基于单片机的电机控制系统分析

基于单片机的电机控制系统分析

郭江宇 陈鹏霖 朱超 胡斌 高星

北方自动控制技术研究所 山西太原 030006

摘要：本文首先针对单片机，控制的电机系统进行了概述，然后又对单片机控制的直流电机，在直流电机的概述、直流电器在PWM的调速原理、PWM信号的输出、直流电机的驱动上进行了论述，最后针对单片机控制的步进电机，在工作原理、励磁方式（一项励磁、二相励磁）上进行了论述，以供业界的各位同仁，予以参考、指导。

关键词：单片机；电机控制；控制系统

前言：近些年以来，随着单片机在性能方面的不间断提高，已经广泛的应用到了通信、网络、农业，以及大众日常生活的很多领域当中。不仅能够在很多场合满足应用的需求，而且在特点方面具有：价格低、性能很可靠、使用比较方便、低功耗、小体积、速度快、功能强、可集成度较高等。常用的单片机主要有MSP430单片机、PIC单片机、AVR单片机、51系列单片机。因此针对单片机控制的电机系统，在应用方面进行分析是很有必要的。

1 单片机控制的电机系统的概述

电机对机电能量的转化而言，是一种非常重要的装置，是电气在传动过程中最基础的部件，它作为一种动力的驱动源，在生活、生产当中应用的非常广泛。电机有很多种类，不同的场合应用不同类型的电机。电机在运用的时候，需要注意很多的问题，比如：舵机在旋转角度上的控制、步进电机在步进角上的控制、直流电机中的平滑调速等，在这里涉及到了电机在控制方面的问题，只有对电机实施科学、合理的控制，才能让不同种类的电机，在性能的优越性方面，得到充分的发挥。在很多种电机控制的方法当中，单片机控制的电机，不仅成本是最低的，而且控制起来也比较灵活，精度还很准确。单片机在各类控制的电机当中，都发挥着非常重要的作用

2 单片机控制的直流电机

2.1 直流电机的概述

直流电机就是，把直流电能转换成了机械能，现阶段所用的直流电机，大多数都是旋转电钮式的，激磁绕组、外围的铁芯，所组成的磁极称为定子，电枢绕组、电枢铁芯，因为具备了转换的单元，经过结合之后就构成了，直流电机中的转子。直流电机具备以下优点：第一，调节的时候能量损耗比较少；第二，比较容易控制，可靠性很高；第三，制动、启动、过载的转距较大；第四，调速的范围宽广，而且容易进行平滑的调节。

基于上述的这些优点，在调速要求比较高的场合，比如纺织、吊车、电车、推进器、扎钢机等这些方面，直流电机都得到了非常广泛的应用。单片机所控制的直流电机用到的最多的，就是针对直流电机在转速上的调节，PWM的调速就是一种很可靠的方案。

2.2 直流电器在PWM的调速原理

PWM的控制是针对脉冲宽度，实施调试的一种技术，就是对一系列的脉冲在宽度上进行调节，然后获取最有效的波形。通过控制单片机，在I/O口输出的不同占空比，形成的PWM的波形，就可以去对电机在转速上进行控制。高电平的电机被接通，低电平的电机被断开，对电机进行控制的时候，占空比越大、速度就越快，当完整周期都是高电平的时候，占空比这时就是100%，速度也是最快的。

2.3 PWM信号的输出

当使用电单片机的I/O口，去输出PWM的信号时，可以使用下列三种方法：

第一，利用软件去延时。当高电平延时的时间到了之后，针对I/O口的电平进行取反将其变成低电平，然后再去延时；当低电平延时的时间到了之后，再去对I/O口电平进行取反，如此循环往复就可以获取PWM的信号。

第二，使用定时器，控制的方法同上，只是这里采用定时器，去对电平进行反转，进而让延时能够更加精确。

第三，利用单片机自有的PWM的控制器PIC、AVR、STC12等这些单片机，都具备此项功能的，但是51系列的单片机，是不具备此项功能的。

2.4 直流电机的驱动

一般用到的是：专用的芯片、达林顿管，所以在电路比较简单、电机比较少的情况之下，也可以使用三极管等，这些基本的元器件去搭建。图2-1就是L298N的芯片所驱动电机形成的接线图，L298N可以对两个电机进行驱动，还可以针对引脚，在高低电平的变化方面进行控制，进而直接的去控制电机，实现反转、正转、停止，在控制电器的时候既简单又方便。

图2-1 L298N的芯片所驱动电机形成的接线图

如图2-1所示，P10、P11这两个I/O口，对直流电机M1进行控制，当P10、P11输出的都是高电平的时候，电机M1就会停止，当P10输出低电平的时候，P11就会输出高电平，这时电机M1就会正转，当P10输出是高电平的时候，P11就会输出低电平，这时电机M1发生反转。P12、P13这两I/O口，对直流电机M2进行控制，方式和M1相同。

3 单片机控制的步进电机

3.1 工作原理

步进电机主要有6线式、5线式、3线式，但是在控制的方法上都是相同的，都是要使用脉冲信号的电流进行驱动。如果旋转1圈就需要100个脉冲进行励磁，那么每一个励磁信号，就可以让步进电机大概前进3.6

⁰左右，这时脉冲的个数、旋转角就会成正比。固定电机在正反转这方面，是由脉冲在产生的顺序上去进行控制的。

3.2 励磁方式

步进电机励磁的方式，主要有：半步励磁、全步励磁，半路励磁就是指一相励磁、二相励磁；全步励磁指的是一--二相励磁。假设旋转一圈大概需要，100个脉冲的信号来进行励磁，这时就可以计算出来每个励磁的信号，可以使步进电机旋转大约3.6⁰。

3.2.1一项励磁

在任何一个瞬间，步进电机只会有一个线圈是导通的，每送出一个励磁的信号，步进电机就会旋转大约3.6⁰，这种类似的方式，耗电量比较小，精度也比较好，但是收入的时候转距太小，震动比较大，因此一般在设计的时候不会采取这种方式

3.2.2二相励磁

在任何一个瞬间，步进电机都是有两个线圈，可以同时实现导通的，每送出一个励磁的信号，步进电机就会发生旋转，角度大概是3.6⁰左右。这种励磁的方式输出的转距比较大、震动比较小，是现阶段使用最多的一种励磁方式。表3-1就是二相励磁，所对应励磁的顺序，如果励磁信号反向进行传送，那么步进电机就会发生反转。

表3-1 二相励磁的顺序表

结束语：综上所述，在实际的应用过程当中，对不同种类的电器进行控制的时候，除了要根据需求去选择适合的单片机之外，还要去注意对电机的电路进行控制，电机少的时候可以用三极管等去搭建电路，但是需要的控制电器比较多的时候，一般会去选用达林顿管、专用电机驱动的芯片，比如L298N等。在电机的控制系统当中，用户可以按照不同的需求，去合理的对程序控制进行编辑，这种方法所突出来的优点，就是适用范围非常的广泛、控制起来比较灵活、费用比较低，在电机的控制系统当中，发挥着非常重大的作用。

参考文献：

[1]余智勇,康治鑫.51单片机下的步进电机控制系统分析[J].南方农机,2020,51(02):10.

[2]周磊.单片机电机系统控制分析[J].信息与电脑(理论版),2013(08):167-168.