淺談單片機在電機控制中的應用

張爽 丁治玲 楊功德 夏鳴謙

摘要：目前，由單片機構成的各種類型的應用系統已開始深入到各個領域中，在電子技術改造、高科技領域中扮演愈來愈重要的角色。本文根據閉環控制及電機調速特性，分析了以單片機為核心的雙閉環SR電機調速控制問題。

關鍵詞：單片機;控制;調速

一、緒論

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

單片機在控制領域得到了廣泛的應用，利用單片機設計開關型磁阻（SR）電機調速系統（SRD），具有結構簡單、堅固、成本低，調速性能優良等特點。SR電機在寬廣的調速范圍內均具有較高的效率，應用前景十分廣闊。對電機控制精度要求的高低，主要是看對電機轉速控制的要求，為實現高精的控制，最基本的是開環控制系統與閉環控制系統，而閉環控制性能高于開環控制系統，SR電機具有很的調速性能，可以構成恒速傳動系統和變速傳動系統，無論哪一種傳動系統，都要求系統具有良好的操作性能，包括具有硬的機械特性、良好的隨動性及穩定性。

二、應用

在額定轉距以下，SRD系統可以實現恒轉矩調速，電動機輸出額定轉矩，輸出功率與轉速成正比;在額定轉速以上，為恒功率調速，電動機輸出額定功率，輸出轉矩隨轉速升高而下降。

SRD系統作為一種新型的變速傳動系統，具有如下輸出特性。在額定轉距以下，SRD系統可以實現恒轉矩調速，電動機輸出額定轉矩，輸出功率與轉速成正比;在額定轉速以上，為恒功率調速，電動機輸出額定功率，輸出轉矩隨轉速升高而下降。

AT89C51單片機定時采樣由轉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，誤差經數字PID調節，再經軟件處理，根據反饋速度的大小是否在基速以上轉換成PWM脈沖或控制角度的APC單脈沖的控制參數。微機控制器根據轉子位置控制對應相繞組的導通或關斷，輸出對應的PWM脈沖或APC單脈沖，經功率變換器，實現對SR電機的控制。為簡化硬件電路，PWM控制、APC脈沖控制、速度檢測、PID調節器均由軟件實現;為提高過流保護動作的安全性和快速性，采用硬件過流保護電路。

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

轉速測量通過在采樣周期內記錄事件觸發的次數一一一一一轉過的步進角（15°）數目N實現。速度環程序在起動階段每隔120ms被調用一次;起動后若運行在基速以下每隔30ms被調用一次，若運行在基速以上海隔12ms被調用一次。速度環首先計算實際轉速，然后判斷電機是否已經起動。將電機轉速低于250r/min作為起動階段，在起動階段速度偏差不作PI調節運算，而是采取在軟件定時器T1中斷服務程序中逐步加大斬波占空比的方法實現軟起動功能。電機起動后，速度環每調用一次，都要進行一次速度偏差PI運算，然后刷新控制參數。

SRD系統可以是速度單閉環系統，也可以是轉速—電流雙閉環系統，雙閉環控制系統在性能上要高于單閉環系統，但實現起來較為復雜。

系統軟件由主程序、中斷服務程序、專用子程序組成。主程序初始化整個系統和將顯示緩沖區的4位速度值送顯示RAM;中斷服務程序包括定時器T0、T1中斷服務程序、鍵盤中斷服務程序等。鍵盤中斷服務程序首先讀取按下的鍵值，然后根據按下的鍵跳轉到對應的功能模塊控制系統程序的執行。專用子程序主要是四字節浮點運算子程序、十六進制數轉換成BCD碼子程序等。

主程序初始化系統時，將中斷方式設置為每次跳變觸發，因此電機每轉過一個步進角，中斷服務程序將被執行一次，當前的狀態給寄存器裝載相應的命令字并產生所要求的輸出信號。

在雙閉環SRD系統中，其內環為電流環.因而必須檢測電流。根據SR電機調速控制原理，SRD系統一般采用PWM技術實現調速，而電流測量通常是測量繞組相電流或主功率開關流過的電流，這些電流波形很復雜，瞬時變化大，峰值高，波形不規則，要求電流傳感器反應快，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、溫度系數低，因而適用于小功率SRD系統，而后者則適用于以單片機為核心的任何功率的SRD系統，因而具有代表性。

SRD系統的雙閉環控制，使電機維持運行在給定速度上，因此，對電機的瞬時轉速要實時、快速檢測，將所測得的轉速值與給定的轉速值相比較，控制器根據轉速差值確定控制策略。傳統調速系統設有專門測速裝置（如測速發電機），而對SRD系統來說，必不可少的位置檢測器提供的位置信號包含了轉速信息。

SRD系統操作性能及輸出特性的好壞，關鍵在于雙閉環控制特性，而實現良好雙閉環性能的前題是獲得準確的雙閉環參數——速度參數和電流參數，在SRD系統中，給定速度參數可以通過A/D轉換器經標度變換獲得，實際速度參數可以通過檢測位置信號獲得，電流參數可以通過采樣電阻或霍爾電流傳感器獲得，作者設計的幾種不同功率SRD系統均通過本文所述方法獲得PID控制參數，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

綜上所述，單片機在SR電機控制中可以得到很好的應用，并取得良好的應用效果。

參考文獻

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