單片機(jī)控制下雙電機(jī)二維定位系統(tǒng)的思考

摘要：單片機(jī)控制下的雙電機(jī)二維定位系統(tǒng)是在水平方向和豎直方向分別設(shè)置電機(jī)，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)執(zhí)行器件運(yùn)作，攝像頭在執(zhí)行器件運(yùn)作的帶動(dòng)下開始運(yùn)轉(zhuǎn)，也就是說攝像頭的移動(dòng)是受電機(jī)影響的。所以通過對(duì)兩臺(tái)電機(jī)的有效控制可以隨時(shí)隨地改變攝像頭的位置，實(shí)現(xiàn)全方位、立體化的跟蹤定位。本文首先對(duì)單片機(jī)進(jìn)行了概述，然后分析了系統(tǒng)及其驅(qū)動(dòng)主電路的設(shè)計(jì)，最后論述了電機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；雙電機(jī)；二維定位系統(tǒng)；定位

一、單片機(jī)應(yīng)用概述

單片機(jī)因?yàn)槠洫?dú)特的優(yōu)勢(shì)在科技領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，成為推動(dòng)科技發(fā)展的重要因素。單片機(jī)是機(jī)械設(shè)備中的控制器，具有體積小、功能性以及可靠性高的優(yōu)勢(shì)，能夠極大提升機(jī)械的自動(dòng)化水平，現(xiàn)如今，單片機(jī)已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)行業(yè)發(fā)展中主要關(guān)注的話題。單片機(jī)的應(yīng)用可以從本質(zhì)上改變傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法，以往的功能是通過模擬電路或者數(shù)字電路來實(shí)現(xiàn)的，但是現(xiàn)在應(yīng)用單片機(jī)可以通過軟件操作方式來實(shí)現(xiàn)機(jī)器的功能。這種利用軟件取代硬件的控制技術(shù)被行業(yè)內(nèi)稱之為微控制技術(shù)，這是控制技術(shù)發(fā)展歷程中的質(zhì)的飛躍。

二、系統(tǒng)及其驅(qū)動(dòng)主電路設(shè)計(jì)

因?yàn)橹恍枰姍C(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)矩較小的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，所以無需大容量電機(jī)，選擇微型電機(jī)就可以充分滿足系統(tǒng)及其驅(qū)動(dòng)主電路的需求。如果使用常規(guī)的電機(jī)，定子上還要有激磁繞組，這樣就還得在系統(tǒng)中加上定子的激磁電源，不僅極大增加了系統(tǒng)的體積，而且還提升了系統(tǒng)的復(fù)雜性。直流電動(dòng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)快速的啟停操作，能達(dá)到較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和運(yùn)行轉(zhuǎn)矩，再加上直流電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和繞組流過的電流呈現(xiàn)出線性關(guān)系，所以具有良好的可靠性，應(yīng)用操作起來非常方便。

直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能比較好，所以在對(duì)調(diào)速要求較高的生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備中得到了廣泛普及。直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速是通過改變電樞電壓、回路電阻以及磁通來實(shí)現(xiàn)的。具體的調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)速度的方式如下：第一，改變電樞電壓。在激磁電流和電樞回路電阻不變的情況下調(diào)節(jié)電樞電壓可以改變直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，電樞電壓增加，轉(zhuǎn)速隨之升高；電樞電壓降低，轉(zhuǎn)速也隨之降低；第二，改變電樞回路電阻。這種調(diào)速方式在電樞回路中串入電阻，通過串加電阻上的壓降來降低電樞兩側(cè)的電壓，從而減少反電勢(shì)，在磁通不變的前提下，轉(zhuǎn)速就會(huì)降低。但是改變電樞回路電阻方式只能作降低轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，并且效率較低，成本較高，所以在實(shí)際中不常采用這種調(diào)速方式。第三，改變磁通。通過改變激磁電阻來改變激磁電流和磁通，從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。改變磁通的調(diào)速方式只能在電流很小的激磁回路中進(jìn)行調(diào)節(jié)，操作方式較為簡單，不會(huì)損耗較多的能量；但是當(dāng)激磁電阻為零時(shí)的轉(zhuǎn)速是最低轉(zhuǎn)速，所以應(yīng)用這種方式只能升高電機(jī)的轉(zhuǎn)速，而無法作降低調(diào)節(jié)。

