基于嵌入式單片機(jī)的電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

金巨波

（黑龍江財(cái)經(jīng)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150025）

基于嵌入式單片機(jī)的電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

金巨波

（黑龍江財(cái)經(jīng)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150025）

隨著社會(huì)的全面發(fā)展，電機(jī)控制系統(tǒng)基于嵌入式單機(jī)片的設(shè)計(jì)十分重要.其不僅能夠讓電機(jī)的控制效率得到相應(yīng)的提升，還能讓整體的控制體系得到相應(yīng)的優(yōu)化.本文主要針對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)基于嵌入式單片機(jī)的設(shè)計(jì)進(jìn)行相應(yīng)的分析，并提出了相應(yīng)的優(yōu)化措施.

電機(jī)控制系統(tǒng)；嵌入式單片機(jī)；硬件設(shè)計(jì)；軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

電機(jī)控制系統(tǒng)在嵌入式單機(jī)片的整體設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵.其能夠讓硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)與軟件平臺(tái)有效地結(jié)合在一起.在電機(jī)進(jìn)行運(yùn)行的過程中，其主要是以電機(jī)作為動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行單機(jī)的整體運(yùn)轉(zhuǎn).而單機(jī)片與電機(jī)的契合性將直接決定電機(jī)控制系統(tǒng)的整體運(yùn)用效率.因此，電機(jī)控制系統(tǒng)基于嵌入單機(jī)片的設(shè)計(jì)意義深遠(yuǎn).

1 電機(jī)控制系統(tǒng)基于嵌入式單機(jī)片設(shè)計(jì)的內(nèi)容

1.1 單機(jī)芯片體系的構(gòu)建

在進(jìn)行單機(jī)芯片的基礎(chǔ)構(gòu)建時(shí)，首先需要對(duì)電機(jī)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的分析.一般情況下，其會(huì)使用三相異步電動(dòng)機(jī).其內(nèi)部電力體系通?？梢苑譃橹麟娐?、控制電路以及輔助電路.相對(duì)而言，主電路系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，并沒有過多的結(jié)構(gòu)變化.而控制電路則是電機(jī)與單片機(jī)的連接中樞.其不僅能夠控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)以及反轉(zhuǎn)，還能對(duì)單機(jī)片的停止以及運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行明確的控制.而且嵌入式單片機(jī)相對(duì)而言還具有多方面的特性.尤其是在51芯片逐步地發(fā)展為DSP芯片的過程中，單片機(jī)的設(shè)計(jì)已經(jīng)逐漸地得到了完善.其數(shù)字芯片控制也逐漸地變得簡(jiǎn)單以及牢靠.但在單機(jī)芯片體系的整體構(gòu)建過程中，其電機(jī)的控制與單片機(jī)還存在協(xié)調(diào)性的問題.尤其是在電機(jī)高速的運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，其芯片體系結(jié)構(gòu)還需要采用多種不同的方法進(jìn)行相應(yīng)的改善.其單片機(jī)也時(shí)常會(huì)出現(xiàn)運(yùn)行不夠穩(wěn)定的情況.所以，在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，其需要做好電流的過流保護(hù)工作.從而讓單機(jī)片芯片的驅(qū)動(dòng)功率逐漸地變大.并且有一個(gè)良好的運(yùn)轉(zhuǎn).

1.2 嵌入式單機(jī)片設(shè)計(jì)的意義

嵌入式單機(jī)片在電機(jī)中的應(yīng)用十分的廣泛.其不僅具備穩(wěn)定性好，實(shí)踐性能方便等諸多的特性，而且其還能通過軟件以及硬件的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)電機(jī)多方面的功能.同時(shí)其還能將數(shù)字電路全面的應(yīng)用到嵌入式單機(jī)片的整體設(shè)計(jì)之中.這樣，電機(jī)在運(yùn)行的過程中，就能通過單機(jī)片以及數(shù)字電路的共同作用實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的控制.而且隨著高級(jí)單機(jī)片的面世.用極其簡(jiǎn)單的硬件結(jié)構(gòu)去實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的電機(jī)功能也成為可能.其能夠讓電力體系結(jié)構(gòu)的整體運(yùn)行效率得到顯著性的提升.這樣不僅能夠降低電機(jī)的運(yùn)行成本，還能讓復(fù)雜的控制電路化繁為簡(jiǎn).突破了電路集成的范疇.使得單片機(jī)的抗干擾性以及穩(wěn)定性得到了全面性的提升.

