單片機控制下雙電機二維定位系統的思考

摘要：單片機控制下的雙電機二維定位系統是在水平方向和豎直方向分別設置電機，電機運轉帶動執行器件運作，攝像頭在執行器件運作的帶動下開始運轉，也就是說攝像頭的移動是受電機影響的。所以通過對兩臺電機的有效控制可以隨時隨地改變攝像頭的位置，實現全方位、立體化的跟蹤定位。本文首先對單片機進行了概述，然后分析了系統及其驅動主電路的設計，最后論述了電機控制電路的設計。

關鍵詞：單片機；雙電機；二維定位系統；定位

一、單片機應用概述

單片機因為其獨特的優勢在科技領域得到了廣泛應用，成為推動科技發展的重要因素。單片機是機械設備中的控制器，具有體積小、功能性以及可靠性高的優勢，能夠極大提升機械的自動化水平，現如今，單片機已經成為計算機行業發展中主要關注的話題。單片機的應用可以從本質上改變傳統控制系統的設計理念和設計方法，以往的功能是通過模擬電路或者數字電路來實現的，但是現在應用單片機可以通過軟件操作方式來實現機器的功能。這種利用軟件取代硬件的控制技術被行業內稱之為微控制技術，這是控制技術發展歷程中的質的飛躍。

二、系統及其驅動主電路設計

因為只需要電機帶動轉矩較小的轉軸旋轉，所以無需大容量電機，選擇微型電機就可以充分滿足系統及其驅動主電路的需求。如果使用常規的電機，定子上還要有激磁繞組，這樣就還得在系統中加上定子的激磁電源，不僅極大增加了系統的體積，而且還提升了系統的復雜性。直流電動機可以實現快速的啟停操作，能達到較大的啟動轉矩和運行轉矩，再加上直流電動機的輸出轉矩和繞組流過的電流呈現出線性關系，所以具有良好的可靠性，應用操作起來非常方便。

直流電動機的調速性能比較好，所以在對調速要求較高的生產機械設備中得到了廣泛普及。直流電動機的調速是通過改變電樞電壓、回路電阻以及磁通來實現的。具體的調節直流電動機速度的方式如下：第一，改變電樞電壓。在激磁電流和電樞回路電阻不變的情況下調節電樞電壓可以改變直流電動機轉速，電樞電壓增加，轉速隨之升高；電樞電壓降低，轉速也隨之降低；第二，改變電樞回路電阻。這種調速方式在電樞回路中串入電阻，通過串加電阻上的壓降來降低電樞兩側的電壓，從而減少反電勢，在磁通不變的前提下，轉速就會降低。但是改變電樞回路電阻方式只能作降低轉速調節，并且效率較低，成本較高，所以在實際中不常采用這種調速方式。第三，改變磁通。通過改變激磁電阻來改變激磁電流和磁通，從而調節轉速。改變磁通的調速方式只能在電流很小的激磁回路中進行調節，操作方式較為簡單，不會損耗較多的能量；但是當激磁電阻為零時的轉速是最低轉速，所以應用這種方式只能升高電機的轉速，而無法作降低調節。

三、電機控制電路設計

（一）硬件設計

單片機系統需要完成的任務主要如下：第一，完成給定的輸入；第二，反饋脈沖的輸入；第三，調速電壓的控制信號波的輸出；第四，兩路控制脈沖的輸出。具體的運行方式是，單片機通過異步串行通訊口來接收來自圖像處理器的數據信息，然后在內部將其轉化為對應的控制信號將其輸出到主電路中，這樣就可以有效控制電機的啟停和轉向。與此同時，單片機還要完成載波的輸出，通過對斬波電路的控制來加強對電機兩端電壓的控制，進而調節電機的轉速。當電機正常運行之后，單片機要對來自廣電碼盤的反饋脈沖進行實時檢測，通過對比實際值與給定值來決定輸出亦或是停止輸出的時間。

對電動的控制主要可以分為兩大類，一方面是開環系統。開環系統比較簡單，僅能滿足常規的控制要求；另一方面是閉環系統。閉環系統較為復雜，可以滿足精度控制的要求。因為二維定位系統的工作范圍是在一個相對較小的空間里，所以對電機實際角位移量的精度要求比較高。要想對這些數據進行精確控制，就必須要應用精度較高的傳感器，將檢測結果進行數字化轉換然后反饋給單片機，單片機再對這些數字量進行處理作為對電機控制的依據。檢測電機位置是本系統中的一個重要環節，因為電機位置直接決定著電機的轉數，也決定著執行器件和攝像頭的位置，這是二維定位的核心環節。電機位置檢測與反饋設計流程圖如下：

電機碼盤與對射光偶整形電路單片機

位置檢測與反饋原理流程圖

（二）軟件設計

要想保證此系統的正常工作，僅靠硬件部分是遠遠不夠的，還需要系統軟件的配合才能形成一個完整的二維定位系統。硬件電路是軟件的重要基礎，軟件程度則可以促進硬件電路功能的充分發揮，并實現某些硬件電路無法做到的任務。單片機控制下雙電機二維定位系統軟件程序需要具有如下模塊才能實現功能要求：第一，串口接收上位機的給定信號；第二，輸出控制信號控制電機的啟動及轉向；第三，利用單片機的內部計數器來精確控制電機角位移。這種模塊化設計形式極大提高了軟件的靈活性，可以有效實現調用功能，在系統出現運行錯誤時可以及時準確地檢查出錯誤因素，有效保障了系統運行的穩定性和可靠性。本次設計的軟件系統應該采用具有較高移植性和可讀性的C語言進行編程，應用C語言編程可以實現軟件的結構化編程，讓軟件的邏輯結構更加清晰，從而確保整個系統的可靠性。

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作者簡介：黃志飛（1987），男，漢族，廣東清遠人，嵌入式工程師，研究方向：無刷直流電機控制技術及基于單片機的弱電子技術開發。