淺談單片機(jī)在電機(jī)控制中的應(yīng)用

張爽 丁治玲 楊功德 夏鳴謙

摘要：目前，由單片機(jī)構(gòu)成的各種類(lèi)型的應(yīng)用系統(tǒng)已開(kāi)始深入到各個(gè)領(lǐng)域中，在電子技術(shù)改造、高科技領(lǐng)域中扮演愈來(lái)愈重要的角色。本文根據(jù)閉環(huán)控制及電機(jī)調(diào)速特性，分析了以單片機(jī)為核心的雙閉環(huán)SR電機(jī)調(diào)速控制問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī);控制;調(diào)速

一、緒論

目前，由單片機(jī)構(gòu)成的各種類(lèi)型的應(yīng)用系統(tǒng)已開(kāi)始深入到各個(gè)領(lǐng)域中，在電子技術(shù)改造、高科技領(lǐng)域中扮演著愈來(lái)愈重要的角色。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：（1）硬件通用化、應(yīng)用靈活化。（2）體積小、執(zhí)行速度快。（3）可靠性高、抗干擾性強(qiáng)（芯片本身是按測(cè)控要求設(shè)計(jì)的，其抗工業(yè)噪聲干擾優(yōu)于一般通用CPU）。（4）產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期短、開(kāi)發(fā)效率高。（5）系統(tǒng)的硬件、軟件的設(shè)計(jì)與配置規(guī)模都是以滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能要求為原則，因此系統(tǒng)的軟硬件應(yīng)用/配置比較近于1，具有最佳的能/價(jià)格比，系統(tǒng)中的程序一般都是應(yīng)用程序。

單片機(jī)在控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，利用單片機(jī)設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)型磁阻（SR）電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（SRD），具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固、成本低，調(diào)速性能優(yōu)良等特點(diǎn)。SR電機(jī)在寬廣的調(diào)速范圍內(nèi)均具有較高的效率，應(yīng)用前景十分廣闊。對(duì)電機(jī)控制精度要求的高低，主要是看對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的要求，為實(shí)現(xiàn)高精的控制，最基本的是開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)，而閉環(huán)控制性能高于開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，SR電機(jī)具有很的調(diào)速性能，可以構(gòu)成恒速傳動(dòng)系統(tǒng)和變速傳動(dòng)系統(tǒng)，無(wú)論哪一種傳動(dòng)系統(tǒng)，都要求系統(tǒng)具有良好的操作性能，包括具有硬的機(jī)械特性、良好的隨動(dòng)性及穩(wěn)定性。

二、應(yīng)用

在額定轉(zhuǎn)距以下，SRD系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，電動(dòng)機(jī)輸出額定轉(zhuǎn)矩，輸出功率與轉(zhuǎn)速成正比;在額定轉(zhuǎn)速以上，為恒功率調(diào)速，電動(dòng)機(jī)輸出額定功率，輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降。

SRD系統(tǒng)作為一種新型的變速傳動(dòng)系統(tǒng)，具有如下輸出特性。在額定轉(zhuǎn)距以下，SRD系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，電動(dòng)機(jī)輸出額定轉(zhuǎn)矩，輸出功率與轉(zhuǎn)速成正比;在額定轉(zhuǎn)速以上，為恒功率調(diào)速，電動(dòng)機(jī)輸出額定功率，輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降。

AT89C51單片機(jī)定時(shí)采樣由轉(zhuǎn)子位置傳感器獲得的反饋速度，與由鍵盤(pán)敲人的給定速度比較，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(jī)控制器根據(jù)轉(zhuǎn)子位置控制對(duì)應(yīng)相繞組的導(dǎo)通或關(guān)斷，輸出對(duì)應(yīng)的PWM脈沖或APC單脈沖，經(jīng)功率變換器，實(shí)現(xiàn)對(duì)SR電機(jī)的控制。為簡(jiǎn)化硬件電路，PWM控制、APC脈沖控制、速度檢測(cè)、PID調(diào)節(jié)器均由軟件實(shí)現(xiàn);為提高過(guò)流保護(hù)動(dòng)作的安全性和快速性，采用硬件過(guò)流保護(hù)電路。

微機(jī)控制與常規(guī)SR電機(jī)直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）換相邏輯控制不同，既要滿足SR電機(jī)電動(dòng)運(yùn)行換相要求，又要滿足換相要求是制定6只主開(kāi)關(guān)換相規(guī)則的原則，顯然，這限制相繞組的最大導(dǎo)通角θc不得超過(guò)30°。

