基于單片機(jī)的電機(jī)控制系統(tǒng)研究

摘 要 電機(jī)控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠并且維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用范圍遍及工業(yè)界各大領(lǐng)域。單片機(jī)作為電機(jī)控制系統(tǒng)的處理器大大降低了成本，同時(shí)也極大的簡(jiǎn)化了PCB板的布線，使得PCB布線較為容易。單片機(jī)電機(jī)控制系統(tǒng)采用軟件控制，具有速度快，精度高，操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。隨著制造業(yè)技術(shù)的發(fā)展以及機(jī)電一體化、設(shè)備自動(dòng)化的需求，要求電機(jī)控制系統(tǒng)具備高效率、高精度及高可靠性，因此采用單片機(jī)控制電機(jī)系統(tǒng)已成為必然的趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞 單片機(jī)；電機(jī)控制；控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP368 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）17-0009-02

1 緒論

由于電機(jī)控制系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于日常生活的各個(gè)領(lǐng)域，所以對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)的研究一直很活躍。傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)會(huì)消耗大量的電子器件，調(diào)試安裝復(fù)雜，而且控制方案的更改需要重新設(shè)計(jì)電路，這無(wú)疑對(duì)控制系統(tǒng)的升級(jí)非常不利?；趩纹瑱C(jī)的電機(jī)控制系統(tǒng)可以借助軟件控制電機(jī)，克服了傳統(tǒng)的電機(jī)控制系統(tǒng)的劣勢(shì)，所以受到廣大研究人員的青睞。

單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展歷史及應(yīng)用領(lǐng)域決定了基于單片機(jī)的電機(jī)控制系統(tǒng)必然會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景；另外，當(dāng)前智能家居、智能化的應(yīng)用需求也決定了控制系統(tǒng)的發(fā)展方向，所以說(shuō)研究基于單片機(jī)的電機(jī)控制系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 單片機(jī)及控制系統(tǒng)

根據(jù)單片機(jī)在控制系統(tǒng)中的作用，可以將控制系統(tǒng)分為電機(jī)控制系統(tǒng)、基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)以及電機(jī)控制的單片機(jī)系統(tǒng)三大類[1]。

電機(jī)控制系統(tǒng)由脈沖控制器、環(huán)形分配器、驅(qū)動(dòng)電路以及電機(jī)四大部分組成，主要是通過(guò)脈沖控制器發(fā)出脈沖控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)環(huán)形分配器進(jìn)行分配，然后傳送到驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)功率放大，以便獲取足夠的功率的方式使電機(jī)運(yùn)作。

單片機(jī)的控制系統(tǒng)也由四部分組成，即單片機(jī)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電機(jī)以及外圍電路。單片機(jī)的控制系統(tǒng)采用了軟件和硬件相結(jié)合的方法，以便達(dá)到對(duì)單片機(jī)的最佳控制。由于單片機(jī)具有強(qiáng)大的功能，因此在設(shè)計(jì)中還可以根據(jù)實(shí)際需求增加許多外圍線路，例如可以通過(guò)鍵盤來(lái)控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)（正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)），停止等。

單片機(jī)的控制系統(tǒng)有許多優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于一些較為復(fù)雜的控制過(guò)程并且控制精度要求較高，可以通過(guò)編寫(xiě)程序語(yǔ)句來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制和高精度控制，環(huán)形分配器采用軟件，僅需要設(shè)定單片機(jī)，對(duì)于同種電路結(jié)構(gòu)可以控制和驅(qū)動(dòng)多種電機(jī)，從而極大的提高了與單片機(jī)接口的電機(jī)電路的通用性和靈活性；并且單片機(jī)使外圍電路如鍵盤電路有機(jī)結(jié)合，大大提高了交互性。在數(shù)字控制系統(tǒng)中用單片機(jī)作為處理器，與模擬控制系統(tǒng)相比控制精度較高，不會(huì)產(chǎn)生控制系統(tǒng)的零點(diǎn)漂移。數(shù)字控制系統(tǒng)采用軟件來(lái)控制，實(shí)現(xiàn)了高速度，高精度的要求。對(duì)于系統(tǒng)升級(jí)、系統(tǒng)調(diào)試或者更改控制方式，只需更改程序。

隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)的需求也不斷提高，出現(xiàn)了專用于電機(jī)控制的單片機(jī)，主要是在單片機(jī)內(nèi)部增加了高速轉(zhuǎn)換器、輸出端以及捕獲功能等。進(jìn)入單片機(jī)的模擬信號(hào)，首先要經(jīng)過(guò)高速轉(zhuǎn)換器，以保證采樣的精確性，通過(guò)捕獲功能來(lái)對(duì)其進(jìn)行測(cè)頻。單片機(jī)的工作效率逐漸的提高，有的單片機(jī)甚至可以與DSP相比較，單片機(jī)的速度越快，越容易勝任復(fù)雜的算法，實(shí)時(shí)的跟蹤系統(tǒng)。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于電機(jī)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，大多數(shù)的設(shè)計(jì)主要集中在調(diào)節(jié)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩上，按照需要來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在電機(jī)控制系統(tǒng)中繞阻產(chǎn)生的磁距與繞阻上的電流成正比，而繞阻電流由繞阻上的電壓來(lái)控制，繞阻上的電壓起源于逆變單元，受控于驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管的占空比。因此，繞阻上的電壓可以通過(guò)改變占空比來(lái)調(diào)節(jié)，從而調(diào)節(jié)磁轉(zhuǎn)矩，最終來(lái)控制轉(zhuǎn)速。

為了提高電機(jī)控制系統(tǒng)的性能參數(shù)，多數(shù)情況下電機(jī)控制系統(tǒng)采用閉環(huán)電機(jī)控制方式，其中轉(zhuǎn)速閉環(huán)電機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)最常見(jiàn)的閉環(huán)電機(jī)控制系統(tǒng)[2]。調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速最有效的方法是調(diào)節(jié)電驅(qū)電流，通過(guò)調(diào)節(jié)電驅(qū)電流可以獲得高性能的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速響應(yīng)，電流控制環(huán)在構(gòu)建電機(jī)控制系統(tǒng)中十分關(guān)鍵。為了實(shí)現(xiàn)分別反饋轉(zhuǎn)速和電流的所起的作用，系統(tǒng)可以通過(guò)串聯(lián)結(jié)構(gòu)分別設(shè)置轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器，電流調(diào)節(jié)器的輸出工作于逆變器，而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用于電流調(diào)節(jié)器的輸入，最終達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的作用。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)看，外環(huán)為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外，內(nèi)環(huán)為電流調(diào)節(jié)環(huán)在內(nèi)。在雙閉環(huán)（轉(zhuǎn)速，電流均閉環(huán)）電機(jī)控制系統(tǒng)中，單閉環(huán)電機(jī)控制系統(tǒng)中的調(diào)速優(yōu)點(diǎn)被保留，能夠保證轉(zhuǎn)速隨著需求而變化，其不同點(diǎn)是電流調(diào)節(jié)器提供輸出，輸出的大小決定了電流的最大值。電流調(diào)節(jié)器的作用是電流隨給定值的變化而變化，啟動(dòng)時(shí)保證最大的轉(zhuǎn)矩能夠快速啟動(dòng)，從而起到抗干擾的作用。

在電子控制系統(tǒng)的研究過(guò)程中，對(duì)控制系統(tǒng)的原理進(jìn)行仿真是非常必要的，仿真能夠指導(dǎo)電機(jī)控制系統(tǒng)中軟硬件的設(shè)計(jì)。最常用的仿真軟件是MATLAB中的simulink，包括動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中的模型建立，仿真以及綜合環(huán)境進(jìn)行分析。接下來(lái)本文介紹基于單片機(jī)的電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)的

仿真。

電機(jī)控制系統(tǒng)中的硬件設(shè)計(jì)分為控制電路以及功率電路兩大模塊，分別設(shè)計(jì)PCB板，這樣控制板的設(shè)計(jì)更加方便，快捷，可以應(yīng)用于各種環(huán)境中。電機(jī)控制系統(tǒng)中的硬件結(jié)構(gòu)多采用交、直、交的變換方式，通過(guò)功率板將相電流信號(hào)和轉(zhuǎn)子位置信號(hào)傳輸給電機(jī)控制電路，功率板接口電路的作用是借助光電隔離電路將控制電路中的信號(hào)傳送給驅(qū)動(dòng)電路。其中功率電路的設(shè)計(jì)在整個(gè)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)十分重要，是整個(gè)電機(jī)控制系統(tǒng)能量的來(lái)源。在設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件部分時(shí)，一般需要考慮整流電路部分、功率驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)電路以及印制電路板上的電磁兼容性等[3]。

