基于单片机电机运动控制系统设计

基于单片机的电机运动控制系统设计
摘要：为了使电动机能有更高的工作效率，简化电动机的操作，文章通过对步进电机的实时控制方式及工作原理进行研究，用
at89c51单片机做控制系统核心，结合步进电机的工作方法制定出电机运动控制系统的设计方案。

此方案可通过修改电机驱动电路及相应单片机程序来应用到所有的电机控制系统当中。

方案设计合理，有不错的实际应用价值。

关键词：at89c51；步进电机；运动控制系统
中图分类号：tm383.6文献标识码：a文章编号：1007-9599 (2013) 06-0000-02
由于现代工业化的需求，当前工业生产当中一般都使用步进电机来替代普通电机，以满足生产当中的准确度和可控性，传统电机一般只应用于手控操作，在这里不进行过多研究。

步进电机是一种将电脉冲信号转变为转子转动角度的开环控制电机，一般情况下，步进电机的转速和转矩都是可控的。

本文就以应用步进电机为前提来设计电机运动控制系统。

1步进电机是如何工作的以及如何对其进行控制
1.1步进电机的具体概念。

根据不同的转子结构和材料，步进电机统共分为混合式、永磁式以及反应式三个类别。

步进电机是一种将电脉冲信号转变为转子转动角度的开环控制电机，在一般情况下，电机只根据电脉冲信号的频率、强弱和对不同相位定子绕组的信号输入顺序来改变电机运转的速度和方向，而不会由于其负载较
大而影响它的运动状态。

它的转动幅度有一个最小的单位，每当接收到一个脉冲信号，电机就会转动这样一个最小单位，因此可以通过脉冲信号的输出方式来对步进电机的工作量进行精确控制，并且可以通过一系列算法来实时监控步进电机的运转状态。

1.2步进电机时如何进行工作的。

步进电机的工作主要是靠对电流的感应，所以，依靠供电电路的支持，将普通的直流电转变为按照一定频率，一段一段地对电机供电，而且仅有在这种一段一段的特殊直流电下，步进电机才能够正常工作。

这种特殊的直流电供电方式叫做分时供电，而提供分时供电的设备就是驱动器。

电机内部结构分为转子和定子。

步进电机的转子是一个永磁体，绕阻固定在定子上。

当定子绕阻上有直流电流经过时，根据电磁感应原理，在电机的定子上也就相应的产生一个方向固定的电磁场，这个电磁场就会带动永磁体转子开始旋转，直至永磁体转子的磁场和定子的磁场方向相同。

此时，电流再通过另外一个方向的定子绕组，定子磁场方向就会随之改变，而转子也会做出相同角度的转动，如此往复，每当有一个脉冲电流通过定子绕组，转子就进行一个角度的转动，周而复始，电机就会开始不停的转动，而且如果将绕组通电的顺序做相反的变动，那样电机就会反转。

所以，步进电机可以根据对脉冲电流的频率的改变和对定子绕组的各个相位的电流通电顺序的
改变来控制电机的转速和转动方向。

2步进电机运动控制系统的原理
以at89c51单片机为例，所组成的电机运动控制系统原理图如下：
通过单片机at89c51以及晶振、复位组成了控制系统的最小应用系统，将其接入电机驱动电路再与电机相连接就组成了整个系统的物理架构，接入时钟电路来获取相应的脉冲信号，通过从控制面板对单片机进行编程和下达指令来实现整个系统的控制。

3控制系统实现对步进电机运动控制的方法
由电机的实际工作方式可得出，此系统需要达成以下功能：下达正转指令，电机匀速正转，直到下一个指令的传达；下达反转指令，电机匀速反转，直到下一个指令的传达；下达停止指令，电机停止转动，直到下一个指令的传达；下达加速指令，电机在当前运动状态下匀加速运转，直到下一指令的传达；下达减速指令，电机在当前运动状态下匀减速运转，直到下一指令的传达。

