基于单片机的电机控制系统的研究

[摘 要]单片机是一种运用在电路中的芯片，这种芯片运用的是超大规模集成技术，将多种数据处理以及存储等装置集中在一块小小的芯片上，形成一个微型的计算机系统。在电机控制中，对电机进行启动程序、运转、加速、减速、停止运行的控制都离不开单片机的应用。本文基于单片机的特点，分析了单片机在电机控制中的软、硬件设计方向，旨在帮助提高电机控制的有效性。

[关键词]单片机 电机控制 优化策略

中图分类号：TV734.2+1 文献标识码：TV 文章编号：1009914X（2013）34029601

随着各项科学技术的不断发展以及普及，单片机已经成功应用于许多领域，其中就包含电机控制。单片机将中央处理器、只读存储器、显示驱动电路、电路转换器、调制脉宽等多种功能集合到芯片上，对电机的运行与停止做出控制。要想将单片机更好地应用于电机控制系统中，必须首先了解单片机的特性，并根据硬件设计与软件设计这两个方向来展开在电机控制领域的系统化研究。

一、单片机与电机运转的特性

（一）单片机的特性

1、目前，市场上主流的单片机包含计数器、中央处理器、只读存储器、串行端口等，能够对数据进行存储与处理等操作。

2、单片机的系统并不复杂，因此在操作上较为简便，并且在实现模块化管理上有突出成效。

3、在使用中，单片机由于只是一块芯片，且程序并不复杂，因此在时间上可以连续使用106-107也不会出现故障。

4、由于系统较为简单，因此在对数据的处理方面速度较快，对数据的控制能力强，能够迅速适应工作环境。

5、单片机体积较小，有利于便携式产品的应用，加上其运行时所需的电压较低，因此功耗也会比较低。

（二）电机运转的特性

电机运转的主要内容在于开启、控制以及停止。在调速方面，其方法主要有矢量控制、极调速、变频调速、直接转矩调速以及通过串电阻进行调速等。

1、矢量控制

这种调速方式需要通过对电机的两个绕组进行解耦，这两个绕组分别为电枢以及励磁绕组。通过解耦，控制感应电机就能够像控制直流电机那样，通过对电流大小的调节来控制电机的转动状态。

2、变频调速

这种调速方法大多应用于异步电机。在调速范围方面，会受到电机在转矩方面最大值的限制。

3、极调速

顾名思义，极调速就是通过对电机级数的改变来达到控制的目的，让电机的转速变为原有的二分之一或是三分之一等。

4、直接转矩

这种控制是在上世纪八十年代被一位德国学者提出的，使用这种方式能够直接对电磁转矩进行控制，同时兼顾磁链空间矢量的控制，在响应速度上具有优势。

5、串电阻

串电阻方式主要在异步电机领域发挥效用，同样，这种调速也会受到制约，例如电机最大转矩等。

二、控制系统硬件设计

（一）调制脉宽

直流电机的组成主要包含转子与定子，当然，这是针对小功率电机而言的。对于这种电机，单片机要想运用其中是非常方便的。单片机在运作过程中，通过对电机电枢电压在时间上的控制来进行电机速度的调节，时间控制通常通过电机在接通时间与通电周期的数值之比来确定。这种调制技术就叫做脉冲宽度调制。对于功率不高的电机而言，将其接电一段时间之后，将电源断开，然后再次将电源接通，通过对电机在通电与断电时间上的比例调节来进行速度的控制。

（二）转速控制

运用于电机控制系统中的单片机通常会设置两个寄存器与一个转换器。使用两个寄存器可以在简化电路设计上发挥效用。在使用过程中，设计者必须首先保障电压稳定，确保项目的顺利进行。接着，将电机转速转变为脉冲信号，这里的转变需要通过霍尔元件以及器件共同作用，帮助测速电路来完成。在转换为脉冲信号之后，将信号内容输送到计数器中，计数功能是通过单片机内的计数器来实现的。计数器对转速进行测试，将测试结果与设定值进行比较，找到偏差范围，然后根据偏差来判断电压应该增大还是减小。这里，功放电路将输出模拟电压转化为具有输出功率的能够被控制的电压，来达到对转速进行控制的目的。

