基于嵌入式單片機的電機控制系統(tǒng)的設計

趙興娜

（山東華宇工學院 山東省德州市 253034）

電動機作為工業(yè)領域中應用最廣泛的機電一體化設備，電動機控制是一些專業(yè)技術人員長期以來探討的項目。據(jù)調(diào)查，傳統(tǒng)的控制方式都是用模擬裝置來實現(xiàn)的，由模擬裝置組成，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但由于系統(tǒng)控制功能可靠性低，等級不易提高，因此很少使用。隨著數(shù)字控制芯片的慢慢崛起，電機控制也得到了飛速發(fā)展。主流的DSP 芯片也在慢慢替代傳統(tǒng)的51 芯片，正是由于這些高性能的芯片的使用，才使得我們操控電機的方式更加簡單?；谠摲椒ǎ瑐鹘y(tǒng)的控制系統(tǒng)性能得到了極大地提升。本文對嵌入式處理器其在電機控制中的應用于改良進行了論述，以及控制功能的實現(xiàn)，總結(jié)了塊式宏處理器在電機控制中的應用經(jīng)驗，以供參考。

1 硬件平臺設計

1.1 主控單元的選擇

要想使電機的性能得到提升，選用性能更加強大的處理器才是關鍵，于是我們便選用了dsPIC20F 芯片。采用高性能16 位數(shù)字信號控制器的DsPIC20F 系列芯片結(jié)合了單芯片和DSP 技術?；?6 位宏處理器，dsPIC20F 系列芯片具有去全新的配置和強大的處理能力，因此它配備了高速數(shù)字的處理器。另外，如果遇到異常事件，他也可以具有良好的表現(xiàn)。由于dsPIC20F 芯片配置很高，因此dsPIC20F 平臺開發(fā)所需要的外置輔助設備也就很少，因此在進行方案設計時，就可以使用這種芯片來代替?zhèn)鹘y(tǒng)芯片。由于他的高性能高配置以及可靠性強的優(yōu)點，就能滿足在各種不同的環(huán)境下均可以正常運行的條件。這樣下來既節(jié)省了資金，也節(jié)約了研發(fā)時間。

1.2 硬件電路設計

1.2.1 主要硬件結(jié)構(gòu)設計

圖l 顯示了基于dsPIC20F 的電機控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。電動機控制系統(tǒng)的總體工作原理是：首先，利用電子轉(zhuǎn)位傳感器檢測當前電動機的轉(zhuǎn)位位置，由主控芯片計算出電動機的轉(zhuǎn)位位置，然后由主控芯片將轉(zhuǎn)位信息輸入驅(qū)動模塊，由主控芯片輸入預置控制指令。因此在適當?shù)哪K進行電流輸出，保證電機的平穩(wěn)性，再通過馬達旋轉(zhuǎn)。在這些檢測步驟全部完成之后，驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)，由CPU主控芯片根據(jù)電機轉(zhuǎn)子位置傳感器脈沖信號的寬度計算出電機當前的轉(zhuǎn)速，并與設定轉(zhuǎn)速比較，得到電機的轉(zhuǎn)速偏差信號；起始點速度偏差信號被轉(zhuǎn)換成相應的控制信號反饋電機，實現(xiàn)閉環(huán)控制。

1.2.2 機轉(zhuǎn)子位置檢測電路的設計

在電機上安裝傳感器，可以有效地檢測電機轉(zhuǎn)子的位置。通過傳感器對電機轉(zhuǎn)子進行位置檢測，將傳感器的分為靜止的部分和轉(zhuǎn)動部分，靜用電機支架來支撐靜止的部分，而轉(zhuǎn)動部分與電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子同步轉(zhuǎn)動，并與開齒擋板連接。通過特殊方式，使電子元件產(chǎn)生高頻信號，以達到確定轉(zhuǎn)子電機位置的目的。再通過三個原件不同的輸出狀態(tài)，確定其磁極位置?；魻栁恢脗鞲衅鞯氖褂茫峁┝苏{(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的基本參數(shù)，也提高了電機控制系統(tǒng)的整體性和可靠性。

