基于單片機的運動控制實訓設備開發

馬初勃

（廣東省粵東技師學院，廣東汕頭 515041）

0 前言

電動機是機電設備的主要動力來源，幾乎滲透到生產和生活的各個領域。電動機按工作電壓分為直流電機和交流電機，直流電機由于調速性能優越、技術成熟，廣泛應用于調速性能要求較高的場合。近些年來，交流變頻調速發展迅速，已部分取代了直流電機，但直流調速在某些領域（如電動自行車、航模、消費類電器產品等）將長期無法代替，且掌握直流電機調速有助于理解自動控制原理。因此，在技工院校開展直流電機調速的教學和應用的實訓意義重大。

筆者任職的學校，直流調速系統的實訓裝置采用的是DSC32直流調速實訓裝置。該裝置采用傳統的直流調速方法，用模擬電子電路構成調節器，用測速發電機檢測電機速度，通過調整開關器件的導通角來改變施加于電樞繞組的直流電壓，進而改變直流電機的轉速[1]。這種方式的控制電路復雜、元件多、成本高，容易受分立元件、調節器的誤差和溫漂、設定值和反饋環節的誤差和擾動等因素的影響，不易實現高精度控制[2]。

當今的機電設備正朝著數字化、集成化和智能化的方向發展，尤其在直流調速方面，目前高性能的調速系統均采用數字化控制。為此，筆者設計開發了一套基于單片機的運動控制實訓設備，該設備作為傳統模擬式直流調速方式的補充，以數字控制的方式實現直流電機調速，采用單片機作為控制器實現PWM直流調壓，用編碼器作為測速反饋環節，控制電路簡單，精確度、可靠性高。在此基礎上，本設備還增加了步進電機控制功能，可作為步進電機的控制器和驅動器，比常規的“PLC+步進驅動器”控制方式大幅節約成本，且結構簡單、方便易攜，性價比高，還能與上位機通訊，實現集散控制。

1 數字直流調速系統設計

1.1 方案設計

作為教學用的實訓設備，在滿足教學使用的前提下可使設備盡量簡單、容易實現，因此被控對象選用低壓小功率的永磁有刷電機，無需勵磁。對于此類電機的調速，只需要改變施加于電樞繞組的電壓有效值便能實現，電機工作電源由開關電源提供。

根據PWM（脈沖寬度調制）原理，調節PWM占空比就能改變輸出電壓的有效值，從而電樞繞組的輸入電壓，實現電機調速。但單片機發出的PWM信號無法直接驅動直流電機，需要將信號放大，可用分立元器件構成放大電路，也可用專用的驅動芯片，將單片機送來的PWM信號放大后驅動直流電機，且能改變電機的轉向和檢測電機工作電流。為使設備盡量簡單易實現，采用后者。

控制系統的硬件方框圖如圖1所示。

圖1 數字化直流調速控制系統方框圖

1.2 硬件選擇

1.2.1 直流電機

本系統的用途是供學生學習電機的數字化調速和自動控制，不需要驅動大負載，為便于系統搭建和調試，選用24 V微型直流減速電機，空載轉速350 r/min，工作電流0.15 mA～2.4 A，自帶AB雙相增量式編碼器。

1.2.2 控制器

單片機是目前成本較低、使用較廣泛、通用性較強的控制芯片，本系統采用單片機作為運動系統的控制器。市面雖有電機控制專用的單片機（如EG89M52）,考慮到通用性和便于學生學習與實訓，本系統采用目前廣泛應用的STC單片機，該增強型的51系列單片機具有PWM和AD轉換功能，使控制電路更加簡化。

1.2.3 直流電機驅動電路

采用L298N芯片作為電機驅動，該芯片能驅動兩臺46 V以下的直流電機，輸出電流可達2.5 A，可接受單片機發來的PWM信號和轉向控制信號，通過內部的H橋開關改變輸出電壓的有效值，調節電機轉速，還能提供電流檢測信號反饋至單片機。

1.2.4 輸入設備

本系統設置以下功能按鍵和開關：停止按鍵STOP、正轉按鍵FWD、反轉按鍵REV、加速按鍵+、減速按鍵-，共5個按鍵，其中加減速鍵是多功能按鍵，比如顯示上下翻頁；另有2個開關，一個為開閉環模式選擇開關（OFF為開環、ON為閉環），一個為單閉環/雙閉環選擇（OFF為單閉環、ON為雙閉環）。

