单片机对直流伺服电机控制的研究

单片机对直流伺服电机控制的研究

覃道赞

（珠海格力智能装备有限公司519000）

摘要：随着科技水平的进步，单片机及相关的技术发展迅速，在控制领域以及其他各个行业应用范围逐渐扩大。当前，市场上单片机的种类比较多，DSP以及单片机在伺服电机的运行过程中起到了良好的效果。直流电机具有良好的运行性能以及调速的性能，在电动汽车，无人机以及一些遥控的玩具中都有着比较广泛的使用，研究单片机对于直流伺服电机的控制效果具有重要的现实意义。

关键词：单片机；直流伺服电机；控制

微型的控制器在电机的伺服控制系统中有着比较广泛的应用，随着集成电路技术的不断发展，数字化的伺服系统将逐步取代传统的模拟伺服系统。通过这种先进的系统可以对设备进行精度较高的位置控制以及速度的追踪，对于具体的控制的方式也可以随意进行改动。单片机由于可靠性高，体积比较小，成本较低的特点在直流伺服电机控制系统的数字化过程中起到重要的作用，也是未来主要的研究发展方向。

一、直流伺服电机的基本情况以及工作原理

（一）直流伺服电机的基本情况

伺服电机通常也被称为执行电机，这种设备以控制信号为主要的标准进行电机动作。在未接到信号时，电机的转子保持静止的状态，在接收信号之后，转子会在最短时间内完成启动的过程，如果接收的信号比较小，转子可以自动的停止转动。依据电机控制系统的相关要求，需要执行电机具有比较高的稳定性以及可控性，还需要具备比较强的速应能力。其中速应能力主要是指设备在接收到信号时具有比较快的反映能力，灵敏度较高。稳定性是指在转矩增加的情况下，设备的转速可以均匀下降。可控性是指信号消失之后转子能够自行停止转动[1]。

在自动控制系统中，直流伺服电机主要起到执行信号指令的作用，因此需要具有线性的调节特性，对控制信号迅速反应的能力以及下垂的机械性能，通常情况下设备转速的计算公式为n=E/KФ=（Ua-IaRa）/KФ，其中Ф为磁通，n为转速，Ua为外加电压，IaRa为电枢电流与电阻，E为反电势。同普通的电机工作原理类似，当电流通过直流伺服电机的励磁绕组中会产生磁通，电流与磁通之间产生作用力，通过转矩是电机进行动作，投入到正常的运转过程中，如果绕组出现了断电的情况，电机的转动也会受到一定的影响，直流电机不存在自转的情况，这一特点也被应用在自动门的拖动过程中[2]。

（二）主要的工作原理

伺服系统属于封闭环绕的自动化控制系统，单片机需要实时监控系统的运行状态，有效的控制功率的主要回路。在实际应用的过程中，单片机需要接受速度以及位置变化的信号，并且进行有效的处理，通过这些信号产生的动作对PWM功放电路进行有效的控制，调节功率放大器的工作，保证电机的运行状态良好。

二、控制系统的主要组成部分

伺服控制系统主要采用测速的发电机作为主要的速度反馈部件，利用光电编码器反馈角位置，使用大功率的晶体管PWM功率放大器作为驱动的装置，直流的伺服电机进行指令的执行，单片机在整个系统中起到控制的作用。

测速发电机具备转速线性以及输出电压的特性，可以把系统的转速变为电压，利用转换器转变为可用的数字信号，单片机依据接受到的数字信号进行系统控制。光电编码器可以把角度的数值转变为相应的信号，同样输送到单片机。直流的伺服电机带动光电编码器以及测速的发电机，单片机妥善处理各种可能存在的误差，将控制信号进行输出，转变为模拟电压，通过放大器的作用可以实现对于功率放大器PWM的有效控制，保证电机系统的正常运行[3]。

三、直流伺服电机系统的调速控制

为了研究单片机在电机系统中的控制作用，相关人员设计了可以调节速度的控制系统，其中以单片机为主要控制部件，实现对于转速的准确迅速调节。在这个系统中，单片机根据捕捉到的编码盘的脉冲信号准确计算出转动速度以及修改的量，实现对于电机测速的监控以及反馈。

