浅谈单片机在电机控制中的应用

张爽 丁治玲 杨功德 夏鸣谦

摘要：目前，由单片机构成的各种类型的应用系统已开始深入到各个领域中，在电子技术改造、高科技领域中扮演愈来愈重要的角色。本文根据闭环控制及电机调速特性，分析了以单片机为核心的双闭环SR电机调速控制问题。

关键词：单片机;控制;调速

一、绪论

目前，由单片机构成的各种类型的应用系统已开始深入到各个领域中，在电子技术改造、高科技领域中扮演着愈来愈重要的角色。单片机应用系统具有以下特点：（1）硬件通用化、应用灵活化。（2）体积小、执行速度快。（3）可靠性高、抗干扰性强（芯片本身是按测控要求设计的，其抗工业噪声干扰优于一般通用CPU）。（4）产品开发周期短、开发效率高。（5）系统的硬件、软件的设计与配置规模都是以满足应用系统的功能要求为原则，因此系统的软硬件应用/配置比较近于1，具有最佳的能/价格比，系统中的程序一般都是应用程序。

单片机在控制领域得到了广泛的应用，利用单片机设计开关型磁阻（SR）电机调速系统（SRD），具有结构简单、坚固、成本低，调速性能优良等特点。SR电机在宽广的调速范围内均具有较高的效率，应用前景十分广阔。对电机控制精度要求的高低，主要是看对电机转速控制的要求，为实现高精的控制，最基本的是开环控制系统与闭环控制系统，而闭环控制性能高于开环控制系统，SR电机具有很的调速性能，可以构成恒速传动系统和变速传动系统，无论哪一种传动系统，都要求系统具有良好的操作性能，包括具有硬的机械特性、良好的随动性及稳定性。

二、应用

在额定转距以下，SRD系统可以實现恒转矩调速，电动机输出额定转矩，输出功率与转速成正比;在额定转速以上，为恒功率调速，电动机输出额定功率，输出转矩随转速升高而下降。

SRD系统作为一种新型的变速传动系统，具有如下输出特性。在额定转距以下，SRD系统可以实现恒转矩调速，电动机输出额定转矩，输出功率与转速成正比;在额定转速以上，为恒功率调速，电动机输出额定功率，输出转矩随转速升高而下降。

AT89C51单片机定时采样由转子位置传感器获得的反馈速度，与由键盘敲人的给定速度比较，误差经数字PID调节，再经软件处理，根据反馈速度的大小是否在基速以上转换成PWM脉冲或控制角度的APC单脉冲的控制参数。微机控制器根据转子位置控制对应相绕组的导通或关断，输出对应的PWM脉冲或APC单脉冲，经功率变换器，实现对SR电机的控制。为简化硬件电路，PWM控制、APC脉冲控制、速度检测、PID调节器均由软件实现;为提高过流保护动作的安全性和快速性，采用硬件过流保护电路。

微机控制与常规SR电机直接数字控制系统（DDC）换相逻辑控制不同，既要满足SR电机电动运行换相要求，又要满足换相要求是制定6只主开关换相规则的原则，显然，这限制相绕组的最大导通角θc不得超过30°。

转速测量通过在采样周期内记录事件触发的次数一一一一一转过的步进角（15°）数目N实现。速度环程序在起动阶段每隔120ms被调用一次;起动后若运行在基速以下每隔30ms被调用一次，若运行在基速以上海隔12ms被调用一次。速度环首先计算实际转速，然后判断电机是否已经起动。将电机转速低于250r/min作为起动阶段，在起动阶段速度偏差不作PI调节运算，而是采取在软件定时器T1中断服务程序中逐步加大斩波占空比的方法实现软起动功能。电机起动后，速度环每调用一次，都要进行一次速度偏差PI运算，然后刷新控制参数。

SRD系统可以是速度单闭环系统，也可以是转速—电流双闭环系统，双闭环控制系统在性能上要高于单闭环系统，但实现起来较为复杂。

系统软件由主程序、中断服务程序、专用子程序组成。主程序初始化整个系统和将显示缓冲区的4位速度值送显示RAM;中断服务程序包括定时器T0、T1中断服务程序、键盘中断服务程序等。键盘中断服务程序首先读取按下的键值，然后根据按下的键跳转到对应的功能模块控制系统程序的执行。专用子程序主要是四字节浮点运算子程序、十六进制数转换成BCD码子程序等。

主程序初始化系统时，将中断方式设置为每次跳变触发，因此电机每转过一个步进角，中断服务程序将被执行一次，当前的状态给寄存器装载相应的命令字并产生所要求的输出信号。

在双闭环SRD系统中，其内环为电流环.因而必须检测电流。根据SR电机调速控制原理，SRD系统一般采用PWM技术实现调速，而电流测量通常是测量绕组相电流或主功率开关流过的电流，这些电流波形很复杂，瞬时变化大，峰值高，波形不规则，要求电流传感器反应快，基本不失真，以供实时控制，同时要求电气隔离，以免主电路干扰控制电路。电流检测可以采用电阻取样法，也可以用霍尔电流传感器，前者要求采样电阻阻值小、功率大、温度系数低，因而适用于小功率SRD系统，而后者则适用于以单片机为核心的任何功率的SRD系统，因而具有代表性。

SRD系统的双闭环控制，使电机维持运行在给定速度上，因此，对电机的瞬时转速要实时、快速检测，将所测得的转速值与给定的转速值相比较，控制器根据转速差值确定控制策略。传统调速系统设有专门测速装置（如测速发电机），而对SRD系统来说，必不可少的位置检测器提供的位置信号包含了转速信息。

SRD系统操作性能及输出特性的好坏，关键在于双闭环控制特性，而实现良好双闭环性能的前题是获得准确的双闭环参数——速度参数和电流参数，在SRD系统中，给定速度参数可以通过A/D转换器经标度变换获得，实际速度参数可以通过检测位置信号获得，电流参数可以通过采样电阻或霍尔电流传感器获得，作者设计的几种不同功率SRD系统均通过本文所述方法获得PID控制参数，取得了良好的控制效果，实践证明，本文所述方法是有效的。

三、小结

综上所述，单片机在SR电机控制中可以得到很好的应用，并取得良好的应用效果。

参考文献

[1] 何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计[M].北京航空航天大学出版社，1990.

[2] 潘新民.微机控制技术[M].北京：电子工业出版杜，2004-08.

[3] 苏家健.举片机原理及应用[M].北京：高等教育出版社.2004—11.

[4] 宋浩.单片机原理及应用技术[M].北京：清华大学出版杜，2005—01.