单片机控制下双电机二维定位系统的思考

摘要：单片机控制下的双电机二维定位系统是在水平方向和竖直方向分别设置电机，电机运转带动执行器件运作，摄像头在执行器件运作的带动下开始运转，也就是说摄像头的移动是受电机影响的。所以通过对两台电机的有效控制可以随时随地改变摄像头的位置，实现全方位、立体化的跟踪定位。本文首先对单片机进行了概述，然后分析了系统及其驱动主电路的设计，最后论述了电机控制电路的设计。

关键词：单片机；双电机；二维定位系统；定位

一、单片机应用概述

单片机因为其独特的优势在科技领域得到了广泛应用，成为推动科技发展的重要因素。单片机是机械设备中的控制器，具有体积小、功能性以及可靠性高的优势，能够极大提升机械的自动化水平，现如今，单片机已经成为计算机行业发展中主要关注的话题。单片机的应用可以从本质上改变传统控制系统的设计理念和设计方法，以往的功能是通过模拟电路或者数字电路来实现的，但是现在应用单片机可以通过软件操作方式来实现机器的功能。这种利用软件取代硬件的控制技术被行业内称之为微控制技术，这是控制技术发展历程中的质的飞跃。

二、系统及其驱动主电路设计

因为只需要电机带动转矩较小的转轴旋转，所以无需大容量电机，选择微型电机就可以充分满足系统及其驱动主电路的需求。如果使用常规的电机，定子上还要有激磁绕组，这样就还得在系统中加上定子的激磁电源，不仅极大增加了系统的体积，而且还提升了系统的复杂性。直流电动机可以实现快速的启停操作，能达到较大的启动转矩和运行转矩，再加上直流电动机的输出转矩和绕组流过的电流呈现出线性关系，所以具有良好的可靠性，应用操作起来非常方便。

直流电动机的调速性能比较好，所以在对调速要求较高的生产机械设备中得到了广泛普及。直流电动机的调速是通过改变电枢电压、回路电阻以及磁通来实现的。具体的调节直流电动机速度的方式如下：第一，改变电枢电压。在激磁电流和电枢回路电阻不变的情况下调节电枢电压可以改变直流电动机转速，电枢电压增加，转速随之升高；電枢电压降低，转速也随之降低；第二，改变电枢回路电阻。这种调速方式在电枢回路中串入电阻，通过串加电阻上的压降来降低电枢两侧的电压，从而减少反电势，在磁通不变的前提下，转速就会降低。但是改变电枢回路电阻方式只能作降低转速调节，并且效率较低，成本较高，所以在实际中不常采用这种调速方式。第三，改变磁通。通过改变激磁电阻来改变激磁电流和磁通，从而调节转速。改变磁通的调速方式只能在电流很小的激磁回路中进行调节，操作方式较为简单，不会损耗较多的能量；但是当激磁电阻为零时的转速是最低转速，所以应用这种方式只能升高电机的转速，而无法作降低调节。

三、电机控制电路设计

（一）硬件设计

单片机系统需要完成的任务主要如下：第一，完成给定的输入；第二，反馈脉冲的输入；第三，调速电压的控制信号波的输出；第四，两路控制脉冲的输出。具体的运行方式是，单片机通过异步串行通讯口来接收来自图像处理器的数据信息，然后在内部将其转化为对应的控制信号将其输出到主电路中，这样就可以有效控制电机的启停和转向。与此同时，单片机还要完成载波的输出，通过对斩波电路的控制来加强对电机两端电压的控制，进而调节电机的转速。当电机正常运行之后，单片机要对来自广电码盘的反馈脉冲进行实时检测，通过对比实际值与给定值来决定输出亦或是停止输出的时间。

对电动的控制主要可以分为两大类，一方面是开环系统。开环系统比较简单，仅能满足常规的控制要求；另一方面是闭环系统。闭环系统较为复杂，可以满足精度控制的要求。因为二维定位系统的工作范围是在一个相对较小的空间里，所以对电机实际角位移量的精度要求比较高。要想对这些数据进行精确控制，就必须要应用精度较高的传感器，将检测结果进行数字化转换然后反馈给单片机，单片机再对这些数字量进行处理作为对电机控制的依据。检测电机位置是本系统中的一个重要环节，因为电机位置直接决定着电机的转数，也决定着执行器件和摄像头的位置，这是二维定位的核心环节。电机位置检测与反馈设计流程图如下：

电机码盘与对射光偶整形电路单片机

位置检测与反馈原理流程图

（二）软件设计

要想保证此系统的正常工作，仅靠硬件部分是远远不够的，还需要系统软件的配合才能形成一个完整的二维定位系统。硬件电路是软件的重要基础，软件程度则可以促进硬件电路功能的充分发挥，并实现某些硬件电路无法做到的任务。单片机控制下双电机二维定位系统软件程序需要具有如下模块才能实现功能要求：第一，串口接收上位机的给定信号；第二，输出控制信号控制电机的启动及转向；第三，利用单片机的内部计数器来精确控制电机角位移。这种模块化设计形式极大提高了软件的灵活性，可以有效实现调用功能，在系统出现运行错误时可以及时准确地检查出错误因素，有效保障了系统运行的稳定性和可靠性。本次设计的软件系统应该采用具有较高移植性和可读性的C语言进行编程，应用C语言编程可以实现软件的结构化编程，让软件的逻辑结构更加清晰，从而确保整个系统的可靠性。

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作者简介：黄志飞（1987），男，汉族，广东清远人，嵌入式工程师，研究方向：无刷直流电机控制技术及基于单片机的弱电子技术开发。