單片機控制下雙電機二維定位系統(tǒng)的思考

摘要：單片機控制下的雙電機二維定位系統(tǒng)是在水平方向和豎直方向分別設(shè)置電機，電機運轉(zhuǎn)帶動執(zhí)行器件運作，攝像頭在執(zhí)行器件運作的帶動下開始運轉(zhuǎn)，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(xiàn)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(tǒng)及其驅(qū)動主電路的設(shè)計，最后論述了電機控制電路的設(shè)計。

關(guān)鍵詞：單片機；雙電機；二維定位系統(tǒng)；定位

一、單片機應(yīng)用概述

單片機因為其獨特的優(yōu)勢在科技領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，成為推動科技發(fā)展的重要因素。單片機是機械設(shè)備中的控制器，具有體積小、功能性以及可靠性高的優(yōu)勢，能夠極大提升機械的自動化水平，現(xiàn)如今，單片機已經(jīng)成為計算機行業(yè)發(fā)展中主要關(guān)注的話題。單片機的應(yīng)用可以從本質(zhì)上改變傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的設(shè)計理念和設(shè)計方法，以往的功能是通過模擬電路或者數(shù)字電路來實現(xiàn)的，但是現(xiàn)在應(yīng)用單片機可以通過軟件操作方式來實現(xiàn)機器的功能。這種利用軟件取代硬件的控制技術(shù)被行業(yè)內(nèi)稱之為微控制技術(shù)，這是控制技術(shù)發(fā)展歷程中的質(zhì)的飛躍。

二、系統(tǒng)及其驅(qū)動主電路設(shè)計

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

直流電動機的調(diào)速性能比較好，所以在對調(diào)速要求較高的生產(chǎn)機械設(shè)備中得到了廣泛普及。直流電動機的調(diào)速是通過改變電樞電壓、回路電阻以及磁通來實現(xiàn)的。具體的調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)電樞電壓可以改變直流電動機轉(zhuǎn)速，電樞電壓增加，轉(zhuǎn)速隨之升高；電樞電壓降低，轉(zhuǎn)速也隨之降低；第二，改變電樞回路電阻。這種調(diào)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(cè)的電壓，從而減少反電勢，在磁通不變的前提下，轉(zhuǎn)速就會降低。但是改變電樞回路電阻方式只能作降低轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，并且效率較低，成本較高，所以在實際中不常采用這種調(diào)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(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。改變磁通的調(diào)速方式只能在電流很小的激磁回路中進行調(diào)節(jié)，操作方式較為簡單，不會損耗較多的能量；但是當(dāng)激磁電阻為零時的轉(zhuǎn)速是最低轉(zhuǎn)速，所以應(yīng)用這種方式只能升高電機的轉(zhuǎn)速，而無法作降低調(diào)節(jié)。

三、電機控制電路設(shè)計

（一）硬件設(shè)計

單片機系統(tǒng)需要完成的任務(wù)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(diào)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(shù)據(jù)信息，然后在內(nèi)部將其轉(zhuǎn)化為對應(yīng)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(zhuǎn)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(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速。當(dāng)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(huán)系統(tǒng)。開環(huán)系統(tǒng)比較簡單，僅能滿足常規(guī)的控制要求；另一方面是閉環(huán)系統(tǒng)。閉環(huán)系統(tǒng)較為復(fù)雜，可以滿足精度控制的要求。因為二維定位系統(tǒng)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(shù)據(jù)進行精確控制，就必須要應(yīng)用精度較高的傳感器，將檢測結(jié)果進行數(shù)字化轉(zhuǎn)換然后反饋給單片機，單片機再對這些數(shù)字量進行處理作為對電機控制的依據(jù)。檢測電機位置是本系統(tǒng)中的一個重要環(huán)節(jié)，因為電機位置直接決定著電機的轉(zhuǎn)數(shù)，也決定著執(zhí)行器件和攝像頭的位置，這是二維定位的核心環(huán)節(jié)。電機位置檢測與反饋設(shè)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(shè)計

要想保證此系統(tǒng)的正常工作，僅靠硬件部分是遠遠不夠的，還需要系統(tǒng)軟件的配合才能形成一個完整的二維定位系統(tǒng)。硬件電路是軟件的重要基礎(chǔ)，軟件程度則可以促進硬件電路功能的充分發(fā)揮，并實現(xiàn)某些硬件電路無法做到的任務(wù)。單片機控制下雙電機二維定位系統(tǒng)軟件程序需要具有如下模塊才能實現(xiàn)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(zhuǎn)向；第三，利用單片機的內(nèi)部計數(shù)器來精確控制電機角位移。這種模塊化設(shè)計形式極大提高了軟件的靈活性，可以有效實現(xiàn)調(diào)用功能，在系統(tǒng)出現(xiàn)運行錯誤時可以及時準(zhǔn)確地檢查出錯誤因素，有效保障了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性。本次設(shè)計的軟件系統(tǒng)應(yīng)該采用具有較高移植性和可讀性的C語言進行編程，應(yīng)用C語言編程可以實現(xiàn)軟件的結(jié)構(gòu)化編程，讓軟件的邏輯結(jié)構(gòu)更加清晰，從而確保整個系統(tǒng)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(shù)及基于單片機的弱電子技術(shù)開發(fā)。