淺談AT89C51單片機在SR電機控制中的應用

曾 浩

（臺州學院 318000）

在電機實際運用的過程中，對電機轉(zhuǎn)速控制的要求是對電機控制精度要求高低的關(guān)鍵所在，而其中最基本的是開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)，在此，值得我們注意的是，閉環(huán)控制的性能要遠遠概予開環(huán)控制系統(tǒng)。SR電機的調(diào)速性能較其他類型的電機具有很強的優(yōu)勢，它可以構(gòu)成恒速傳統(tǒng)系統(tǒng)和變速傳動系統(tǒng)兩種系統(tǒng)，但是無論哪一種傳動系統(tǒng)，都要求系統(tǒng)具有非常良好的操作性能，這也是電機高效率運轉(zhuǎn)的前提條件，而良好的系統(tǒng)操作性能通常包括具有良好的穩(wěn)定性和隨動性以及較硬的機械特性等等。電機調(diào)速系統(tǒng)作為一種新型的變速傳動系統(tǒng)，具有在額定轉(zhuǎn)矩以下，可以實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，電動機輸出額定轉(zhuǎn)矩，輸出功率與轉(zhuǎn)速成正比；而在額定轉(zhuǎn)速以上，為恒功率運轉(zhuǎn)，電動機輸出額定功率，輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降的特性。

1 關(guān)于電機調(diào)速系統(tǒng)的概述

為了實現(xiàn)傳統(tǒng)裝置從靜止到具有恒轉(zhuǎn)矩，在基速以上具有恒功率的特性，我們的調(diào)速系統(tǒng)可以采取的控制策略為基速以下，電壓PWM控制，輸出恒轉(zhuǎn)矩特性；基速以上，角度位置控制（APC），輸出恒功率特性。

AT89C51 單片機定時采樣由轉(zhuǎn)子位置傳感器獲得的反饋速度, 與由鍵盤敲入的給定速度相比較,誤差經(jīng)數(shù)字PID 調(diào)節(jié),再經(jīng)軟件處理, 根據(jù)反饋速度的大小是否在基速以上轉(zhuǎn)換成PWM 脈沖或控制角度的APC 單脈沖的控制參數(shù)。微機控制器根據(jù)轉(zhuǎn)子位置控制對應相繞組的導通或關(guān)斷, 輸出對應的PWM 脈沖或APC 單脈沖, 經(jīng)功率變換器,實現(xiàn)對SR 電機的控制。為簡化硬件電路, PWM控制、APC 脈沖控制、速度檢測、PID調(diào)節(jié)器均由軟件實現(xiàn)；而為了提高過流保護動作快速性和安全性，我們應采用硬件過流保護電路。

電機調(diào)速系統(tǒng)（SRD）既可以是速度單閉環(huán)系統(tǒng)，也可以是轉(zhuǎn)速—電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，盡管雙閉環(huán)控制系統(tǒng)在性能上要高于單閉環(huán)控制系統(tǒng)，但其實現(xiàn)起來相對要麻煩許多。

2 電機調(diào)速系統(tǒng)（SRD）硬件與軟件的設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件的設(shè)計

以AT89C51單片機為核心的控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如下圖所示，通常由AT89C51單片機，外界A/D、位置邏輯、驅(qū)動電路、限流電路等組成。鑒于我們在基速以下采用的是PWM的電壓方式，所以為了防止GTR因過流而損壞，我們專門設(shè)計了過流保護電路實施防護。

2.2 控制系統(tǒng)的軟件的組成與功能

通常情況下，系統(tǒng)軟件由主程序、中斷服務(wù)程序以及專用子程序共同組成。它們的功能分別是，主程序初始化整個系統(tǒng)和將顯示緩沖區(qū)的四位速度值傳送到顯示RAM；而中斷服務(wù)程序主要包括鍵盤中斷服務(wù)程序以及定時器T0、T1中斷服務(wù)程序等等。其中鍵盤中斷服務(wù)程序的功能主要是：讀取按下的鍵值，然后根據(jù)按下的鍵跳轉(zhuǎn)到相對應的功能模塊控制系統(tǒng)程序上進行執(zhí)行。而專用子程序則是由四字節(jié)浮點運算子程序以及十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換成BCD碼子程序等共同構(gòu)成的。

