如何用单片机控制伺服电机（单片机控制直流电机）

如何用单片机控制伺服电机（单片机控制直流电机）？如果你对这个不了解，来看看！

伺服电机如何实现上位控制？，下面是日弘忠信给大家的分享，一起来看看。

如何用单片机控制伺服电机

工控行业所说的伺服，一般是交流伺服系统的简称，在工程现场，我们所指的伺服是指伺服驱动器。但是，伺服驱动器，伺服电机是不可分割的一套系统，联系它们的是编码器线缆和我动力线缆。

通常，伺服驱动器接受控制器的控制指令，然后通过动力线缆驱动伺服电机，而伺服电机的实时位置，通过编码器线缆反馈至伺服驱动器，形成闭环控制。很显然，这种模式下，伺服驱动器仅仅上充当了放大器的角色，这是绝大部分伺服的工作模式，比如 安川，富士，松下，三菱，台达等等。

还有部分伺服驱动器内置控制器功能，可以在驱动器内部进行编程，实现运动控制，能实现电子凸轮，相位同步等等高级运动控制功能。主要以伦茨伺服为代表，另外 丹佛斯，CT 等等变频器安装运动控制卡件，也能实现此功能。

很显然，本文讨论的伺服电机上位控制，主要是第一种模式，也就是伺服驱动器工作在放大器模式下，此时，充当上位机的就是PLC,运动控制器以及数控系统。如果把伺服驱动器比喻成发动机，那么上位机就是一套高级的无人驾驶系统。无论采用哪种上位机，上位机和伺服驱动器一般采用脉冲和通讯两种方式。

1 脉冲方式

上位机通过发送脉冲到伺服驱动器，来实现控制。在这种方式下，用脉冲频率来控制速度，用脉冲个数来控制位置。同样，伺服驱动器也会发送脉冲数，来告诉上位机，伺服电机的位置和速度。

比如，我们约定伺服电机10000个脉冲旋转一圈，那么，当上位机发送10000个脉冲，伺服电机旋转一圈，实现位置控制。如果上位机在一分钟内发完这10000个脉冲，那么伺服电机的速度就是1r/min,如果实在一秒钟内发完，那么伺服电机的速度就是1r/s，也就是60r/min。

低端PLC，数控系统，以及各种单片机系统一般都是采用这种模式，简单易行，成本低廉。很显然，当伺服轴数增加，这种控制方式的缺点就会显现出来，上位机硬件成本会增加，配线会很复杂，而且现场EMC不好的话，脉冲极易丢失。所以，这种模式一般是在四轴一下，所以，大部分PLC的脉冲控制轴数都在两轴或是三轴，极少部分PLC可以实现四轴。

2 通讯方式

通讯方式就是专门为解决脉冲方式的不足而产生的，已经成为一种发展趋势，他把脉冲数和脉冲频率通过通讯的方式，发送给伺服驱动器，这种方式不但可以传递伺服电机的位置信息，还能传递各种状态信息，比如伺服电机的电流，扭矩以及伺服驱动器的故障代码等等，很显然，当轴数多的时候，这种方式的优势不言而喻。

由于运动控制的特殊性，所以不同的厂家都推出自己的运动控制总线，既有开放的，也有封闭的，比如CANopen，以及在此基础上开发的CANmotion和CANlink，MECHATROLINK-II，CCLink等等。随着工业以太网技术的发展，基于以太网的运动控制总线也应运而生，比如EtherCAT,ProfinetNet，MECHATROLINK-III等等。还有基于光纤的SERCOS，SSCNETⅢ/H等等。

虽然 通讯的形式繁多，但他们解决的一般都是实时性问题，因为对于运动控制来说，实时性是非常重要的。从应用开发的角度来说，脉冲和通讯是没有区别的，只是信号传递的形式发生了变化。

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单片机控制直流电机

倒立摆作为一种典型的控制系统实验装置，具有非线性、自然不稳定等特性，常用来作为检验某种控制理论或方法是否合理的典型方案。一阶倒立摆系统能用多种理论和方法来实现其稳定控制，如PID、自适应、状态反馈、模糊控制及人工神经元网络等多种理论和方法都能在倒立摆系统控制上得到实现。

