基于單片機的直流電機控制探討

遼寧輕工職業(yè)學院 王麗艷

電機的種類其實有非常多，但是在當前具有較為良好的性能以及較強的競爭力的主要是單片機，因此，單片機在現(xiàn)階段擁有非常廣泛的應(yīng)用范圍，與此同時我國對于單片機的直流電機的實際控制有了較大程度的研究結(jié)果，這就需要相關(guān)技術(shù)人員能夠以單片機為核心來進行數(shù)字控制系統(tǒng)的具體研究以及設(shè)計。

1 單片機的基本工作原理及對直流電機控制的基本要求

1.1 單片機內(nèi)部芯片工作原理及功能

在研發(fā)的實踐過程中，有關(guān)科研人員主要是針對單片機在實際工作流程中所采用特定規(guī)格的芯片的具體工作機理，進行了比較深入的探究。該型號的芯片可以很好地完成單片機和直流電機之間的具體聯(lián)系，同時也可以利用電平來完成對直流電機的具體操控，該型號的芯片在完成對直流電機操控時的最主要環(huán)節(jié)，是操控直流電機的正轉(zhuǎn)、逆向、停止等啟動的具體工作。

該機型的晶片里面通常都會有七個插針，這主要是因為單片機和內(nèi)部的晶片間有著相當大的聯(lián)系，所以這七個插針中的兩個插針會和單片機直接連結(jié)。其中，直流電機自身和單片機之間也存在著相當大的聯(lián)系，通過這一點也能夠明白七個引腳中為什么還會有另外的兩個引腳與直流電機直接相連。不過為什么該型號的芯片可以在單片機中獲得很普遍的使用，其原因主要是由于該芯片所具備的實際功能十分強勁，而這又是單片機在實際設(shè)計流程當中十分核心的部分。該型號的芯片所實際具有的功能主要如下。

相較于一般的芯片，該型號芯片在實際工作流程中所使用的工作電流更小、可以自動化地實現(xiàn)更加基礎(chǔ)的工作形式、可以切實保證相應(yīng)的工作電流、在實際的工作流程中具有較為平穩(wěn)的工作電流。該型號的芯片在實際工作過程中對于電流的要求一般不會超過3A，在進行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止以及啟動等工作程序這些較為基礎(chǔ)的工作形式時，同時也具備是一個規(guī)模型號比較小的直流機所應(yīng)該具有的基本功能。

在針對電路的保護方面，主要是在單片機完成通電之后，在正常的運行過程中很有可能會因為各種因素的出現(xiàn)而導致電路出現(xiàn)過熱或者是電流過載的情況，在這個時候很有可能就會對電路造成一定程度的破壞，因此該種型號的芯片能夠在很大程度上對于電路起到一個良好的保護作用。

在電壓方面，單片機要想能夠驅(qū)動直流電機實現(xiàn)良好的運行，電壓條件一般都需要處于0～18V 的范圍之內(nèi)。芯片對于直流電機的運行來說是一個非常重要的部分，在充分地了解了芯片的工作原理以及工作流程之后，就可以針對相關(guān)的細節(jié)進行針對性比較強的完善以及創(chuàng)新，從而就能夠設(shè)計出具有更強精密性的直流電機控制系統(tǒng)[1]。

1.2 單片機對直流電機控制的基本要求

現(xiàn)階段，目前所實際使用的單片機與直流電機之間的具體聯(lián)系，主要是基于單片機能夠?qū)χ绷麟姍C的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止，以及起動等比較基本的功能實現(xiàn)合理的控制，并且由于直流機在實際的工作流程中也可以具有優(yōu)異的特性，要盡量地符合單片機在實際工作流程中所提供的相應(yīng)條件，因此單片機對直流機通常都會有兩個方面的要求，主要是技術(shù)限制條件和基本要求。

針對于單片機控制器所實際提供的基本控制條件來說，由于單片微型計算機設(shè)備表面上通常都會有實現(xiàn)各個領(lǐng)域具體控制功能的相應(yīng)按鍵，這樣對于單片微型計算機系統(tǒng)的基本控制條件來說通常都會相對易于進行實現(xiàn)，只需滿足通過使用不同的按鍵來完成對直流電機設(shè)備在實際工作過程中的四種比較基本的功能、甚至是對工作狀態(tài)的基本控制就可。與此同時，還能夠通過針對直流電機設(shè)備上的加速按鍵，以及在實際工作過程中對被按的具體頻率的識別工作，來對于直流電機的速度快慢的監(jiān)控工作。

在某些情形下，技術(shù)人員在實際的操作過程中還會發(fā)現(xiàn)，由于加速按鈕的使用次數(shù)甚至是使用頻率都太快、以至于超出了所設(shè)定的速度最大值，當這種時候在直流電機內(nèi)部很有可能就會要求調(diào)速命令不被執(zhí)行。

