嵌入式單片機(jī)在電機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

昆明力倫電氣設(shè)備有限公司 周正華

嵌入式單片機(jī)在電機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

昆明力倫電氣設(shè)備有限公司 周正華

在機(jī)器化大生產(chǎn)時(shí)代，電機(jī)的重要性作用越發(fā)突出，成為工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)工作人員的關(guān)注重點(diǎn)。隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)展現(xiàn)出前所未有的優(yōu)越性，嵌入式單片機(jī)也因其智能化的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)成為電機(jī)控制系統(tǒng)中應(yīng)用范圍廣、發(fā)展前景良好的有效工具，能夠保證電機(jī)的控制系統(tǒng)更具時(shí)效性、安全性、穩(wěn)定性和應(yīng)用性。本文主要介紹嵌入式單片機(jī)在電機(jī)控制系統(tǒng)中軟件應(yīng)用和硬件應(yīng)用，硬件提供運(yùn)行環(huán)境，軟件實(shí)現(xiàn)智能化的信息加工與處理，在兩者的有效配合下電機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)質(zhì)性能得以實(shí)現(xiàn)。

嵌入式單片機(jī)；電機(jī)控制系統(tǒng)；應(yīng)用

引言

電機(jī)起初是通過(guò)模擬器的作用實(shí)現(xiàn)其控制系統(tǒng)功能的，以模擬器為核心構(gòu)件的電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、成本低，這在一定程度上推動(dòng)了電機(jī)的廣泛應(yīng)用，但在實(shí)際的操作使用中發(fā)現(xiàn)其不具備可擴(kuò)展性，使電機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行效率難以保證。正是基于模擬器的應(yīng)用缺陷，數(shù)字式控制芯片應(yīng)運(yùn)而生，其具備的可擴(kuò)展性功能使得電機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行效率得以保證。而數(shù)控式芯片也經(jīng)歷了一個(gè)逐步優(yōu)化、不斷發(fā)展的工程，使其性能不斷優(yōu)化、提高，更具實(shí)用性和便捷性。本文主要介紹了數(shù)字式嵌入式單片機(jī)的硬件及軟件應(yīng)用，通過(guò)研究表明嵌入式單片機(jī)具有較好的使用優(yōu)勢(shì)，能夠提升提升電機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行效率和安全性。

1.嵌入式單片機(jī)的使用條件

嵌入式單片機(jī)的應(yīng)用應(yīng)該以實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行要求和保證其性能為前提，主要保證實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制系統(tǒng)的換相順序、電機(jī)轉(zhuǎn)速及電機(jī)轉(zhuǎn)向功能。

（1）控制換相順序

換相順序的控制目的是實(shí)現(xiàn)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)工作的前提和基礎(chǔ)?？刂茡Q相順序也即脈沖分配，主要由軟件法和硬件法兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中，軟件法利用單片機(jī)發(fā)出控制脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)脈沖分配，但這種方法適用的前提的是需要預(yù)先設(shè)定好通電換相順序，且耗時(shí)長(zhǎng)；而硬件法通過(guò)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(yīng)用范圍更廣。

（2）控制電機(jī)轉(zhuǎn)速

電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制的原理是對(duì)單片機(jī)發(fā)出的脈沖信號(hào)頻率進(jìn)行控制，一般有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)：其一，通過(guò)改變延時(shí)時(shí)間來(lái)改變輸出脈沖信號(hào)的頻率，此方法同樣需要耗費(fèi)大量的時(shí)間，其應(yīng)用性不強(qiáng)；其二，通過(guò)控制調(diào)整定時(shí)器常數(shù)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出脈沖信號(hào)的控制。

（3）控制電機(jī)轉(zhuǎn)向

電機(jī)轉(zhuǎn)向的控制的原理是通過(guò)改變電機(jī)通電相序達(dá)到的，通過(guò)通電相序的控制進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)向的控制。

2.硬件應(yīng)用

2.1 單片機(jī)

單片機(jī)是電機(jī)控制系統(tǒng)的主要構(gòu)件之一。dsPIC20F是一款性能高、技術(shù)先進(jìn)的數(shù)字控制器，它以16位單片機(jī)為核心構(gòu)件，同時(shí)融合了先進(jìn)的DSP技術(shù)，本文也是以此為對(duì)象展開(kāi)研究的。dsPIC20F控制器具備了具備了較好的運(yùn)行環(huán)境，能夠?qū)崿F(xiàn)更為快速的中斷及處理功能，同時(shí)具有數(shù)字信號(hào)的高速處理能力，且其可擴(kuò)展性較強(qiáng)，能夠較好的應(yīng)對(duì)故障時(shí)間的處理。并且，dsPIC20F具有較好的相對(duì)獨(dú)立性，其內(nèi)部強(qiáng)大的功能儲(chǔ)備使其對(duì)外部環(huán)境的依賴(lài)性相對(duì)較低。采用總線不出芯片的設(shè)計(jì)能夠更好適用運(yùn)行環(huán)境，增加系統(tǒng)運(yùn)行的安全、可靠及簡(jiǎn)便靈活性。