1系统构成及工作原理

图1为一阶旋转倒立摆结构示意图。直流电机作为唯一的动力装置，与旋臂保持刚性连接，带动旋臂在水平面内旋转，旋臂的一端通过转轴(本系统选用电位器角度传感器)与摆杆连接，摆杆可做垂直于旋臂的圆周运动。在自然状态下，摆杆为竖直下垂状态。倒立摆控制的目的是通过控制直流电动机的运动状态，使摆杆保持倒立状态。

图1倒立摆结构示意图

系统工作原理如下：摆杆摆动时，角度传感器检测摆杆的角度，根据角度传感器的输出特性，其输出电压经A/D转换器转换成电压数字量，该数字量与期望的值进行比较产生偏差，通过单片机对该偏差进行处理，即PID控制运算，根据运算结果产生控制信号控制电机和旋臂的转动，使摆杆的角度与期望的角度更接近。

倒立摆控制系统结构框图如图2所示，单片机(51单片机)为控制器，直流电机为执行器，倒立摆为被控对象，倒立摆角度为被控量，角度传感器和模数转换器构成反馈回路。

图2倒立摆控制系统结构框图

2 倒立摆控制系统的硬件设计

2.1单片机最小系统

该系统中选用了STC90C51单片机，该型单片机

具有以下特点：①八位MCU核，与传统8051兼容;②大容量存储空间，包括64kB程序空间，1280B

SRAM等;③具有4个八位并行I/O口，3个定时/计数器，2个外部中断源和1个全双工UART传输口;④5V供电时，最高支持80MHz振荡频率，具备高速浮点运算能力，适合倒立摆系统等较为复杂的控制系统使用。

51单片机最小系统

2.2摆杆角度检测

检测摆杆角度所用到的角度传感器种类非常多，常用的有电位器式角度传感器、光电编码器、陀螺仪模块等。由于电位器式角度传感器原理简单，检测精度取决于所用A/D转换器的精度，成本相对较低，因此，综合多方面要求，本系统选用电位器式角度传感器。

传感器返回的电压信号无法被单片机直接识别，所以需要通过A/D转换，将模拟电压信号转换为二进制数的形式，然后单片机才能计算出偏差，进而产生相应的输出。A/D转换器常用的有8位和12位输出，在本系统中选用8位A/D转换器即可满足控制要求，其型号选用ADC0809，相应电路原理图见图4。

图4 A/D转换电路

A/D转换器的时钟脉冲为单片机ALE引脚输出的脉冲经74LS74芯片分频之后得到，A/D转换器的8位数字信号通过单片机的P0口进行采集与处理。

2.3驱动电路

本系统选用的直流电机额定电压为24V，额定功率为30W，单片机的I/O口不足以提供如此大的驱动能力，故需采用驱动电路。常用的直流电机驱动芯片为L298N，可驱动两路直流电机，最大驱动电压为46V，最大电流2A～3A，满足设计要求。直流电机驱动电路如图5所示。

直流电机驱动电路

L298N的ENA为使能端，可作为单片机PWM(脉宽调制)控制端，控制直流电机转速;IN1和IN2为信号输入端，OUT1和OUT2为输出端，输出

状态与输入状态对应，控制直流电机转向。输出端的二极管为续流二极管，起保护电动机线圈的作用。

3倒立摆控制系统的软件设计

3.1控制算法

本系统采用PID控制算法，PID算法适用于负荷变化大、容量滞后较大、控制品质要求高的控制系统。PID算法有3个可设定参数，即比例放大系数KP、积分时间常数TI、微分时间常数TD。比例调节的作用是使调节过程趋于稳定，但会产生稳态误差;积分作用可消除被调量的稳态误差，但由于积分饱和等原因可能会使系统振荡甚至使系统不稳定;微分作用能有效地减小动态偏差。其传递函数为：

其中：u(k)为第k个采样时刻的输出;e(k)为第k个采样时刻的偏差值;T为采样周期;KP为比例放大系数;TI为积分时间常数;TD为微分时间常数。

在实时性要求较高的倒立摆系统中，积分作用常常使系统对偏差的调节变慢，使动态相应变慢。因此要尽量弱化或者消除积分作用，使用PD调节规律即可。在该系统中，输入变量为给定值与实际检测到角度的差值，输出变量控制所产生的PWM波形的占空比。由于旋臂、摆杆以及电动机的各项参数很难准确把握，且干扰较多，难以建立精确的数学模型，因此采用试验法整定参数的数值，即根据系统表现出的状态，调节各参数的数值，直至系统达到稳定。

