嵌入式單片機在電機控制系統中的應用

昆明力倫電氣設備有限公司 周正華

嵌入式單片機在電機控制系統中的應用

昆明力倫電氣設備有限公司 周正華

在機器化大生產時代，電機的重要性作用越發突出，成為工業生產領域相關技術工作人員的關注重點。隨著現代技術的發展，數控系統展現出前所未有的優越性，嵌入式單片機也因其智能化的應用優勢成為電機控制系統中應用范圍廣、發展前景良好的有效工具，能夠保證電機的控制系統更具時效性、安全性、穩定性和應用性。本文主要介紹嵌入式單片機在電機控制系統中軟件應用和硬件應用，硬件提供運行環境，軟件實現智能化的信息加工與處理，在兩者的有效配合下電機控制系統的優質性能得以實現。

嵌入式單片機；電機控制系統；應用

引言

電機起初是通過模擬器的作用實現其控制系統功能的，以模擬器為核心構件的電機控制系統結構較為簡單、成本低，這在一定程度上推動了電機的廣泛應用，但在實際的操作使用中發現其不具備可擴展性，使電機控制系統運行效率難以保證。正是基于模擬器的應用缺陷，數字式控制芯片應運而生，其具備的可擴展性功能使得電機控制系統的運行效率得以保證。而數控式芯片也經歷了一個逐步優化、不斷發展的工程，使其性能不斷優化、提高，更具實用性和便捷性。本文主要介紹了數字式嵌入式單片機的硬件及軟件應用，通過研究表明嵌入式單片機具有較好的使用優勢，能夠提升提升電機控制系統的運行效率和安全性。

1.嵌入式單片機的使用條件

嵌入式單片機的應用應該以實現電機控制系統的運行要求和保證其性能為前提，主要保證實現電機控制系統的換相順序、電機轉速及電機轉向功能。

（1）控制換相順序

換相順序的控制目的是實現電機正常運轉工作的前提和基礎。控制換相順序也即脈沖分配，主要由軟件法和硬件法兩種方法來實現。其中，軟件法利用單片機發出控制脈沖信號實現脈沖分配，但這種方法適用的前提的是需要預先設定好通電換相順序，且耗時長；而硬件法通過脈沖分配器芯片控制通電換相順序，可以有效克服軟件法的缺陷，其應用范圍更廣。

（2）控制電機轉速

電機轉速的控制的原理是對單片機發出的脈沖信號頻率進行控制，一般有兩種方法可以實現：其一，通過改變延時時間來改變輸出脈沖信號的頻率，此方法同樣需要耗費大量的時間，其應用性不強；其二，通過控制調整定時器常數從而實現對輸出脈沖信號的控制。

（3）控制電機轉向

電機轉向的控制的原理是通過改變電機通電相序達到的，通過通電相序的控制進而實現對電機轉向的控制。

2.硬件應用

2.1 單片機

單片機是電機控制系統的主要構件之一。dsPIC20F是一款性能高、技術先進的數字控制器，它以16位單片機為核心構件，同時融合了先進的DSP技術，本文也是以此為對象展開研究的。dsPIC20F控制器具備了具備了較好的運行環境，能夠實現更為快速的中斷及處理功能，同時具有數字信號的高速處理能力，且其可擴展性較強，能夠較好的應對故障時間的處理。并且，dsPIC20F具有較好的相對獨立性，其內部強大的功能儲備使其對外部環境的依賴性相對較低。采用總線不出芯片的設計能夠更好適用運行環境，增加系統運行的安全、可靠及簡便靈活性。

2.2 硬件電路

（1）整體硬件結構

本文的電機控制系統以前文所述的PIC20F控制器為核心，輔以電子轉子位置傳感器、CPU控制芯片、驅動模塊等。

硬件結構各構件的功能及應用原理：電子位置傳感器的功能是檢測電相L轉子的位置；CPU控制芯片則對轉子的位置進行數字化計算并將其轉化為電信號；驅動模塊則根據前者計算并轉化的電信號驅動電機旋轉。在電機被驅動旋轉后，CPU控制芯片會視具體的運行環境選取最優的轉速。而在實際的電機工作過程中會存在電機實際轉速與預定轉速的誤差，這時，CPU控制芯片又會發揮作用將這種誤差轉化為偏差信號，進而利用其實現對驅動模塊的再控制，形成系統內部的封閉式控制系統。

（2）電相L轉子位置檢測電路和驅動電路

霍爾位置傳感器進行電機轉子位置測定的核心構件，其內部的的靜比部分固定在電機機座上，轉動部分則位于電機轉軸上，實現與轉子的共同旋轉。霍爾位置傳感器的應用能夠有效地地提升電機轉子位置測定的精準性和可靠性，實現電機控制系統整體性能的有效性能。

驅動電路的主要構件包括電動機、控制器及功率變換器。其中，電動機主要有三種分別為步進電機、伺服電機以及永磁直流電機。而第三種永磁直流電機因其優越的操作簡單、易控制、易實現性能而成為使用范圍最廣的電動機類型，數字集成芯片LMD18200的直流電機驅動控制電路是其中比較有代表性的一種控制電路，其集成了DMOS功率器件和CMOS控制電路，是專用于直流電動機驅動的H橋組件。此芯片正常工作電流為3A，瞬間驅動電流達6A，驅動能力較好。

3.軟件應用

系統多任務的管理以及調度是通過嵌入式實時操作系統u CLinux實現的，它是整個軟件平臺的中心部分。在具體的運行目的要求下，用戶調用u CLinux調度函數實現對任務的調度處理，并能夠在任務操作過程中實時的對任務進行切換，以確保各任務的優先等級和處理順序。具體的操作步驟為：最優先的等級設定為測量任務，進而進行數據預處理，最后進行驅動輸出。在任務實際完成的過程中首先要確保測量的準確性和可靠性，進而保證后續工作的順利有效進行。而且，電機故障報警功能使其能夠較好的應對各種突發故障的出現。嵌入式實時操作系統u CLinux在工作之初，會進行CPU初始化、TCB初始化、操作系統初始化以等初始化操作，然后創建新任務、子任務，最后采用OSSTART函數對任務進行調度。

4.結論

綜上所述，性能優越的電機控制系統往往需要龐大的硬件系統的支撐。而高性能微處理器芯片以其智能化的應用優勢極大地縮減了電機控制系統對硬件的依賴，并且使其運行更加的高效、穩定，且具有成本低、耗材少、簡便易行的特點。但是，嵌入式單片機在電機控制系統的實際應用還要綜合考慮多方面因素，從而更好地實現任務需求下經濟效益及使用使用功能的統籌兼顧。

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