机的交流伺服电机转速控制系统研究

—匿Ｅ譬Ｅ墨一壑重量；量王望丘垫笪銮速鱼８垦皇熟整逢壁劁丞筮亟窒

基于单片机的交流伺服电机转速控制系统研究

赵磊１，王哈力１，何绪锋２，周永勤１

（１．哈尔滨理工大学黑龙江哈尔滨

１５００４０；２．淄博牵引电机集团公司

山东淄博２５５１００）

摘要：介绍基于ＳＴＣ８９Ｃ５２ＲＣ单片机实现非标准交流伺服电机控制的一种方案，提出一种基于控制继电器的闭合、断开而达到控制脉宽的大小。通过硬件平台的搭建和软件程序，实现闭环控制非标准交流伺服电机滑动磁块的位移，以此控制磁场变化，达到控制电机转速的目的。该方案在伺服电机转速精准的控制中得到了成功的应用，并且控制过程非常平稳，

定位精确度很高，满足了工业现场的需要。

关键词：单片机；伺服电机；转速控制；模糊ＰＩＤ控制中图分类号：ＴＰ３６８

文献标识码：Ａ

文章编号：１００４—３７３Ｘ（２００９）１６—１９６一０３

ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍｏｆＡＣＳｅｒｖｏ——ｍｏｔｏｒＲｏｔａｔｉｏｎａｌＳｐｅｅｄＢａｓｅｄｏｎＳｉｎｇｌｅＣｈｉｐＣｏｍｐｕｔｅｒ

ＺＨＡＯ

（１．ＨａｒｂｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ

Ｌｅｉｌ，ＷＡＮＧＨａｌｌｌ，ＨＥＸｕｆｅｎ９２，ＺＨＯＵＹｏｎｇｑｉｎｌ

８ＬＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ，１５００４０．Ｃｈｉｎａｆ２．ＺｉｂｏＣｉｔｙＤｒａｇｓｔｈｅＥｌｅｃｔｒｉｃＭｏｔｏｒＣｏｎｇｌｏｍｅｒａｔｅ，Ｚｉｂｏ。２５５１００，Ｃｈｉｎａ）

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐｃｏｍｐｕｔｅｒ；ｓｅｒｖｏ—ｍｏｔｏｒ；ｒｏｔａｒｙｓｐｅｅｄｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ；ｆｕｚｚｙＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌ

伺服电机属于控制电机，它分为直流伺服电机和交流伺服电机两种。由于交流伺服电机具有体积小，重量轻，大转矩输出，低惯量和良好的控制性能等优点，已广泛应用于自动控制系统和自动检测系统中作为执行元件，将控制电信号转换为转轴的机械转动［１］。由于伺服电机的定位精度相当高，现代位置控制系统已越来越多地采用以交流伺服电机为主要部件的位置控制系统［２］。这里的设计也正是通过控制继电器的闭合、断开，而达到控制脉宽大小的目的，通过闭环控制非标准交流伺服电机的滑动磁块的位移，利用磁场变化达到控制电机转

速的目的。

轴上的角位移或角速度输出。

２系统硬件设计

本项目实质上采用ＳＴＣ８９Ｃ５２ＲＣ单片机构建一个最小系统，实现脉宽可凋输出控制两个继电器，实现电机正反转智能控制，从而实现伺服电机的精确位移控制ｒ３巧］。控制系统组成如图１所示。

翥裟：

面习一

图１

儿电祸合卜＿叶４绺电器ｈ—叫倒服电机

电机

控制系统硬件框图

１

交流伺服电机控制系统设计方案

通过按键输入电机所需的转速值并与转速传感器反馈回来的电机转速相比较，采用ＰＩＤ算法，经单片机处理后，转化成相应的脉冲信号，再经光电耦合器哺１调节继电器的开度，通过调节继电器的脉冲宽度，达到脉宽的调制，从而控制伺服电机上的磁块正负位移，使电机达到给定的转速值，同时单片机接受固定在伺服电机转轴上的转速传感器随着电机转动而产生的反馈脉冲信号，并在ＬＥＤ实时显示电机的实际转速［７］。