倒立摆系统主程序流程图见图6。其中，U为PID运算的输出值，为输出PWM波形的占空比，由于所选单片机不具备专用PWM输出引脚，需要利用定时器T0模拟其波形输出，定时器T0中断子程序流程图见图7。在本系统中，采样周期选择为10ms，由定时器T1控制，定时器T1中断子程序流程图。

4系统测试

本系统测试所用到的倒立摆模型为自制简易模型，测试过程如下：外力将摆杆拉起至接近倒立状态(与倒立状态相差20°左右);给系统上电，同时撤去外力，观察到摆杆迅速呈倒立状态，经过几次调整，即可长时间保持倒立状态。系统达到稳定状态的效果如图在摆杆保持倒立状态时，施加一扰动，即轻碰摆杆或旋臂，系统经过短时间的调整之后，仍可以自动调节至稳定状态，说明该系统具备较强的鲁棒性。倒立摆作为一种典型的控制系统实验装置，具有非线性、自然不稳定等特性，常用来作为检验某种控制理论或方法是否合理的典型方案。一阶倒立摆系统能用多种理论和方法来实现其稳定控制，如PID、自适应、状态反馈、模糊控制及人工神经元网络等多种理论和方法都能在倒立摆系统控制上得到实现。

1系统构成及工作原理

图1为一阶旋转倒立摆结构示意图。直流电机作为唯一的动力装置，与旋臂保持刚性连接，带动旋臂在水平面内旋转，旋臂的一端通过转轴(本系统选用电位器角度传感器)与摆杆连接，摆杆可做垂直于旋臂的圆周运动。在自然状态下，摆杆为竖直下垂状态。倒立摆控制的目的是通过控制直流电动机的运动状态，使摆杆保持倒立状态。

倒立摆结构示意图

系统工作原理如下：摆杆摆动时，角度传感器检测摆杆的角度，根据角度传感器的输出特性，其输出电压经A/D转换器转换成电压数字量，该数字量与期望的值进行比较产生偏差，通过单片机对该偏差进行处理，即PID控制运算，根据运算结果产生控制信号控制电机和旋臂的转动，使摆杆的角度与期望的角度更接近。

倒立摆控制系统结构框，单片机(51单片机)为控制器，直流电机为执行器，倒立摆为被控对象，倒立摆角度为被控量，角度传感器和模数转换器构成反馈回路。

倒立摆控制系统结构框图

2 倒立摆控制系统的硬件设计

2.1单片机最小系统

该系统中选用了STC90C51单片机，该型单片机

具有以下特点：①八位MCU核，与传统8051兼容;②大容量存储空间，包括64kB程序空间，1280B

SRAM等;③具有4个八位并行I/O口，3个定时/计数器，2个外部中断源和1个全双工UART传输口;④5V供电时，最高支持80MHz振荡频率，具备高速浮点运算能力，适合倒立摆系统等较为复杂的控制系统使用。

51单片机最小系统

2.2摆杆角度检测

检测摆杆角度所用到的角度传感器种类非常多，常用的有电位器式角度传感器、光电编码器、陀螺仪模块等。由于电位器式角度传感器原理简单，检测精度取决于所用A/D转换器的精度，成本相对较低，因此，综合多方面要求，本系统选用电位器式角度传感器。

传感器返回的电压信号无法被单片机直接识别，所以需要通过A/D转换，将模拟电压信号转换为二进制数的形式，然后单片机才能计算出偏差，进而产生相应的输出。A/D转换器常用的有8位和12位输出，在本系统中选用8位A/D转换器即可满足控制要求，其型号选用ADC0809，相应电路原理图见图4。

A/D转换电路

A/D转换器的时钟脉冲为单片机ALE引脚输出的脉冲经74LS74芯片分频之后得到，A/D转换器的8位数字信号通过单片机的P0口进行采集与处理。

2.3驱动电路

本系统选用的直流电机额定电压为24V，额定功率为30W，单片机的I/O口不足以提供如此大的驱动能力，故需采用驱动电路。常用的直流电机驱动芯片为L298N，可驱动两路直流电机，最大驱动电压为46V，最大电流2A～3A，满足设计要求。直流电机驱动电路如图5所示。

