基于以太網(wǎng)的直流電機(jī)嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

冀 峰，羅貴隆

(山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006)

0 引言

電機(jī)是工業(yè)控制領(lǐng)域最常見(jiàn)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)之一，其中直流電機(jī)以其良好的啟停和調(diào)速性能，在部分控制要求比較高的系統(tǒng)中應(yīng)用極為廣泛，因而直流電機(jī)控制研究極具實(shí)際價(jià)值和意義[1]。直流電機(jī)的控制系統(tǒng)多種多樣，嵌入式系統(tǒng)以其靈活多樣、方便可靠的特點(diǎn)成為很多工業(yè)控制領(lǐng)域的首選。

為實(shí)現(xiàn)多個(gè)控制器之間通信，利用CAN，RS-485等總線將嵌入式控制器組網(wǎng)，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(NCS)，又稱(chēng)控制網(wǎng)絡(luò)。由于大多NCS覆蓋面積有限，同時(shí)通信協(xié)議大相徑庭、設(shè)備兼容性較差。因此戴麗萍等[2]提出了借助工業(yè)以太網(wǎng)接口技術(shù)，通過(guò)支持TCP/IP技術(shù)協(xié)議，將嵌入式微控制器和工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行融合，設(shè)計(jì)出基于以太網(wǎng)的直流電機(jī)嵌入式控制系統(tǒng)。

針對(duì)以上技術(shù)背景和設(shè)計(jì)思路，本文提出了一種基于以太網(wǎng)的直流電機(jī)嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該控制系統(tǒng)基于以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)對(duì)直流電機(jī)的遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)采集。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)主要包括控制電路、被控對(duì)象和測(cè)量電路3個(gè)部分。

1.1 控制電路部分

本部分的功能包括下位機(jī)控制器通過(guò)以太網(wǎng)通信方式接收PC機(jī)的控制命令，產(chǎn)生可控硅所需要的PWM信號(hào)，從而控制加在直流電機(jī)電樞繞組兩端的電壓來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。控制電路主要包括控制器和可控硅模塊兩大部分。(1)控制器的主要功能：建立與上位機(jī)的以太網(wǎng)通信方式，獲取上位機(jī)控制命令，將命令轉(zhuǎn)化為PWM脈沖控制信號(hào)，作用于可控硅模塊的輸入端。(2)可控硅模塊：整個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)控制電路的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從控制器輸出作用于可控硅模塊輸入端的脈沖信號(hào)的占空比發(fā)生變化時(shí)，可控硅模塊的通斷時(shí)間發(fā)生相應(yīng)變化，導(dǎo)致其輸出電壓有效值的改變，可控硅模塊輸出改變的結(jié)果改變了加在直流電機(jī)電樞繞組兩端的電壓，達(dá)到對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的目的。

1.2 被控對(duì)象

直流電機(jī)以其良好的啟停和調(diào)速性能，在控制系統(tǒng)中應(yīng)用極為廣泛。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)作為被控對(duì)象。直流電機(jī)的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 直流電機(jī)參數(shù)

1.3 測(cè)量電路部分

測(cè)量電路部分：將直流電機(jī)的速度信號(hào)通過(guò)傳感器或測(cè)量電路的相關(guān)手段以物理電量的形式采集回來(lái)反饋到控制器形成速度的閉環(huán)控制。速度測(cè)量電路的設(shè)計(jì)原理是利用霍爾元件的霍爾效應(yīng)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 微控制器部分

本文設(shè)計(jì)的基于以太網(wǎng)的直流電機(jī)嵌入式控制系統(tǒng)，采用的是C8051F120單片機(jī)作為核心控制器，結(jié)合控制系統(tǒng)的功能，設(shè)計(jì)了供電電路、調(diào)試電路、輸入輸出電路及以太網(wǎng)電路等配套外圍模塊。

2.1.1 系統(tǒng)微控制器

系統(tǒng)微控制器采用的是新華龍公司的C8051F120單片機(jī)，該款芯片相比傳統(tǒng)的80C51單片機(jī)具有更強(qiáng)的運(yùn)算、存儲(chǔ)能力[3]，具有更為豐富的內(nèi)部資源，完全滿(mǎn)足本系統(tǒng)對(duì)控制器性能的要求且與STM32單片機(jī)相比在價(jià)格上更有優(yōu)勢(shì)。因此，系統(tǒng)微控制器采用了C8051F120單片機(jī)。

2.1.2 微控制器供電部分

電源是保證系統(tǒng)微控制器正常工作的首要基礎(chǔ)。按照系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)的要求，微控制器部分需要供電的芯片主要有C8051F120單片機(jī)、外圍電路各種芯片等。其中，C8051F120單片機(jī)供電電壓為3.3 V，外圍電路芯片的供電電壓為5 V，所以整個(gè)微控制器部分需要至少提供5 V和3.3 V兩種電壓。

2.1.3 微控制器調(diào)試電路

C8051F120單片機(jī)不僅有著出色的性能，而且支持在線、實(shí)時(shí)調(diào)試，調(diào)試電路借助JTAG接口進(jìn)行，利用新華龍公司出品的IDE調(diào)試軟件進(jìn)行程序調(diào)試時(shí)可以實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)、單步、設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)等功能。極大地滿(mǎn)足了系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的要求，提升了系統(tǒng)程序調(diào)試的效率。