２．１

系统使用的交流伺服电机为三相交流电机；驱动器控制Ｕ／Ｖ／ｗ三相电形成电磁场；转子在此磁场的作用下转动，同时电机由接近传感器将转速信号反馈给驱动器；驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机

收稿日期：２００８—１０—２０

单片机控制器的硬件设计

基金项目：黑龙江省教育厅科学技术资助项目（１１５３１０３１）１９６

在此开发了一套运动控制器的软件系统。该系统

的硬件结构是基于单片机而开发的，所用功能为外部中断、定时中断、检测传感器脉冲信号、及输入／输出等。ＳＴＣ８９Ｃ５２ＲＣ的Ｐ０．０，ＰＯ．１，Ｐｏ．２端口分别作为按键ＳＥＴ、按键ＭＯＶＥ、按键ＵＰ的输入口，通过ＳＴＣ８９Ｃ５２定时器ＴＯ的定时中断控制脉冲发送频率，进而控制电机的转速［８］。系统原理图如图２所示。

３系统软件设计

控制器的软件主要完成ＬＥＤ显示，接受键盘输入，实现伺服电机匀速运行和继电器控制几项功能，包括主程序、按键中断服务程序、定时器ＴＯ中断服务程序及ＬＥＤ显示子程序。在交流伺服电机控制系统中，单片

机的主要作用是产生脉冲序列，它是通过ＳＴＣ８９Ｃ５２ＲＣ的Ｐ３．２口发送的。系统软件编制采用定时器定时中断产生周期性脉冲序列，不使用软件延时，不占用ＣＰＵ。ＣＰＵ在非中断时间内可以处理其他事件，惟有到了中断时间，才驱动伺服电机转动一步［９］。系统程序流

程图如图４所示。３．１按键预置子程序

面板上有３个键与该子程序相关，它们是ＳＥＴ，ＭＯＶＥ和ＵＰ，其功能分别是：ＳＥＴ用来确定设定位，共有４位，包括个位、十位、百位和千位；ＭＯＶＥ用来选择那一位；ＵＰ控制被控位的增加，每次增加，在Ｏ～９之间循环。当用户确定其输入时可按键ＳＥＴ，程序便根据输入的值确定伺服电机工作时的给定转速，最后，将设定值存入对应的变量中，按键子程序流程

如图５所示。

图２系统系统原理图

２．２驱动部分电路的硬件设计

由于单片机属于ＴＴＬ电路（逻辑１和０的电平分别为２．４Ｖ和０．４Ｖ），其Ｉ／Ｏ口输出的开关量控制信号电平无法直接驱动电机，所以在Ｐ２．６口控制升速信号输出端需加入驱动电路㈣；同理该驱动电路也应用于Ｐ２．７口的降速输出端。系统采用光耦耦合器和晶体管作驱动，由光电耦合器输出通道传人控制电机，所以具有很强的抑制噪声干扰能力，起隔离作用，可防止强电磁干扰；晶体管主要起功率放大作用［３］。电机驱动电路

如图３所示。

图４

系统程序流程图

３．２定时中断服务子程序

电机每转动１圈，单片机就中断１次。通过检测两次中断的时间间隔，即通过定时器的计数，就可以算出电机转速。为了实现转速检测需将转速中断配置为最高中断优先级ＩＮＴＯ。中断计数的程序框图如图６

Ｒ

２

所示。

３．３

瓷

ＬＥＤｌ

转速的ＰＩＤ控制算法

作为模糊控制和ＰＩＤ控制相结合的产物，模糊自适应ＰＩＤ控制除具有调速范围宽，调节速度快和不要求掌

图３

电机驱动电路

握受控对象的精确数学模型等优点外，还具备结构简单、容易实现的特点。根据直线电机位置运动规律，模糊自适应ＰＩＤ控制的基本思想是：当误差大时，需加大误差控

】９７

制作用的权重，以快速消除误差，提高系统响应速度；当误差小时，需加大误差变化量控制作用的权重，以避免超调使系统尽快进入稳态。根据上述规律，可设计模糊自适应ＰＩＤ控制系统的模糊推理规则表。表ｌ给出Ｋｒ的模糊调整规则实例。其中，Ｐ（志）和血（惫）分别为位置误差及其变化量。模糊推理规则形式为：