直流电机驱动电路

图5中，L298N的ENA为使能端，可作为单片机PWM(脉宽调制)控制端，控制直流电机转速;IN1和IN2为信号输入端，OUT1和OUT2为输出端，输出

状态与输入状态对应，控制直流电机转向。输出端的二极管为续流二极管，起保护电动机线圈的作用。

3倒立摆控制系统的软件设

3.1控制算法

本系统采用PID控制算法，PID算法适用于负荷变化大、容量滞后较大、控制品质要求高的控制系统。PID算法有3个可设定参数，即比例放大系数KP、积分时间常数TI、微分时间常数TD。比例调节的作用是使调节过程趋于稳定，但会产生稳态误差;积分作用可消除被调量的稳态误差，但由于积分饱和等原因可能会使系统振荡甚至使系统不稳定;微分作用能有效地减小动态偏差。其传递函数为：

其中：u(k)为第k个采样时刻的输出;e(k)为第k个采样时刻的偏差值;T为采样周期;KP为比例放大系数;TI为积分时间常数;TD为微分时间常数。

在实时性要求较高的倒立摆系统中，积分作用常常使系统对偏差的调节变慢，使动态相应变慢。因此要尽量弱化或者消除积分作用，使用PD调节规律即可。在该系统中，输入变量为给定值与实际检测到角度的差值，输出变量控制所产生的PWM波形的占空比。由于旋臂、摆杆以及电动机的各项参数很难准确把握，且干扰较多，难以建立精确的数学模型，因此采用试验法整定参数的数值，即根据系统表现出的状态，调节各参数的数值，直至系统达到稳定。

3.2程序流程图

倒立摆系统主程序流程图见图6。其中，U为PID运算的输出值，为输出PWM波形的占空比，由于所选单片机不具备专用PWM输出引脚，需要利用定时器T0模拟其波形输出，定时器T0中断子程序流程图见图7。在本系统中，采样周期选择为10ms，由定时器T1控制，定时器T1中断子程序流程图。

4系统测试

本系统测试所用到的倒立摆模型为自制简易模型，测试过程如下：外力将摆杆拉起至接近倒立状态(与倒立状态相差20°左右);给系统上电，同时撤去外力，观察到摆杆迅速呈倒立状态，经过几次调整，即可长时间保持倒立状态。系统达到稳定状态的效果如图在摆杆保持倒立状态时，施加一扰动，即轻碰摆杆或旋臂，系统经过短时间的调整之后，仍可以自动调节至稳定状态，说明该系统具备较强的鲁棒性。倒立摆作为一种典型的控制系统实验装置，具有非线性、自然不稳定等特性，常用来作为检验某种控制理论或方法是否合理的典型方案。一阶倒立摆系统能用多种理论和方法来实现其稳定控制，如PID、自适应、状态反馈、模糊控制及人工神经元网络等多种理论和方法都能在倒立摆系统控制上得到实现。

1系统构成及工作原理

图1为一阶旋转倒立摆结构示意图。直流电机作为唯一的动力装置，与旋臂保持刚性连接，带动旋臂在水平面内旋转，旋臂的一端通过转轴(本系统选用电位器角度传感器)与摆杆连接，摆杆可做垂直于旋臂的圆周运动。在自然状态下，摆杆为竖直下垂状态。倒立摆控制的目的是通过控制直流电动机的运动状态，使摆杆保持倒立状态。

倒立摆结构示意图

系统工作原理如下：摆杆摆动时，角度传感器检测摆杆的角度，根据角度传感器的输出特性，其输出电压经A/D转换器转换成电压数字量，该数字量与期望的值进行比较产生偏差，通过单片机对该偏差进行处理，即PID控制运算，根据运算结果产生控制信号控制电机和旋臂的转动，使摆杆的角度与期望的角度更接近。