圖1：電機控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圈

圖2：任務調(diào)度流程圖

1.2.3 驅(qū)動電路設計

驅(qū)動電路通常包括控制器，變頻器，電機三大部分。本設計使用比較廣泛的直流電機，主要有永磁直流電機，伺服電機，步進電機三種。電機控制簡單，DC 性能良好，DC 電源也可簡單實現(xiàn)。本論文采用專用數(shù)字驅(qū)動芯片，實現(xiàn)了電機的直流驅(qū)動。下面介紹一種由LMM8200 數(shù)字集成芯片實現(xiàn)的驅(qū)動控制電路。LMDA8200是一種特殊的H 橋接模塊，它由美國半導體公司銷售的直流電機驅(qū)動，它的CMOS 控制電路與DMS 電源設備集成在同一芯片上。晶片瞬時驅(qū)動電流可達6A，正常運行電流可達3A，驅(qū)動能力強，無“斷電”電流。此外，芯片上還設有過電流保護測量電路，通過測量LMul8200 的8 個輸出端的電壓值，比較其過電流保護功能與給定電壓值，實現(xiàn)對輸出的保護。執(zhí)行電路的過流保護功能。此外，LMUL8200 的5 個腳是PWM 波輸入端，通過改變PWM 的占空比可以調(diào)節(jié)電機的旋轉(zhuǎn)速度，如果改變3 個腳的高低電平，就可以控制電機的正反轉(zhuǎn)。傳動功率大，穩(wěn)定性好，使用方便，安全可靠。

直流驅(qū)動控制電路所使用的數(shù)字集成控制芯片，比采用采用原來的芯片要簡單得多，極大地減少了單片機控制主板的面積，而采用電機控制板的麥克風可實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。舉例來說，速度控制，它是電動機的主要控制功能，當數(shù)位驅(qū)動集成芯片LMult8200 接收到主體的請求命令時，需要通過內(nèi)部的智能系統(tǒng)來判斷是否需要工作，通過主體芯片將指令信息傳遞給電動機控制，表明是否需要加速或減速。芯片LMDAl8200 在接收芯片中的倍頻指令時，即加速指令后產(chǎn)生倍頻輸出指令，接收減速指令后輸出倍頻指令，根據(jù)頻率的變化對直流電機進行控制，以達到快速控制的目的。

圖3：機控制系統(tǒng)仿真測試結(jié)果圖

2 軟件平臺的設計

2.1 軟件控制功能的劃分與調(diào)度

通過對嵌入式操作系統(tǒng)的研究統(tǒng)，設計出了一個軟件平臺，而多任務系統(tǒng)則是在由Clinux 調(diào)度和管理。實時性多任務操作系統(tǒng)應用的實時性取決于任務的優(yōu)先級，遇到特殊情況是，用戶可以使用IzClinux 的功能進行解決，他就會從已有的任務中自動選取優(yōu)先級最高的任務，然后對其執(zhí)行切換操作。針對電動機實際控制的具體要求，按照任務劃分的原則，對應用軟件進行了任務分類：

（1）基本功能的測試任務包括：測試，數(shù)據(jù)預處理，驅(qū)動輸出等。由于這些任務的實時性非常高，而且非常可靠，因此擁有極高的優(yōu)先權和測量優(yōu)先權，取樣資料的預處理應按要求采用低通濾波。

（2）保護器功能：可以在電機發(fā)生故障時做出報警提示，最高優(yōu)先級。

（3）人機交互功能：可以顯示出工作電機的轉(zhuǎn)速和溫度等信息，最低優(yōu)先級。

例如，IxClinux 應用系統(tǒng)初始化了CPU，初始化了操作系統(tǒng)，初始化了主任務控制塊(TCP)，初始化了TCB 優(yōu)先度表，生成了空閑任務，在新生成的任務中來對新的任務進行創(chuàng)建，之后再通過OSTSTART(函數(shù)調(diào)用)進行調(diào)試。整體流程任務表如圖2所示。

2.2 軟件控制程序設計

主程序與斷路器服務程序組成電機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了人機界面的維護，事件的記錄，數(shù)據(jù)的計算，參數(shù)的更新等。中斷服務子程序可實現(xiàn)斷路器的故障診斷、AD 轉(zhuǎn)換、不同輸入輸出方式的切換、智能更新、斷路是自動啟動等功能。該通過對程序數(shù)據(jù)的收集和控制來更新控制系統(tǒng)，根據(jù)任務數(shù)據(jù)，可以將系統(tǒng)程序分成以下幾點：數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)的處理，數(shù)據(jù)的液晶顯示，數(shù)據(jù)存儲等模塊。根具不同用戶對收集數(shù)據(jù)時使用的不同參數(shù)(例如 A/D 信道、收集頻率)，收集外部信號并將其發(fā)送給數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理模塊采用數(shù)字濾波的方法采集數(shù)據(jù)，取 I/O 均值旁邊的數(shù)據(jù)進行濾波，數(shù)據(jù)處理模塊采用普通數(shù)據(jù)緩沖器、液晶模塊或網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)顯示。按照調(diào)整程序進行液晶屏模塊具有一般用戶所需的數(shù)據(jù)緩沖功能，數(shù)據(jù)存儲模塊將數(shù)據(jù)存儲在閃光模塊中。如安裝鍵盤模組，則可現(xiàn)場對應。由電機控制裝置設定采集參數(shù)。

