基于單片機的單相齒輪減速同步電機控制系統(tǒng)

中北大學(xué) 陶曉玲 姚竹亭

山西百得科技開發(fā)有限公司 劉春力

1.引言

單片機實現(xiàn)的電機控制系統(tǒng)[1]具有成本低、使用靈活的特點，齒輪減速同步電機[2]是由永磁同步電動機和減速機構(gòu)合成一體的可控制正反的同步電動機，具有功耗小、力矩大、噪音低、體積小、重量輕、使用方便的特點。在額定頻率下電機轉(zhuǎn)速不受電壓影響，保持穩(wěn)定不變。單片機通過向電機驅(qū)動電路發(fā)送控制信號就能實現(xiàn)對電機的控制，操作方便靈活。

單片機是一個弱電器件，一般情況下它們大都工作在5V甚至更低。驅(qū)動電流在mA級以下，而要把它用于一些大功率場合，比如控制電動機，顯然是不行的。所以，就要有一個環(huán)節(jié)來銜接，這個環(huán)節(jié)就是所謂的“功率驅(qū)動”。在這里，繼電器驅(qū)動[3]包含有兩個意思：一是對繼電器進行驅(qū)動，因為繼電器本身對于單片機來說就是一個功率器件；還有繼電器去驅(qū)動其他負載，所以繼電器驅(qū)動就是單片機與其他大功率負載接口。

基于STC89C51的單相齒輪減速同步電機控制系統(tǒng)[4]主要包括：電機控制部分、按鍵掃描和串口通信等，電機控制系統(tǒng)就依靠繼電器驅(qū)動。

2.設(shè)計思路

該系統(tǒng)集成了電機控制、上電穩(wěn)態(tài)控制電路、按鍵掃描、串口通信等功能，其設(shè)計難點：上電瞬時控制[5]。

●電機控制：給電機供電，控制電機正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)；

●上電瞬時控制：在上電后，CPU程序工作前，各繼電器控制端處于不穩(wěn)定狀態(tài)，故設(shè)計此單元，使繼電器處于可控狀態(tài)，避免電機的誤動作；

●RS232通信：用于實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)部分的遠程命令控制；

●按鍵單元：人機交互接口，控制升降系統(tǒng)動作。

3.原理框圖

由原理框圖3.1可看出，220V與12V電源上電后，12V轉(zhuǎn)換成5V供電，CPU控制電路開始工作，通過按鍵控制相應(yīng)的動作，使繼電器吸合，控制電機轉(zhuǎn)動。

圖3.1

4.硬件設(shè)計各單元電路詳解

4.1 電源單元

電源單元[6]負責(zé)系統(tǒng)的供電，包括220V電源和12V電源，以及用三端集成穩(wěn)壓器LM7805將輸入的12V電源轉(zhuǎn)換成5V為芯片供電。板上設(shè)置電源指示燈D1，C27、C28為（低頻）濾波電容，C29可以起到濾除高頻噪聲的作用，R23為二極管D1限流電阻（如圖3.2）。

4.2 RS232通信單元

如圖3.3所示：U7為SP232EEP芯片，將U7的“T2IN”、“R2IN”與STC89C51RC的“TX”、“RX”引腳相連，“T2OUT”、“R2OUT”與DB9的“TX”、“RX”相連，進行數(shù)據(jù)的收發(fā)，給STC89C51RC下載控制程序或通過DB9進行通信[7]。