2 電機(jī)控制系統(tǒng)基于嵌入式單片機(jī)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 對(duì)MCU進(jìn)行選型

我們?cè)谶x擇單片機(jī)的時(shí)候，控制功能較強(qiáng)的單片機(jī)是很受歡迎的，因?yàn)閭兛梢詨蛲晟齐姍C(jī)的控制功能，這里用到的是daPIC20F芯片.dsPIC20P系列的芯片是一款將單片機(jī)與DSP技術(shù)相結(jié)合的高性能16位數(shù)字的信號(hào)控制器.dsPIC20F系列芯片主要以l6位單片機(jī)為核心，在擁有功能強(qiáng)大的外混設(shè)備的時(shí)候，他們有著快速中斷處理的能力，還可以通過高速的信號(hào)處理器進(jìn)行計(jì)算.與此同時(shí)，dsPIC20F系列芯片在軟件開發(fā)環(huán)境中，有著很多強(qiáng)的處理性能，尤其是對(duì)那些異常事件.由于dsPIC20F芯片擁有較為豐富的內(nèi)部資源，基于dsPIC20F平臺(tái)開發(fā)的電機(jī)控制系統(tǒng)，在硬件整體設(shè)計(jì)方案中，僅僅需要很少的外設(shè)，這樣不僅能夠滿足裝置的可靠性和抗干擾性，還能夠?qū)崿F(xiàn)總線不出芯片的設(shè)計(jì)，在各種環(huán)境及工況下運(yùn)行的要求下，在降低開發(fā)成本、縮短開發(fā)時(shí)間的同時(shí)，還需要提升系統(tǒng)的靈活性.在進(jìn)行選型的過程中，還要結(jié)合其整體的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合性的選型.從而使得芯片的整體運(yùn)行以及計(jì)算效率得到整體性的提升.

2.2 硬件電路的設(shè)計(jì)

2.2.1 總體硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于dsPIC20F的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常重要，電機(jī)控制系統(tǒng)可以檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的情況，當(dāng)這主要是有電子轉(zhuǎn)子位置的傳感器來檢測(cè)的，在電子轉(zhuǎn)子通過控制芯片時(shí)，把它的位置細(xì)心發(fā)送到驅(qū)動(dòng)模塊上，用早就設(shè)置好的指令，讓控制芯片決定向驅(qū)動(dòng)模塊輸出的驅(qū)動(dòng)邏輯電平情況，通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，對(duì)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)實(shí)際的運(yùn)作條件，讓合適的電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行輸出，通過轉(zhuǎn)子位置的傳感器信號(hào)的強(qiáng)度，由主芯片將電機(jī)的速度核算出來，然后，對(duì)實(shí)際的速度和起初設(shè)計(jì)的速度進(jìn)行對(duì)比，就會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速偏差，通過主控芯片的傳輸，可以將這個(gè)偏差的信號(hào)，轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的控制信號(hào)，最后，將得到的控制信號(hào)發(fā)送給電機(jī).這種閉環(huán)控制的應(yīng)用，能夠準(zhǔn)確的核算實(shí)際的控制信號(hào).

2.2.2 電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

霍爾位置傳感器是可以電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置進(jìn)行檢測(cè)的.霍爾位置傳感器可以分為轉(zhuǎn)動(dòng)和靜止兩個(gè)部分，首先，把靜止的那部分牢牢地固定在機(jī)座上，而轉(zhuǎn)動(dòng)的部分固定在轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)動(dòng)部分隨著轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)遮光盤齒部的遮擋進(jìn)行操作，可以產(chǎn)生高低不同的電平信號(hào)，這樣，就可以把轉(zhuǎn)子的位置信息提高給電動(dòng)機(jī)了，利用三個(gè)霍爾元件的三種不同的輸出狀態(tài)，將轉(zhuǎn)子的磁極信息記錄下來，用霍爾位置傳感器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子的信息監(jiān)測(cè)，把基本的調(diào)整參數(shù)和控制參數(shù)提供給電機(jī)，保證了數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)，有利于提升整個(gè)電機(jī)的控制系統(tǒng).

2.2.3 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是由電動(dòng)機(jī)、功率變換器和控制器這三個(gè)部分組成的.使用比較廣泛的是直流電動(dòng)機(jī)，它的操控較為簡(jiǎn)單，在實(shí)際操作中，直流電源也較容易實(shí)現(xiàn)，這使得直流電機(jī)擁有較為出眾的性能.對(duì)于直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，在本論文中主要采用對(duì)是專用數(shù)字驅(qū)動(dòng)芯片.一般情況下，控制電路的是用數(shù)字集成芯片LMD18200電機(jī)控制芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)的直流電機(jī).