（一）系统的基本模型

控制系统通常包括速度反馈环双环以及角度反馈环。速度反馈环主要是进行局部的反馈，通过系统的校正作用改善伺服电机的刚性以及阻尼的性能，减少各种不必要因素的影响。主要的反馈系统是角度反馈，给定的输入值与角度数值相减由此可以产生相应的偏差的信号，这个信号会通过比例环节的作用出现放大的情况，输送至设备的下一个运转的环节。

通常情况下系统采用P调节器克服静差，利用公式G1（s）=Kτ+1/τ0s进行计算，其中τ0时间常数，Kτ是比例系数，G1（s）是速度环的放大及串联校正环节。同时采用的公式还包括G2（s）=KG/（tjs+1）（tds+1），tj为机电时间常数，KG是静态放大系数，td是电磁时间常数，G2（s）是伺服电机的传递函数。

单片机的相关系统在进行信号的转化以及处理的过程中需要对一部分数量的数值进行离散化的处理，确定后采样的周期以及控制量通过差分方程的转换来获得具体需要的控制量具体的公式为C（n）=aK1[Rθ（n）-Kθθ（n）]-aKvV（n）+

bK1[Rθ（n-1）-Kθθ（n-1）]-bKvV（n-1）+C（n-1）。具体的控制量同之前的速度和角度采样的数值密切相关。

（二）具体的控制流程

在设备开始执行程序时，首先需要初始化单片机的出入输出接口，将P3和P1设置为输入口，直接接受从编码器发出的各种数字的信号，通过对于采样数值进行转化得到相关的数据，最后计算出所需的控制量，实现对于功率放大器的控制，达到电机转动的效果。

四、利用DSP芯片进行电梯门的控制

技术人员采用TMS320F28035作为设备控制器的主控芯片，实现了对于软件系统的开发以及硬件系统的开发实现了电梯门的平稳运行。

电梯门的控制系统包括不同的模块，主要有PWM驱动输出的模块，主回路，人机交互模块，门机信号处理模块，故障检测与保护模块，电流电压检测模块。根据实际运行的需求首先进行硬件系统的设计，利用TMS320F28035作为主要的控制芯片，结合数码管显示电路，驱动电路，参数存储芯片，仿真接口构成为了电梯门的硬件系统。

软件系统的主程序是核心内容，所有的模块都需要在主程序之下进行运行，系统在通电之后首先需要初始化，读取存储的各项数值，打开总中断，进行设备的程序运行，主要的设备循环系统包括定时进行故障检测处理，开关门的程序，信息的共享交互。

电梯门控制系统最关键的是TMS320F28035芯片，这是一种造价低廉，集成度较高的芯片，具体较高的时钟频率，可以有效的缩短指令的周期，通过中央处理器模块将各部分的信息进行处理，完成对于电梯门故障的判断与运行情况的控制。

结束语

通过科研人员的研究，单片机在控制直流伺服电机转速方面具有非常重要的作用，类似的应用还有很多，企业应当结合自身的实际情况，加强对于新设备的学习，提高应用的水平，推动我国各行各业工业化以及自动化的发展，更好的为经济建设服务。

参考文献：

[1]桑勇，李锋涛，代月帮，段富海，王亚杰.面向伺服电机的STM32单片机控制系统设计[J].机电工程技术，2015，44（11）：65-72.

[2]李彩菊.基于MSP430单片机的伺服电机控制系统的研究[J].机电工程技术，2015，44（11）：77-80.

[3]林海洪.基于单片机的直流伺服电机控制系统[J].自动化应用，2016（12）：54-55.

[4]袁顺娟.基于单片机的伺服电机控制系统的研究[J].科技信息，2013（05）：170.

[5]邹振天，王海龙，陈荣湾，朱治君，周晨.基于单片机控制的双伺服精密绕线机系统[J].科技传播，2014，6（03）：209+208.