1.2.5 顯示設備

本系統需顯示設定轉速、實際轉速、正（反）轉、控制模式、電流等，因顯示內容較多，采用128*64的串口液晶屏。

1.2.6 電源

本設備控制電路所需電源為5 V，電機額定電壓為24 V，因此選用帶5 V、24 V兩路輸出的開關電源，CH1為5V/5A，CH2位24V/2A，額定功率73 W，帶短路、過載、過壓保護。

1.3 軟件設計

1.3.1 程序框架

本系統用單片機作為控制器，可實現開環和閉環控制。開環控制系統對負載變化引起的轉速波動沒有抑制能力，往往不能滿足實際需要，想要獲得高調速性能，必須引入反饋。

在調節器的性能方面，比例控制雖響應速度快，但有靜差；積分控制雖能消除靜差，但調節過程時間較長。在實際應用中可把這兩種控制作用結合起來，形成比例積分（即PI）控制，可使系統響應快速、穩態精度高，PI調節器能滿足大多數自動控制系統的性能要求。

在教學中，可以根據課時量多少和學生的層次由淺入深的練習開環、單閉環、雙閉環控制模式，調節器的類型可靈活選擇并由單片機編程實現。

在程序編制時，采用模塊化思想，各個功能模塊逐一實現，盡量做到“高內聚、低耦合”。對本系統而言，將軟件分為如下幾個模塊，如表1所示。

表1 模塊分類及功能說明

采用模塊化，可以將任務分解，有助于學生相對獨立地學習單片機的各個功能模塊，比如定時器、中斷系統、AD模塊、PWM模塊等，可以更好地學習單片機、也便于設備的調試。下面重點介紹測速模塊。

1.3.2 測速方法

數字測速方法有M、T、M/T三種。M法的分辨率與實際轉速無關，而轉速越高誤差率越小；T法在低轉速時具有較強的分辨率和較小的誤差；M/T法兼有M法和T法的優點，無論在高速還是低速都具有較高的分辨能力和檢測精度，但會占用單片機較多資源[2]。

本系統設計為全范圍調速，即調速范圍為0～350 r/min，因轉速較低，采用T法測速能獲得較強的分辨率和較小的誤差。T法測速是通過累計在旋轉編碼器輸出的相鄰兩個脈沖的同樣變化沿之間的高頻時鐘脈沖個數，從而算出電機轉速。

在硬件設計方面，將編碼器的A/B兩相中的一相接到單片機的外部中斷口/PCA口，另外一相接到計數口，配合定時器可實現速度檢測、方向鑒定。在軟件設計方面，有較大的靈活性，可提供幾種不同的思路和方法，供學生學習編程，并比較，從而得出最佳的測速方案。基本思路可以有：（1）利用PCA模塊的捕捉功能，直接獲取兩個相鄰上升沿或下降沿的時間間隔，同時根據另外一相的電平情況鑒別方向；（2）利用外部中斷功能，配合一個自由運行的時間計數器，計算每兩個相鄰上升沿或下降沿的時間時間（相對于PCA功能，精度較差），同樣根據另外一相的電平情況鑒別方向；（3）利用定時器/計數器的計數功能，累計一段時間內的脈沖數來實現速度檢測，方向判別和前面兩種方法類似。

提出不同思路的主要目的，是幫助引導學生開拓思維，不要受限于某一種方法，引導他們去思考、嘗試。在保證人身安全的前提下，所開發的設備是開放性的、開源性的。

1.4 調速性能驗證

通過控制模式按鍵的選擇，本系統可以工作在開環、單閉環、雙閉環3種控制模式下，能讓學生由淺入深地學習電機自動控制，驗證閉環控制的效果。

在閉環模式下，可人為的加入擾動量驗證自動控制的效果。因本系統的給定速度信號是在程序中設定一個初始值，不存在輸入偏差。除此之外，電機控制系統中常見的擾動量有電源電壓波動和負載波動，可用以下方法簡單模擬擾動。

電源電壓波動：在驅動芯片的電機驅動電源輸入端Vs前旁路一個分壓電阻（如圖1所示），電阻可用開關短接；常態下開關閉合，電阻被短接，電機全壓運行；當開關斷開時，電阻接入電路分壓，電機的電樞電壓降低。

負載波動：給電機的輸出軸裝上一個帶O型膠圈的飛輪，常態下電機不帶負載；當需要帶負載時，用離合裝置使一小風扇的轉軸緊壓O型膠圈，小風扇將被O型膠圈的摩擦力帶動旋轉，模擬帶負載運行。

