基于單片機的電機運動控制系統(tǒng)設計

摘 要：為了使電動機能有更高的工作效率，簡化電動機的操作，文章通過對步進電機的實時控制方式及工作原理進行研究，用AT89C51單片機做控制系統(tǒng)核心，結合步進電機的工作方法制定出電機運動控制系統(tǒng)的設計方案。此方案可通過修改電機驅動電路及相應單片機程序來應用到所有的電機控制系統(tǒng)當中。方案設計合理，有不錯的實際應用價值。

關鍵詞：AT89C51 步進電機 運動控制系統(tǒng)

中圖分類號：TM3 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）06（a）-0092-02

由于現(xiàn)代工業(yè)化的需求，當前工業(yè)生產(chǎn)當中一般都使用步進電機來替代普通電機，以滿足生產(chǎn)當中的準確度和可控性，傳統(tǒng)電機一般只應用于手控操作，在這里不進行過多研究。步進電機是一種將電脈沖信號轉變?yōu)檗D子轉動角度的開環(huán)控制電機，一般情況下，步進電機的轉速和轉矩都是可控的。本文就以應用步進電機為前提來設計電機運動控制系統(tǒng)。

1 步進電機是如何工作的以及如何對其進行控制

1.1 步進電機的具體概念

根據(jù)不同的轉子結構和材料，步進電機統(tǒng)共分為混合式、永磁式以及反應式三個類別。步進電機是一種將電脈沖信號轉變?yōu)檗D子轉動角度的開環(huán)控制電機，在一般情況下，電機只根據(jù)電脈沖信號的頻率、強弱和對不同相位定子繞組的信號輸入順序來改變電機運轉的速度和方向，而不會由于其負載較大而影響它的運動狀態(tài)。它的轉動幅度有一個最小的單位，每當接收到一個脈沖信號，電機就會轉動這樣一個最小單位，因此可以通過脈沖信號的輸出方式來對步進電機的工作量進行精確控制，并且可以通過一系列算法來實時監(jiān)控步進電機的運轉狀態(tài)。

1.2 步進電機時如何進行工作的

步進電機的工作主要是靠對電流的感應，所以，依靠供電電路的支持，將普通的直流電轉變?yōu)榘凑找欢l率，一段一段地對電機供電，而且僅有在這種一段一段的特殊直流電下，步進電機才能夠正常工作。這種特殊的直流電供電方式叫做分時供電，而提供分時供電的設備就是驅動器。電機內(nèi)部結構分為轉子和定子。步進電機的轉子是一個永磁體，繞阻固定在定子上。當定子繞阻上有直流電流經(jīng)過時，根據(jù)電磁感應原理，在電機的定子上也就相應的產(chǎn)生一個方向固定的電磁場，這個電磁場就會帶動永磁體轉子開始旋轉，直至永磁體轉子的磁場和定子的磁場方向相同。此時，電流再通過另外一個方向的定子繞組，定子磁場方向就會隨之改變，而轉子也會做出相同角度的轉動，如此往復，每當有一個脈沖電流通過定子繞組，轉子就進行一個角度的轉動，周而復始，電機就會開始不停的轉動，而且如果將繞組通電的順序做相反的變動，那樣電機就會反轉。所以，步進電機可以根據(jù)對脈沖電流的頻率的改變和對定子繞組的各個相位的電流通電順序的改變來控制電機的轉速和轉動方向。

2 步進電機運動控制系統(tǒng)的原理

以AT89C51單片機為例，所組成的電機運動控制系統(tǒng)原理圖如圖1。

通過單片機AT89C51以及晶振、復位組成了控制系統(tǒng)的最小應用系統(tǒng)，將其接入電機驅動電路再與電機相連接就組成了整個系統(tǒng)的物理架構，接入時鐘電路來獲取相應的脈沖信號，通過從控制面板對單片機進行編程和下達指令來實現(xiàn)整個系統(tǒng)的控制。

