輸出電壓放大,，用來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。

　　2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)采用STC89C52RC單片機(jī),，5 V電源供電[3],。兩個(gè)外圍電路分別為復(fù)位電路和晶振電路，晶振頻率為11.059 2 MHz,，電容30 pF,。晶振兩端與單片機(jī)XTAL1、XTAL2連接,，使其產(chǎn)生一個(gè)周期固定的交流電流,，單片機(jī)可以根據(jù)這個(gè)電流的周期來確定工作周期。最小系統(tǒng)原理圖如圖2所示,。

　　2.2 液晶顯示模塊

　　這里L(fēng)CD1602只需進(jìn)行寫操作不需要讀操作,，故直接將RW腳接地,，VEE是液晶顯示偏壓信號(hào)，即調(diào)節(jié)液晶屏幕顯示的對(duì)比度,，將其接到滑動(dòng)變阻器上,，實(shí)現(xiàn)液晶顯示的對(duì)比度調(diào)節(jié)。RS是數(shù)據(jù)命令選擇端,，即在程序中選擇給顯示屏發(fā)送命令或是發(fā)送數(shù)據(jù)[4],。寫指令時(shí)RS為低電平，寫數(shù)據(jù)時(shí)RS為高電平,。余下的DB0~DB7與單片機(jī)P0口連接,，BLA和BLK是液晶顯示屏背光供電端口，分別接5 V電源和地,。其具體電路如圖3所示,。

　　2.3 串口通信模塊

　　根據(jù)方案設(shè)計(jì)思路，單片機(jī)需要接收上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù),，那么需要一個(gè)串口通信模塊來實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)之間的通信,。STC89C52RC單片機(jī)要接收數(shù)據(jù)需要從RXD和TXD腳接收TTL電平，采用CH340G能將USB口發(fā)送的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成TTL電平,，送到單片機(jī)SBUF寄存器中,。單片機(jī)程序只需調(diào)取SBUF中的數(shù)值就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)I/O口的控制。

　　單片機(jī)與上位機(jī)通信的波特率為9 600 b/s,，無校驗(yàn)。其具體電路如圖4所示,。

　　2.4 D/A轉(zhuǎn)換輸出模塊

　　由TLC5618性質(zhì)和原理可知,，首先將TLC5618的GND端接到系統(tǒng)模擬地，實(shí)現(xiàn)最佳的接地連接[5],。同時(shí)在VDD與GND之間應(yīng)接0.1 ?滋F的獨(dú)立旁路電容,，濾除電源與地之間的高頻干擾。此外,，基準(zhǔn)電壓一定要保證精度,，且在基準(zhǔn)電壓輸出端接0.1 ?滋F的瓷片電容，以降低系統(tǒng)噪聲對(duì)轉(zhuǎn)換精度的影響,。分別將CS接P2.2,、SCLK接P2.1、DIN接P2.0,，兩個(gè)DAC模擬輸出即可完成對(duì)DA轉(zhuǎn)換芯片的控制,。

　　2.5 運(yùn)放輸出模塊

　　運(yùn)放模塊用到OP07芯片，它是一種低噪聲,，非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)算放大器集成電路,。OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓,，一般不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時(shí)具有輸入偏置電流低和開環(huán)增益高的特點(diǎn),，這種低失調(diào),、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適合于高增益的測(cè)量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號(hào)等方面。經(jīng)運(yùn)放放大輸出的電壓最大值可達(dá)到10 V,，精度可達(dá)0.002 4 V,，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速精準(zhǔn)控制[6]。其具體電路如圖5所示,。

　　2.6 轉(zhuǎn)向控制模塊

　　單片機(jī)I/O口輸出電流無法使繼電器工作,，設(shè)計(jì)中采用ULN2003來提高帶載能力。ULN2003屬于高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品,，其電流增益和工作電壓都很高且溫度范圍寬,，帶載能力強(qiáng)，而且輸入端只需和單片機(jī)I/O口相連接,，5 V供電無需外接電路,。這里用P2.5口控制繼電器的工作與否，P2.5輸出一個(gè)高電平,，ULN2003接收到該高電平就可以驅(qū)動(dòng)繼電器工作,，改變輸出電壓極性。其具體電路如圖6所示,。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　針對(duì)上述硬件各個(gè)模塊功能編寫各模塊需要子程序,，主程序部分注意使用的P1.0的引腳功能，頭文件包含regx52.h,，其對(duì)T2CON寄存器有定義,，否則無法完成程序的編譯[7]。此外,，還需定義變量的類型,、名稱及相關(guān)延時(shí)函數(shù)；顯示模塊程序需要對(duì)其進(jìn)行初始化設(shè)置,，寫出命令輸入子程序,、數(shù)據(jù)輸入子程序、數(shù)字字符轉(zhuǎn)換程序,；串口通信模塊程序需要對(duì)其進(jìn)行初始化設(shè)置,，采用T2定時(shí)器作為波特率發(fā)生器，編寫一串口中斷函數(shù),，將SBUF的值賦予各個(gè)變量,；方波采集程序?qū)0和T1進(jìn)行初始化設(shè)置，其中T0計(jì)時(shí),，T1計(jì)數(shù),。定義一中斷函數(shù)重新給T0,、T1賦值；D/A轉(zhuǎn)換輸出模塊程序需要用單片機(jī)的I/O口對(duì)其寫入16 bit的數(shù)據(jù),，分兩次發(fā)送,，先發(fā)送高字節(jié)，后發(fā)送低字節(jié),。最先發(fā)送的D12～D15位為可編程位控制字,，用以確定數(shù)據(jù)的傳送方式。在片選信號(hào)的上升沿把數(shù)據(jù)送到DAC寄存器開始D/A轉(zhuǎn)換,。

