基于單片機的嵌入式多電機智能控制系統設計

陳立奇

(湖南信息學院 電子信息學院，長沙 410151)

0 引言

電機作為工業生產加工的主要動力驅動設備，具有使用方便、運行可靠、成本低的特點，在工業領域發揮了重要的作用[1]。近年來，隨著現代工業產業的快速發展，電機在工業領域內得到了廣泛的應用，傳統電機的運行方式已經無法滿足當今工業生產需求。因此，研究人員通過對電機控制系統進行創新改造，采用數字式控制系統的新技術以完善電機的控制系統，提高電機的工作效率和控制系統工作的可靠性，并且有利于電機系統在使用中的不斷升級完善，延長電機的使用壽命[2]。

隨著數字式控制系統的應用，利用單片機與電機控制系統的有效結合，發揮了智能化、數字化的特點，提高了整個電機控制系統的運行效率。通過設計者的不斷研究探索，電機控制系統在嵌入式單機片的整體設計過程中，不僅需要硬件平臺設計與軟件平臺有效地結合在一起，還要實現單機片與電機的契合性，以保障電機作為動力系統在運行過程中滿足單機整體的良好運轉，從而提高電機控制系統的整體運用效率[3]。因此，在電機控制系統進行嵌入式單機片的設計具有重要的意義，基于此種背景，提出了基于單片機的嵌入式多電機智能控制系統設計研究。數字式控制系統采用高性能數字式控制芯片, 使得電機的調速控制范圍廣、使用壽命長、維護方便，大大提高了電機的工作效率和可靠的性能[4]。

1 系統總體架構設計

在系統總體架構設計中，單片機的嵌入式多電機智能控制系統采用DSP28335為核心處理器，SN65HVD230為CAN總線收發機的架構設計，方案的整體架構如圖1所示。

系統總體架構包括上位機、驅動電路、CAN接口和各電路等，系統運行時上位機發送命令，通過CAN接口傳送給驅動器模塊，CAN接口負責上位機與驅動器之間的信息傳遞連接，驅動器將接收到的命令進行對電機的運行控制，并實時對電機運動過程中的電壓和電流信息及時反饋給上位機，確保系統安全穩定的運行[1]。

2 硬件結構設計

在系統硬件結構設計中，由于采用嵌入式單片機 dsPIC20F芯片，因此不需要過多的外設裝置就可以進行正常的電機控制操作[5]。這是因為嵌入式單片機dsPIC20F芯片包括了豐富的內部資源，不僅能夠保證電機的運行效率，還減少了外設裝置的使用數量，有效降低設備成本，使控制工作更加簡便，優化了系統運行效果[6]。

基于單片機的嵌入式多電機智能控制系統硬件結構設計如圖2所示。

圖2 系統硬件結構設計

系統硬件結構設計如圖2所示，單片機的電機控制系統采用dsPIC20F芯片控制信號。在工作流程中，首先由系統內的感應器對電機轉子的位置進行采樣，再與設定數據進行比較計算，然后把兩者之間的轉速差轉化為相應的信號，最后發送到控制芯片[7]。由于控制芯片預先設定了控制指令，因此會向驅動模塊發出特定的信號，并傳送到相應的驅動模塊，控制芯片根據接收到的信號發出控制指令反饋給電機，從而完成全部的控制過程。電機的整體旋轉速度應當根據實際的工作環境來選擇一個合適的旋轉速度，提高電機的工作效率[8]。

2.1 A/D 數據采集器

選用AD_TCP-01型號A/D 數據采集器，該局域網A/D數據采集器采用IP協議控制PC主機進行通訊，傳輸距離遠且穩定可靠，在300米范圍內可通過互聯網進行超遠程控制與傳輸，每塊A/D轉換采集板都分配一個唯一IP地址，通過該地址進行數據傳輸。該型號采集器控制器具有6路10位高速轉換通道，同時對外部輸入模擬量進行模數轉換，并將轉換結果通過以太網向PC主機快速輸出。輸出數據幀固定字節如下所示：

幀頭固定格式為0×55，具有6個通道，每個通道具體轉換結果為2字節數據如表1所示。

表1 幀頭通道轉換結果

幀頭固定格式為0×AA；

每路A/D轉換數值計算公式如下所示：

(1)

A/D 數據采集器采用 WJ28 數據采集轉換模塊，包括信號隔離、電源隔離、線性化、A/D 轉換和 RS-485 串行通信等，通過對電機與傳感器之間的信號采集轉換，完成對模擬信號的檢測，確保通訊正常。數據采集器可承受 3000 VDC 隔離電壓，具有較強的抗干擾性能，在系統控制中發揮了重要的作用，保證了電機設備正常可靠的運行。

