摘  要： 通過(guò)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(guò)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(guò)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(mǎn)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(lái)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(xiàn),，通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)運(yùn)算放大器將輸出電壓放大,，用來(lái)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(lái)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(xiě)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(xiě)指令時(shí)RS為低電平，寫(xiě)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(lái)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(wú)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(kāi)環(huán)增益高的特點(diǎn)，這種低失調(diào),、高開(kāi)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(wú)法使繼電器工作,，設(shè)計(jì)中采用ULN2003來(lái)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(wú)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(xiě)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(wú)法完成程序的編譯[7],。此外，還需定義變量的類(lèi)型,、名稱(chēng)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(xiě)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(xiě)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(xiě)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(kāi)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(chēng)和類(lèi)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(wú)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,。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 張國(guó)斌，尹崗.基于單片機(jī)的交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù),，2009,，1（11）：105-107.

　　[2] 陳華林.基于單片機(jī)的電機(jī)控制系統(tǒng)研究[J].硅谷，2014,，17（6）：9-10.

　　[3] 苗敬利,，鄒靖.無(wú)刷直流電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2014,，40（7）：88-91.

　　[4] 鄒智慧.淺談直流伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)與應(yīng)用[J].才智,，2010，19（16）：65-66.

　　[5] 陳德益.基于嵌入式單片機(jī)的電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)仿真,，2010,，1（7）：359-362.

　　[6] 滕莉，李英,，阮德林,，等.一種基于步進(jìn)電機(jī)的振蕩器控制設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2015,，34（8）：87-90.

　　[7] 曾浩.淺談AT89C51單片機(jī)在SR電機(jī)控制中的應(yīng)用[J].電子測(cè)試,，2013，5（9）：123-124.

　　[8] 趙磊,，王哈力.基于單片機(jī)的交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù),，2009，16（12）：196-198.