3 綜合模擬分析試驗

為了驗證內(nèi)置式單片機馬達能否做出可行且可靠的控制方案，需要將整個硬件電路做一次系統(tǒng)模擬實驗。本系統(tǒng)不僅完全支持SPICE3F5 模擬引擎開發(fā)的模擬、數(shù)字、模擬軟件，以及基于模擬電子系統(tǒng)的混合模擬軟件，還支持基于MCS15l 的宏流的設計系統(tǒng)進行處理，以及基于 AVR 和 PIC 系列的微型計算機模擬系統(tǒng)。采用 dsPIC 20 F 模塊庫加載方法，實現(xiàn)了 PIC 單片機控制系統(tǒng)中電路的建模。ORION oteus 模擬系統(tǒng)，其模型庫與硬件電路完全一致，具有良好的可用性，在模擬電路的操作過程中，硬件電路都是按照以下步驟來模擬的。

（1）首先在Proteus 中建立符合設計方案的模擬模型，在Proteus 中進行實際建模時，無需對硬件電路進行重構(gòu)，直接通過電路原理設計軟件將硬件電路輸出到模型庫中，如果Proteus 將模型線裝入Bruri，則可以通過Proteus 建模。

（2）引擎控制裝置。Protoeus 通過仿真軟件對系統(tǒng)的單片機主注入控制程序進行編譯和調(diào)試，調(diào)試通過后生成“.HEX”文件。

（3）運行模擬軟件Proteus，打開加載的模擬電路模型，從模型庫中選擇dsPIC20F 模型，將".HEX"加載到ProgrameFile 中，打開文件，單擊"OK"即可進行模擬。

（4）為了使電機控制的效果更加直觀，本文設計了數(shù)據(jù)源的宏處理器。仿真過程比較復雜，例如使用虛擬傳感器收集參數(shù)數(shù)據(jù)，如馬達的旋轉(zhuǎn)速度和電流，或者使用虛擬顯示終端采集數(shù)據(jù)，因此這里作為單芯片控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集源，使用周期半正弦信號發(fā)生器。如果硬件電路設計能夠順利實現(xiàn)控制功能，則電機接收的輸出控制信號也應該是周期半正弦波形，這樣可以通過設置電機側(cè)的波形顯示來觀察控制效果。

（5）設定以上步驟后開始模擬，就可以模擬這個宏機器控制系統(tǒng)了。仿真結(jié)果如圖3所示。

如圖3中所示，所設計的正交軸是時間，信號源采樣頻率高，數(shù)據(jù)量大，這里只采樣1 分鐘?？v軸為資料軸。從波形圖上可以看到，數(shù)據(jù)代表的是正弦曲線，控制效果達到了可執(zhí)行性。它是由4 種不同顏色的正弦波曲線組成，并分別設定不同的采樣頻率，通過數(shù)據(jù)通訊實現(xiàn)。綠量是采樣頻率最低的通信結(jié)果，由于這樣的單片機控制系統(tǒng)低頻特性不好，預計會出現(xiàn)電機參數(shù)采集丟失或測量誤差。工廠另一方面的控制應用。

4 結(jié)束語

采用高性能單片機芯片，即使結(jié)構(gòu)簡單，也能夠?qū)崿F(xiàn)復雜的功能；本文以dsPIC30F6014 的高性能的制動器信號裝置為研究對象，相較于普通的系統(tǒng)來說，速度不僅得到了提升，同時還采用了單芯片硬件的控制結(jié)構(gòu)，使得電路設計簡潔，開發(fā)周期短，開發(fā)成本低?？偩€芯片的設計思想已基本實現(xiàn)。綜合控制平臺為控制系統(tǒng)。這是一個集成的硬件平臺，通過對軟件進行適當修改以適應不同的需要，使其適用于電動機、變壓器、FM 調(diào)速系統(tǒng)的保護。