單片機技術在機電一體化控制中的應用

高麟

摘? 要：電機控制系統(tǒng)本身的結(jié)構是非常簡單的，運行比較可靠、順利，同時它維修方便，因此得到了廣泛應用。單片機作為電機控制系統(tǒng)的處理器，很大程度地降低了成本，而且也促使PCB板的布線得到了很大簡化，使PCB的布線變得更加簡便、合理。單片機電機控制系統(tǒng)是通過一些相關的軟件來進行控制的，速度快、精確程度也比較高，操作過程相對簡單。目前，制造行業(yè)的技術不斷發(fā)展與進步，機電一體化以及設備自動化都需要電機控制系統(tǒng)具備更高的效率、精確度以及相應的可靠程度。所以，發(fā)展單片機的電機控制系統(tǒng)是一個必然趨勢。

關鍵詞：單片機;電機控制;控制系統(tǒng)

中圖分類號：TH-39? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

單片機技術之后的發(fā)展以及可能運用到的領域，都可能會促使單片機的電機控制系統(tǒng)有更高的應用價值和更好的發(fā)展前景。除此之外，目前智能家居以及相應的智能化應用需求，也可能會影響控制系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢，因此，對單片機的電機控制系統(tǒng)進行研究是非常有價值和意義的。

1 單片機及控制系統(tǒng)

在控制系統(tǒng)中，根據(jù)單片機發(fā)揮的作用，可以將整個控制系統(tǒng)劃分為電機控制系統(tǒng)、基于單片機的控制系統(tǒng)以及電機控制的單片機系統(tǒng)3類。

電機控制系統(tǒng)主要由脈沖控制器、環(huán)形分配器以及相應的驅(qū)動電路、電機4個部分組成。一般情況下，都是由脈沖控制器來進一步發(fā)送相應的脈沖控制信號，之后經(jīng)過環(huán)形分配器來進一步分配，進而向驅(qū)動電路傳輸，這樣就可以保證功率的有效增加，保證電機可以穩(wěn)定運行。

基于單片機的控制系統(tǒng)主要由單片機系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、電機以及相應的外圍電路4個部分組成。在基于單片機的控制系統(tǒng)中，主要采用了軟件與硬件相互結(jié)合的方式，從而可以最大程度地控制單片機。因為單片機本身具有非常強大的功能，所以在平時的設計中，還應該充分結(jié)合實際情況，適當?shù)卦黾酉鄳耐鈬娐罚纾覀兛梢酝ㄟ^鍵盤對電機的正常運轉(zhuǎn)以及停止等多個環(huán)節(jié)進行控制，其中的具體工作流程包括電機的正轉(zhuǎn)以及反轉(zhuǎn)等過程。

電機控制的單片機系統(tǒng)本身的優(yōu)點非常多，一些控制過程比較復雜，并且對精度有很高的要求。因此，可以通過適當?shù)鼐帉懗绦蛘Z句來進一步達到自動化控制以及高精度控制的目的，環(huán)形分配器主要是通過運用相關軟件，設定出一個單片機，而對于相同類型的電路結(jié)構來說，其可以對多種電機進行控制和驅(qū)動，這樣就可以保證在很大程度上，提高和改善與單片機連接的電機電路本身的通用性以及相應的靈活程度。同時，單片機還可以使一些外圍電路充分結(jié)合在一起，例如鍵盤電路，可以保證其交互性得到有效提高。在數(shù)字控制系統(tǒng)中，使用單片機作為處理器，和模擬控制系統(tǒng)相比，它自身有著更高的控制精確度，不會造成控制系統(tǒng)出現(xiàn)零點漂移的現(xiàn)象。而對于數(shù)字控制系統(tǒng)來說，它主要是通過軟件來進一步控制，可以達到高速度以及高精度的標準。而從升級系統(tǒng)、調(diào)試系統(tǒng)以及更改控制方法的方面來看，就需要適當更改程序。

當前，電子技術正在高速發(fā)展，對電機控制系統(tǒng)也提出了更高的要求和標準，所以逐漸引入了專門運用于電機控制的單片機，一般情況下，都是在單片機的內(nèi)部適當?shù)卦黾酉鄳母咚俎D(zhuǎn)換器、輸出端以及相應的捕獲功能等。模擬信號在進入單片機之后，首先需要通過高速轉(zhuǎn)換器來進一步提高采樣的精確程度，通過捕獲功能來進一步測頻。當前，單片機本身的工作效率越來越高，還有一部分的單片機已經(jīng)可以與DSP相比，單片機本身的速度越快，也就表示其更適用于一些較為繁雜的算法，并且可以對系統(tǒng)進行實時跟蹤。

