基于單片機(jī)的直流電機(jī)控制探討

遼寧輕工職業(yè)學(xué)院 王麗艷

電機(jī)的種類其實(shí)有非常多，但是在當(dāng)前具有較為良好的性能以及較強(qiáng)的競爭力的主要是單片機(jī)，因此，單片機(jī)在現(xiàn)階段擁有非常廣泛的應(yīng)用范圍，與此同時(shí)我國對(duì)于單片機(jī)的直流電機(jī)的實(shí)際控制有了較大程度的研究結(jié)果，這就需要相關(guān)技術(shù)人員能夠以單片機(jī)為核心來進(jìn)行數(shù)字控制系統(tǒng)的具體研究以及設(shè)計(jì)。

1 單片機(jī)的基本工作原理及對(duì)直流電機(jī)控制的基本要求

1.1 單片機(jī)內(nèi)部芯片工作原理及功能

在研發(fā)的實(shí)踐過程中，有關(guān)科研人員主要是針對(duì)單片機(jī)在實(shí)際工作流程中所采用特定規(guī)格的芯片的具體工作機(jī)理，進(jìn)行了比較深入的探究。該型號(hào)的芯片可以很好地完成單片機(jī)和直流電機(jī)之間的具體聯(lián)系，同時(shí)也可以利用電平來完成對(duì)直流電機(jī)的具體操控，該型號(hào)的芯片在完成對(duì)直流電機(jī)操控時(shí)的最主要環(huán)節(jié)，是操控直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)、逆向、停止等啟動(dòng)的具體工作。

該機(jī)型的晶片里面通常都會(huì)有七個(gè)插針，這主要是因?yàn)閱纹瑱C(jī)和內(nèi)部的晶片間有著相當(dāng)大的聯(lián)系，所以這七個(gè)插針中的兩個(gè)插針會(huì)和單片機(jī)直接連結(jié)。其中，直流電機(jī)自身和單片機(jī)之間也存在著相當(dāng)大的聯(lián)系，通過這一點(diǎn)也能夠明白七個(gè)引腳中為什么還會(huì)有另外的兩個(gè)引腳與直流電機(jī)直接相連。不過為什么該型號(hào)的芯片可以在單片機(jī)中獲得很普遍的使用，其原因主要是由于該芯片所具備的實(shí)際功能十分強(qiáng)勁，而這又是單片機(jī)在實(shí)際設(shè)計(jì)流程當(dāng)中十分核心的部分。該型號(hào)的芯片所實(shí)際具有的功能主要如下。

相較于一般的芯片，該型號(hào)芯片在實(shí)際工作流程中所使用的工作電流更小、可以自動(dòng)化地實(shí)現(xiàn)更加基礎(chǔ)的工作形式、可以切實(shí)保證相應(yīng)的工作電流、在實(shí)際的工作流程中具有較為平穩(wěn)的工作電流。該型號(hào)的芯片在實(shí)際工作過程中對(duì)于電流的要求一般不會(huì)超過3A，在進(jìn)行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止以及啟動(dòng)等工作程序這些較為基礎(chǔ)的工作形式時(shí)，同時(shí)也具備是一個(gè)規(guī)模型號(hào)比較小的直流機(jī)所應(yīng)該具有的基本功能。

在針對(duì)電路的保護(hù)方面，主要是在單片機(jī)完成通電之后，在正常的運(yùn)行過程中很有可能會(huì)因?yàn)楦鞣N因素的出現(xiàn)而導(dǎo)致電路出現(xiàn)過熱或者是電流過載的情況，在這個(gè)時(shí)候很有可能就會(huì)對(duì)電路造成一定程度的破壞，因此該種型號(hào)的芯片能夠在很大程度上對(duì)于電路起到一個(gè)良好的保護(hù)作用。

在電壓方面，單片機(jī)要想能夠驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)良好的運(yùn)行，電壓條件一般都需要處于0～18V 的范圍之內(nèi)。芯片對(duì)于直流電機(jī)的運(yùn)行來說是一個(gè)非常重要的部分，在充分地了解了芯片的工作原理以及工作流程之后，就可以針對(duì)相關(guān)的細(xì)節(jié)進(jìn)行針對(duì)性比較強(qiáng)的完善以及創(chuàng)新，從而就能夠設(shè)計(jì)出具有更強(qiáng)精密性的直流電機(jī)控制系統(tǒng)[1]。

