用单片机实现的电机速度和位置测量与控制

    肖本贤  (合肥工业大学230009)

    【摘  要】介绍8098单片机用于电机速度和位置的反馈测量、控制的原理及方法，且对测量精度与光栅信号的抗干扰措施作了分析，并给出了实际使用中的线路及位置调节器的设计。

1  引  言

    现代工业技术的发展，特别是近年来的cnc技术的发展及应用，有速度和位置控制的要求越来越多。在cnc系统中，位置控制是决定其最终性能的关键技术，也是数控技术开发中难点所在。本文结合我所研制的yk8320铣齿机数控系统，在该系统中采用

了三台直流伺服电机，其型号为b8—5，即o．8kw，反馈元件仅安装有脉冲编码器。因此cnc系统不仅要实现位置计数与控制，还要给出速度反馈电压，供伺服单元使用。为了提高伺服电机的调速与伺服性能。反馈信号的准确检测、实时快速控制是稳定性与精度的保证与前提，本文针对仅带有光码盘作为检测器的这类伺服系统，介绍与之相适应

的测速与位置控制方法。为实现电机的运动，控制部分采用以单片机为核心，配以数模转换电路、计数电路、接口辅助电路等，重点介绍与速度位置检测相关电路的设计。由于8098单片机内部有16位数据总线和8位地址总线，能把寄存器算术逻辑运算单元ralu与256字节的寄存器紧密地联系起来，故具有高速度和16位高精度控制的能力，且有多级中断，从而可提高速度位置控制的实时性。测速方法采用软件m／t法，位置环是由单片机进行直接数字控制。为了保证位置环的动态特性与稳态特性，适应快速跟踪曲线能力，数字位置环的控制策略采用变结构控制，以满足高速、高精度加工要求。

2测量系统的硬件线路

在数控系统和工业机器人控制系统中，光电编码器是作为闭环控制的一个主要反馈

现高精度的数字测量。

光电测速的基本原理是，光码盘每转一转输出的脉冲数一定，随着电动机转速和输出脉冲频率的不同，频率与转速成正比，能测量其频率，通过软件计算就能得到速度，鉴相电路还能同时反映实际转速的方向。

设电机转速为，n，每转一转光码盘发出k个脉冲，设定一个标准频率，f0(f₀=f_cp=2mhz)，在采样周期tms内采样到标准脉冲n个。电机脉冲m个，则有

一般，f₀》f，则m《n，这样在丁内采样到整数个电机脉冲m，则由标准频率f₀采样引起的量化误差可忽略。在低速段为保证每采样周期得到整个脉冲数，则每转脉冲数越多越好，测速越精确，一是通过倍频来提高，二是通过加长低速段的采样周期丁。如图1鉴向倍频线路的输出1y、2y直接接到8253的clkl和clk2端，clk0用于标准时钟f_cp的计数。

4位置调节器的设计

图2所示为一由8098单片机作位置控制器的原理框图。从图中可以看出，该闭环控制系统硬件主要由两部分组成，一是单片机及其计数、d／a等接口电路组成的位置控制器及测速单元。二是伺服驱动装置。单片机在位置环中作为一个实时控制器主要处理三种外部信号，一是接收来自上位机的命令信号，即给定的位置、速度及其方向信号，而上位机即cnc系统的插补周期为6ms，本系统位置调节为3ms，因此系统每6ms与cnc通信一次，并将所接收的位置指令值除以2，作为每次中断调整的位置指令值。且上位机以中断方式传送，中断请求信号是通过8098的外部中断输入端extlnt送入的。二是从电机的光电编码器那里得到的位置反馈信号，三路分别是正向4f₊反向4f_-基准脉冲，f₀信号，分别由8253可逆计数器计数，单片机从这三个信号中可以算出电机的实际位置、速度及其方向信号，以确定电机离给定位置的偏差值的大小和电机应运行的速度、方向等。三是单片机确定了输出电压的大小和方向后，通过d／a转换接口，向伺服驱动单元输出一个带有极性的模拟量的控制电压vcu。和一个带有极性的速度反馈电压t_sa，在系统中两个d／a芯片为12位dacl210，采用双极性输出模式，v_cmd给定速度信号每3ms由位置环调整一次，而速度反馈信号t_sa每6ms由m／t法重新计算调整一次，当

速度低时，6ms定时中断增至12ms定时中断。

从图2可见，位置控制环节是利用可逆计数器，实时采样计算位置跟踪误差