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

關(guān)鍵詞 單片機；電機控制；控制系統(tǒng)

中圖分類號：TP368 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）17-0009-02

1 緒論

由于電機控制系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于日常生活的各個領(lǐng)域，所以對電機控制系統(tǒng)的研究一直很活躍。傳統(tǒng)的步進電機控制系統(tǒng)會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)計電路，這無疑對控制系統(tǒng)的升級非常不利?；趩纹瑱C的電機控制系統(tǒng)可以借助軟件控制電機，克服了傳統(tǒng)的電機控制系統(tǒng)的劣勢，所以受到廣大研究人員的青睞。

單片機技術(shù)的發(fā)展歷史及應(yīng)用領(lǐng)域決定了基于單片機的電機控制系統(tǒng)必然會有廣闊的應(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，所以說研究基于單片機的電機控制系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義。

2 單片機及控制系統(tǒng)

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

電機控制系統(tǒng)由脈沖控制器、環(huán)形分配器、驅(qū)動電路以及電機四大部分組成，主要是通過脈沖控制器發(fā)出脈沖控制信號，經(jīng)過環(huán)形分配器進行分配，然后傳送到驅(qū)動電路，實現(xiàn)功率放大，以便獲取足夠的功率的方式使電機運作。

單片機的控制系統(tǒng)也由四部分組成，即單片機系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、電機以及外圍電路。單片機的控制系統(tǒng)采用了軟件和硬件相結(jié)合的方法，以便達到對單片機的最佳控制。由于單片機具有強大的功能，因此在設(shè)計中還可以根據(jù)實際需求增加許多外圍線路，例如可以通過鍵盤來控制電機的運轉(zhuǎn)（正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)），停止等。

單片機的控制系統(tǒng)有許多優(yōu)點，對于一些較為復(fù)雜的控制過程并且控制精度要求較高，可以通過編寫程序語句來實現(xiàn)自動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，對于同種電路結(jié)構(gòu)可以控制和驅(qū)動多種電機，從而極大的提高了與單片機接口的電機電路的通用性和靈活性；并且單片機使外圍電路如鍵盤電路有機結(jié)合，大大提高了交互性。在數(shù)字控制系統(tǒng)中用單片機作為處理器，與模擬控制系統(tǒng)相比控制精度較高，不會產(chǎn)生控制系統(tǒng)的零點漂移。數(shù)字控制系統(tǒng)采用軟件來控制，實現(xiàn)了高速度，高精度的要求。對于系統(tǒng)升級、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，對電機控制系統(tǒng)的需求也不斷提高，出現(xiàn)了專用于電機控制的單片機，主要是在單片機內(nèi)部增加了高速轉(zhuǎn)換器、輸出端以及捕獲功能等。進入單片機的模擬信號，首先要經(jīng)過高速轉(zhuǎn)換器，以保證采樣的精確性，通過捕獲功能來對其進行測頻。單片機的工作效率逐漸的提高，有的單片機甚至可以與DSP相比較，單片機的速度越快，越容易勝任復(fù)雜的算法，實時的跟蹤系統(tǒng)。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

對于電機控制系統(tǒng)來說，大多數(shù)的設(shè)計主要集中在調(diào)節(jié)電機的電磁轉(zhuǎn)矩上，按照需要來控制電機的轉(zhuǎn)速。在電機控制系統(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控制，繞阻上的電壓起源于逆變單元，受控于驅(qū)動開關(guān)管的占空比。因此，繞阻上的電壓可以通過改變占空比來調(diào)節(jié)，從而調(diào)節(jié)磁轉(zhuǎn)矩，最終來控制轉(zhuǎn)速。

為了提高電機控制系統(tǒng)的性能參數(shù)，多數(shù)情況下電機控制系統(tǒng)采用閉環(huán)電機控制方式，其中轉(zhuǎn)速閉環(huán)電機控制系統(tǒng)時最常見的閉環(huán)電機控制系統(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，通過調(diào)節(jié)電驅(qū)電流可以獲得高性能的動態(tài)轉(zhuǎn)速響應(yīng)，電流控制環(huán)在構(gòu)建電機控制系統(tǒng)中十分關(guān)鍵。為了實現(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，最終達到調(diào)節(jié)電機轉(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)）電機控制系統(tǒng)中，單閉環(huán)電機控制系統(tǒng)中的調(diào)速優(yōu)點被保留，能夠保證轉(zhuǎn)速隨著需求而變化，其不同點是電流調(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，啟動時保證最大的轉(zhuǎn)矩能夠快速啟動，從而起到抗干擾的作用。