通過驗證，開環運行時，電樞電壓降低和帶負載都會使電機轉速下降；而閉環運行時，在這兩個擾動的影響下，轉速基本不變。

2 步進電機控制系統

步進電機可以通過控制脈沖的個數和頻率來控制角位移量、轉速和加速度，現廣泛應用于需要定位和調速的機電設備。目前在技工學校教學中，步進電機多用PLC控制，控制器和步進驅動器成本較高，實訓設備較大，且多數側重步進電機的應用，對步進電機的原理尤其是如何實現細分的原理涉獵較少，不利于學生透徹理解步進電機。

本設備采用廉價的單片機作為控制器，采用分立驅動芯片作為步進電機驅動器，大大降低了教學步進電機實訓設備的成本，而且有助于學生深入理解步進電機的原理的驅動方式。

2.1 設計方案

要使步進電機轉動，可由單片機發出環形分配脈沖，經信號放大后直接驅動步進電機，但此法控制程序復雜，占用單片機資源較多，放大電路元件較多，且難以實現細分控制功能。因此，采用單片機加步進電機驅動芯片的方案。

為驗證步進電機的控制效果，需要設計執行機構加以體現，即需讓電機帶動負載實現某種功能。本系統的負載為可360h旋轉的指針，因指針為輕負載，可簡單采用皮帶傳動。在步進電機輸出軸和指針轉軸都安裝上皮帶輪，用皮帶連接兩個皮帶輪，電機旋轉時帶動指針轉動，通過按鍵設置，可控制指針轉動的圈數、角度和速度，還可以做成一個秒表。

2.2 硬件選擇

2.2.1 控制器、輸入輸出設備

控制器、輸入輸出設備分別與直流調速系統共用單片機、按鍵和液晶屏，做不同項目實訓時，用杜邦線將單片機I/O口分別連接到按鍵和液晶屏的不同插針。本系統設計有8個輸入信號：啟動、停止、正轉、反轉、加速、減速、角度、細分（用一個按鍵切換），6個輸出顯示信號：正轉、反轉、轉速、圈數、角度、細分級別。

2.2.2 驅動電路

采用前述的L298N可以驅動一個二相步進電機，但無細分功能，導致低速運行時震動噪音較大。所以本系統選用東芝TA8435H芯片驅動，TA8435H芯片對單片機送來的單一脈沖信號進行環形分配，并在芯片內部提高驅動能力，進而驅動步進電機。該模塊工作電壓范圍寬(10～40 V)；輸出電流大，可達1.5 A（平均）和2.5 A（峰值）；具有正/反轉控制功能和復位、使能功能，具有整步、半步、1/4細分、1/8細分運行方式可供選擇，解決步進電機在低頻工作時振動大、噪聲大的問題[6]。

2.2.3 步進電機

本設備對步進電機的運動精度和帶負載能力要求不高，考慮到電源提供的電壓為24 V，可選擇常見的小型步進電機：二相四線，驅動電壓24 V，步距角1.8h，相最大電流1.5 A。

硬件方框圖如圖2所示。

圖2 步進電機控制系統硬件方框圖

2.3 軟件設計

軟件方面的設計可參照上述的直流調速系統，但因不需要電流反饋和PI調節，程序較之直流調速的簡單，限于篇幅，此處不再贅述。

3 結語

本文所設計的設備為直流調速、步進驅動提供了設計簡單、成本低廉、精確度高的數字化控制方式，該設備可以作為學習直流調速、自動控制、步進電機原理及應用、單片機等課程的演示教儀和實訓設備，也可作為相關課程的課程設計課題。通過設計和制作該設備，為今后進一步開展無刷電機、新能源汽車驅動等課題的研究打下了基礎。

［1］王建，徐洪亮.直流調速技術［M］.北京：機械工業出版社，2014.

［2］阮毅，楊影，陳伯時.電力拖動自動控制系統——運動控制系統（5版）［M］.北京：機械工業出版社，2016.

［3］楊靖.用單片機控制的直流電機調速系統［J］.機床電器，2008，35（1）：45-47.

［4］朱新華，周龍.基于單片機的直流電機調速系統設計［J］.現代制造技術與裝備，2016（1）：72-74.

［5］陳中，沈翠鳳.基于單片機調速控制系統設計［J］.鹽城工學院學報（自然科學版），2012，25（3）：54-58.

［6］王瑋，陳畢雙，楊捷順.基于TA8435H驅動的步進電機的單片機控制［J］.機電工程技術，2009，38（07）：34-35.

［7］（日）晶體管技術編輯部.馬杰，譯.小型直流電機控制電路設計［M］.北京：科學出版社，2016.

［8］韓雁，徐昱明.C51單片機及應用系統設計（2版）［M］.北京：電子工業出版社，2016.