基于伺服电动机的线性升降速控制系统

  宋德杰，刘俊成

山东理工大学，山东淄博255049

    中图分类号：TM383．4⁺2    文献标识码：E

    文章编号：l004-7018(2008)08-0060—01

0问题提出

    晶体的研制开发利用是当前的一项高精尖课题，大直径单晶体高质量的晶体材料愈来愈受到人们的青睐。在单晶的研制开发过程中，为使大直径单晶体生长良好，根据单晶的生长规律，需要对籽晶杆的旋转速度实施线性升降控制。其控制的总体要求是：一要旋转平稳；二要速度线性升降，升降时间可调；三要正反转速度****值可调：它在一个周期内的运转规律可用图1来描述。图中：n₁、n₂是正、反转的****速度，要求在1～510 r/mn范围内任意调节。

    T₁、T₃为正转升降速时间，T₃、T₄为反转升降速时间，它们均要求在1～60 s内可任意调节。

    除此之外，要求在T₁、T₂、T₃、T₄段上的速度变化为线性。 

1硬件设计

    由于要求正反转速度任意可调，再加上升降速时间也要求可调，且保持线性关系，一般电机无法满足此设计要求，经分析比较，决定采用目前较为流行的单片机和闭环交流伺服

驱动系统来实现。闭环交流伺服驱动系统有交流伺服驱动器和交流伺服电动机两部分组成，内设速度反馈和位置反馈。具有控制精度高、性能稳定、成本较低、调试维修方便等优点，它有三种控制方式：位置控制、速度控制、转矩控制。由于本课题要求实现速度控制，故选择用速度控制即可完成。其控制系统结构框图如图2所示。   

1.1伺服驱动电动机的选择

    伺服电动机有直流和交流之分。目前松下交流伺服电动机系统性价比较高。由松下交流伺服电动机控制系统的工作特性可知，在速度控制方式下，它的输出转速与输入电压大小成正比，即： n=kv式中：v为伺服驱动器的输入电压，且|v|≤lO V，n为伺服电动机的输出转速，k为比例系数，其具体数值可在交流伺服驱动器中根据要求设置。因此伺服电动机要实现图1所示的旋转波形，只要设计一个控制器即可。

    为了满足任务要求，保证控制精度，交流伺服系统可选择Panasonlc MINAs A系列的MsDA043A1A-2型交流伺服驱动器和MsMA042A交流伺服电动机。它采用三相交流220 V供电，内部配有250p／r增强式编码器(分辨率为(10000)，额定转速3000 r／min。自带位置反馈和速度反馈电路，配有RS485、RS232C通信口^[1]。具有位置环增益、速度环增益、速度环积分、速度前馈等多项增益调整电路，适当调整以上各参数就可使伺服电动机严格按照指令动作。它与同类产品相比，具有体积小、重量轻、控制精度高、线胜度好、便于实现等优点。

1.2控制器的设计

    由于设计的控制器输出电压可调参数较多，一般电路难于实现，故采用目前较为流行的单片机设计。为了实现参数在线修改和速度控制同步进行，采用了双单片机控制方案。目前嵌入式单片机种类繁多，综合其性能价格比，系统采用一片89c52实现参数在线修改及参数实时显示等操作，用另一片89c52来实现对伺服电动机的实时控制。它们的特点是分别自带8 MB内存EEPROM，不需要扩展内存。

    为了将单片机输出的数字信号转换成线性模拟电压，D／A数模转换电路采用Burr-Brown公司生产的高精度DAc725，它是一个双16位的数模转换芯片，内含电压基准和输出放大器，具有i 10 V的双极性模拟电压输出范围和16位二进制并行数字输入接口。它与8位单片机AT89c52适当连接，就可对数字信号实现模拟转换，去控制伺服电动机按要求旋转：它具有以下特点：一是转换精度高，线性误差仅为百分之±0 003；二是高速数字并行输入；三是双极性模拟电压输出。整个电路工作时，输出输入关系如表1所示。

式中：NB是单片机16位二进制输出，电压基准VREF=10 v。输出电压范围为-10 V～十10 V。电压分辨率是O.305 mv^[2]。

1．3数据保存电路设计

    由于AT89C52不具有对参数在线修改的断电保存功能，本设计采用虚拟I2C技术将串行E