ＩｆＰ（五）＝ＮＢａｎｄ△Ｐ（是）一ＮＭｔｈｅｎＫＰ＝Ｓ

模糊自适应ＰＩＤ控制的原理如图７所示。

图５按键子程序流程图

图６外部中断ＩＮＴＯ

模糊ＰＩＤ的参数调整值为：

Ｋ。＝∑Ｉｇｋｚｊ（ｅ）吒／∑Ｕｋｚｉ（ｅ）

（１）

Ｊ；ｌ

』＝ｌ

式中：＿ｆ为规则条件语句的条数，歹一１，２，…，咒；讥，。（Ｃ，）为各规则语句中Ｋ。的隶属度；ｅ为参数ｚ所取得的模糊子集模糊论域的中心值‘１０’１１｜。

图７模糊ＰＩＤ控制原理

１９８

裹１Ｋ，的模糊调整规则

ＮＢＮＭ

ＮＳ

ＺｏＰＳＰＭ

ＰＢ

ＮＢＢ

ＢＢＢＢＢＢ’

ＮＭＳＢ

Ｂ

ＢＢ

Ｂ

ＳＮＳＳＳＢＢ

ＢＳＳ

Ｚｏ

Ｓ

Ｓ

Ｓ

Ｓ

Ｓ

ＳＳ

ＰＳ

Ｓ

ＳＢＢＢＳ

ＳＰＭＳ

ＢＢＢＢＢＳＰＢ

Ｂ

Ｂ

Ｂ

Ｂ

Ｂ

Ｂ

Ｂ

在实现了电机转速的实时检测之后，就可以采用闭环控制来调节电机的转速。转速的控制框图如图８所示。其计算如式（２）所示：

△Ｎ＝Ｎ，一Ｎ

（２）

式中：Ｎ，为由按键设定的转速；Ｎ为实际的转速输出值。ＰＩ控制器由ＳＴＣ８９Ｃ５２ＲＣ单片机通过编程实现实际转速与设定转速之间的控制偏差△Ｎ。

图８转速控制框图

４结

语

该系统研究以单片机作为控制器，对非标准交流伺

服电机进行控制，有效利用单片机内部资源以及详细了解相应电机运动控制系统的运行特性，在生产调速电机的配套装置实际应用中，降低了系统的成本，提高了系

统的性能。

参考文献

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出版社，２０００．

（下转第２０１页）

４结语

通过对无人机应急电源端电压变化率的监测得到

模糊化

了模糊控制所依据的最佳充电电压曲线，以此曲线为输入量设计了模糊控制策略表，并实现智能跟踪模糊控制。通过与传统充电方法对比证实，这种基于模糊控制的无人机应急电源快速充电方法具有以下优点：充电速度大大加快、电池温升低，充电按照最佳曲线不损坏电源等。可见，采用该技术可以实现无人机应急电源充电过程的快速化和智能化，对无人机武器系统作战能力的稳定发挥具有重大意义。

模糊决策

；解模糊

图３系统的组成框图参考文献

［１３王宏新，刘长亮．无人机机电设备构造与维修［Ｄ］．武汉：武

汉军械士官学校。２００７．

３．１微处理机模块

图３中模糊化、模糊决策以及解模糊环节都是在微处理机模块中完成的。在此选用Ｍｏｔｏｒｏｌａ公司的单片

机ＭＣ６８ＨＣ０５ＳＲ３，其内部资源丰富，ＲＯＭ和ＲＡＭ空

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［３］高田。景占荣，羊彦，等．蓄电池快速充电模糊控制技术的研

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间较大，便于实施模糊控制。另外，它还带有４个Ａ／Ｄ转换器，十分便于对模拟量的检测。由该单片机与相应的接口电路配合，构成系统的控制核心。