单片机利用对模拟量的研究，控制电机外接电路的输出值，将不同脉宽转换成电压进行控制。通过这种控制，驱动电动机能够在转速上发生变化，单片机中的程序可以调节脉冲在输出值上的占空比，来对模拟电压进行调整。

（三）驱动电路

电机要想正常运转，驱动电路是必不可少的。在电机控制中，驱动系统一般是由三个部分组成，即控制器、电动机以及功率转换器。以直流电机为例，在设计中，需要用到步进电机、永磁直流电机以及伺服电机等。使用单片机对直流电机进行控制的过程非常简单，主要是因为直流电源最容易实现。

首先，单片机需要控制内部系统运行，通过对直流电的控制来进行电路控制。这种控制方式要远远优于分离元件的控制方式，在单片机的主板体积上极大缩小，有利于控制板微型化的发展。在速度控制方面，这是电机控制的主要内容，单片机中的驱动程序接收到主MCU的程序命令之后，会判断接收到的加速或是减速信息是否符合电机当前的运转状况，判断是否进行加速或减速操作。速度控制是通过对频率的调节来设定的，在单片机接收到加速命令时，会控制频率加倍，在收到减速命令时会控制频率减倍。这样一来，利用频率的调节来控制电机转速，能够实现对电机速度的控制。

三、控制系统软件设计

（一）软件功能划分

1、测控功能

对于电机而言，使用单片机进行测控主要包含对数据的测量与预处理、对驱动进行输出控制等。这种操作在可靠性上是最高的，加上其实时性特征，因此优先级与测量级在程序中最高。其中，对数据的预处理指的是对数据采样进行低通滤波处理的操作。

2、系统保护

电机在运行时难免会遇到故障。单片机需要及时发现这些故障并报警通知操作人员。这一过程要求响应速度极快，避免电机在运行时产生不可逆转的损坏。

3、人机交互

人机交互指的是操作人员能够直观看到或是感受到电机运行状态信息。通常，会在电机运行处安装一块显示器，单片机对电机在转速以及温度上的测量能够通过显示器进行显示，方便操作人员了解，但是，由于显示并不是程序的主要内容，因此优先级较低。

（二）软件控制设计

使用单片机对系统进行控制在软件上一般由两部分组成，一是主程序，二是中断服务子程序。

1、主程序的功能主要在于对电机运行中的事件进行记录、对运转转速等数值进行计算、完成人机交互工作以及对定值进行更新等内容。

2、中断服务子程序的各项功能主要是通过中断源出发各项调用来实现的，主要功能有对故障进行排查、进行AD转换、计时器进行数值更新、控制开关量的输入与输出操作以及通信等。

结论：

利用单片机来对电机运行进行控制是现代化电机发展的必然趋势。研究者应该加大投入力度，从硬件与软件两个方面来加强单片机的应用力度，让电机运转能够得到有效控制，并建立健全控制系统，使之操作更为简单。

参考文献

[1]贾传圣，倪俭凯.基于PWM控制的直流电机控制系统设计研究[J].中国科技博览，2013（08）.

[2]邢聪聪，杨成等.基于STC89c52单片机的步进电机控制系统设计[J].知识经济，2013（08）.

[3]傅忠云，王震.基于STC89C52单片机的步进电机控制技术研究与实现[J].电子世界，2013（08）.

[4]袁顺娟.基于单片机的伺服电机控制系统的研究[J].科技信息，2013（05）.

[5]丁冲，张敏等.基于单片机C8051F020的数字多电机控制平台的设计[J].微特电机，2013（01）.