3 控制系統(tǒng)實現(xiàn)對步進電機運動控制的方法

由電機的實際工作方式可得出，此系統(tǒng)需要達成以下功能：下達正轉指令，電機勻速正轉，直到下一個指令的傳達；下達反轉指令，電機勻速反轉，直到下一個指令的傳達；下達停止指令，電機停止轉動，直到下一個指令的傳達；下達加速指令，電機在當前運動狀態(tài)下勻加速運轉，直到下一指令的傳達；下達減速指令，電機在當前運動狀態(tài)下勻減速運轉，直到下一指令的傳達。

為達成以上目的，我們需要分析單片機及最小應用系統(tǒng)在其中起到的具體作用。

3.1 復位電路

電機在工作前都處于一個初始的狀態(tài)，一般都是靜止狀態(tài)。相應的，在CPU內(nèi)也有一個使電機靜止的初始狀態(tài)。復位電路的作用就是通過對CPU的設定，使其恢復到初始狀態(tài)，來完成對電機靜止的操作，當控制系統(tǒng)運行出錯時，也需要對其進行復位操作來使控制系統(tǒng)回歸正常的工作狀態(tài)。

3.2 時鐘電路

步進電機的工作原理是將電脈沖信號轉變成永磁體轉子的旋轉角度，而時鐘電路的作用就是提供一個穩(wěn)定的或者勻速變化的脈沖信號。當脈沖信號穩(wěn)定時，步進電機就會做出勻速轉動的工作狀態(tài)。當脈沖信號勻速變化時，步進電機就會根據(jù)脈沖信號的頻率變化做出相應的勻加速或者勻減速工作狀態(tài)。

3.3 按鍵控制電路

在正常生產(chǎn)工作時，步進電機需要通過外界控制來改變各種各樣的工作狀態(tài)，而按鍵控制電路就是向步進電機下達工作狀態(tài)改變指令的輸入端，通過對按鍵控制電路上相應的按鍵的操作，人們可以對控制系統(tǒng)下達相應的指令，使電機的工作狀態(tài)發(fā)生改變。

3.4 驅動電路

驅動電路是直接與步進電機相關聯(lián)的，由驅動電路的輸出電量來完成電機的啟動、制動等操作。

控制系統(tǒng)的各部分功能已經(jīng)清楚了，那么如何通過控制系統(tǒng)使電機完成各種工作狀態(tài)，則是下面需要考慮的問題。以三相異步電動機為例，若使電機正向旋轉，則需要在電動機的三相繞阻上依次施加電脈沖信號，若三相繞阻代號分別為X、Y、Z，則控制電機正轉的脈沖信號次序為：X—XY—Y—YZ—Z—ZX—X，若控制電機反轉，則相應的次序為X—XZ—Z—ZY—Y—YX—X。由此可得出，只要控制脈沖信號輸出的順序就可以對電機進行正、反轉動的操作。

所以，我們得出了對單片機進行編程的思路，即若控制電機勻速正傳，則按下按鍵1，此時對CPU下達的指令是按照既定的正轉脈沖次序輸出脈沖信號；若控制電機勻速反轉，則按下按鍵2，此時CPU下達的指令是按照既定的反轉脈沖次序輸出脈沖信號；若控制電機加速運轉，則按下按鍵3，此時CPU令時鐘電路縮短延時，來加大脈沖頻率；若控制電機減速運轉，則按下按鍵4，此時CPU令時鐘電路加大延時，來減小脈沖頻率；若控制電機靜止，則按下按鍵5，此時單片機復位或者關閉P0端口。如此就完成了整個電機控制系統(tǒng)的基本設計。

4 結語

此系統(tǒng)是通過AT89C51單片機來實現(xiàn)對步進電機進行工作狀態(tài)的控制，由于單片機的特性，此系統(tǒng)可實現(xiàn)速度快、操作簡便、準確度高、經(jīng)濟高效的電機控制方案。并且，在對此系統(tǒng)稍加改動就可以應用到所有型號的電機上，應用范圍廣，能夠承擔起大多數(shù)生產(chǎn)工作的重任。

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