整流電路的主要作用是降低電機(jī)控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，并提高控制系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性；它可依據(jù)逆變器驅(qū)動(dòng)的三相交流電機(jī)劃分為單相和三相橋式兩種。如果額定線電壓是220伏特，采用單相橋式整流電路即可；如果額定線電壓高達(dá)380伏特，則需要采用三相橋式整流電路。在設(shè)計(jì)智能驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，采用的是IR公司的IRAMS09VQ1B智能集成電路，它具有一些優(yōu)良的特性，比如可以監(jiān)視溫度和電流，在過(guò)溫或過(guò)流時(shí)可以自動(dòng)停機(jī)等。IRAMS09VQ1B對(duì)系統(tǒng)硬件電路進(jìn)行了簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)，另外，與分離元件組成的功率驅(qū)動(dòng)電路相比，IRAMS09VQ1B具備更好的穩(wěn)定性、可靠性和安全性。電機(jī)控制系統(tǒng)中的位置傳感器的作用如下：檢測(cè)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置、提供電機(jī)相繞組的換相信號(hào)。endprint

圖1 仿真結(jié)果

軟件設(shè)計(jì)的主要目的是利用軟件編程，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)的脈沖分配，從而保證電機(jī)控制系統(tǒng)的正常工作。為了使電機(jī)控制系統(tǒng)具備更強(qiáng)的帶負(fù)載能力，可以選擇四相八拍驅(qū)動(dòng)方式，通電順序可以描述為[4]：A相線圈先通電，接下來(lái)轉(zhuǎn)換到A、B線圈都通電，然后只給B相線圈通電，然后再給B、C線圈通電，依此類推，當(dāng)電機(jī)的定子繞組按照一定的順序通電后，就可以帶動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)?？梢酝ㄟ^(guò)程序控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向（正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)）和轉(zhuǎn)速（低中高速），并進(jìn)行轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)換。

在仿真基于單片機(jī)的電機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)，采用的是無(wú)刷直流電機(jī)，其結(jié)構(gòu)形式為外轉(zhuǎn)子、內(nèi)轉(zhuǎn)子，且電機(jī)的參數(shù)為：功率是300瓦，額定電壓是220伏特，額定轉(zhuǎn)矩是0.02Nm；電機(jī)繞組中安裝的是霍爾位置傳感器，控制算法方面采取的是PID控制方式。仿真結(jié)果如圖1所示。

由仿真結(jié)果可以看出，在啟動(dòng)過(guò)程的第一階段，隨著電流的上升，ASR的輸入很快會(huì)達(dá)到極大值；第二階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到給定值后，反饋電壓和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)速達(dá)到一定的平衡，階躍響應(yīng)保持在一個(gè)較小的振幅內(nèi)。

4 結(jié)論

本文首先闡述了研究基于單片機(jī)的電機(jī)控制系統(tǒng)的必要性，接下來(lái)分析了電機(jī)控制系統(tǒng)和應(yīng)用于其中的單片機(jī)技術(shù)，最后設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于單片機(jī)的電機(jī)控制系統(tǒng)，分析了其硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)控制方法的仿真。實(shí)踐證明，本文設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的電機(jī)控制系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]陶曉玲，姚竹亭，劉春力.基于單片機(jī)的單相齒輪減速同步電機(jī)控制系統(tǒng).中北大學(xué)[J].電子世界，2012，8（15）.

[2]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，2013，03（05）.

[3]龐秀琴.基于Atmel89C52單片機(jī)4相混合式步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].山西煤炭管理干部學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，05（25）.

[4]陳修波，蔣德云，張志林，等.基于MC9S12XS128的無(wú)刷直流電機(jī)控制器設(shè)計(jì)[J].山東交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，03（15）.

作者簡(jiǎn)介

陳華林（1970-），女，湖北武漢人，講師，大本工程碩士，研究方向：電子及光電子。endprint

圖1 仿真結(jié)果

軟件設(shè)計(jì)的主要目的是利用軟件編程，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)的脈沖分配，從而保證電機(jī)控制系統(tǒng)的正常工作。為了使電機(jī)控制系統(tǒng)具備更強(qiáng)的帶負(fù)載能力，可以選擇四相八拍驅(qū)動(dòng)方式，通電順序可以描述為[4]：A相線圈先通電，接下來(lái)轉(zhuǎn)換到A、B線圈都通電，然后只給B相線圈通電，然后再給B、C線圈通電，依此類推，當(dāng)電機(jī)的定子繞組按照一定的順序通電后，就可以帶動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)?？梢酝ㄟ^(guò)程序控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向（正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)）和轉(zhuǎn)速（低中高速），并進(jìn)行轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)換。