轉(zhuǎn)速測(cè)量通過(guò)在采樣周期內(nèi)記錄事件觸發(fā)的次數(shù)一一一一一轉(zhuǎn)過(guò)的步進(jìn)角（15°）數(shù)目N實(shí)現(xiàn)。速度環(huán)程序在起動(dòng)階段每隔120ms被調(diào)用一次;起動(dòng)后若運(yùn)行在基速以下每隔30ms被調(diào)用一次，若運(yùn)行在基速以上海隔12ms被調(diào)用一次。速度環(huán)首先計(jì)算實(shí)際轉(zhuǎn)速，然后判斷電機(jī)是否已經(jīng)起動(dòng)。將電機(jī)轉(zhuǎn)速低于250r/min作為起動(dòng)階段，在起動(dòng)階段速度偏差不作PI調(diào)節(jié)運(yùn)算，而是采取在軟件定時(shí)器T1中斷服務(wù)程序中逐步加大斬波占空比的方法實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)功能。電機(jī)起動(dòng)后，速度環(huán)每調(diào)用一次，都要進(jìn)行一次速度偏差PI運(yùn)算，然后刷新控制參數(shù)。

SRD系統(tǒng)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)，雙閉環(huán)控制系統(tǒng)在性能上要高于單閉環(huán)系統(tǒng)，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為復(fù)雜。

系統(tǒng)軟件由主程序、中斷服務(wù)程序、專用子程序組成。主程序初始化整個(gè)系統(tǒng)和將顯示緩沖區(qū)的4位速度值送顯示RAM;中斷服務(wù)程序包括定時(shí)器T0、T1中斷服務(wù)程序、鍵盤(pán)中斷服務(wù)程序等。鍵盤(pán)中斷服務(wù)程序首先讀取按下的鍵值，然后根據(jù)按下的鍵跳轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)的功能模塊控制系統(tǒng)程序的執(zhí)行。專用子程序主要是四字節(jié)浮點(diǎn)運(yùn)算子程序、十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成BCD碼子程序等。

主程序初始化系統(tǒng)時(shí)，將中斷方式設(shè)置為每次跳變觸發(fā)，因此電機(jī)每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步進(jìn)角，中斷服務(wù)程序?qū)⒈粓?zhí)行一次，當(dāng)前的狀態(tài)給寄存器裝載相應(yīng)的命令字并產(chǎn)生所要求的輸出信號(hào)。

在雙閉環(huán)SRD系統(tǒng)中，其內(nèi)環(huán)為電流環(huán).因而必須檢測(cè)電流。根據(jù)SR電機(jī)調(diào)速控制原理，SRD系統(tǒng)一般采用PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)調(diào)速，而電流測(cè)量通常是測(cè)量繞組相電流或主功率開(kāi)關(guān)流過(guò)的電流，這些電流波形很復(fù)雜，瞬時(shí)變化大，峰值高，波形不規(guī)則，要求電流傳感器反應(yīng)快，基本不失真，以供實(shí)時(shí)控制，同時(shí)要求電氣隔離，以免主電路干擾控制電路。電流檢測(cè)可以采用電阻取樣法，也可以用霍爾電流傳感器，前者要求采樣電阻阻值小、功率大、溫度系數(shù)低，因而適用于小功率SRD系統(tǒng)，而后者則適用于以單片機(jī)為核心的任何功率的SRD系統(tǒng)，因而具有代表性。

SRD系統(tǒng)的雙閉環(huán)控制，使電機(jī)維持運(yùn)行在給定速度上，因此，對(duì)電機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速要實(shí)時(shí)、快速檢測(cè)，將所測(cè)得的轉(zhuǎn)速值與給定的轉(zhuǎn)速值相比較，控制器根據(jù)轉(zhuǎn)速差值確定控制策略。傳統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)有專門(mén)測(cè)速裝置（如測(cè)速發(fā)電機(jī)），而對(duì)SRD系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，必不可少的位置檢測(cè)器提供的位置信號(hào)包含了轉(zhuǎn)速信息。

SRD系統(tǒng)操作性能及輸出特性的好壞，關(guān)鍵在于雙閉環(huán)控制特性，而實(shí)現(xiàn)良好雙閉環(huán)性能的前題是獲得準(zhǔn)確的雙閉環(huán)參數(shù)——速度參數(shù)和電流參數(shù)，在SRD系統(tǒng)中，給定速度參數(shù)可以通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器經(jīng)標(biāo)度變換獲得，實(shí)際速度參數(shù)可以通過(guò)檢測(cè)位置信號(hào)獲得，電流參數(shù)可以通過(guò)采樣電阻或霍爾電流傳感器獲得，作者設(shè)計(jì)的幾種不同功率SRD系統(tǒng)均通過(guò)本文所述方法獲得PID控制參數(shù)，取得了良好的控制效果，實(shí)踐證明，本文所述方法是有效的。

三、小結(jié)

綜上所述，單片機(jī)在SR電機(jī)控制中可以得到很好的應(yīng)用，并取得良好的應(yīng)用效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 何立民.MCS-51系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京航空航天大學(xué)出版社，1990.

[2] 潘新民.微機(jī)控制技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版杜，2004-08.

[3] 蘇家健.舉片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社.2004—11.

[4] 宋浩.單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版杜，2005—01.