淺談單片機(jī)在電機(jī)控制中的應(yīng)用

張爽 丁治玲 楊功德 夏鳴謙

摘要：目前，由單片機(jī)構(gòu)成的各種類型的應(yīng)用系統(tǒng)已開始深入到各個領(lǐng)域中，在電子技術(shù)改造、高科技領(lǐng)域中扮演愈來愈重要的角色。本文根據(jù)閉環(huán)控制及電機(jī)調(diào)速特性，分析了以單片機(jī)為核心的雙閉環(huán)SR電機(jī)調(diào)速控制問題。

關(guān)鍵詞：單片機(jī);控制;調(diào)速

一、緒論

目前，由單片機(jī)構(gòu)成的各種類型的應(yīng)用系統(tǒng)已開始深入到各個領(lǐng)域中，在電子技術(shù)改造、高科技領(lǐng)域中扮演著愈來愈重要的角色。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)具有以下特點：（1）硬件通用化、應(yīng)用靈活化。（2）體積小、執(zhí)行速度快。（3）可靠性高、抗干擾性強（芯片本身是按測控要求設(shè)計的，其抗工業(yè)噪聲干擾優(yōu)于一般通用CPU）。（4）產(chǎn)品開發(fā)周期短、開發(fā)效率高。（5）系統(tǒng)的硬件、軟件的設(shè)計與配置規(guī)模都是以滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能要求為原則，因此系統(tǒng)的軟硬件應(yīng)用/配置比較近于1，具有最佳的能/價格比，系統(tǒng)中的程序一般都是應(yīng)用程序。

單片機(jī)在控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，利用單片機(jī)設(shè)計開關(guān)型磁阻（SR）電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（SRD），具有結(jié)構(gòu)簡單、堅固、成本低，調(diào)速性能優(yōu)良等特點。SR電機(jī)在寬廣的調(diào)速范圍內(nèi)均具有較高的效率，應(yīng)用前景十分廣闊。對電機(jī)控制精度要求的高低，主要是看對電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的要求，為實現(xiàn)高精的控制，最基本的是開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)，而閉環(huán)控制性能高于開環(huán)控制系統(tǒng)，SR電機(jī)具有很的調(diào)速性能，可以構(gòu)成恒速傳動系統(tǒng)和變速傳動系統(tǒng)，無論哪一種傳動系統(tǒng)，都要求系統(tǒng)具有良好的操作性能，包括具有硬的機(jī)械特性、良好的隨動性及穩(wěn)定性。

二、應(yīng)用

在額定轉(zhuǎn)距以下，SRD系統(tǒng)可以實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，電動機(jī)輸出額定轉(zhuǎn)矩，輸出功率與轉(zhuǎn)速成正比;在額定轉(zhuǎn)速以上，為恒功率調(diào)速，電動機(jī)輸出額定功率，輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降。

SRD系統(tǒng)作為一種新型的變速傳動系統(tǒng)，具有如下輸出特性。在額定轉(zhuǎn)距以下，SRD系統(tǒng)可以實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，電動機(jī)輸出額定轉(zhuǎn)矩，輸出功率與轉(zhuǎn)速成正比;在額定轉(zhuǎn)速以上，為恒功率調(diào)速，電動機(jī)輸出額定功率，輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降。

AT89C51單片機(jī)定時采樣由轉(zhuǎn)子位置傳感器獲得的反饋速度，與由鍵盤敲人的給定速度比較，誤差經(jīng)數(shù)字PID調(diào)節(jié)，再經(jīng)軟件處理，根據(jù)反饋速度的大小是否在基速以上轉(zhuǎn)換成PWM脈沖或控制角度的APC單脈沖的控制參數(shù)。微機(jī)控制器根據(jù)轉(zhuǎn)子位置控制對應(yīng)相繞組的導(dǎo)通或關(guān)斷，輸出對應(yīng)的PWM脈沖或APC單脈沖，經(jīng)功率變換器，實現(xiàn)對SR電機(jī)的控制。為簡化硬件電路，PWM控制、APC脈沖控制、速度檢測、PID調(diào)節(jié)器均由軟件實現(xiàn);為提高過流保護(hù)動作的安全性和快速性，采用硬件過流保護(hù)電路。

微機(jī)控制與常規(guī)SR電機(jī)直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）換相邏輯控制不同，既要滿足SR電機(jī)電動運行換相要求，又要滿足換相要求是制定6只主開關(guān)換相規(guī)則的原則，顯然，這限制相繞組的最大導(dǎo)通角θc不得超過30°。