2 控制系統(tǒng)設計

電機控制系統(tǒng)有很大一部分設計的目的都是對電機的電磁轉(zhuǎn)矩進行集中調(diào)節(jié)，主要是根據(jù)相關需求對電機的轉(zhuǎn)速進行控制。在電機控制系統(tǒng)中，繞組產(chǎn)生的磁距和繞組上產(chǎn)生的電流之間是成正比的，然而繞組電流是通過繞組上的電壓來進一步控制的，繞組上的電壓主要來源于逆變單元，一般情況下是由驅(qū)動開關的占空比來控制的。所以，繞組上的電壓就能夠根據(jù)占空比來進行適當?shù)卣{(diào)節(jié)，這樣就可以更好地去調(diào)節(jié)磁轉(zhuǎn)矩，最終可以對轉(zhuǎn)速進行更好的控制。

一般情況下，電機控制系統(tǒng)主要是通過一種閉環(huán)電機控制的方式，來保證電機控制系統(tǒng)的性能參數(shù)得到有效提高。在轉(zhuǎn)速閉環(huán)電機控制系統(tǒng)中，我們比較常見的是閉環(huán)電機控制方式。調(diào)節(jié)驅(qū)動電流是最有效的一個方式，我們可以通過適當?shù)卣{(diào)節(jié)驅(qū)動電流，以此來保證獲取更高性能的動態(tài)轉(zhuǎn)速響應，在構建電機控制系統(tǒng)的過程中，電流控制環(huán)是非常重要的一部分。系統(tǒng)可以利用串聯(lián)結(jié)構來分別設置出一個轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器以及相應的電流調(diào)節(jié)器，這樣可以有效劃分轉(zhuǎn)速以及電流發(fā)揮的作用，電流調(diào)節(jié)器的輸出工作主要是在逆變器當中進行的，而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器主要是在輸入電流調(diào)節(jié)器中發(fā)揮作用，這樣可以實現(xiàn)調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的目的。我們可以對閉環(huán)結(jié)構進行分析，外環(huán)主要是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外部，而內(nèi)環(huán)主要是電流調(diào)節(jié)環(huán)在內(nèi)部。在雙閉環(huán)電機控制系統(tǒng)中，雙閉環(huán)電機主要包括轉(zhuǎn)速以及相應的電流雙閉環(huán)、單閉環(huán)電機控制系統(tǒng)，其可以使轉(zhuǎn)速隨著相應的需求而發(fā)生一定程度的改變，而其中的不同之處就在于，電流調(diào)節(jié)器主要是提供輸出的部分，而輸出的大小也可以直接決定電流的最大數(shù)值。電流調(diào)節(jié)器本身發(fā)揮的作用在于，電流可以隨著給定值的不斷改變而發(fā)生相應的變化，在啟動過程中，我們需要盡可能地保證最大的轉(zhuǎn)速，這樣就可以更好地達到抗干擾的目的。

電機控制系統(tǒng)當中所包含的硬件主要可以分為控制電路與功率電路2個方面，對PCB進行設計，這樣就可以更方便、快捷地設計出相應的控制板，并且可以在各種不同的環(huán)境中運用。在電機控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構中，一般情況下都是采取交、直、交這種形式的變換，主要是通過功率板向電機控制電路傳輸電流信號以及相應的轉(zhuǎn)子位置信號，其中功率板接口電路主要是通過對光電的隔離，向驅(qū)動電路傳輸控制電路當中的信號。在整個電機控制系統(tǒng)中，設計功率電路是非常關鍵的一部分，整個電機控制系統(tǒng)的所有能量都是從中獲得的。在基于單片機的電機控制系統(tǒng)中，對相關的硬件部分進行設計時，通常都需要對整流電路部分、功率驅(qū)動電路以及相應的檢測電路等，從多個不同的方面來進行考慮。

3 基于單片機的機電一體化技術應用實踐

機電一體化系統(tǒng)中包含了很多不同的結(jié)構，其中還需要很大一部分的技術支撐作為保障。對于步進電機的機電控制系統(tǒng)來說，它本身是一個微縮的機電一體化系統(tǒng)，而且還是一個相對比較典型的基于單片機的機電一體化技術的應用系統(tǒng)形式。