2.1.4 微控制器輸入輸出接口部分

輸入輸出是微控制器與被控對(duì)象進(jìn)行信息交換的重要通道。同時(shí)，控制器作為數(shù)字芯片，處理和接收的數(shù)據(jù)以數(shù)字量為主，而直流電機(jī)作為被控對(duì)象接收和回傳的信號(hào)則是以模擬量為主，因此該控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)足夠數(shù)量的數(shù)字量和模擬量的輸入和輸出通道是必要的。C8051F120單片機(jī)正好內(nèi)部集成了模擬輸入6路、模擬輸出2路及各4路的數(shù)字輸入、輸出通道[3]，完全滿(mǎn)足了本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

2.1.5 微控制器以太網(wǎng)接口部分

在本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，以太網(wǎng)作為微控制器與PC上位機(jī)進(jìn)行信息交換的通信方式，是整個(gè)系統(tǒng)中的重要設(shè)計(jì)內(nèi)容之一，該通信方式相較于傳統(tǒng)的RS485等方式具有更遠(yuǎn)的傳輸距離、相較于藍(lán)牙等無(wú)線通信方式具有更穩(wěn)定、可靠的優(yōu)勢(shì)。為了與微控制器新華龍公司出的C8051F120單片機(jī)進(jìn)行更好的適配，本系統(tǒng)在以太網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)采用了同一家公司的CP2200作為以太網(wǎng)的接口芯片，該芯片是一礦廣泛應(yīng)用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)芯片[4]。在進(jìn)行原理設(shè)計(jì)時(shí)，C8051F120芯片與CP2200芯片采取并行方式連接，同時(shí)將CP2200按照Intel模式進(jìn)行軟硬件配置，詳細(xì)的以接口電路，如圖2所示。

圖2 以太網(wǎng)接口電路

2.2 控制及驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

C8051F120單片機(jī)具有片內(nèi)可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列(PCA)。在PCA0溢出后，同時(shí)改變捕捉/比較模塊中的數(shù)值可實(shí)現(xiàn)輸出可調(diào)占空比的PWM波形；控制器輸出的PWM脈沖經(jīng)放大后作用于非過(guò)零觸發(fā)的可控硅模塊的輸入端，高電平時(shí)可控硅輸出導(dǎo)通，低電平時(shí)可控硅輸出關(guān)斷，電機(jī)電樞繞組兩端電壓發(fā)生變化，因此電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨之也發(fā)生變化。直流電機(jī)的工作電壓不能高于額定電壓，因此電樞電壓只能向小于額定電壓的方向改變。降低電壓后的人為機(jī)械特性與固有機(jī)械特性平行，硬度不變。系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路原理，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路原理

2.3 速度測(cè)量電路的設(shè)計(jì)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件總體設(shè)計(jì)

基于以太網(wǎng)的直流電機(jī)嵌入式控制系統(tǒng)，其軟件設(shè)計(jì)主要包括了C8051F120單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)和PC端上位機(jī)兩部分。

3.2 控制器軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 微控制器通信部分

控制器C8051F120單片機(jī)與上位機(jī)通信前，首先對(duì)單片機(jī)的內(nèi)部資源進(jìn)行初始化配置，主要包括：時(shí)鐘、定時(shí)器、中斷、看門(mén)狗、串口等多個(gè)模塊[6]。其次，基于TCP/IP協(xié)議進(jìn)行控制器C8051F120和以太網(wǎng)控制器CP2200的通信，完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。數(shù)據(jù)發(fā)送接收軟件流程，如圖4所示。

圖4 控制器與上位機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)送和接收流程

3.2.2 功能模塊部分

在完成控制器與上位機(jī)的以太網(wǎng)通信后，系統(tǒng)需要對(duì)控制器的各個(gè)功能模塊進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，主要設(shè)計(jì)的功能模塊包括：數(shù)字量輸入/輸出、模擬量輸入/輸出、串口、電機(jī)控制算法及IP配置等。電機(jī)控制算法模塊采用經(jīng)典的PID控制。

3.3 PC端上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)操作界面是人機(jī)交互重要的媒介，良好的上位機(jī)設(shè)計(jì)是系統(tǒng)正常工作的重要基礎(chǔ)。本文所設(shè)計(jì)的基于以太網(wǎng)的嵌入式電機(jī)控制系統(tǒng)，上位機(jī)界面選用VB開(kāi)發(fā)。

4 系統(tǒng)測(cè)試

本文設(shè)計(jì)的基于以太網(wǎng)通信的直流電機(jī)控制系統(tǒng)，采用經(jīng)典的PID控制算法[7]。通過(guò)不斷調(diào)試PID的各參數(shù)，設(shè)定控制目標(biāo)為電機(jī)轉(zhuǎn)速800 r/min，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得直流電機(jī)PID算法控制響應(yīng)曲線，如圖5所示。從響應(yīng)曲線看，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)控制效果良好。

圖5 流電機(jī)PID算法控制響應(yīng)曲線

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于以太網(wǎng)的直流電機(jī)嵌入式控制系統(tǒng)，具體包括基于C8051F120單片機(jī)的電機(jī)調(diào)速現(xiàn)場(chǎng)控制器的軟硬件設(shè)計(jì)、PC機(jī)與控制器的以太網(wǎng)通訊方式的建立、使用可控硅模塊作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的直流電機(jī)調(diào)壓調(diào)速控制單元、基于霍爾元件速度測(cè)量電路和基于VB語(yǔ)言設(shè)計(jì)的PC上位機(jī)控制界面等部分。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了直流電機(jī)的起動(dòng)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的單閉環(huán)控制，實(shí)驗(yàn)效果良好，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。