为达成以上目的，我们需要分析单片机及最小应用系统在其中起到的具体作用。

当电机工作时，控制系统需要相对于电机的每一种工作状态给电机控制电路施加相应工作信号。

当电机匀速转动时，工作信号应该是一个稳定的脉冲信号，当电机匀变速转动时，应该对其施加一个均匀变化的脉冲信号，当电机静止时，控制系统应该不对其施加任何脉冲信号。

所以，控制系统的每一个部分都要承担其相应的任务。

3.1复位电路。

电机在工作前都处于一个初始的状态，一般都是静止状态。

相应的，在cpu内也有一个使电机静止的初始状态。

复位电路的作用就是通过对cpu的设定，使其恢复到初始状态，来完成对电机静止的操作，当控制系统运行出错时，也需要对其进行复
位操作来使控制系统回归正常的工作状态。

3.3时钟电路。

步进电机的工作原理是将电脉冲信号转变成永磁体转子的旋转角度，而时钟电路的作用就是提供一个稳定的或者匀速变化的脉冲信号。

当脉冲信号稳定时，步进电机就会做出匀速转动的工作状态。

当脉冲信号匀速变化时，步进电机就会根据脉冲信号的频率变化做出相应的匀加速或者匀减速工作状态。

3.3按键控制电路。

在正常生产工作时，步进电机需要通过外界控制来改变各种各样的工作状态，而按键控制电路就是向步进电机下达工作状态改变指令的输入端，通过对按键控制电路上相应的按键的操作，人们可以对控制系统下达相应的指令，使电机的工作状态发生改变。

3.4驱动电路。

驱动电路是直接与步进电机相关联的，由驱动电路的输出电量来完成电机的启动、制动等操作。

控制系统的各部分功能已经清楚了，那么如何通过控制系统使电机完成各种工作状态，则是下面需要考虑的问题。

以三相异步电动机为例，若使电机正向旋转，则需要在电动机的三相绕阻上依次施加电脉冲信号，若三相绕阻代号分别为x、y、z，则控制电机正转的脉冲信号次序为：x—xy—y—yz—z—zx—x，若控制电机反转，则相应的次序为x—xz—z—zy—y—yx—x。

由此可得出，只要控制脉冲信号输出的顺序就可以对电机进行正、反转动的操作。

所以，我们得出了对单片机进行编程的思路，即若控制电机匀速正传，则按下按键1，此时对cpu下达的指令是按照既定的正转脉
冲次序输出脉冲信号；若控制电机匀速反转，则按下按键2，此时cpu下达的指令是按照既定的反转脉冲次序输出脉冲信号；若控制电机加速运转，则按下按键3，此时cpu令时钟电路缩短延时，来加大脉冲频率；若控制电机减速运转，则按下按键4，此时cpu令时钟电路加大延时，来减小脉冲频率；若控制电机静止，则按下按键5，此时单片机复位或者关闭p0端口。

如此就完成了整个电机控制系统的基本设计。

当然，我们可以根据生产加工当中的实际需要，来给电机控制系统增加特定功能。

例如，可以在p1端口加入数码管电路，通过对单片机当中的定时器的编程来实现显示工作时长的需求，也可以在p2端口加入lcd显示器，通过对电动机物理模型的研究建立数字信号与电动机转速的函数关系，通过对单片机中的计数器进行函数编程来实现显示当前电动机转速，以方便对工作进程和工作状态的实时监测。

此系统是通过at89c51单片机来实现对步进电机进行工作状态的控制，由于单片机的特性，此系统可实现速度快、操作简便、准确度高、经济高效的电机控制方案。

并且，在对此系统稍加改动就可以应用到所有型号的电机上，应用范围广，能够承担起大多数生产工作的重任。

参考文献：
[1]徐进强．基于stc单片机的经济型步进电机控制系统[j]．现代电子技术,2009,14:197-199.
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