单片机技术在机电一体化控制中的应用

高麟

摘  要：电机控制系统本身的结构是非常简单的，运行比较可靠、顺利，同时它维修方便，因此得到了广泛应用。单片机作为电机控制系统的处理器，很大程度地降低了成本，而且也促使PCB板的布线得到了很大简化，使PCB的布线变得更加简便、合理。单片机电机控制系统是通过一些相关的软件来进行控制的，速度快、精确程度也比较高，操作过程相对简单。目前，制造行业的技术不断发展与进步，机电一体化以及设备自动化都需要电机控制系统具备更高的效率、精确度以及相应的可靠程度。所以，发展单片机的电机控制系统是一个必然趋势。

关键词：单片机;电机控制;控制系统

中图分类号：TH-39          文献标志码：A

单片机技术之后的发展以及可能运用到的领域，都可能会促使单片机的电机控制系统有更高的应用价值和更好的发展前景。除此之外，目前智能家居以及相应的智能化应用需求，也可能会影响控制系统未来的发展趋势，因此，对单片机的电机控制系统进行研究是非常有价值和意义的。

1 单片机及控制系统

在控制系统中，根据单片机发挥的作用，可以将整个控制系统划分为电机控制系统、基于单片机的控制系统以及电机控制的单片机系统3类。

电机控制系统主要由脉冲控制器、环形分配器以及相应的驱动电路、电机4个部分组成。一般情况下，都是由脉冲控制器来进一步发送相应的脉冲控制信号，之后经过环形分配器来进一步分配，进而向驱动电路传输，这样就可以保证功率的有效增加，保证电机可以稳定运行。

基于单片机的控制系统主要由单片机系統、驱动系统、电机以及相应的外围电路4个部分组成。在基于单片机的控制系统中，主要采用了软件与硬件相互结合的方式，从而可以最大程度地控制单片机。因为单片机本身具有非常强大的功能，所以在平时的设计中，还应该充分结合实际情况，适当地增加相应的外围电路，例如，我们可以通过键盘对电机的正常运转以及停止等多个环节进行控制，其中的具体工作流程包括电机的正转以及反转等过程。

电机控制的单片机系统本身的优点非常多，一些控制过程比较复杂，并且对精度有很高的要求。因此，可以通过适当地编写程序语句来进一步达到自动化控制以及高精度控制的目的，环形分配器主要是通过运用相关软件，设定出一个单片机，而对于相同类型的电路结构来说，其可以对多种电机进行控制和驱动，这样就可以保证在很大程度上，提高和改善与单片机连接的电机电路本身的通用性以及相应的灵活程度。同时，单片机还可以使一些外围电路充分结合在一起，例如键盘电路，可以保证其交互性得到有效提高。在数字控制系统中，使用单片机作为处理器，和模拟控制系统相比，它自身有着更高的控制精确度，不会造成控制系统出现零点漂移的现象。而对于数字控制系统来说，它主要是通过软件来进一步控制，可以达到高速度以及高精度的标准。而从升级系统、调试系统以及更改控制方法的方面来看，就需要适当更改程序。

当前，电子技术正在高速发展，对电机控制系统也提出了更高的要求和标准，所以逐渐引入了专门运用于电机控制的单片机，一般情况下，都是在单片机的内部适当地增加相应的高速转换器、输出端以及相应的捕获功能等。模拟信号在进入单片机之后，首先需要通过高速转换器来进一步提高采样的精确程度，通过捕获功能来进一步测频。当前，单片机本身的工作效率越来越高，还有一部分的单片机已经可以与DSP相比，单片机本身的速度越快，也就表示其更适用于一些较为繁杂的算法，并且可以对系统进行实时跟踪。

2 控制系统设计

电机控制系统有很大一部分设计的目的都是对电机的电磁转矩进行集中调节，主要是根据相关需求对电机的转速进行控制。在电机控制系统中，绕组产生的磁距和绕组上产生的电流之间是成正比的，然而绕组电流是通过绕组上的电压来进一步控制的，绕组上的电压主要来源于逆变单元，一般情况下是由驱动开关的占空比来控制的。所以，绕组上的电压就能够根据占空比来进行适当地调节，这样就可以更好地去调节磁转矩，最终可以对转速进行更好的控制。

一般情况下，电机控制系统主要是通过一种闭环电机控制的方式，来保证电机控制系统的性能参数得到有效提高。在转速闭环电机控制系统中，我们比较常见的是闭环电机控制方式。调节驱动电流是最有效的一个方式，我们可以通过适当地调节驱动电流，以此来保证获取更高性能的动态转速响应，在构建电机控制系统的过程中，电流控制环是非常重要的一部分。系统可以利用串联结构来分别设置出一个转速调节器以及相应的电流调节器，这样可以有效划分转速以及电流发挥的作用，电流调节器的输出工作主要是在逆变器当中进行的，而转速调节器主要是在输入电流调节器中发挥作用，这样可以实现调节电机转速的目的。我们可以对闭环结构进行分析，外环主要是转速调节环在外部，而内环主要是电流调节环在内部。在双闭环电机控制系统中，双闭环电机主要包括转速以及相应的电流双闭环、单闭环电机控制系统，其可以使转速随着相应的需求而发生一定程度的改变，而其中的不同之处就在于，电流调节器主要是提供输出的部分，而输出的大小也可以直接决定电流的最大数值。电流调节器本身发挥的作用在于，电流可以随着给定值的不断改变而发生相应的变化，在启动过程中，我们需要尽可能地保证最大的转速，这样就可以更好地达到抗干扰的目的。