３．２

负反馈电路

电压电流检测电路是通过Ａ／Ｄ转换器检测系统充

［５］许钊．查表式模糊控制器优化策略研究［Ｊ］．中国电力教育，

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电电流的；电池端电压、电池温度等参数是通过采样电

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路、热敏电阻等形成负反馈回路参与控制的。

３．３

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［８］程武山．智能控制理论与应用［Ｍ］．上海：上海交通大学出

版社，２００６．

充电电流输出电路

首先，变流电路通过脉宽调制方式把交流市电转换

为所需的直流电压，然后根据负反馈电路检测系统得到的充电电压、电流，经微处理机模块计算出最佳变化量，将此变化量加到充电电路中，经ＰＷＭ输出，便得到所

需的最佳充电电流。

［９３刘高明，毛景魁．基于单片机的镍氢电池充电控制器设计

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［１０］孙增圻．智能控制理论与技术［Ｍ］．北京：清华大学出版

社，２００４．

作者简介

刘长亮郭相刘

男，１９８０年出生，山东临邑人，硕士，助理讲师。主要从事无人机技术与运用、系统集成等方面的工作。男，１９８３年出生，山西大同人，硕士研究生，助理讲师。主要从事无人机化学材料等方面的工作。男，１９８２年出生，江苏盐城人，助理讲师。主要从事无人机机械设计与制造方面的工作。

琳女，１９７８年出生，河南洛阳人，博士研究生。助理讲师。主要从事航天航空材料工程等方面的工作。

孙烨

（上接第１９８页）

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ＭｉｃｈｅａｌＷ，ＧａｒｃｉａＰａｂｌｏ，ｅｔａ１．Ｃｏｍ—

Ｍｅｅｔｉｎｇ［Ｃ］．２００３：１

１４２—１１４９．

ＳｐｅｅｄＥｓｔｉｍａｔｏｒｆｏｒＨｉｇｈＰｅｒｆｏｒ—

［１１］Ｌｅｖｉｅ，ＷａｎｇＭｉｎｇｙｕ．Ａ

ｒｌＯ］Ｂｒｉｚ

Ｆｅｍａｎｄｏ，Ｄｅｇｎｅｒ

ｍａｎｃｅＳｅｎｓｏｒｌｅｓｓＣｏｎｔｒｏｌｏｆＩｎｄｕｃｔｉｏｎＭｏｔｏｒｓｉｎｔｈｅＦｉｅｌｄ

ＣｏｎｔｒｏｌＴｅｃｈｎｉｑｕｅｓ

ｐａｒｉｓｏｎｏｆＳａｌｉｅｎｃｙ—ｂａｓｅｄＳｅｎｓｏｒｌｅｓｓｆｏｒＡＣ

ＷｅａｋｅｎｉｎｇＲｅｇｉｏｎ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ｏｎＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，

２００２，１７（３）：３６５—３７８．

Ｍａｃｈｉｎｅｓ［Ａ］．Ｃｏｎｆ．Ｒｅｃｏｒｄ

赵

磊

ｏｆＩＥＥＥ—ＩＡＳＡｎｎｕａｌ

作者简介

男，哈尔滨人，硕士研究生。主要从事电机驱动与控制领域的研究。女，哈尔滨理工大学教授。主要从事电机驱动与控制领域的研究。男，主要从事电机电器及其控制的研究。

２０１

王哈力

何绪锋

．

基于单片机的交流伺服电机转速控制系统研究

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

赵磊， 王哈力， 何绪锋， 周永勤， ZHAO Lei， WANG Hali， HE Xufeng， ZHOUYongqin

赵磊,王哈力,周永勤,ZHAO Lei,WANG Hali,ZHOU Yongqin(哈尔滨理工大学,黑龙江,哈尔滨,150040)， 何绪锋,HE Xufeng(淄博牵引电机集团公司,山东,淄博,255100)现代电子技术

MODERN ELECTRONICS TECHNIQUE2009，32(16)1次

参考文献(11条)

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相似文献(10条)

1.学位论文 葛永强 基于AVR单片机的伺服电机系统研究 2007

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本课题采用ATMEL公司系列单片机ATmega8以及ST MICROELECTRONICS公司的L6235构成控制电路，以无刷直流电机作为执行机构，兼顾成本与性能要求，做了以下方面的工作：