2.2 硬件電路

（1）整體硬件結(jié)構(gòu)

本文的電機(jī)控制系統(tǒng)以前文所述的PIC20F控制器為核心，輔以電子轉(zhuǎn)子位置傳感器、CPU控制芯片、驅(qū)動(dòng)模塊等。

硬件結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的功能及應(yīng)用原理：電子位置傳感器的功能是檢測(cè)電相L轉(zhuǎn)子的位置；CPU控制芯片則對(duì)轉(zhuǎn)子的位置進(jìn)行數(shù)字化計(jì)算并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；驅(qū)動(dòng)模塊則根據(jù)前者計(jì)算并轉(zhuǎn)化的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。在電機(jī)被驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)后，CPU控制芯片會(huì)視具體的運(yùn)行環(huán)境選取最優(yōu)的轉(zhuǎn)速。而在實(shí)際的電機(jī)工作過(guò)程中會(huì)存在電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與預(yù)定轉(zhuǎn)速的誤差，這時(shí)，CPU控制芯片又會(huì)發(fā)揮作用將這種誤差轉(zhuǎn)化為偏差信號(hào)，進(jìn)而利用其實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)模塊的再控制，形成系統(tǒng)內(nèi)部的封閉式控制系統(tǒng)。

（2）電相L轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路和驅(qū)動(dòng)電路

霍爾位置傳感器進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)子位置測(cè)定的核心構(gòu)件，其內(nèi)部的的靜比部分固定在電機(jī)機(jī)座上，轉(zhuǎn)動(dòng)部分則位于電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，實(shí)現(xiàn)與轉(zhuǎn)子的共同旋轉(zhuǎn)?；魻栁恢脗鞲衅鞯膽?yīng)用能夠有效地地提升電機(jī)轉(zhuǎn)子位置測(cè)定的精準(zhǔn)性和可靠性，實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制系統(tǒng)整體性能的有效性能。

驅(qū)動(dòng)電路的主要構(gòu)件包括電動(dòng)機(jī)、控制器及功率變換器。其中，電動(dòng)機(jī)主要有三種分別為步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)以及永磁直流電機(jī)。而第三種永磁直流電機(jī)因其優(yōu)越的操作簡(jiǎn)單、易控制、易實(shí)現(xiàn)性能而成為使用范圍最廣的電動(dòng)機(jī)類(lèi)型，數(shù)字集成芯片LMD18200的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(zhuān)用于直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的H橋組件。此芯片正常工作電流為3A，瞬間驅(qū)動(dòng)電流達(dá)6A，驅(qū)動(dòng)能力較好。

3.軟件應(yīng)用

系統(tǒng)多任務(wù)的管理以及調(diào)度是通過(guò)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)u CLinux實(shí)現(xiàn)的，它是整個(gè)軟件平臺(tái)的中心部分。在具體的運(yùn)行目的要求下，用戶(hù)調(diào)用u CLinux調(diào)度函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)任務(wù)的調(diào)度處理，并能夠在任務(wù)操作過(guò)程中實(shí)時(shí)的對(duì)任務(wù)進(jìn)行切換，以確保各任務(wù)的優(yōu)先等級(jí)和處理順序。具體的操作步驟為：最優(yōu)先的等級(jí)設(shè)定為測(cè)量任務(wù)，進(jìn)而進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，最后進(jìn)行驅(qū)動(dòng)輸出。在任務(wù)實(shí)際完成的過(guò)程中首先要確保測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性，進(jìn)而保證后續(xù)工作的順利有效進(jìn)行。而且，電機(jī)故障報(bào)警功能使其能夠較好的應(yīng)對(duì)各種突發(fā)故障的出現(xiàn)。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)u CLinux在工作之初，會(huì)進(jìn)行CPU初始化、TCB初始化、操作系統(tǒng)初始化以等初始化操作，然后創(chuàng)建新任務(wù)、子任務(wù)，最后采用OSSTART函數(shù)對(duì)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度。

4.結(jié)論

綜上所述，性能優(yōu)越的電機(jī)控制系統(tǒng)往往需要龐大的硬件系統(tǒng)的支撐。而高性能微處理器芯片以其智能化的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)極大地縮減了電機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)硬件的依賴(lài)，并且使其運(yùn)行更加的高效、穩(wěn)定，且具有成本低、耗材少、簡(jiǎn)便易行的特點(diǎn)。但是，嵌入式單片機(jī)在電機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用還要綜合考慮多方面因素，從而更好地實(shí)現(xiàn)任務(wù)需求下經(jīng)濟(jì)效益及使用使用功能的統(tǒng)籌兼顧。

[l]張軍鋒.嵌入式單片機(jī)在電機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].城市建設(shè)理論研究(電子版),2015,(29):1320-1320.

[2]張國(guó)棟.基于嵌入式單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2011,07(24):6017-6019.