三、電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

（一）硬件設(shè)計(jì)

單片機(jī)系統(tǒng)需要完成的任務(wù)主要如下：第一，完成給定的輸入；第二，反饋脈沖的輸入；第三，調(diào)速電壓的控制信號(hào)波的輸出；第四，兩路控制脈沖的輸出。具體的運(yùn)行方式是，單片機(jī)通過異步串行通訊口來接收來自圖像處理器的數(shù)據(jù)信息，然后在內(nèi)部將其轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)將其輸出到主電路中，這樣就可以有效控制電機(jī)的啟停和轉(zhuǎn)向。與此同時(shí)，單片機(jī)還要完成載波的輸出，通過對(duì)斬波電路的控制來加強(qiáng)對(duì)電機(jī)兩端電壓的控制，進(jìn)而調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)電機(jī)正常運(yùn)行之后，單片機(jī)要對(duì)來自廣電碼盤的反饋脈沖進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，通過對(duì)比實(shí)際值與給定值來決定輸出亦或是停止輸出的時(shí)間。

對(duì)電動(dòng)的控制主要可以分為兩大類，一方面是開環(huán)系統(tǒng)。開環(huán)系統(tǒng)比較簡單，僅能滿足常規(guī)的控制要求；另一方面是閉環(huán)系統(tǒng)。閉環(huán)系統(tǒng)較為復(fù)雜，可以滿足精度控制的要求。因?yàn)槎S定位系統(tǒng)的工作范圍是在一個(gè)相對(duì)較小的空間里，所以對(duì)電機(jī)實(shí)際角位移量的精度要求比較高。要想對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行精確控制，就必須要應(yīng)用精度較高的傳感器，將檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換然后反饋給單片機(jī)，單片機(jī)再對(duì)這些數(shù)字量進(jìn)行處理作為對(duì)電機(jī)控制的依據(jù)。檢測(cè)電機(jī)位置是本系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，因?yàn)殡姍C(jī)位置直接決定著電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)，也決定著執(zhí)行器件和攝像頭的位置，這是二維定位的核心環(huán)節(jié)。電機(jī)位置檢測(cè)與反饋設(shè)計(jì)流程圖如下：

電機(jī)碼盤與對(duì)射光偶整形電路單片機(jī)

位置檢測(cè)與反饋原理流程圖

（二）軟件設(shè)計(jì)

要想保證此系統(tǒng)的正常工作，僅靠硬件部分是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要系統(tǒng)軟件的配合才能形成一個(gè)完整的二維定位系統(tǒng)。硬件電路是軟件的重要基礎(chǔ)，軟件程度則可以促進(jìn)硬件電路功能的充分發(fā)揮，并實(shí)現(xiàn)某些硬件電路無法做到的任務(wù)。單片機(jī)控制下雙電機(jī)二維定位系統(tǒng)軟件程序需要具有如下模塊才能實(shí)現(xiàn)功能要求：第一，串口接收上位機(jī)的給定信號(hào)；第二，輸出控制信號(hào)控制電機(jī)的啟動(dòng)及轉(zhuǎn)向；第三，利用單片機(jī)的內(nèi)部計(jì)數(shù)器來精確控制電機(jī)角位移。這種模塊化設(shè)計(jì)形式極大提高了軟件的靈活性，可以有效實(shí)現(xiàn)調(diào)用功能，在系統(tǒng)出現(xiàn)運(yùn)行錯(cuò)誤時(shí)可以及時(shí)準(zhǔn)確地檢查出錯(cuò)誤因素，有效保障了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。本次設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)應(yīng)該采用具有較高移植性和可讀性的C語言進(jìn)行編程，應(yīng)用C語言編程可以實(shí)現(xiàn)軟件的結(jié)構(gòu)化編程，讓軟件的邏輯結(jié)構(gòu)更加清晰，從而確保整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

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作者簡介：黃志飛（1987），男，漢族，廣東清遠(yuǎn)人，嵌入式工程師，研究方向：無刷直流電機(jī)控制技術(shù)及基于單片機(jī)的弱電子技術(shù)開發(fā)。