　　3.1 系統(tǒng)主程序

　　主程序內(nèi)需聲明各個(gè)變量名稱和類型,，直接調(diào)用子程序即可。然后定義一個(gè)while循環(huán)等待中斷發(fā)生,。其主函數(shù)如下：

　　void main（）

　　{  PS=1,；

　　CK_init（）；//初始化串口

　　init_jishu（）,；//初始化T0,、T1

　　display（）；//調(diào)用顯示函數(shù)

　　while（1）//等待中斷的發(fā)生

　　{  Write_A_B（UA,，UB,，Channal_AB，1）,；

　　t0=0,；

　　H1=TH1；

　　L1=TL1,；

　　TL1=0,；

　　TH1=0；

　　i=H1*256+L1,；

　　digit_to_Char（i）,；}}

　　3.2 串口通信子模塊

　　寄存器T2CON的TCLK和RCLK位允許從定時(shí)器1或定時(shí)器2獲得串行口發(fā)送和接收的波特率,。當(dāng)TCLK=0時(shí),，定時(shí)器1作為串行口發(fā)送波特率發(fā)生器；當(dāng)TCLK=1時(shí),，定時(shí)器2作為串行口發(fā)送波特率發(fā)生器,。RCLK對(duì)串行口接收波特率有同樣的作用。模式1和模式3的波特率=振蕩器頻率/32×[65636-（RCAP2H,，RACP2L）],，式中（RCAP2H，RCAP2L）是RCAP2H和RCAP2L中的16位無符號(hào)數(shù),。故T2CON寄存器中的數(shù)為00110100B,，即16進(jìn)制數(shù)0x34,。其部分程序如下：

　　void init_CK（）

　　{SCON=0x50；

　　PCON=0x00,；

　　T2CON=0x34,；

　　EA=1；

　　ES=1,；

　　RCAP2H=（65 536-36）/256,；

　　RCAP2L=（65 536-36）%256；

　　T2MOD=0,；

　　TL2=RCAP2L,；

　　TH2=RCAP2H；}

　　3.3 方波頻率采集模塊

　　定時(shí)器1負(fù)責(zé)計(jì)數(shù),，定時(shí)器0負(fù)責(zé)定時(shí),。單片機(jī)在使用定時(shí)器或計(jì)數(shù)器功能時(shí)，通常需要設(shè)置兩個(gè)與定時(shí)器有關(guān)的寄存器分別為定時(shí)器/計(jì)數(shù)器工作方式寄存器TMOD和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制寄存器TCON[8],。設(shè)計(jì)中T1選擇計(jì)數(shù)方式C/T=1,，故該系統(tǒng)的TMOD=0×51，由于需要設(shè)定一個(gè)50 ms的計(jì)時(shí)中斷,，要給TH0,、TH1寄存器賦予初值。初值的計(jì)算方法是：THX=（65 536-N）/256,，TLX=（65 536-N）%256,，其中N=t/T，T是機(jī)器周期,，即12×（1/11 059 200）≈1.09 ?滋s,。所以TH0=（65 536-46 081）/256，TL0=（65 536-46 081）%256,。其部分程序如下所示：

　　void init_jishu（）

　　{  EA=1,；

　　ET0=1；

　　TMOD=0x51,；

　　TH0=（65 536-46 081）/256,；

　　TL0=（65 536-46 081）%256；

　　TL1=0,；

　　TH1=0,；

　　TR0=1；

　　TR1=1,；}

　　void jishi（）interrupt 1

　　{  TH0=（65 536-46 081）/256,；

　　TL0=（65 536-46 081）%256；

　　t0++；}

　　3.4 D/A轉(zhuǎn)換輸出模塊

　　本設(shè)計(jì)中只需選中TLC5618并向SLCK發(fā)送一個(gè)時(shí)鐘信號(hào),，DIN發(fā)送數(shù)據(jù)即可,，數(shù)據(jù)為16 bit，前4 bit控制其工作狀態(tài),，后12 bit控制兩路輸出電壓大小,。

4 結(jié)論

　　此次控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以單片機(jī)作為控制器，對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)交流伺服電機(jī)進(jìn)行控制,，有效利用單片機(jī)內(nèi)部資源以及掌握了相應(yīng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行特性,，在生產(chǎn)調(diào)速電機(jī)的配套裝置實(shí)際應(yīng)用中，降低了生產(chǎn)成本,，提高了系統(tǒng)的性能,。

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