基于單片機的單相齒輪減速同步電機控制系統

中北大學 陶曉玲 姚竹亭

山西百得科技開發有限公司 劉春力

1.引言

單片機實現的電機控制系統[1]具有成本低、使用靈活的特點，齒輪減速同步電機[2]是由永磁同步電動機和減速機構合成一體的可控制正反的同步電動機，具有功耗小、力矩大、噪音低、體積小、重量輕、使用方便的特點。在額定頻率下電機轉速不受電壓影響，保持穩定不變。單片機通過向電機驅動電路發送控制信號就能實現對電機的控制，操作方便靈活。

單片機是一個弱電器件，一般情況下它們大都工作在5V甚至更低。驅動電流在mA級以下，而要把它用于一些大功率場合，比如控制電動機，顯然是不行的。所以，就要有一個環節來銜接，這個環節就是所謂的“功率驅動”。在這里，繼電器驅動[3]包含有兩個意思：一是對繼電器進行驅動，因為繼電器本身對于單片機來說就是一個功率器件；還有繼電器去驅動其他負載，所以繼電器驅動就是單片機與其他大功率負載接口。

基于STC89C51的單相齒輪減速同步電機控制系統[4]主要包括：電機控制部分、按鍵掃描和串口通信等，電機控制系統就依靠繼電器驅動。

2.設計思路

該系統集成了電機控制、上電穩態控制電路、按鍵掃描、串口通信等功能，其設計難點：上電瞬時控制[5]。

●電機控制：給電機供電，控制電機正轉與反轉；

●上電瞬時控制：在上電后，CPU程序工作前，各繼電器控制端處于不穩定狀態，故設計此單元，使繼電器處于可控狀態，避免電機的誤動作；

●RS232通信：用于實現對結構部分的遠程命令控制；

●按鍵單元：人機交互接口，控制升降系統動作。

3.原理框圖

由原理框圖3.1可看出，220V與12V電源上電后，12V轉換成5V供電，CPU控制電路開始工作，通過按鍵控制相應的動作，使繼電器吸合，控制電機轉動。

圖3.1

4.硬件設計各單元電路詳解

4.1 電源單元

電源單元[6]負責系統的供電，包括220V電源和12V電源，以及用三端集成穩壓器LM7805將輸入的12V電源轉換成5V為芯片供電。板上設置電源指示燈D1，C27、C28為（低頻）濾波電容，C29可以起到濾除高頻噪聲的作用，R23為二極管D1限流電阻（如圖3.2）。

4.2 RS232通信單元

如圖3.3所示：U7為SP232EEP芯片，將U7的“T2IN”、“R2IN”與STC89C51RC的“TX”、“RX”引腳相連，“T2OUT”、“R2OUT”與DB9的“TX”、“RX”相連，進行數據的收發，給STC89C51RC下載控制程序或通過DB9進行通信[7]。

4.3 按鍵控制單元

如圖3.4所示：J11為按鍵，分別與STC89C51RC的P2.3、P2.2、P2.1和P2.0相連進行控制。電路中電容為去抖電容。

4.4 電機控制單元

4.4.1 繼電器控制部分

如圖3.5所示：

J15為主電機，J18為從電機；

J15為主電機接口，由J14和J16兩個繼電器控制，J14控制主電機正轉，J16控制主電機反轉；

J18為從電機接口，由J17和J19兩個繼電器控制，J17控制從電機正轉，J19控制從電機反轉；

D2～D5為繼電器工作狀態指示燈；

在繼電器閉、斷開時，會產生頻率高、幅值大的感應電壓（稱為“浪涌電壓”），在反復開、閉過程中，就會造成接點間電火花或電弧干擾，會導致產生含有豐富高頻諧波的干擾信號，這里R40～R43與C43～C46組成的RC電路，起到消除電火花和干擾的作用[8]；

D6～D9為SS14貼片肖特基二極管，是具有單向導電性的器件，其最顯著的特點為反向恢復時間極短，在此電路中當繼電器斷開的瞬間，其內部的電感線圈中原來儲存了一定的磁場能量，切斷它的電路時，由于電源加于感性負載中的電流由一事實上數量突變為0，所以電流變化率非常大，產生很高的感生電動勢，這個很高的電動勢本身能在線路上造成電磁感應干擾稱為瞬變噪聲干擾，二極管在此處提供了一個放電的通路，吸收其釋放的能量。

4.4.2 上電電機瞬時控制

如圖3.6所示：該系統上電后，CPU程序工作前，各繼電器控制端處于不穩定狀態，繼電器可能在沒有接收到指令時吸合，導致電機轉動，可能會發生事故，所以此電路在BT_DCIS_V0.1板中所起的作用是，為了防止接通電源之后，繼電器會出現的不穩定現象，讓所有繼電器都處于受控狀態[9]。

此電路的工作過程為：Q1、Q2兩個三極管在此電路中當開關用，在電路剛上電時，單片機的各I/O口的默認輸出為高電平，當P0.4輸出高電平時，Q1的VE也為5V高電平，且在低電平到高電平的這個過程中，P0.4的電壓值與Q1的VE端的電壓值變化幅度相同，所以在P0.4為低電平前的任一時刻Q1 VE-VB〈0.7V不導通，Q1的VC為低電平，所以Q2的VB-VE〈0.7V也不導通，Q1的VC為低電平，J12的輸入端不能行成回路，繼電器不吸合；

當P0.4為低電平時，Q1 VE-VB〉0.7V導通，Q1的VC為高電平，所以Q2的VB-VE〉0.7V不導通，Q1的VC為高電平，J12的輸入端行成回路，繼電器吸合，從而使控制電機的繼電器吸合，讓它們都處于可控狀態，消除上電瞬時電機轉動[10]引發的危險。

圖3.2

圖3.3

圖3.4

圖3.5

圖3.6

5.結語

本系統采用單片機控制單相齒輪減速同步電機，由單片機發出相應的控制信號，增加了控制的靈活性。本系統實現了對電機的完全控制，能按要求完成動作而不出現誤操作，在對電機上電瞬時的控制也得以實現，達到了預期的設計目的，并投入了使用。

[1]張占立,康春花,郭士軍,符克理.基于單片機的步進電機控制系統[J].電機與控制應用,2011,38(3):28-31,50.

[2]敬嵐,朱海君,張碩成,喬衛民,梁義海.步進電機控制系統的設計及其應用[J].核技術,2005,28(6):479-482.

[3]李強.基于單片機的步進電機控制系統設計與實現[J].儀器儀表用戶,2008,15(4):44-46.

[4]王成元,夏加寬,孫宜標.現代電機控制技術[M].北京:機械工業出版社,2009.

[5]王幸之,王雷,鐘愛琴,王閃.單片機應用系統電磁與抗干擾技術[M].北京:北京航空航天大學出版社,2006.

[6]方愛平.基于單片機的步進電機控制系統的設計與實現[D].浙江:浙江工業大學,2008.

[7]張俊謨.單片機中級教程原理與應用[M].北京:北京航空航天大學出版社,2006.

[8]姜書政,王桂海.基于AT89S52單片機的電機控制系統設計[J].現代電子技術,2010,7(318):138-140.

[9]高琴,劉淑聰,彭宏偉.步進電機控制系統的設計及應用[J].制造業自動化,2012,34(1):150-152.

[10]譚建成.新編電機控制專用集成電路與應用[M].北京:機械工業出版社,2006.