首先，从实际要求与理论基础结合简述了本实验图像处理的方法。

其次，在理论基础上对系统的主要执行机构-无刷直流电机的特性进行了研究：

另外，，根据AVR单片机以及无刷直流电动机的专用控制芯片L6235的特点详细设计了系统的控制策略，包括硬件电路的设计制造，软件的编制等。在此之中最为重要的是我们结合主控电路与实际现场的要求从硬件与软件两个方面设计了电机位置检测电路。通过自制光电码盘与单片机的计数器功能相结合实现了整个系统的闭环控制，得到了较好的控制效果。

最后，我们完整的制作了实验样机，并且通过实验室观测及实地运行，验证了系统运行的可行性。

由此得出结论：本课题设计的基于图像处理的电机控制系统具有运行性能良好，可靠性高，升级换代容易的特点，为后续的研究工作以及正式应用于实践当中提供了一定的基础。

2.期刊论文 杨旭辉.翁惠辉.肖红毅.YANG Xu-hui.WENG Hui-hui.XIAO Hong-yi 基于P87LPC768单片机的直流伺服电机转速控制 -自动化技术与应用2005,24(11)

本文介绍的基于单片机的直流伺服电机调速系统,以低价位的P87LPC768单片机为核心,利用自带的PWM信号发生器以及丰富的中断资源,实现了对直流伺服电机转速的实时检测和闭环控制.

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本系统的控制对象是核磁共振成像仪的床体，实现床体的纵向运动和横向运动控制及检测功能，纵向运动采用直流伺服电机驱动，横向运动采用直流步进电机驱动。床体同时具有现场手动控制和主机远程控制两种控制方式。控制系统主要由控制单元、执行机构、检测单元和显示单元四部分构成。系统设计了AVR系列单片机与MAX Ⅱ系列CPLD相结合的核心控制器，采用PWM方式控制直流伺服电机。闭环PI调节调节器的应用，使控制系统具有良好的动态和静态性能。对直流步进电机采用驱动器开环控制方式。

为了降低系统内不同等级电压间的相互干扰，本设计将控制部分与功率部分放置在不同电路板上。系统的硬件电路板主要包括主控制板、显示按键板、电机驱动板。主控制板是系统的核心部分，包括以单片机和CPID为主控元件控制核心，位置信号滤波电路，电平转换电路，串口通信电路，电流信

电机驱动板是系统直接连接两台被控电机的执行部分，主要包括直流伺服电机驱动电路、步进电机驱动电路和过流保护电路。

本系统的软件设计包括两个部分，单片机程序设计和CPID程序设计。AVR单片机采用ICC语言，采用模块化设计，增加了程序的可读性和可移植性。主要的程序模块有：主程序、按键扫描模块、动态显示输出模块、PWM波控制模块、纵向运动测试模块、横向运动测试模块、寿命测试模块等。CPID采用QuartusⅡ平台开发，采用原理图输入的方式，实现显示信号编码、步进电机驱动脉冲计数、横向位置计算等功能。

本文最后在对运动控制与检测系统在实际应用中的情况进行了实验研究，并提出了部分改进方案。目前该系统已应用于GE公司的核磁共振成像仪床体的生产与实验。系统能够对床体部分独立进行检测，解决了安装全部系统带来的不便，缩短了生产周期，同时，为今后开发功能更完善、性能更先进的运动控制与检测系统奠定了良好的基础。

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　　 本文的章节内容安排如下:
　　

第一章为绪论，简述了本文的课题背景及PWM技术在国内外的研究现状，指出了本文的研究目标及研究内容。
　　 第二章综述了PWM控制的基本原理及控制方法，介绍了PWM技术在电机驱动控制中的应用。
　　

第三章对步进电机细分驱动控制进行研究，介绍了步进电机的特点及工作原理，主要介绍步进电机细分控制的电路组成、原理及控制方法，并介绍了几种常用的控制芯片。
　　

第四章对伺服电机的控制进行研究，介绍了交、直流伺服电机的工作原理及控制方法，并对一个直流伺服电机的转速控制系统做了简要介绍。
　　 第五章具体介绍了基于单片机与CPLD的步进电机PWM驱动电路的工作原理、电路构成、实现方法以及安装调试，给步进电机PWM驱动控制的研究提供借鉴。
　　