电机控制系统当中所包含的硬件主要可以分为控制电路与功率电路2个方面，对PCB进行设计，这样就可以更方便、快捷地设计出相应的控制板，并且可以在各种不同的环境中运用。在电机控制系统的硬件结构中，一般情况下都是采取交、直、交这种形式的变换，主要是通过功率板向电机控制电路传输电流信号以及相应的转子位置信号，其中功率板接口电路主要是通过对光电的隔离，向驱动电路传输控制电路当中的信号。在整个电机控制系统中，设计功率电路是非常关键的一部分，整个电机控制系统的所有能量都是从中获得的。在基于单片机的电机控制系统中，对相关的硬件部分进行设计时，通常都需要对整流电路部分、功率驱动电路以及相应的检测电路等，从多个不同的方面来进行考虑。

3 基于单片机的机电一体化技术应用实践

机电一体化系统中包含了很多不同的结构，其中还需要很大一部分的技术支撑作为保障。对于步进电机的机电控制系统来说，它本身是一个微缩的机电一体化系统，而且还是一个相对比较典型的基于单片机的机电一体化技术的应用系统形式。

3.1 步进电机特点

步进电机实际上是机电控制系统中比较常用的一个执行机构，它主要是将电脉冲转化为角位移的形式，通俗来讲就是当步进驱动器接收到一个相应的脉冲信号之后，就可以驱动步进电机根据之前所规定的方向，朝着一个固定的角度和方向进行转动[1]。我们可以通过对脉冲个数的控制来进一步对角位移量进行控制，进而实现准确定位的目的和效果。除此之外，我们还可以通过对脉冲频率的控制，对电机转动的速度以及相应的加速度进行适当地控制，这样就可以真正地实现调速的效果。

3.2 步进电机控制要求

一般情况下都可以设定步进电机在真正开机之后，电机是不转动的，按下启动键之后，电机发生相应的旋转，一般情况下，其速度为25 r/min，按下加一键之后，其速度就会逐渐增加，如果按下减一键，其速度就会逐渐降低，而且最高速度是100 r/min，最低速度一般情况下为25 r/min，

如果按下停止键，此时，电机就会逐渐地停转下来[2]。一般情况下，速度值都需要在数码管上显示出来。如果我们改变转速，只需要对P1.0～P1.3轮流变低电平所需花费的时间进行相应的改变，这样就可以保证达其到相关要求，在这个时间段中，不可以通过延时的方式来达到目的，因为这样可能会对其他功能造成很大影响。此时，可以按照定时的方式进行。一般情况下，标准为最低转速25 r/min，然而上面提到的步进电机本身的步距角一般都是7.5°，即每48个脉冲为一周，也可以表示为处于最低转速的过程中，标准就是1 200 脉冲/min，即相当于每脉冲50 ms。然而在处于最高转速的过程中，标准是100 r/min，相当于是48 000 脉冲/min，即每脉冲12.5 ms。

3.3 对步进电机控制的实现

通常情况下，步进电机控制主要是由键盘程序、步进电机驱动程序、显示器程序3个部分组成，其中主程序需要先对各变量进行初始化处理，并消隐显示器的高3位，其中步进电机驱动的各引脚都需要输出高电平，并通过对键盘程序的调用来作出正确的判断，此时如果有键按下，将会直接调用键盘处理程序，否则将会转入下—步。而此时的下一步一般是将当前的转速值，按照一定的格式转换为BCD码，并传入显示缓冲区。随后对StartEnd这个位变量进行判断，判断其是“1”还是“0”，如果是“1”，则需要开启定时器T1，否则将会关闭定时器T1，为了避免关闭时某一相线圈长时间处于通电状态，需要在定时器T1关闭时，置高P1.0～P1.3，这样一来就结束了主程序的工作。实际上，步进电机的驱动工作一般是在定时器T1的中断服务程序中顺利实现的，而且在主程序初始化过程中，该变量将会被赋予初值11110111B，待其进入定时中断后，会取出该变量并送至ACC累加器，直接在累加器中进行左移，此时该数值转化为11101111。

4 结语

总而言之，单片机技术可以促使机电一体化以及相应的自动化水平得到很大程度地提高和改善。因此我们需要进一步加深对这些方面的研究和分析，保证基于单片机技术的机电一体化技术可以更加成熟。当前单片机技术正在不断发展和进步，机电一体化技术也逐渐朝着智能化的方向發展。

参考文献

[1]彭小武，游玺.单片机技术在机电一体化控制中的应用[J].中国机械，2019（3）：43-44.

[2]熊利平.电子电工中单片机技术的应用研究[J].考试周刊，2019（9）：195.