单片机控制的电机交流调速系统设计

单片机控制的电机交流调速系统设计

王哲

吉林华正农牧业开发股份有限公司

摘 要：随着电力电子技术、微电子技术和自动控制理论的发展,交流调速技术也有了日新月异的变化。可调速的高性能交流电力拖动系统在工业上的应用也越来越广。进入21世纪交流调速技术也进入了现代交流调速技术时代,现代交流调速技术也成为人类社会的重大技术进步之一。其发展速度之快、应用覆盖范围之广都是前所未有的。而且应用实践表明,采用现代交流调速技术极大的提高了传动系统的运行质量,同时,带来了巨大的经济和社会效益。

关键词：单片机；电机控制系统；设计

引 言

在现代化工业发展过程中，电动机应用越来越广泛，对于更好的满足现代化工业需求，并提升工作效率，实现经济效益的提升起到了有效的促进作用，而在新的发展形势下，如何优化电机运动控制系统设计，为工业发展提供更多的动力支持是当前急需解决的重要问题。通过对基于单片机的电机运动控制系统设计进行分析，以期进一步提升现代化工业发展水平。

近些年以来，随着单片机在性能方面的不间断提高，已经广泛的应用到了通信、网络、农业，以及大众日常生活的很多领域当中。不仅能够在很多场合满足应用的需求，而且在特点方面具有：价格低、性能很可靠、使用比较方便、低功耗、小体积、速度快、功能强、可集成度较高等。常用的单片机主要有MSP430单片机、PIC单片机、AVR单片机、51系列单片机。因此针对单片机控制的电机系统，在应用方面进行分析是很有必要的。

一、单片机的特性

目前，市场上主流的单片机包含计数器、中央处理器、只读存储器、串行端口等，能够对数据进行存储与处理等操作。单片机的系统并不复杂，因此在操作上较为简便，并且在实现模块化管理上有突出成效。

在使用中，单片机由于只是一块芯片，且程序并不复杂，因此在时间上可以连续使用106-107也不会出现故障。由于系统较为简单，因此在对数据的处理方面速度较快，对数据的控制能力强，能够迅速适应工作环境。单片机体积较小，有利于便携式产品的应用，加上其运行时所需的电压较低，因此功耗也会比较低。

二、步进电机运动控制系统的原理

采用单片机来控制步进电机，实现了软件与硬件相结合的控制方法，即用软件代替环形分配器，达到了对步进电机的最佳控制，采用并行控制，用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动电路，单片机按顺序给绕组施加有序的脉冲电流，就可以控制电机的转动，从而实现数字角度的转换，转动的角度大小与施加的脉冲数成正比，转动的速度与脉冲频率成正比，而转动方向则与脉冲的顺序有关。

通过单片机以及晶振、复位组成了控制系统的最小应用系统，将其接入电机驱动电路再与电机相连接就组成了整个系统的物理架构，接入时钟电路来获取相应的脉冲信号，通过从控制面板对单片机进行编程和下达指令来实现整个系统的控制。

三、电机控制系统的硬件设计

硬件是整个系统的平台，各种功能的实现和软件的运行都是以硬件为基础的，所以硬件设计的合理与否从根本上决定了整个系统的质量。

3.1直流电机的组成主要包含转子与定子，当然，这是针对小功率电机而言的。对于这种电机，单片机要想运用其中是非常方便的。单片机在运作过程中，通过对电机电枢电压在时间上的控制来进行电机速度的调节，时间控制通常通过电机在接通时间与通电周期的数值之比来确定。这种调制技术就叫做脉冲宽度调制。对于功率不高的电机而言，将其接电一段时间之后，将电源断开，然后再次将电源接通，通过对电机在通电与断电时间上的比例调节来进行速度的控制。