2.2 驅動模塊電路

驅動模塊采用直流電路的方式，系統主要包括電動機、控制器、功率轉換器等，在設計過程中根據驅動模塊直流電路開展直流電機的設計模式。

該電路選用M57962AL是厚模單列直插式封裝模式，如圖3所示。

圖3 M57962AL芯片的直插式封裝驅動模式

驅動模塊電路在正常工作中電流為 2.5 A，當瞬間驅動電機運轉時，可以提供的電流強度達到5～6 A。在驅動模塊電路內部還伴有過流保護測量電路，能夠進行有效的過流保護作用，確保電路處于正常工作狀態之中。

2.3 電機

選用NMRV075步進電機具有伺服蝸輪蝸桿rv減速機小型減速器帶電機齒輪箱，重量比較輕，外殼采用鋁合金鑄造，強度優越且外觀精美，散熱性高，使用壽命長，動作無噪音，與電機連接較為簡便。該電機作為一種實用傳動設備，更符合單片機需求，不需要聯軸器連結，適合全方位安裝，輸出扭矩也相對較大。該電機結構如圖4所示。

圖4 NMRV步進電機結構

該步進電機的LED和鍵盤模塊如圖5所示。

圖5 LED和鍵盤模塊

根據圖5可知，單片機的步進電機控制系統通過設計3*4鍵盤與*SLED數碼管,實現了人與機器的對話，實現智能化控制操作。操作人員通過鍵盤輸入，控制系統將鍵盤輸入的信息進行掃描，接口器件8279負責鍵盤的輸入與LDE輸出，可以有效提高單片機的工作效率。同時，通過LDE管可以清晰觀測到步進機的運轉、啟動、轉動方向等，及時掌握步進機的轉向和轉速的動態，避免發生故障。

3 軟件部分設計

軟件平臺設計中采用嵌入式 μClinux實時操作系統，根據實際工作需求從系統應用程序調度函數，通過對調度函數中尋找的最高任務進行任務切換操作。嵌入式實時操作系統不僅有效減少了單片機工作的承載，同時還能夠在操作過程中進行實時性的任務操作或及時的中斷處理，提高了電機工作的安全性和可靠性。

3.1 任務調度流程設計

在單片機的嵌入式多電機智能控制系統任務流程設計中，將 CPU、操作系統、主要任務控制塊和TCB優先級表進行初始化，并創建空任務和新任務，同時在新創建的任務中創建其他的新任務，最后調用OSSTART()函數啟動多任務調度，流程圖如圖6所示。

圖6 調度流程

3.2 單片機程序設計

整個單片機程序是由多個功能器件驅動程序組成，通過中斷脈沖信號后計算運轉步數和圈數，并實時記錄，再將采集到的數據通過接口電路傳遞給單片機，供單片機進行計算處理和控制開關狀態信息處理，實現對電機運轉速度的有效控制。具體按程序設計流程如圖7所示。

圖7 單片機程序設計

3.3 PC上位機設計

通過對PC上位機優化設計，采用晶振中設置的USART模塊，由VB6.0對相關的控制軟件進行編寫，采用MSComm軟件進行實時通訊，確保任務執行的準確性，實現了智能化電機控制系統。上位機利用單片機中相關設置實現人與機的對話，通過單片機軟件在設置中存儲執行命令，進行人與機的對話，可以完成實時多任務的運行或中斷，提高了系統運行效率，保證了電機安全可靠的運行。

3.4 軟件控制程序設計

為使軟件程序達到最優設計，對電機控制系統中的主程序和中斷服務子程序進行優化控制設計。優化后的主程序和中斷服務子程序不僅能夠完成數據計算 、定值更新、故障判斷、A/ D轉換、開關量輸入輸出、通信等一系列功能程序，同時還可以進行多功能任務的實施。

電機控制的系統任務的設置與采集需要根據實際工作環境進行設計，外部數據信號根據用戶設置的采集通道采集，并根據任務設置完成LCD模塊和數據處理程序模塊、本地數據采集程序模塊、數據儲存程序模塊，完成數據采集、處理及存儲。然后發送給數據處理模塊，經過對接收數據的數字濾波處理后，過濾后的數據存儲在公共數據緩沖區中，供LCD模塊顯示或供網絡服務程序使用。再將Flash中的數據以數據標準格式，存儲在公共緩沖區中;與此同時，配置鍵盤模塊，以設置采集到的參數為依據，可對電機設備進行現場實時控制。