4.3 按鍵控制單元

如圖3.4所示：J11為按鍵，分別與STC89C51RC的P2.3、P2.2、P2.1和P2.0相連進行控制。電路中電容為去抖電容。

4.4 電機控制單元

4.4.1 繼電器控制部分

如圖3.5所示：

J15為主電機，J18為從電機；

J15為主電機接口，由J14和J16兩個繼電器控制，J14控制主電機正轉(zhuǎn)，J16控制主電機反轉(zhuǎn)；

J18為從電機接口，由J17和J19兩個繼電器控制，J17控制從電機正轉(zhuǎn)，J19控制從電機反轉(zhuǎn)；

D2～D5為繼電器工作狀態(tài)指示燈；

在繼電器閉、斷開時，會產(chǎn)生頻率高、幅值大的感應(yīng)電壓（稱為“浪涌電壓”），在反復(fù)開、閉過程中，就會造成接點間電火花或電弧干擾，會導(dǎo)致產(chǎn)生含有豐富高頻諧波的干擾信號，這里R40～R43與C43～C46組成的RC電路，起到消除電火花和干擾的作用[8]；

D6～D9為SS14貼片肖特基二極管，是具有單向?qū)щ娦缘钠骷?，其最顯著的特點為反向恢復(fù)時間極短，在此電路中當(dāng)繼電器斷開的瞬間，其內(nèi)部的電感線圈中原來儲存了一定的磁場能量，切斷它的電路時，由于電源加于感性負載中的電流由一事實上數(shù)量突變?yōu)?，所以電流變化率非常大，產(chǎn)生很高的感生電動勢，這個很高的電動勢本身能在線路上造成電磁感應(yīng)干擾稱為瞬變噪聲干擾，二極管在此處提供了一個放電的通路，吸收其釋放的能量。

4.4.2 上電電機瞬時控制

如圖3.6所示：該系統(tǒng)上電后，CPU程序工作前，各繼電器控制端處于不穩(wěn)定狀態(tài)，繼電器可能在沒有接收到指令時吸合，導(dǎo)致電機轉(zhuǎn)動，可能會發(fā)生事故，所以此電路在BT_DCIS_V0.1板中所起的作用是，為了防止接通電源之后，繼電器會出現(xiàn)的不穩(wěn)定現(xiàn)象，讓所有繼電器都處于受控狀態(tài)[9]。

此電路的工作過程為：Q1、Q2兩個三極管在此電路中當(dāng)開關(guān)用，在電路剛上電時，單片機的各I/O口的默認輸出為高電平，當(dāng)P0.4輸出高電平時，Q1的VE也為5V高電平，且在低電平到高電平的這個過程中，P0.4的電壓值與Q1的VE端的電壓值變化幅度相同，所以在P0.4為低電平前的任一時刻Q1 VE-VB〈0.7V不導(dǎo)通，Q1的VC為低電平，所以Q2的VB-VE〈0.7V也不導(dǎo)通，Q1的VC為低電平，J12的輸入端不能行成回路，繼電器不吸合；

當(dāng)P0.4為低電平時，Q1 VE-VB〉0.7V導(dǎo)通，Q1的VC為高電平，所以Q2的VB-VE〉0.7V不導(dǎo)通，Q1的VC為高電平，J12的輸入端行成回路，繼電器吸合，從而使控制電機的繼電器吸合，讓它們都處于可控狀態(tài)，消除上電瞬時電機轉(zhuǎn)動[10]引發(fā)的危險。

圖3.2

圖3.3

圖3.4

圖3.5

圖3.6

5.結(jié)語

本系統(tǒng)采用單片機控制單相齒輪減速同步電機，由單片機發(fā)出相應(yīng)的控制信號，增加了控制的靈活性。本系統(tǒng)實現(xiàn)了對電機的完全控制，能按要求完成動作而不出現(xiàn)誤操作，在對電機上電瞬時的控制也得以實現(xiàn)，達到了預(yù)期的設(shè)計目的，并投入了使用。

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[2]敬嵐,朱海君,張碩成,喬衛(wèi)民,梁義海.步進電機控制系統(tǒng)的設(shè)計及其應(yīng)用[J].核技術(shù),2005,28(6):479-482.

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[5]王幸之,王雷,鐘愛琴,王閃.單片機應(yīng)用系統(tǒng)電磁與抗干擾技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2006.

[6]方愛平.基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].浙江:浙江工業(yè)大學(xué),2008.

[7]張俊謨.單片機中級教程原理與應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2006.

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