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

仿真。

電機控制系統(tǒng)中的硬件設(shè)計分為控制電路以及功率電路兩大模塊，分別設(shè)計PCB板，這樣控制板的設(shè)計更加方便，快捷，可以應(yīng)用于各種環(huán)境中。電機控制系統(tǒng)中的硬件結(jié)構(gòu)多采用交、直、交的變換方式，通過功率板將相電流信號和轉(zhuǎn)子位置信號傳輸給電機控制電路，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傳送給驅(qū)動電路。其中功率電路的設(shè)計在整個電機控制系統(tǒng)的設(shè)計十分重要，是整個電機控制系統(tǒng)能量的來源。在設(shè)計基于單片機的電機控制系統(tǒng)的硬件部分時，一般需要考慮整流電路部分、功率驅(qū)動電路、檢測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控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，并提高控制系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性；它可依據(jù)逆變器驅(qū)動的三相交流電機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380伏特，則需要采用三相橋式整流電路。在設(shè)計智能驅(qū)動電路時，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，在過溫或過流時可以自動停機等。IRAMS09VQ1B對系統(tǒng)硬件電路進行了簡化實現(xiàn)，另外，與分離元件組成的功率驅(qū)動電路相比，IRAMS09VQ1B具備更好的穩(wěn)定性、可靠性和安全性。電機控制系統(tǒng)中的位置傳感器的作用如下：檢測電機定子和轉(zhuǎn)子的相對位置、提供電機相繞組的換相信號。endprint

圖1 仿真結(jié)果

軟件設(shè)計的主要目的是利用軟件編程，實現(xiàn)單片機對電機控制系統(tǒng)的脈沖分配，從而保證電機控制系統(tǒng)的正常工作。為了使電機控制系統(tǒng)具備更強的帶負載能力，可以選擇四相八拍驅(qū)動方式，通電順序可以描述為[4]：A相線圈先通電，接下來轉(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)電機的定子繞組按照一定的順序通電后，就可以帶動電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動起來。可以通過程序控制電機的旋轉(zhuǎn)方向（正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)）和轉(zhuǎn)速（低中高速），并進行轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)換。

在仿真基于單片機的電機控制系統(tǒng)時，采用的是無刷直流電機，其結(jié)構(gòu)形式為外轉(zhuǎn)子、內(nèi)轉(zhuǎn)子，且電機的參數(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，在啟動過程的第一階段，隨著電流的上升，ASR的輸入很快會達到極大值；第二階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段，當(dāng)轉(zhuǎn)速達到給定值后，反饋電壓和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)速達到一定的平衡，階躍響應(yīng)保持在一個較小的振幅內(nèi)。

4 結(jié)論

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

參考文獻

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

[2]曾浩.淺談AT89C51單片機在SR電機控制中的應(yīng)用[J].電子測試，2013，03（05）.

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

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

作者簡介

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)計的主要目的是利用軟件編程，實現(xiàn)單片機對電機控制系統(tǒng)的脈沖分配，從而保證電機控制系統(tǒng)的正常工作。為了使電機控制系統(tǒng)具備更強的帶負載能力，可以選擇四相八拍驅(qū)動方式，通電順序可以描述為[4]：A相線圈先通電，接下來轉(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)電機的定子繞組按照一定的順序通電后，就可以帶動電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動起來?？梢酝ㄟ^程序控制電機的旋轉(zhuǎn)方向（正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)）和轉(zhuǎn)速（低中高速），并進行轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)換。

在仿真基于單片機的電機控制系統(tǒng)時，采用的是無刷直流電機，其結(jié)構(gòu)形式為外轉(zhuǎn)子、內(nèi)轉(zhuǎn)子，且電機的參數(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，在啟動過程的第一階段，隨著電流的上升，ASR的輸入很快會達到極大值；第二階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段，當(dāng)轉(zhuǎn)速達到給定值后，反饋電壓和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)速達到一定的平衡，階躍響應(yīng)保持在一個較小的振幅內(nèi)。

4 結(jié)論

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

參考文獻

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

[2]曾浩.淺談AT89C51單片機在SR電機控制中的應(yīng)用[J].電子測試，2013，03（05）.

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

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

作者簡介

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)計的主要目的是利用軟件編程，實現(xiàn)單片機對電機控制系統(tǒng)的脈沖分配，從而保證電機控制系統(tǒng)的正常工作。為了使電機控制系統(tǒng)具備更強的帶負載能力，可以選擇四相八拍驅(qū)動方式，通電順序可以描述為[4]：A相線圈先通電，接下來轉(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)電機的定子繞組按照一定的順序通電后，就可以帶動電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動起來?？梢酝ㄟ^程序控制電機的旋轉(zhuǎn)方向（正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)）和轉(zhuǎn)速（低中高速），并進行轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)換。

在仿真基于單片機的電機控制系統(tǒng)時，采用的是無刷直流電機，其結(jié)構(gòu)形式為外轉(zhuǎn)子、內(nèi)轉(zhuǎn)子，且電機的參數(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，在啟動過程的第一階段，隨著電流的上升，ASR的輸入很快會達到極大值；第二階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段，當(dāng)轉(zhuǎn)速達到給定值后，反饋電壓和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)速達到一定的平衡，階躍響應(yīng)保持在一個較小的振幅內(nèi)。

4 結(jié)論

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

參考文獻

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

[2]曾浩.淺談AT89C51單片機在SR電機控制中的應(yīng)用[J].電子測試，2013，03（05）.

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

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

作者簡介

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