3.1 步進電機特點

步進電機實際上是機電控制系統(tǒng)中比較常用的一個執(zhí)行機構，它主要是將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的形式，通俗來講就是當步進驅(qū)動器接收到一個相應的脈沖信號之后，就可以驅(qū)動步進電機根據(jù)之前所規(guī)定的方向，朝著一個固定的角度和方向進行轉(zhuǎn)動[1]。我們可以通過對脈沖個數(shù)的控制來進一步對角位移量進行控制，進而實現(xiàn)準確定位的目的和效果。除此之外，我們還可以通過對脈沖頻率的控制，對電機轉(zhuǎn)動的速度以及相應的加速度進行適當?shù)乜刂疲@樣就可以真正地實現(xiàn)調(diào)速的效果。

3.2 步進電機控制要求

一般情況下都可以設定步進電機在真正開機之后，電機是不轉(zhuǎn)動的，按下啟動鍵之后，電機發(fā)生相應的旋轉(zhuǎn)，一般情況下，其速度為25 r/min，按下加一鍵之后，其速度就會逐漸增加，如果按下減一鍵，其速度就會逐漸降低，而且最高速度是100 r/min，最低速度一般情況下為25 r/min，

如果按下停止鍵，此時，電機就會逐漸地停轉(zhuǎn)下來[2]。一般情況下，速度值都需要在數(shù)碼管上顯示出來。如果我們改變轉(zhuǎn)速，只需要對P1.0～P1.3輪流變低電平所需花費的時間進行相應的改變，這樣就可以保證達其到相關要求，在這個時間段中，不可以通過延時的方式來達到目的，因為這樣可能會對其他功能造成很大影響。此時，可以按照定時的方式進行。一般情況下，標準為最低轉(zhuǎn)速25 r/min，然而上面提到的步進電機本身的步距角一般都是7.5°，即每48個脈沖為一周，也可以表示為處于最低轉(zhuǎn)速的過程中，標準就是1 200 脈沖/min，即相當于每脈沖50 ms。然而在處于最高轉(zhuǎn)速的過程中，標準是100 r/min，相當于是48 000 脈沖/min，即每脈沖12.5 ms。

3.3 對步進電機控制的實現(xiàn)

通常情況下，步進電機控制主要是由鍵盤程序、步進電機驅(qū)動程序、顯示器程序3個部分組成，其中主程序需要先對各變量進行初始化處理，并消隱顯示器的高3位，其中步進電機驅(qū)動的各引腳都需要輸出高電平，并通過對鍵盤程序的調(diào)用來作出正確的判斷，此時如果有鍵按下，將會直接調(diào)用鍵盤處理程序，否則將會轉(zhuǎn)入下—步。而此時的下一步一般是將當前的轉(zhuǎn)速值，按照一定的格式轉(zhuǎn)換為BCD碼，并傳入顯示緩沖區(qū)。隨后對StartEnd這個位變量進行判斷，判斷其是“1”還是“0”，如果是“1”，則需要開啟定時器T1，否則將會關閉定時器T1，為了避免關閉時某一相線圈長時間處于通電狀態(tài)，需要在定時器T1關閉時，置高P1.0～P1.3，這樣一來就結(jié)束了主程序的工作。實際上，步進電機的驅(qū)動工作一般是在定時器T1的中斷服務程序中順利實現(xiàn)的，而且在主程序初始化過程中，該變量將會被賦予初值11110111B，待其進入定時中斷后，會取出該變量并送至ACC累加器，直接在累加器中進行左移，此時該數(shù)值轉(zhuǎn)化為11101111。

4 結(jié)語

總而言之，單片機技術可以促使機電一體化以及相應的自動化水平得到很大程度地提高和改善。因此我們需要進一步加深對這些方面的研究和分析，保證基于單片機技術的機電一體化技術可以更加成熟。當前單片機技術正在不斷發(fā)展和進步，機電一體化技術也逐漸朝著智能化的方向發(fā)展。

參考文獻

[1]彭小武，游璽.單片機技術在機電一體化控制中的應用[J].中國機械，2019（3）：43-44.

[2]熊利平.電子電工中單片機技術的應用研究[J].考試周刊，2019（9）：195.