其所謂的基本條件，正是在對于直流電機進行實際控制時所提供的最重要的基本條件，在進行對直流電機的具體控制過程中，直流電機的具體轉(zhuǎn)速變化必須要能夠與單片機設(shè)定好的速度相一致，這樣才可以真正做到脈寬調(diào)制與自身軟件系統(tǒng)的實際啟動速度能夠完全相符，這樣才可以在一定程度上保障相關(guān)軟件系統(tǒng)在開機過程中的正常轉(zhuǎn)速。但是不論是單片機所提出的控制要求還是基本要求，最后所實際記錄下來的相關(guān)數(shù)據(jù)信息與實際情況之間存在的誤差范圍不能夠超過百分之二。只有達到這樣的顯示標準，才能認為是符合原有設(shè)計所提出的要求[2]。

2 無刷直流電機以及調(diào)速控制的具體原理

通過將直流電動機與交流電動機進行對比分析后就能夠較為明顯地得出，直流電動機在調(diào)速性能方面很大程度優(yōu)于交流電動機，但是直流電動機也并不是完全完美的，因為直流電動機在進行機械換向的實際過程中很有可能出產(chǎn)生相應(yīng)的噪音、火花以及電磁干擾等現(xiàn)實情況。在現(xiàn)階段所實際使用的控制方式一般都是PID 控制這種方式。

PID 控制方式中還有一種模糊PID 控制方式，該控制方式之所以產(chǎn)生，主要還是由模糊控制方式與PID 控制方式進行了一定程度的結(jié)合之后而產(chǎn)生的一種比較新的控制方式，同時這也時一種較為傳統(tǒng)的PID 控制方式，具有更強的抗干擾能力以及更加良好性能的控制方式。模糊PID 控制方式在較為常規(guī)的PID 控制方式當中加入了一定程度的模糊控制方式，這樣實際上能夠在很大程度上擺脫被控制對象的具體數(shù)學模型，這就在一定程度上簡化了系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計，進而提高了系統(tǒng)的實際抗干擾性與適用范圍。

3 單片機控制直流電機的設(shè)計方案以及對于控制系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計

3.1 單片機控制直流電機的具體設(shè)計方案

在現(xiàn)階段，中國的工程技術(shù)人員對單片機進行直流機的控制系統(tǒng)設(shè)計方案一般包括兩個，分別為測控方法的設(shè)計和電路方法的設(shè)計。

在測控方法的實際設(shè)計流程當中，一般都會對于速度進行嚴格的控制。直流電機在正常的工作流程當中的實際速度是否可以滿足有關(guān)的規(guī)定，這其實是確保直流電機可以做到正常工作的一項關(guān)鍵要求，也就是由于這樣，限制直流電機的實際速率在監(jiān)測控制系統(tǒng)方案的實際設(shè)計流程當中也是一項十分關(guān)鍵的現(xiàn)實因素。要想能夠真正地設(shè)計出質(zhì)量較好的測控方法，相關(guān)的技術(shù)人員就一定要對于測控工作的實際原理做出較為深入的了解與學習。測控技術(shù)的基本原理主要是利用對直流電機的運動速率的檢測來進行檢測，進而針對檢測結(jié)果做出具體的反映。

相關(guān)的檢測工作一般都是由專業(yè)的檢測設(shè)備來具體完成的，檢測設(shè)備一般都能夠自動地將檢測到的實際結(jié)果轉(zhuǎn)化成為單片機能夠識別、讀取以及研究的相關(guān)信號，然后還會將這部分信號傳輸?shù)絾纹瑱C配套的檢測設(shè)備上面，進行更進一步的分析以及處理工作，在完成所有的處理工作之后，再將其輸出成為一定形式的信號。相關(guān)的技術(shù)人員能夠通過這些輸出的信號來對于直流電機在運行過程中的實際轉(zhuǎn)速進行讀取，這樣就能夠根據(jù)直流電機的實際轉(zhuǎn)速來更加直觀地判斷，該轉(zhuǎn)速是否能夠與單片機所實際配備的轉(zhuǎn)速保持較高程度的一致性，而這也實際上成為了當前進行轉(zhuǎn)速測控工作當中非常重要且十分關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)[3]。

3.2 電路方案的具體設(shè)計

當前，要想能夠使直流電機工作可以得以正常進行以及實現(xiàn)其中的所有工作，首先就必須要能夠針對每個電路在實際進行配置工作過程中所能夠表現(xiàn)出的完整性做出相應(yīng)程度的保障，而針對電路的實際配置工作中通常都會包含了由單片機實現(xiàn)、控制電路、可以完成所有工作的按鈕以及直流電機自身。而類似的，相應(yīng)的工程技術(shù)人員在真正完成了電路方案的設(shè)計工作之前，也必須要能夠針對電路方案工作的基本原理和實際需求進行進一步的認識以及深入研究。電路設(shè)計方案的具體作用原理如下文所述。