1.2 單片機(jī)對(duì)直流電機(jī)控制的基本要求

現(xiàn)階段，目前所實(shí)際使用的單片機(jī)與直流電機(jī)之間的具體聯(lián)系，主要是基于單片機(jī)能夠?qū)χ绷麟姍C(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止，以及起動(dòng)等比較基本的功能實(shí)現(xiàn)合理的控制，并且由于直流機(jī)在實(shí)際的工作流程中也可以具有優(yōu)異的特性，要盡量地符合單片機(jī)在實(shí)際工作流程中所提供的相應(yīng)條件，因此單片機(jī)對(duì)直流機(jī)通常都會(huì)有兩個(gè)方面的要求，主要是技術(shù)限制條件和基本要求。

針對(duì)于單片機(jī)控制器所實(shí)際提供的基本控制條件來說，由于單片微型計(jì)算機(jī)設(shè)備表面上通常都會(huì)有實(shí)現(xiàn)各個(gè)領(lǐng)域具體控制功能的相應(yīng)按鍵，這樣對(duì)于單片微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本控制條件來說通常都會(huì)相對(duì)易于進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，只需滿足通過使用不同的按鍵來完成對(duì)直流電機(jī)設(shè)備在實(shí)際工作過程中的四種比較基本的功能、甚至是對(duì)工作狀態(tài)的基本控制就可。與此同時(shí)，還能夠通過針對(duì)直流電機(jī)設(shè)備上的加速按鍵，以及在實(shí)際工作過程中對(duì)被按的具體頻率的識(shí)別工作，來對(duì)于直流電機(jī)的速度快慢的監(jiān)控工作。

在某些情形下，技術(shù)人員在實(shí)際的操作過程中還會(huì)發(fā)現(xiàn)，由于加速按鈕的使用次數(shù)甚至是使用頻率都太快、以至于超出了所設(shè)定的速度最大值，當(dāng)這種時(shí)候在直流電機(jī)內(nèi)部很有可能就會(huì)要求調(diào)速命令不被執(zhí)行。

其所謂的基本條件，正是在對(duì)于直流電機(jī)進(jìn)行實(shí)際控制時(shí)所提供的最重要的基本條件，在進(jìn)行對(duì)直流電機(jī)的具體控制過程中，直流電機(jī)的具體轉(zhuǎn)速變化必須要能夠與單片機(jī)設(shè)定好的速度相一致，這樣才可以真正做到脈寬調(diào)制與自身軟件系統(tǒng)的實(shí)際啟動(dòng)速度能夠完全相符，這樣才可以在一定程度上保障相關(guān)軟件系統(tǒng)在開機(jī)過程中的正常轉(zhuǎn)速。但是不論是單片機(jī)所提出的控制要求還是基本要求，最后所實(shí)際記錄下來的相關(guān)數(shù)據(jù)信息與實(shí)際情況之間存在的誤差范圍不能夠超過百分之二。只有達(dá)到這樣的顯示標(biāo)準(zhǔn)，才能認(rèn)為是符合原有設(shè)計(jì)所提出的要求[2]。

2 無刷直流電機(jī)以及調(diào)速控制的具體原理

通過將直流電動(dòng)機(jī)與交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行對(duì)比分析后就能夠較為明顯地得出，直流電動(dòng)機(jī)在調(diào)速性能方面很大程度優(yōu)于交流電動(dòng)機(jī)，但是直流電動(dòng)機(jī)也并不是完全完美的，因?yàn)橹绷麟妱?dòng)機(jī)在進(jìn)行機(jī)械換向的實(shí)際過程中很有可能出產(chǎn)生相應(yīng)的噪音、火花以及電磁干擾等現(xiàn)實(shí)情況。在現(xiàn)階段所實(shí)際使用的控制方式一般都是PID 控制這種方式。

PID 控制方式中還有一種模糊PID 控制方式，該控制方式之所以產(chǎn)生，主要還是由模糊控制方式與PID 控制方式進(jìn)行了一定程度的結(jié)合之后而產(chǎn)生的一種比較新的控制方式，同時(shí)這也時(shí)一種較為傳統(tǒng)的PID 控制方式，具有更強(qiáng)的抗干擾能力以及更加良好性能的控制方式。模糊PID 控制方式在較為常規(guī)的PID 控制方式當(dāng)中加入了一定程度的模糊控制方式，這樣實(shí)際上能夠在很大程度上擺脫被控制對(duì)象的具體數(shù)學(xué)模型，這就在一定程度上簡化了系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)，進(jìn)而提高了系統(tǒng)的實(shí)際抗干擾性與適用范圍。

3 單片機(jī)控制直流電機(jī)的設(shè)計(jì)方案以及對(duì)于控制系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)控制直流電機(jī)的具體設(shè)計(jì)方案