3 電機(jī)控制系統(tǒng)基于嵌入式單片機(jī)的軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

3.1 軟件功能的劃分

在平時(shí)的操作過程中，一般使用系統(tǒng)uClinux來操作，這個(gè)系統(tǒng)可以對(duì)多個(gè)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，因?yàn)樗哂胁僮鞫鄠€(gè)任務(wù)的程序，系統(tǒng)的任務(wù)中斷決定著他的實(shí)時(shí)性，調(diào)用pClinux的任務(wù)調(diào)度函數(shù)，用戶也就可以從就緒任務(wù)中調(diào)度函數(shù)，找到優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù).進(jìn)行切換操作.結(jié)合電機(jī)的實(shí)際控制的具體要求，按照基本的任務(wù)劃分原則，能夠?qū)?yīng)用軟件分為以下幾類任務(wù)：

①人機(jī)交互功能：電機(jī)轉(zhuǎn)速和溫度顯示器顯示等.

②有超前的預(yù)防性：對(duì)電機(jī)進(jìn)行保護(hù)，一旦出現(xiàn)故障，它具有報(bào)警的功能.

③測(cè)控性強(qiáng)：測(cè)控?cái)?shù)據(jù)的可靠性強(qiáng)，實(shí)時(shí)的操作性高.對(duì)數(shù)據(jù)可以進(jìn)行預(yù)處理.

3.2 軟件控制程序設(shè)計(jì)

對(duì)于電機(jī)控制的系統(tǒng)任務(wù)而言，通過本地?cái)?shù)據(jù)的采集程序能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)任務(wù).根據(jù)實(shí)際任務(wù)的不同，可以將本地?cái)?shù)據(jù)的采集程序分為以下幾個(gè)模塊，例如：數(shù)據(jù)保存模塊、LCD模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊等，按照不同用戶設(shè)定的不同控制參數(shù)，利用數(shù)據(jù)采集模塊能夠直接進(jìn)行操作，例如：采集頻率、A/D通道等，對(duì)外部的信號(hào)實(shí)際采集，可以用以上兩種方法進(jìn)行具體實(shí)施，對(duì)于采集到的數(shù)據(jù)可以送到數(shù)據(jù)處理模塊；對(duì)于采集到的實(shí)際數(shù)據(jù)可以利用數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行數(shù)字濾波操作，在本系統(tǒng)中主要采用取相鄰10個(gè)數(shù)據(jù)平均值的濾波方法，這樣能夠取得較為準(zhǔn)確的結(jié)果，數(shù)據(jù)處理模塊能夠?qū)V波后的數(shù)據(jù)存入公共的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，這樣可以提供LCD模塊顯示或者供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)程序進(jìn)行使用；LCD模塊的主要職能是按照用戶的實(shí)際需求，可以將公共數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)顯示出來；按照一定的格式，可以對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，使用數(shù)據(jù)保存模塊保存到Flash中；另外，可以在LCD模塊外還可以配置鍵盤模塊，這樣方便用戶進(jìn)行實(shí)際操作體驗(yàn)，提供給用戶在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)電機(jī)設(shè)備進(jìn)行控制的手段，能夠方便用戶快捷的獲取需要用到的設(shè)定采集的參數(shù).

4 結(jié)語

電機(jī)控制系統(tǒng)基于嵌入式單片機(jī)的設(shè)計(jì)十分重要，其能夠讓電機(jī)的運(yùn)行效率得到相應(yīng)的提升.在進(jìn)行整體的設(shè)計(jì)過程中，其首先需要明確單片機(jī)的設(shè)計(jì)內(nèi)容.有針對(duì)性的進(jìn)行芯片體系的設(shè)計(jì)，并完善電機(jī)的電力體系結(jié)構(gòu).然后要做好嵌入式單片機(jī)的硬件設(shè)計(jì)，讓各種硬件設(shè)施的搭配更為合理.最后還要不斷優(yōu)化軟件設(shè)計(jì)體系，其需要利用軟件的控制功能對(duì)軟件程序進(jìn)行基礎(chǔ)的模擬，并實(shí)現(xiàn)多種不同的運(yùn)行功能.從而使得電機(jī)控制系統(tǒng)中嵌入式單機(jī)片的設(shè)計(jì)更加科學(xué)合理.

〔1〕李玉波.基于嵌入式單片機(jī)在電機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2016(08).

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TM301.2

A

1673-260X（2017）09-0047-02

2017-05-14

黑龍江省教育科學(xué)規(guī)劃課題（GJB1316070）