主程序在初始化系統(tǒng)的時候，會將中斷方式設(shè)置成每次跳變觸發(fā)，因此電機每轉(zhuǎn)過一個步進角的時候，中斷服務(wù)程序就會被執(zhí)行一次，而相應的狀態(tài)則會給寄存器裝載相對應的命令字，同時也會產(chǎn)生所要求的輸出信號。而我們對轉(zhuǎn)速的測量則是通過在采樣周期內(nèi)記錄時間觸發(fā)的次數(shù)，即轉(zhuǎn)過的步近角（通常為15度）數(shù)目N來實現(xiàn)。

3 電機調(diào)速系統(tǒng)（SRD）的運行試驗

3.1 電機的實際轉(zhuǎn)速檢測

SRD系統(tǒng)的雙閉環(huán)控制，使電機的運行維持在給定的速度上，因此，系統(tǒng)只有對電機的瞬時轉(zhuǎn)速進行實時、快速的檢測，將所測得的轉(zhuǎn)速值與給定的轉(zhuǎn)速值進行比較，控制器才能根據(jù)兩者之間的差值確定具體的控制策略。SRD系統(tǒng)中必不可少的位置檢測器為其提供的位置檢測信號里包含了轉(zhuǎn)速的一切相關(guān)信息，而傳統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)則是設(shè)有了專門的測速裝置，來對轉(zhuǎn)速信息進行收集并分析的。在以單片機為核心的SRD系統(tǒng)，常用的檢測方法一般包括以下兩種：

（1）硬件檢測方法

硬件檢測方法的工作原理是利用頻壓轉(zhuǎn)換器，將脈沖型轉(zhuǎn)子位置信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，然后直接與速度給定電壓信號相迭加。具體的措施是我們可以采用頻壓轉(zhuǎn)換集成電路，例如使用LM2917完成頻壓轉(zhuǎn)換，當其外圍電路元件參數(shù)配置合適時，其輸出電壓與輸入信號頻率成正比，而SR電機的轉(zhuǎn)速與位置信號的頻率則存在以下的關(guān)系：n=K3fin（其中，K3為外部元件參數(shù)決定的常數(shù)）。

（2）數(shù)字測量法

數(shù)字測量法是通過測量單位時間內(nèi)或者是電機轉(zhuǎn)過單位角度所發(fā)出的脈沖數(shù)來完成的，也可以說成是測頻測速法。在此，我們設(shè)SR電機的每轉(zhuǎn)步數(shù)為NP，轉(zhuǎn)子位置信號下跳沿觸發(fā)計數(shù)器計數(shù)，電機定子繞組為p相，f表示變換器供電基本變化頻率，則電機每分鐘有60pf個步進狀態(tài)，由此得出電機轉(zhuǎn)速為：n=60pf/Np*r/min.

因此，只要我們測出變換器供電基本變化頻率f，就可以測量出電機實際轉(zhuǎn)速n。

3.2 SRD系統(tǒng)中的電流檢測

在雙閉環(huán)SRD系統(tǒng)中，由于其內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，因此必須實施檢測電流。根據(jù)SR電機調(diào)速控制原理，SRD系統(tǒng)通常情況下采用PWM技術(shù)來實施調(diào)速。由于電流測量一般是測量主功率開關(guān)流過電流或的繞組相電流，而這些電流又存在著瞬時變化大、峰值高以及波形復雜、不規(guī)則等特點，因此要求電流傳感器必須反映靈敏、準確，以方便適時控制，同時要求電氣隔離，以免主電路干擾控制其他電路。

對電流的檢測往往采用電阻取樣法，還可以采用霍爾電流傳感器進行測量。如果采用前者，則要求我們采樣電阻的組織較小、功率大、溫度系數(shù)低，所以這中測量方法更適用于小功率的SRD系統(tǒng)，而霍爾電流傳感器測量則能夠使用于以單片機為核心任何功率的SRD系統(tǒng)，所以說其更具有代表性。

4 總結(jié)

關(guān)于AT89C51單片機在SR 電機控制中的應用，本文主要從以上幾個方面進行簡要的論述。具體的內(nèi)容和方法可能因為我們看待問題的角度以及采取方法的出發(fā)點不同而存在一定的差異。本文旨在與相關(guān)專業(yè)的學習與研究人士以及相關(guān)行業(yè)的從業(yè)人員進行學術(shù)上的溝通與交流，在此也希望有更多的人士參與到這項課題的探討中來，為保障機械的現(xiàn)代化發(fā)展而共同努力。

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