4 系統調試

在完成基于單片機的嵌入式多電機智能控制系統設計工作之后，需對其運行穩定性進行實驗驗證分析，為此，需選取Proteus仿真軟件作為驗證方式。

4.1 Proteus仿真軟件

Proteus仿真軟件是在仿真引擎電路下設計的，不僅具有模數混合電路，更具有特色仿真功能，支持dsPIC20F單片機設計系統運行。在Proteus仿真系統內構件的模型是與硬件電路一致的，因此，構件的實驗環境是具有可操作性的。

Proteus中示波器使用情況如圖8所示。

圖8 Proteus中示波器使用情況

圖中的左下角CH1和CH2按鈕可以選擇DC模式或是AC模式，而圖中右上角的CH1和CH2按鈕可以選擇不同通道進行信息傳輸。

4.2 反饋信息分析

電機正轉、停止和反轉的反饋信息如表2～4所示。

表2 電機正轉

表3 電機停止

表4 電機反轉

4.3 調試結果與分析

依據電機正轉、停止和反轉的反饋信息對基于單片機嵌入式多電機智能控制系統運行情況進行調試分析。

4.3.1 電機正轉

針對電機正轉反饋信息，對其5個時間標識下的數據采集情況進行分析，如圖9所示。

圖9 電機正轉數據采集情況

由圖9可知：在08:45:02.179.0時間標識下，數據量采集波形呈直線上升-不變-下降趨勢，最高數據采集量可達到590 db；在08:45:02.193.0時間標識下，數據量采集波形呈曲線上升-下降趨勢，最高數據采集量可達到750 db；在08:45:02.207.0時間標識下，數據量采集波形呈曲線上升-下降趨勢，最高數據采集量可達到730 db；在08:45:02.220.0時間標識下，數據量采集波形呈曲線上升-下降趨勢，最高數據采集量可達到740 db；在08:45:02.233.0時間標識下，數據量采集波形呈曲線上升-下降趨勢，最高數據采集量可達到700 db。

4.3.2 電機停止

針對電機停止反饋信息，對其4個時間標識下的數據采集情況進行分析，如圖10所示。

圖10 電機停止數據采集情況

由圖10可知：在08:45:02.783.0時間標識下，數據量采集波形呈直線上升-不變-下降趨勢，最高數據采集量可達到420 db；在08:45:02.790.0時間標識下，最高數據采集量可達到440 db；在08:45:02.805.0時間標識下，最高數據采集量可達到440 db；在08:45:02.820.0時間標識下，數據量采集波形呈曲線上升-下降趨勢，最高數據采集量可達到400 db。

4.3.3 電機反轉

針對電機反轉反饋信息，對其5個時間標識下的數據采集情況進行分析，如圖11所示。

圖11 電機正轉數據采集情況

由圖11可知：在08:46:03.379.0時間標識下，最高數據采集量可達到920db；在08:46:03.385.0時間標識下，最高數據采集量可達到980 db；在08:46:03.394.0時間標識下，數據量采集波形呈曲線上升-下降趨勢，最高數據采集量可達到980 db；在08:46:03.409.0時間標識下，數據量采集波形呈曲線上升-下降趨勢，最高數據采集量可達到800 db；在08:46:03.424.0時間標識下，數據量采集波形呈曲線上升-下降趨勢，最高數據采集量可達到970 db。

根據上述數據采集結果，將傳統系統與所設計系統的控制效果進行對比分析，結果如表5所示。

表5 兩種系統控制效果對比分析

通過對比結果可知，采用所設計系統的最高控制效果可達到0.996，而傳統系統最高控制效果可達到0.691，由此可知，基于單片機的嵌入式多電機智能控制系統調試效果較好。

5 結束語

隨著電子、通信技術的快速發展，電機控制已經實現智能化控制，尤其是數字信號電機控制系統，利用單機芯片優越性能，簡化了系統結構設計，提高了運行速度和工作性能。采用模塊設計方案對硬件結構和軟件平臺進行科學合理的設計，實現了復雜的控制功能。現代電機控制系統簡化了電路的設計，并帶有保護電路功能，設計連線在芯片的范圍內，提高了系統工作的可靠性和抵抗外界干擾的能力。單機控制系統通過用戶需求可以自行設置任務參數，以滿足用戶的實際需要，能夠實時完成多任務的控制管理，發揮了良好的應用效果。嵌入式單片機控制系統具有成本低、節能環保的特點，提高了電機的工作效率，保證了電機運行的安全性和可靠性，在工業領域和相關應用企業發揮了重要的作用。

通過嵌入式單片機的整體設計研究，應明確單片機芯片體系的設計方案，依據電機的電力體系結構開展嵌入式單片機的硬件設計，科學合理地搭配各種硬件設施，并對軟件體系進行優化設計，以保證軟件的控制功能，從而實現多種不同的運行功能，確保電機控制系統中嵌入式單機片的設計滿足控制多任務的需求。