倒立摆控制系统结构框图如图2所示，单片机(51单片机)为控制器，直流电机为执行器，倒立摆为被控对象，倒立摆角度为被控量，角度传感器和模数转换器构成反馈回路。

倒立摆控制系统结构框图

2 倒立摆控制系统的硬件设计

2.1单片机最小系统

该系统中选用了STC90C51单片机，该型单片机

具有以下特点：①八位MCU核，与传统8051兼容;②大容量存储空间，包括64kB程序空间，1280B

SRAM等;③具有4个八位并行I/O口，3个定时/计数器，2个外部中断源和1个全双工UART传输口;④5V供电时，最高支持80MHz振荡频率，具备高速浮点运算能力，适合倒立摆系统等较为复杂的控制系统使用。

51单片机最小系统

2.2摆杆角度检测

检测摆杆角度所用到的角度传感器种类非常多，常用的有电位器式角度传感器、光电编码器、陀螺仪模块等。由于电位器式角度传感器原理简单，检测精度取决于所用A/D转换器的精度，成本相对较低，因此，综合多方面要求，本系统选用电位器式角度传感器。

传感器返回的电压信号无法被单片机直接识别，所以需要通过A/D转换，将模拟电压信号转换为二进制数的形式，然后单片机才能计算出偏差，进而产生相应的输出。A/D转换器常用的有8位和12位输出，在本系统中选用8位A/D转换器即可满足控制要求，其型号选用ADC0809，相应电路原理图。

图4 A/D转换电路

A/D转换器的时钟脉冲为单片机ALE引脚输出的脉冲经74LS74芯片分频之后得到，A/D转换器的8位数字信号通过单片机的P0口进行采集与处理。

2.3驱动电路

本系统选用的直流电机额定电压为24V，额定功率为30W，单片机的I/O口不足以提供如此大的驱动能力，故需采用驱动电路。常用的直流电机驱动芯片为L298N，可驱动两路直流电机，最大驱动电压为46V，最大电流2A～3A，满足设计要求。直流电机驱动电路如图5所示。

图5　直流电机驱动电路

图5中，L298N的ENA为使能端，可作为单片机PWM(脉宽调制)控制端，控制直流电机转速;IN1和IN2为信号输入端，OUT1和OUT2为输出端，输出

状态与输入状态对应，控制直流电机转向。输出端的二极管为续流二极管，起保护电动机线圈的作用。

3倒立摆控制系统的软件设

3.1控制算法

本系统采用PID控制算法，PID算法适用于负荷变化大、容量滞后较大、控制品质要求高的控制系统。PID算法有3个可设定参数，即比例放大系数KP、积分时间常数TI、微分时间常数TD。比例调节的作用是使调节过程趋于稳定，但会产生稳态误差;积分作用可消除被调量的稳态误差，但由于积分饱和等原因可能会使系统振荡甚至使系统不稳定;微分作用能有效地减小动态偏差。其传递函数为：

其中：u(k)为第k个采样时刻的输出;e(k)为第k个采样时刻的偏差值;T为采样周期;KP为比例放大系数;TI为积分时间常数;TD为微分时间常数。

在实时性要求较高的倒立摆系统中，积分作用常常使系统对偏差的调节变慢，使动态相应变慢。因此要尽量弱化或者消除积分作用，使用PD调节规律即可。在该系统中，输入变量为给定值与实际检测到角度的差值，输出变量控制所产生的PWM波形的占空比。由于旋臂、摆杆以及电动机的各项参数很难准确把握，且干扰较多，难以建立精确的数学模型，因此采用试验法整定参数的数值，即根据系统表现出的状态，调节各参数的数值，直至系统达到稳定。

倒立摆系统主程序流程图。其中，U为PID运算的输出值，为输出PWM波形的占空比，由于所选单片机不具备专用PWM输出引脚，需要利用定时器T0模拟其波形输出，定时器T0中断子程序流程图。在本系统中，采样周期选择为10ms，由定时器T1控制，定时器T1中断子程序流程。

4系统测试

本系统测试所用到的倒立摆模型为自制简易模型，测试过程如下：外力将摆杆拉起至接近倒立状态(与倒立状态相差20°左右);给系统上电，同时撤去外力，观察到摆杆迅速呈倒立状态，经过几次调整，即可长时间保持倒立状态。系统达到稳定状态的效果如图在摆杆保持倒立状态时，施加一扰动，即轻碰摆杆或旋臂，系统经过短时间的调整之后，仍可以自动调节至稳定状态，说明该系统具备较强的鲁棒性。

单片机