基于单片机的单相齿轮减速同步电机控制系统

中北大学 陶晓玲 姚竹亭

山西百得科技开发有限公司 刘春力

1.引言

单片机实现的电机控制系统[1]具有成本低、使用灵活的特点，齿轮减速同步电机[2]是由永磁同步电动机和减速机构合成一体的可控制正反的同步电动机，具有功耗小、力矩大、噪音低、体积小、重量轻、使用方便的特点。在额定频率下电机转速不受电压影响，保持稳定不变。单片机通过向电机驱动电路发送控制信号就能实现对电机的控制，操作方便灵活。

单片机是一个弱电器件，一般情况下它们大都工作在5V甚至更低。驱动电流在mA级以下，而要把它用于一些大功率场合，比如控制电动机，显然是不行的。所以，就要有一个环节来衔接，这个环节就是所谓的“功率驱动”。在这里，继电器驱动[3]包含有两个意思：一是对继电器进行驱动，因为继电器本身对于单片机来说就是一个功率器件；还有继电器去驱动其他负载，所以继电器驱动就是单片机与其他大功率负载接口。

基于STC89C51的单相齿轮减速同步电机控制系统[4]主要包括：电机控制部分、按键扫描和串口通信等，电机控制系统就依靠继电器驱动。

2.设计思路

该系统集成了电机控制、上电稳态控制电路、按键扫描、串口通信等功能，其设计难点：上电瞬时控制[5]。

●电机控制：给电机供电，控制电机正转与反转；

●上电瞬时控制：在上电后，CPU程序工作前，各继电器控制端处于不稳定状态，故设计此单元，使继电器处于可控状态，避免电机的误动作；

●RS232通信：用于实现对结构部分的远程命令控制；

●按键单元：人机交互接口，控制升降系统动作。

3.原理框图

由原理框图3.1可看出，220V与12V电源上电后，12V转换成5V供电，CPU控制电路开始工作，通过按键控制相应的动作，使继电器吸合，控制电机转动。

图3.1

4.硬件设计各单元电路详解

4.1 电源单元

电源单元[6]负责系统的供电，包括220V电源和12V电源，以及用三端集成稳压器LM7805将输入的12V电源转换成5V为芯片供电。板上设置电源指示灯D1，C27、C28为（低频）滤波电容，C29可以起到滤除高频噪声的作用，R23为二极管D1限流电阻（如图3.2）。

4.2 RS232通信单元

如图3.3所示：U7为SP232EEP芯片，将U7的“T2IN”、“R2IN”与STC89C51RC的“TX”、“RX”引脚相连，“T2OUT”、“R2OUT”与DB9的“TX”、“RX”相连，进行数据的收发，给STC89C51RC下载控制程序或通过DB9进行通信[7]。

4.3 按键控制单元

如图3.4所示：J11为按键，分别与STC89C51RC的P2.3、P2.2、P2.1和P2.0相连进行控制。电路中电容为去抖电容。

4.4 电机控制单元

4.4.1 继电器控制部分

如图3.5所示：

J15为主电机，J18为从电机；

J15为主电机接口，由J14和J16两个继电器控制，J14控制主电机正转，J16控制主电机反转；

J18为从电机接口，由J17和J19两个继电器控制，J17控制从电机正转，J19控制从电机反转；

D2～D5为继电器工作状态指示灯；

在继电器闭、断开时，会产生频率高、幅值大的感应电压（称为“浪涌电压”），在反复开、闭过程中，就会造成接点间电火花或电弧干扰，会导致产生含有丰富高频谐波的干扰信号，这里R40～R43与C43～C46组成的RC电路，起到消除电火花和干扰的作用[8]；

D6～D9为SS14贴片肖特基二极管，是具有单向导电性的器件，其最显著的特点为反向恢复时间极短，在此电路中当继电器断开的瞬间，其内部的电感线圈中原来储存了一定的磁场能量，切断它的电路时，由于电源加于感性负载中的电流由一事实上数量突变为0，所以电流变化率非常大，产生很高的感生电动势，这个很高的电动势本身能在线路上造成电磁感应干扰称为瞬变噪声干扰，二极管在此处提供了一个放电的通路，吸收其释放的能量。

4.4.2 上电电机瞬时控制

如图3.6所示：该系统上电后，CPU程序工作前，各继电器控制端处于不稳定状态，继电器可能在没有接收到指令时吸合，导致电机转动，可能会发生事故，所以此电路在BT_DCIS_V0.1板中所起的作用是，为了防止接通电源之后，继电器会出现的不稳定现象，让所有继电器都处于受控状态[9]。

此电路的工作过程为：Q1、Q2两个三极管在此电路中当开关用，在电路刚上电时，单片机的各I/O口的默认输出为高电平，当P0.4输出高电平时，Q1的VE也为5V高电平，且在低电平到高电平的这个过程中，P0.4的电压值与Q1的VE端的电压值变化幅度相同，所以在P0.4为低电平前的任一时刻Q1 VE-VB〈0.7V不导通，Q1的VC为低电平，所以Q2的VB-VE〈0.7V也不导通，Q1的VC为低电平，J12的输入端不能行成回路，继电器不吸合；

当P0.4为低电平时，Q1 VE-VB〉0.7V导通，Q1的VC为高电平，所以Q2的VB-VE〉0.7V不导通，Q1的VC为高电平，J12的输入端行成回路，继电器吸合，从而使控制电机的继电器吸合，让它们都处于可控状态，消除上电瞬时电机转动[10]引发的危险。

图3.2

图3.3

图3.4

图3.5

图3.6

5.结语

本系统采用单片机控制单相齿轮减速同步电机，由单片机发出相应的控制信号，增加了控制的灵活性。本系统实现了对电机的完全控制，能按要求完成动作而不出现误操作，在对电机上电瞬时的控制也得以实现，达到了预期的设计目的，并投入了使用。

[1]张占立,康春花,郭士军,符克理.基于单片机的步进电机控制系统[J].电机与控制应用,2011,38(3):28-31,50.

[2]敬岚,朱海君,张硕成,乔卫民,梁义海.步进电机控制系统的设计及其应用[J].核技术,2005,28(6):479-482.

[3]李强.基于单片机的步进电机控制系统设计与实现[J].仪器仪表用户,2008,15(4):44-46.

[4]王成元,夏加宽,孙宜标.现代电机控制技术[M].北京:机械工业出版社,2009.

[5]王幸之,王雷,钟爱琴,王闪.单片机应用系统电磁与抗干扰技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006.

[6]方爱平.基于单片机的步进电机控制系统的设计与实现[D].浙江:浙江工业大学,2008.

[7]张俊谟.单片机中级教程原理与应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006.

[8]姜书政,王桂海.基于AT89S52单片机的电机控制系统设计[J].现代电子技术,2010,7(318):138-140.

[9]高琴,刘淑聪,彭宏伟.步进电机控制系统的设计及应用[J].制造业自动化,2012,34(1):150-152.

[10]谭建成.新编电机控制专用集成电路与应用[M].北京:机械工业出版社,2006.