在仿真基于單片機(jī)的電機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)，采用的是無(wú)刷直流電機(jī)，其結(jié)構(gòu)形式為外轉(zhuǎn)子、內(nèi)轉(zhuǎn)子，且電機(jī)的參數(shù)為：功率是300瓦，額定電壓是220伏特，額定轉(zhuǎn)矩是0.02Nm；電機(jī)繞組中安裝的是霍爾位置傳感器，控制算法方面采取的是PID控制方式。仿真結(jié)果如圖1所示。

由仿真結(jié)果可以看出，在啟動(dòng)過(guò)程的第一階段，隨著電流的上升，ASR的輸入很快會(huì)達(dá)到極大值；第二階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到給定值后，反饋電壓和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)速達(dá)到一定的平衡，階躍響應(yīng)保持在一個(gè)較小的振幅內(nèi)。

4 結(jié)論

本文首先闡述了研究基于單片機(jī)的電機(jī)控制系統(tǒng)的必要性，接下來(lái)分析了電機(jī)控制系統(tǒng)和應(yīng)用于其中的單片機(jī)技術(shù)，最后設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于單片機(jī)的電機(jī)控制系統(tǒng)，分析了其硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)控制方法的仿真。實(shí)踐證明，本文設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的電機(jī)控制系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)

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[4]陳修波，蔣德云，張志林，等.基于MC9S12XS128的無(wú)刷直流電機(jī)控制器設(shè)計(jì)[J].山東交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，03（15）.

作者簡(jiǎn)介

陳華林（1970-），女，湖北武漢人，講師，大本工程碩士，研究方向：電子及光電子。endprint

圖1 仿真結(jié)果

軟件設(shè)計(jì)的主要目的是利用軟件編程，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)的脈沖分配，從而保證電機(jī)控制系統(tǒng)的正常工作。為了使電機(jī)控制系統(tǒng)具備更強(qiáng)的帶負(fù)載能力，可以選擇四相八拍驅(qū)動(dòng)方式，通電順序可以描述為[4]：A相線圈先通電，接下來(lái)轉(zhuǎn)換到A、B線圈都通電，然后只給B相線圈通電，然后再給B、C線圈通電，依此類推，當(dāng)電機(jī)的定子繞組按照一定的順序通電后，就可以帶動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)?？梢酝ㄟ^(guò)程序控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向（正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)）和轉(zhuǎn)速（低中高速），并進(jìn)行轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)換。

在仿真基于單片機(jī)的電機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)，采用的是無(wú)刷直流電機(jī)，其結(jié)構(gòu)形式為外轉(zhuǎn)子、內(nèi)轉(zhuǎn)子，且電機(jī)的參數(shù)為：功率是300瓦，額定電壓是220伏特，額定轉(zhuǎn)矩是0.02Nm；電機(jī)繞組中安裝的是霍爾位置傳感器，控制算法方面采取的是PID控制方式。仿真結(jié)果如圖1所示。

由仿真結(jié)果可以看出，在啟動(dòng)過(guò)程的第一階段，隨著電流的上升，ASR的輸入很快會(huì)達(dá)到極大值；第二階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到給定值后，反饋電壓和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)速達(dá)到一定的平衡，階躍響應(yīng)保持在一個(gè)較小的振幅內(nèi)。

4 結(jié)論

本文首先闡述了研究基于單片機(jī)的電機(jī)控制系統(tǒng)的必要性，接下來(lái)分析了電機(jī)控制系統(tǒng)和應(yīng)用于其中的單片機(jī)技術(shù)，最后設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于單片機(jī)的電機(jī)控制系統(tǒng)，分析了其硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)控制方法的仿真。實(shí)踐證明，本文設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的電機(jī)控制系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)

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[2]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，2013，03（05）.

[3]龐秀琴.基于Atmel89C52單片機(jī)4相混合式步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].山西煤炭管理干部學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，05（25）.

[4]陳修波，蔣德云，張志林，等.基于MC9S12XS128的無(wú)刷直流電機(jī)控制器設(shè)計(jì)[J].山東交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，03（15）.

作者簡(jiǎn)介

陳華林（1970-），女，湖北武漢人，講師，大本工程碩士，研究方向：電子及光電子。endprint