3.2运用于电机控制系统中的单片机通常会设置两个寄存器与一个转换器。使用两个寄存器可以在简化电路设计上发挥效用。在使用过程中，设计者必须首先保障电压稳定，确保项目的顺利进行。接着，将电机转速转变为脉冲信号，这里的转变需要通过霍尔元件以及外围器件共同作用，帮助测速电路来完成。在转换为脉冲信号之后，将信号内容输送到计数器中，计数功能是通过单片机内的计数器来实现的。计数器对转速进行测试，将测试结果与设定值进行比较，找到偏差范围，然后根据偏差来判断电压应该增大还是减小。这里，功放电路将输出模拟电压转化为具有输出功率的能够被控制的电压，来达到对转速进行控制的目的。

3.3单片机利用对模拟量的研究，控制电机外接电路的输出值，将不同脉宽转换成电压进行控制。通过这种控制，驱动电动机能够在转速上发生变化，单片机中的程序可以调节脉冲在输出值上的占空比，来对模拟电压进行调整。

3.4电机要想正常运转，驱动电路是必不可少的。在电机控制中，驱动系统一般是由三个部分组成，即控制器、电动机以及功率转换器。以直流电机为例，在设计中，需要用到步进电机、永磁直流电机以及伺服电机等。使用单片机对直流电机进行控制的过程非常简单，主要是因为直流电源最容易实现。

3.5首先，单片机需要控制内部系统运行，通过对直流电的控制来进行电路控制。这种控制方式要远远优于分离元件的控制方式，在单片机的主板体积上极大缩小，有利于控制板微型化的发展。在速度控制方面，这是电机控制的主要内容，单片机中的驱动程序接收到主MCU的程序命令之后，会判断接收到的加速或是减速信息是否符合电机当前的运转状况，判断是否进行加速或减速操作。速度控制是通过对频率的调节来设定的，在单片机接收到加速命令时，会控制频率加倍，在收到减速命令时会控制频率减倍。这样一来，利用频率的调节来控制电机转速，能够实现对电机速度的控制。

四、电机控制系统的软件设计-软件功能划分

4.1测控功能

对于电机而言，使用单片机进行测控主要包含对数据的测量与预处理、对驱动进行输出控制等。这种操作在可靠性上是最高的，加上其实时性特征，因此优先级与测量级在程序中最高。其中，对数据的预处理指的是对数据采样进行低通滤波处理的操作。

4.2系统保护

电机在运行时难免会遇到故障。单片机需要及时发现这些故障并报警通知操作人员。这一过程要求响应速度极快，避免电机在运行时产生不可逆转的损坏。

4.3人机交互

人机交互指的是操作人员能够直观看到或是感受到电机运行状态信息。通常，会在电机运行处安装一块显示器，单片机对电机在转速以及温度上的测量能够通过显示器进行显示，方便操作人员了解，但是，由于显示并不是程序的主要内容，因此优先级较低。

五、电机控制系统的软件设计-软件控制设计

使用单片机对系统进行控制在软件上一般由两部分组成，一是主程序，二是中断服务子程序。主程序的功能主要在于对电机运行中的事件进行记录、对运转转速等数值进行计算、完成人机交互工作以及对定值进行更新等内容。中断服务子程序的各项功能主要是通过中断源出发各项调用来实现的，主要功能有对故障进行排查、进行AD转换、计时器进行数值更新、控制开关量的输入与输出操作以及通信等。

结束语

电机控制系统通过单片机实现工作状态控制，不仅能够提升系统运转速度，而且操作起来较为简单，大大提升了系统运行数据信息的准确性，也降低了工业生产成本费用，能够更好的满足工业化生产需求。因此，在未来的发展过程中，我们应当加强电机控制系统研究，并不断改进优化，以提升其工作性能，更好的为现代化工业发展服务，推动我国社会主义现代化建设的持续进步。

参考文献：

[1]魏印龙，张向阳，孔令扬.基于AT89C51单片机的步进电机控制系统设计[J].科技广场，2016，（8）：184-189.

[2]刘宝廷，程树康．步进电动机及其驱动控制系统.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2012.