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7.学位论文 史文华 PIC单片机控制精密张力系统的试验研究 2004

纤维缠绕张力是复合材料缠绕成型工艺中重要的控制参数,直接影响着缠绕制品的质量.张力控制是纤维缠绕工艺中的关键技术之一,合理的张力值能否得以准确和稳定的实施,取决于张力控制系统.该文首先回顾了复合材料的发展和应用,总结了国内外纤维缠绕技术及张力器的发展概况.在对张力系统的组成和工作原理进行了分析和研究后,提出了以PIC单片机系统为控制器,以交流数字伺服电机为执行元件,用半径跟随臂补偿纱团半径变化的闭环张力控制系统.交流数字伺服电机工作在速度控制方式下,同时对电机进行转矩限定,利用伺服系统的转矩与速度反馈信号实现张力闭环控制,提高了张力控制精度.伺服电机既作为执行元件又作为回纱电机,因而简化了控制系统.文中建立了张力控制系统的数学模型,分析了控制系统的工作原理.在探讨了PID控制算法及其离散化方法以后,提出张力系统应采用积分分离式数字PID控制方法.该张力控制系统以PIC单片机系统为控制器,在设计并完成了系统的硬件电路之后,编写了张力控制系统运行的程序,并对软、硬件系统进行了调试,从而保证了PIC单片机系统能够顺利完成本张力系统控制器的功能.对张力控制系统内外部参数进行整定之后,对整个控制系统进行了试验研究.通过试验以及对试验结果的分析,得出了该张力控制系统的静差率,系统对张力设定值变化的响应时间,回纱时间等参数,证明了该控制方案的可行性.该张力控制系统稳定性好,反应速度快,控制精度较高.

8.期刊论文 孙佐.SUN Zuo 基于8XC196单片机的EPA和PTS实现伺服电机控制 -组合机床与自动化加工技术2005,""(5)

在工厂自动化、工业控制和机器人等领域,广泛使用伺服电机控制系统.文章分析了其控制器的硬件结构和软件的实现,着重阐述了利用80C196KR单片机的EPA组件和PTS功能,实现伺服电机控制系统的位置和速度检测与控制.采用8XC196单片机作为控制器的数字伺服系统不仅有体积小、可靠性高、价格低廉等优点,而且在性能上大大优于模拟伺服系统,控制精度高、响应速度快.

9.学位论文 杨强 数字化伺服系统的设计 2001

该文详细阐述利用80C196MC单片机实现的数字化直流伺服系统.该系统由两片80C196MC单片机、26C64、14ZSZ转换器、电机驱动电路、限流电路、直流伺服电机等组成.并对系统进行硬、软件设计.仿真效果良好.

10.学位论文 郑列勤 基于伺服控制的万能材料试验机的测控系统的研究 2006

材料试验机是应用广泛的材料性能研究检测的重要仪器设备，主要功能是对材料、零件、构件的力学性能和工艺性能进行测试。在国民经济各行业产品检测、质量控制中起着重要作用。目前试验机行业中，有单片机测控系统和微机测控系统两种模式，微机测控系统与伺服驱动系统的组合是一个比较完善的材料试验机控制方案。本文详细论述了基于伺服控制的万能材料试验机测控系统的硬件选型、调理电路板设计、软件功能模块设计、各个重要模块的实现方法，其中包括：开机界面，密码管理模块，密码设置修改、材料选择、测试方法、电机控制、旧档回访、屏幕显示控制、系统校正、通道配置、报表定制等；并介绍了在材料试验机系统中使用伺服电机的控制策略、实现力量等闭环控制的数字PID相关理论等；探讨了在Labview虚拟仪器环境下进行加密的各种方法，并介绍了采用C8051F320高性能单片机制作Labview环境下软件狗的硬件电路设计和软件编制；分析了系统各种干扰产生的原因和抗干扰措施；开发了相应的软硬件，对相关性能进行了试验验证，达到了预期的效果。

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