在現(xiàn)階段，中國的工程技術(shù)人員對(duì)單片機(jī)進(jìn)行直流機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案一般包括兩個(gè)，分別為測(cè)控方法的設(shè)計(jì)和電路方法的設(shè)計(jì)。

在測(cè)控方法的實(shí)際設(shè)計(jì)流程當(dāng)中，一般都會(huì)對(duì)于速度進(jìn)行嚴(yán)格的控制。直流電機(jī)在正常的工作流程當(dāng)中的實(shí)際速度是否可以滿足有關(guān)的規(guī)定，這其實(shí)是確保直流電機(jī)可以做到正常工作的一項(xiàng)關(guān)鍵要求，也就是由于這樣，限制直流電機(jī)的實(shí)際速率在監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)方案的實(shí)際設(shè)計(jì)流程當(dāng)中也是一項(xiàng)十分關(guān)鍵的現(xiàn)實(shí)因素。要想能夠真正地設(shè)計(jì)出質(zhì)量較好的測(cè)控方法，相關(guān)的技術(shù)人員就一定要對(duì)于測(cè)控工作的實(shí)際原理做出較為深入的了解與學(xué)習(xí)。測(cè)控技術(shù)的基本原理主要是利用對(duì)直流電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速率的檢測(cè)來進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而針對(duì)檢測(cè)結(jié)果做出具體的反映。

相關(guān)的檢測(cè)工作一般都是由專業(yè)的檢測(cè)設(shè)備來具體完成的，檢測(cè)設(shè)備一般都能夠自動(dòng)地將檢測(cè)到的實(shí)際結(jié)果轉(zhuǎn)化成為單片機(jī)能夠識(shí)別、讀取以及研究的相關(guān)信號(hào)，然后還會(huì)將這部分信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)配套的檢測(cè)設(shè)備上面，進(jìn)行更進(jìn)一步的分析以及處理工作，在完成所有的處理工作之后，再將其輸出成為一定形式的信號(hào)。相關(guān)的技術(shù)人員能夠通過這些輸出的信號(hào)來對(duì)于直流電機(jī)在運(yùn)行過程中的實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行讀取，這樣就能夠根據(jù)直流電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速來更加直觀地判斷，該轉(zhuǎn)速是否能夠與單片機(jī)所實(shí)際配備的轉(zhuǎn)速保持較高程度的一致性，而這也實(shí)際上成為了當(dāng)前進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)控工作當(dāng)中非常重要且十分關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)[3]。

3.2 電路方案的具體設(shè)計(jì)

當(dāng)前，要想能夠使直流電機(jī)工作可以得以正常進(jìn)行以及實(shí)現(xiàn)其中的所有工作，首先就必須要能夠針對(duì)每個(gè)電路在實(shí)際進(jìn)行配置工作過程中所能夠表現(xiàn)出的完整性做出相應(yīng)程度的保障，而針對(duì)電路的實(shí)際配置工作中通常都會(huì)包含了由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)、控制電路、可以完成所有工作的按鈕以及直流電機(jī)自身。而類似的，相應(yīng)的工程技術(shù)人員在真正完成了電路方案的設(shè)計(jì)工作之前，也必須要能夠針對(duì)電路方案工作的基本原理和實(shí)際需求進(jìn)行進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)以及深入研究。電路設(shè)計(jì)方案的具體作用原理如下文所述。

單片微型機(jī)在進(jìn)行實(shí)際操作過程中，所發(fā)揮的最主要功能就是通過相應(yīng)的命令來向驅(qū)動(dòng)電路完成相應(yīng)信息的發(fā)送，而驅(qū)動(dòng)電路在接受了命令信息以后，就可以通過對(duì)自己所接受到的命令信息利用轉(zhuǎn)義來產(chǎn)生直流電機(jī)所可以識(shí)別的命令信息，這樣信號(hào)就被傳送到了直流電機(jī)當(dāng)中，然后直流電機(jī)就可以通過自己所實(shí)際接受到的信息來將它轉(zhuǎn)化成為相應(yīng)的命令信息，而這種命令信息也就可以影響設(shè)備所進(jìn)行具體的操作活動(dòng)以及工作狀態(tài)。單片機(jī)系統(tǒng)通常都是由單片機(jī)自身、調(diào)節(jié)集成電路、復(fù)位回路及其能夠影響不同模塊實(shí)現(xiàn)控制功能的按鈕所構(gòu)成，不過在實(shí)際的工作中，單片機(jī)控制系統(tǒng)通常都可以獨(dú)立自主地完成一定的控制功能，也就是由于這樣，單片機(jī)控制系統(tǒng)也被稱作是在直流電機(jī)中的獨(dú)立控制器。