單片微型機在進行實際操作過程中，所發(fā)揮的最主要功能就是通過相應(yīng)的命令來向驅(qū)動電路完成相應(yīng)信息的發(fā)送，而驅(qū)動電路在接受了命令信息以后，就可以通過對自己所接受到的命令信息利用轉(zhuǎn)義來產(chǎn)生直流電機所可以識別的命令信息，這樣信號就被傳送到了直流電機當中，然后直流電機就可以通過自己所實際接受到的信息來將它轉(zhuǎn)化成為相應(yīng)的命令信息，而這種命令信息也就可以影響設(shè)備所進行具體的操作活動以及工作狀態(tài)。單片機系統(tǒng)通常都是由單片機自身、調(diào)節(jié)集成電路、復位回路及其能夠影響不同模塊實現(xiàn)控制功能的按鈕所構(gòu)成，不過在實際的工作中，單片機控制系統(tǒng)通常都可以獨立自主地完成一定的控制功能，也就是由于這樣，單片機控制系統(tǒng)也被稱作是在直流電機中的獨立控制器。

3.3 單片機直流電機控制系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計

單片機直流電機控制器的相關(guān)設(shè)計工作通常都會包含了硬件方案設(shè)計和軟件設(shè)計這兩個部分。當對控制器的硬件方面進行具體的設(shè)計工作時，由于其硬件內(nèi)部通常都是利用集成電路來進行相應(yīng)的連接工作，所以在硬件方案設(shè)計的實際過程中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是集成電路方案設(shè)計。在硬件產(chǎn)品設(shè)計的實際流程中，主要涉及到的有主電路的設(shè)計、驅(qū)動電路的設(shè)計、電源電路的設(shè)計和測試電路的設(shè)計等工作。

3.3.1 硬件方案設(shè)計

在進行主電路的產(chǎn)品設(shè)計流程中，單片機就必須使用專門針對主電路的相關(guān)控制器，來針對直流電機內(nèi)部的實際系統(tǒng)進行設(shè)計操作，最主要的操作就是進行對直流電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止以及啟動這四種較為基礎(chǔ)的工作行為或者是工作狀態(tài)的實際控制。

單片機通常都是利用內(nèi)置的芯片來完成對直流電機的遙控工作，在這兩個設(shè)備之間所實現(xiàn)的信號轉(zhuǎn)換工作一般都是通過相關(guān)的引腳來完成的。例如，開關(guān)電源的插針通常都會作為控制開關(guān)電源的通斷、RST 則為了進行回歸復位，只有把具備各種功用的插針加以結(jié)合來充分地實現(xiàn)出自身功用的科學結(jié)合，才可以使主電路進行正確的工作。

在驅(qū)動電源方面：驅(qū)動電路的電源來源通常都是來自于隔離二極管、自舉電容等的驅(qū)動芯片，但同時還必須把電壓范圍限制在12～15V 左右；在電源電路方面：當前我國的一般家用電壓都是在220V左右，但是因為控制系統(tǒng)在實際的應(yīng)用過程中需要更低的電壓環(huán)境，在這樣的現(xiàn)實情況面前，就需要利用電源電路來實現(xiàn)電壓之間的實際轉(zhuǎn)換工作。在對于電路進行實際的檢測工作方面，因為控制系統(tǒng)的正常運行需要的電壓低于正常的家用電壓，也正是因為如此，如果電壓超過了控制系統(tǒng)所能夠?qū)崿F(xiàn)正常運行的范圍，那么就會容易出現(xiàn)系統(tǒng)被高壓燒壞或者是電源被燒毀的情況。

在這樣的現(xiàn)實情況面前，相關(guān)的技術(shù)人員一定要能夠?qū)τ陔娫磧啥舜嬖诘碾娮柽M行必要的監(jiān)測工作，進而計算電源兩端實際存在的電壓，同時需要對于已經(jīng)檢測出來的電壓進行監(jiān)測，看電壓范圍是否處于規(guī)定的電壓范圍內(nèi)，一旦發(fā)現(xiàn)電壓范圍存在著不合格的現(xiàn)象，那么相關(guān)的技術(shù)人員一定要能夠及時地對于該情況進行控制，阻止控制系統(tǒng)的實際運行，這樣一來就能夠在很大程度上達到較為良好的保護系統(tǒng)的實際目的。

3.3.2 軟件設(shè)計

在對于控制系統(tǒng)的相關(guān)軟件進行實際的設(shè)計工作過程中，一方面因為當前對于軟件的設(shè)計工作并沒有像硬件的設(shè)計工作那樣受到較多的關(guān)注以及重視，但是軟件又是其中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，軟件所起到的實際作用便是及時中斷服務(wù)程序、子程序、電路以及速度方面的具體調(diào)整，從這一點實際上也能夠較為明顯地看出，軟件在控制系統(tǒng)的正常運行方面也起到了至關(guān)重要的作用。