基于单片机的电机控制系统研究

摘 要 电机控制系统具有结构简单，运行可靠并且维护方便等优点，应用范围遍及工业界各大领域。单片机作为电机控制系统的处理器大大降低了成本，同时也极大的简化了PCB板的布线，使得PCB布线较为容易。单片机电机控制系统采用软件控制，具有速度快，精度高，操作简便等特点。随着制造业技术的发展以及机电一体化、设备自动化的需求，要求电机控制系统具备高效率、高精度及高可靠性，因此采用单片机控制电机系统已成为必然的趋势。

关键词 单片机；电机控制；控制系统

中图分类号：TP368 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）17-0009-02

1 绪论

由于电机控制系统已经应用于日常生活的各个领域，所以对电机控制系统的研究一直很活跃。传统的步进电机控制系统会消耗大量的电子器件，调试安装复杂，而且控制方案的更改需要重新设计电路，这无疑对控制系统的升级非常不利。基于单片机的电机控制系统可以借助软件控制电机，克服了传统的电机控制系统的劣势，所以受到广大研究人员的青睐。

单片机技术的发展历史及应用领域决定了基于单片机的电机控制系统必然会有广阔的应用前景；另外，当前智能家居、智能化的应用需求也决定了控制系统的发展方向，所以说研究基于单片机的电机控制系统具有重要的现实意义。

2 单片机及控制系统

根据单片机在控制系统中的作用，可以将控制系统分为电机控制系统、基于单片机的控制系统以及电机控制的单片机系统三大类[1]。

电机控制系统由脉冲控制器、环形分配器、驱动电路以及电机四大部分组成，主要是通过脉冲控制器发出脉冲控制信号，经过环形分配器进行分配，然后传送到驱动电路，实现功率放大，以便获取足够的功率的方式使电机运作。

单片机的控制系统也由四部分组成，即单片机系统、驱动系统、电机以及电路。单片机的控制系统采用了软件和硬件相结合的方法，以便达到对单片机的最佳控制。由于单片机具有强大的功能，因此在设计中还可以根据实际需求增加许多线路，例如可以通过键盘来控制电机的运转（正转、反转），停止等。

单片机的控制系统有许多优点，对于一些较为复杂的控制过程并且控制精度要求较高，可以通过编写程序语句来实现自动化控制和高精度控制，环形分配器采用软件，仅需要设定单片机，对于同种电路结构可以控制和驱动多种电机，从而极大的提高了与单片机接口的电机电路的通用性和灵活性；并且单片机使电路如键盘电路有机结合，大大提高了交互性。在数字控制系统中用单片机作为处理器，与模拟控制系统相比控制精度较高，不会产生控制系统的零点漂移。数字控制系统采用软件来控制，实现了高速度，高精度的要求。对于系统升级、系统调试或者更改控制方式，只需更改程序。

随着电子技术的高速发展，对电机控制系统的需求也不断提高，出现了专用于电机控制的单片机，主要是在单片机内部增加了高速转换器、输出端以及捕获功能等。进入单片机的模拟信号，首先要经过高速转换器，以保证采样的精确性，通过捕获功能来对其进行测频。单片机的工作效率逐渐的提高，有的单片机甚至可以与DSP相比较，单片机的速度越快，越容易胜任复杂的算法，实时的跟踪系统。

3 控制系统设计

对于电机控制系统来说，大多数的设计主要集中在调节电机的电磁转矩上，按照需要来控制电机的转速。在电机控制系统中绕阻产生的磁距与绕阻上的电流成正比，而绕阻电流由绕阻上的电压来控制，绕阻上的电压起源于逆变单元，受控于驱动开关管的占空比。因此，绕阻上的电压可以通过改变占空比来调节，从而调节磁转矩，最终来控制转速。

为了提高电机控制系统的性能参数，多数情况下电机控制系统采用闭环电机控制方式，其中转速闭环电机控制系统时最常见的闭环电机控制系统[2]。调节转速最有效的方法是调节电驱电流，通过调节电驱电流可以获得高性能的动态转速响应，电流控制环在构建电机控制系统中十分关键。为了实现分别反馈转速和电流的所起的作用，系统可以通过串联结构分别设置转速调节器和电流调节器，电流调节器的输出工作于逆变器，而转速调节器的作用于电流调节器的输入，最终达到调节电机转速的作用。从闭环结构看，外环为转速调节环在外，内环为电流调节环在内。在双闭环（转速，电流均闭环）电机控制系统中，单闭环电机控制系统中的调速优点被保留，能够保证转速随着需求而变化，其不同点是电流调节器提供输出，输出的大小决定了电流的最大值。电流调节器的作用是电流随给定值的变化而变化，启动时保证最大的转矩能够快速启动，从而起到抗干扰的作用。