3.3 單片機(jī)直流電機(jī)控制系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)

單片機(jī)直流電機(jī)控制器的相關(guān)設(shè)計(jì)工作通常都會(huì)包含了硬件方案設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)這兩個(gè)部分。當(dāng)對(duì)控制器的硬件方面進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)工作時(shí)，由于其硬件內(nèi)部通常都是利用集成電路來進(jìn)行相應(yīng)的連接工作，所以在硬件方案設(shè)計(jì)的實(shí)際過程中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是集成電路方案設(shè)計(jì)。在硬件產(chǎn)品設(shè)計(jì)的實(shí)際流程中，主要涉及到的有主電路的設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)、電源電路的設(shè)計(jì)和測(cè)試電路的設(shè)計(jì)等工作。

3.3.1 硬件方案設(shè)計(jì)

在進(jìn)行主電路的產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程中，單片機(jī)就必須使用專門針對(duì)主電路的相關(guān)控制器，來針對(duì)直流電機(jī)內(nèi)部的實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)操作，最主要的操作就是進(jìn)行對(duì)直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止以及啟動(dòng)這四種較為基礎(chǔ)的工作行為或者是工作狀態(tài)的實(shí)際控制。

單片機(jī)通常都是利用內(nèi)置的芯片來完成對(duì)直流電機(jī)的遙控工作，在這兩個(gè)設(shè)備之間所實(shí)現(xiàn)的信號(hào)轉(zhuǎn)換工作一般都是通過相關(guān)的引腳來完成的。例如，開關(guān)電源的插針通常都會(huì)作為控制開關(guān)電源的通斷、RST 則為了進(jìn)行回歸復(fù)位，只有把具備各種功用的插針加以結(jié)合來充分地實(shí)現(xiàn)出自身功用的科學(xué)結(jié)合，才可以使主電路進(jìn)行正確的工作。

在驅(qū)動(dòng)電源方面：驅(qū)動(dòng)電路的電源來源通常都是來自于隔離二極管、自舉電容等的驅(qū)動(dòng)芯片，但同時(shí)還必須把電壓范圍限制在12～15V 左右；在電源電路方面：當(dāng)前我國的一般家用電壓都是在220V左右，但是因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)在實(shí)際的應(yīng)用過程中需要更低的電壓環(huán)境，在這樣的現(xiàn)實(shí)情況面前，就需要利用電源電路來實(shí)現(xiàn)電壓之間的實(shí)際轉(zhuǎn)換工作。在對(duì)于電路進(jìn)行實(shí)際的檢測(cè)工作方面，因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)的正常運(yùn)行需要的電壓低于正常的家用電壓，也正是因?yàn)槿绱?，如果電壓超過了控制系統(tǒng)所能夠?qū)崿F(xiàn)正常運(yùn)行的范圍，那么就會(huì)容易出現(xiàn)系統(tǒng)被高壓燒壞或者是電源被燒毀的情況。

在這樣的現(xiàn)實(shí)情況面前，相關(guān)的技術(shù)人員一定要能夠?qū)τ陔娫磧啥舜嬖诘碾娮柽M(jìn)行必要的監(jiān)測(cè)工作，進(jìn)而計(jì)算電源兩端實(shí)際存在的電壓，同時(shí)需要對(duì)于已經(jīng)檢測(cè)出來的電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，看電壓范圍是否處于規(guī)定的電壓范圍內(nèi)，一旦發(fā)現(xiàn)電壓范圍存在著不合格的現(xiàn)象，那么相關(guān)的技術(shù)人員一定要能夠及時(shí)地對(duì)于該情況進(jìn)行控制，阻止控制系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行，這樣一來就能夠在很大程度上達(dá)到較為良好的保護(hù)系統(tǒng)的實(shí)際目的。

3.3.2 軟件設(shè)計(jì)

在對(duì)于控制系統(tǒng)的相關(guān)軟件進(jìn)行實(shí)際的設(shè)計(jì)工作過程中，一方面因?yàn)楫?dāng)前對(duì)于軟件的設(shè)計(jì)工作并沒有像硬件的設(shè)計(jì)工作那樣受到較多的關(guān)注以及重視，但是軟件又是其中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，軟件所起到的實(shí)際作用便是及時(shí)中斷服務(wù)程序、子程序、電路以及速度方面的具體調(diào)整，從這一點(diǎn)實(shí)際上也能夠較為明顯地看出，軟件在控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行方面也起到了至關(guān)重要的作用。