轉(zhuǎn)速測量通過在采樣周期內(nèi)記錄事件觸發(fā)的次數(shù)一一一一一轉(zhuǎn)過的步進(jìn)角（15°）數(shù)目N實現(xiàn)。速度環(huán)程序在起動階段每隔120ms被調(diào)用一次;起動后若運行在基速以下每隔30ms被調(diào)用一次，若運行在基速以上海隔12ms被調(diào)用一次。速度環(huán)首先計算實際轉(zhuǎn)速，然后判斷電機(jī)是否已經(jīng)起動。將電機(jī)轉(zhuǎn)速低于250r/min作為起動階段，在起動階段速度偏差不作PI調(diào)節(jié)運算，而是采取在軟件定時器T1中斷服務(wù)程序中逐步加大斬波占空比的方法實現(xiàn)軟起動功能。電機(jī)起動后，速度環(huán)每調(diào)用一次，都要進(jìn)行一次速度偏差PI運算，然后刷新控制參數(shù)。

SRD系統(tǒng)可以是速度單閉環(huán)系統(tǒng)，也可以是轉(zhuǎn)速—電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，雙閉環(huán)控制系統(tǒng)在性能上要高于單閉環(huán)系統(tǒng)，但實現(xiàn)起來較為復(fù)雜。

系統(tǒng)軟件由主程序、中斷服務(wù)程序、專用子程序組成。主程序初始化整個系統(tǒng)和將顯示緩沖區(qū)的4位速度值送顯示RAM;中斷服務(wù)程序包括定時器T0、T1中斷服務(wù)程序、鍵盤中斷服務(wù)程序等。鍵盤中斷服務(wù)程序首先讀取按下的鍵值，然后根據(jù)按下的鍵跳轉(zhuǎn)到對應(yīng)的功能模塊控制系統(tǒng)程序的執(zhí)行。專用子程序主要是四字節(jié)浮點運算子程序、十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成BCD碼子程序等。

主程序初始化系統(tǒng)時，將中斷方式設(shè)置為每次跳變觸發(fā)，因此電機(jī)每轉(zhuǎn)過一個步進(jìn)角，中斷服務(wù)程序?qū)⒈粓?zhí)行一次，當(dāng)前的狀態(tài)給寄存器裝載相應(yīng)的命令字并產(chǎn)生所要求的輸出信號。

在雙閉環(huán)SRD系統(tǒng)中，其內(nèi)環(huán)為電流環(huán).因而必須檢測電流。根據(jù)SR電機(jī)調(diào)速控制原理，SRD系統(tǒng)一般采用PWM技術(shù)實現(xiàn)調(diào)速，而電流測量通常是測量繞組相電流或主功率開關(guān)流過的電流，這些電流波形很復(fù)雜，瞬時變化大，峰值高，波形不規(guī)則，要求電流傳感器反應(yīng)快，基本不失真，以供實時控制，同時要求電氣隔離，以免主電路干擾控制電路。電流檢測可以采用電阻取樣法，也可以用霍爾電流傳感器，前者要求采樣電阻阻值小、功率大、溫度系數(shù)低，因而適用于小功率SRD系統(tǒng)，而后者則適用于以單片機(jī)為核心的任何功率的SRD系統(tǒng)，因而具有代表性。

SRD系統(tǒng)的雙閉環(huán)控制，使電機(jī)維持運行在給定速度上，因此，對電機(jī)的瞬時轉(zhuǎn)速要實時、快速檢測，將所測得的轉(zhuǎn)速值與給定的轉(zhuǎn)速值相比較，控制器根據(jù)轉(zhuǎn)速差值確定控制策略。傳統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)有專門測速裝置（如測速發(fā)電機(jī)），而對SRD系統(tǒng)來說，必不可少的位置檢測器提供的位置信號包含了轉(zhuǎn)速信息。

SRD系統(tǒng)操作性能及輸出特性的好壞，關(guān)鍵在于雙閉環(huán)控制特性，而實現(xiàn)良好雙閉環(huán)性能的前題是獲得準(zhǔn)確的雙閉環(huán)參數(shù)——速度參數(shù)和電流參數(shù)，在SRD系統(tǒng)中，給定速度參數(shù)可以通過A/D轉(zhuǎn)換器經(jīng)標(biāo)度變換獲得，實際速度參數(shù)可以通過檢測位置信號獲得，電流參數(shù)可以通過采樣電阻或霍爾電流傳感器獲得，作者設(shè)計的幾種不同功率SRD系統(tǒng)均通過本文所述方法獲得PID控制參數(shù)，取得了良好的控制效果，實踐證明，本文所述方法是有效的。

三、小結(jié)

綜上所述，單片機(jī)在SR電機(jī)控制中可以得到很好的應(yīng)用，并取得良好的應(yīng)用效果。

參考文獻(xiàn)

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