在电子控制系统的研究过程中，对控制系统的原理进行仿真是非常必要的，仿真能够指导电机控制系统中软硬件的设计。最常用的仿真软件是MATLAB中的simulink，包括动态系统中的模型建立，仿真以及综合环境进行分析。接下来本文介绍基于单片机的电机控制系统的硬件设计、软件设计及控制系统的

仿真。

电机控制系统中的硬件设计分为控制电路以及功率电路两大模块，分别设计PCB板，这样控制板的设计更加方便，快捷，可以应用于各种环境中。电机控制系统中的硬件结构多采用交、直、交的变换方式，通过功率板将相电流信号和转子位置信号传输给电机控制电路，功率板接口电路的作用是借助光电隔离电路将控制电路中的信号传送给驱动电路。其中功率电路的设计在整个电机控制系统的设计十分重要，是整个电机控制系统能量的来源。在设计基于单片机的电机控制系统的硬件部分时，一般需要考虑整流电路部分、功率驱动电路、检测电路以及印制电路板上的电磁兼容性等[3]。

整流电路的主要作用是降低电机控制系统的复杂性，并提高控制系统运行的稳定性；它可依据逆变器驱动的三相交流电机划分为单相和三相桥式两种。如果额定线电压是220伏特，采用单相桥式整流电路即可；如果额定线电压高达380伏特，则需要采用三相桥式整流电路。在设计智能驱动电路时，采用的是IR公司的IRAMS09VQ1B智能集成电路，它具有一些优良的特性，比如可以监视温度和电流，在过温或过流时可以自动停机等。IRAMS09VQ1B对系统硬件电路进行了简化实现，另外，与分离元件组成的功率驱动电路相比，IRAMS09VQ1B具备更好的稳定性、可靠性和安全性。电机控制系统中的位置传感器的作用如下：检测电机定子和转子的相对位置、提供电机相绕组的换相信号。

图1 仿真结果

软件设计的主要目的是利用软件编程，实现单片机对电机控制系统的脉冲分配，从而保证电机控制系统的正常工作。为了使电机控制系统具备更强的带负载能力，可以选择四相八拍驱动方式，通电顺序可以描述为[4]：A相线圈先通电，接下来转换到A、B线圈都通电，然后只给B相线圈通电，然后再给B、C线圈通电，依此类推，当电机的定子绕组按照一定的顺序通电后，就可以带动电机的转子转动起来。可以通过程序控制电机的旋转方向（正转、反转）和转速（低中高速），并进行转速的转换。

在仿真基于单片机的电机控制系统时，采用的是无刷直流电机，其结构形式为外转子、内转子，且电机的参数为：功率是300瓦，额定电压是220伏特，额定转矩是0.02Nm；电机绕组中安装的是霍尔位置传感器，控制算法方面采取的是PID控制方式。仿真结果如图1所示。

由仿真结果可以看出，在启动过程的第一阶段，随着电流的上升，ASR的输入很快会达到极大值；第二阶段是转速调节阶段，当转速达到给定值后，反馈电压和转速调节器的转速达到一定的平衡，阶跃响应保持在一个较小的振幅内。

4 结论

本文首先阐述了研究基于单片机的电机控制系统的必要性，接下来分析了电机控制系统和应用于其中的单片机技术，最后设计实现了一种基于单片机的电机控制系统，分析了其硬件设计、软件设计和系统控制方法的仿真。实践证明，本文设计的基于单片机的电机控制系统具有重要的现实意义。

参考文献

[1]陶晓玲，姚竹亭，刘春力.基于单片机的单相齿轮减速同步电机控制系统.中北大学[J].电子世界，2012，8（15）.

[2]曾浩.浅谈AT89C51单片机在SR电机控制中的应用[J].电子测试，2013，03（05）.

[3]庞秀琴.基于Atmel89C52单片机4相混合式步进电机控制系统设计[J].山西煤炭管理干部学院学报，2014，05（25）.

[4]陈修波，蒋德云，张志林，等.基于MC9S12XS128的无刷直流电机控制器设计[J].山东交通学院学报，2014，03（15）.

作者简介

陈华林（1970-），女，湖北武汉人，讲师，大本工程硕士，研究方向：电子及光电子。