嵌入式單片機(jī)在電機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉 穎

（四川信息技術(shù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川廣元，628017）

嵌入式單片機(jī)在電機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉 穎

（四川信息技術(shù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川廣元，628017）

在工業(yè)領(lǐng)域，電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)關(guān)系到生產(chǎn)的效率和安全，是廣大機(jī)電控制技術(shù)人員關(guān)注的重點(diǎn)。隨著數(shù)字式控制系統(tǒng)的發(fā)展，嵌入式單片機(jī)在電機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣發(fā)，對電機(jī)的控制更加的安全、可靠，能使電機(jī)長時間處于良好的工作狀態(tài)，其穩(wěn)定性也得到了顯著的提升。嵌入式單片機(jī)在電機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用可以分為軟件應(yīng)用和硬件應(yīng)用，硬件提供基本的物理框架支撐，軟件提供基本的信息、數(shù)據(jù)處理渠道，也只有這樣，才能有效提升電機(jī)控制系統(tǒng)的性能，這也是建立高速實(shí)時電機(jī)控制系統(tǒng)的前提。

嵌入式單片機(jī)；電機(jī)控制系統(tǒng)；應(yīng)用

0 引言

在很長的一段時間內(nèi)，電機(jī)的控制主要是通過模擬器件實(shí)現(xiàn)，對電機(jī)的廣泛應(yīng)用具有一定的推動作用。以模擬器件為核心的電機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)勢是安裝簡單、成本低廉，但缺點(diǎn)是不具有可擴(kuò)展性，極大地限制了電機(jī)控制系統(tǒng)的提升，而數(shù)字式控制芯片的出現(xiàn)很好地解決了上述問題。對于數(shù)字式控制芯片而言，其發(fā)展有一個從51芯片到DSP芯片的歷程，在這個過程中，數(shù)字式控制的性能越來越高，結(jié)構(gòu)越來越簡單。在無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)中，應(yīng)用最廣泛的是DSP芯片，為嵌入式單片機(jī)的應(yīng)用提供了一個良好的信息環(huán)境。通過本文的論述，筆者發(fā)現(xiàn)，嵌入式單片機(jī)不僅能提升電機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行速度和抗干擾性，還能簡化并保護(hù)電路，甚至能通過修改軟件來擴(kuò)展控制系統(tǒng)的功能，極大地豐富了嵌入式單片機(jī)的應(yīng)用范圍，比如變壓器保護(hù)控制系統(tǒng)、變頻系統(tǒng)等，是控制系統(tǒng)發(fā)展的里程碑。

1 硬件應(yīng)用

1.1 單片機(jī)

為了提升電機(jī)控制系統(tǒng)的性能，筆者認(rèn)為應(yīng)選擇功能較強(qiáng)的單機(jī)片（MCU）。dsPIC20F是一款以16位單片機(jī)為核心并結(jié)合DSP技術(shù)的數(shù)字系統(tǒng)控制器，滿足性能高的要求，本文以此為例來展開論述。在功能強(qiáng)大的外圍設(shè)備支撐下，dsPIC20F不僅具有較強(qiáng)的快速中斷處理能力，還能對數(shù)字信號進(jìn)行高速處理。由于具備較強(qiáng)的可擴(kuò)展性，其支持軟件的修改、功能的增減以及異常事情的處理。dsPIC20F對外設(shè)硬件的依賴較低，通過豐富的內(nèi)部資源就可以實(shí)現(xiàn)基本的控制功能。為了提升單片機(jī)的適應(yīng)能力，確保能在各種工況以及環(huán)境下良好運(yùn)行，可采用總線不出芯片的設(shè)計，這樣不單增加了裝置的可靠性和抗干擾性，還能降低排線部分的成本支出以及開發(fā)難度，對系統(tǒng)的靈活性也大有裨益。

1.2 硬件電路

1.2.1 整體硬件結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的電機(jī)控制系統(tǒng)以dsPIC20F為核心，輔以電子轉(zhuǎn)子位置傳感器、CPU控制芯片、驅(qū)動模塊等，其整體硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。應(yīng)用方法如下：電子轉(zhuǎn)子位置傳感器主要負(fù)責(zé)檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，CPU控制芯片負(fù)責(zé)計算轉(zhuǎn)子位置并把計算結(jié)果轉(zhuǎn)化為電信號，驅(qū)動模塊根據(jù)CPU控制芯片給出的電信號驅(qū)動電機(jī)旋轉(zhuǎn)。電機(jī)旋轉(zhuǎn)后，CPU控制芯片根據(jù)電機(jī)的當(dāng)前速度工況條件選擇最合適的電機(jī)轉(zhuǎn)速。電機(jī)的當(dāng)前速度可通過計算轉(zhuǎn)子位置傳感器脈沖信號的寬度得出。電機(jī)的實(shí)際旋轉(zhuǎn)通常與設(shè)定速度存有一定的差異，CPU控制芯片會把這種差異轉(zhuǎn)為偏差信號，這種偏差信號會成為驅(qū)動模塊的控制指令，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的再控制，完成閉環(huán)控制。

圖1 電機(jī)控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

1.2.2 電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測電路

霍爾位置傳感器是檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的核心構(gòu)件，分為靜止部分和轉(zhuǎn)動部分，前者固定在電機(jī)機(jī)座，后者固定在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，隨轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，是一個開有齒、槽的遮光盤。應(yīng)用方法如下：遮光盤的齒部被遮擋時產(chǎn)生高電平信號，不遮擋時產(chǎn)生低電平信號，通過比較電平信號的差異來確定轉(zhuǎn)子位置信息，通過比較霍爾元件的輸出狀態(tài)來確定轉(zhuǎn)子的磁極位置?；魻栁恢脗鞲衅鞯膽?yīng)用極大地提升了電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測的可靠性和精準(zhǔn)性，對電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)整和控制提供了有力的參數(shù)支撐，有效提升了電機(jī)控制系統(tǒng)的性能。

1.2.3 驅(qū)動電路

電動機(jī)、控制器、功率變換器是驅(qū)動電路的核心構(gòu)件，電動機(jī)分為步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)以及永磁直流電機(jī)。永磁直流電機(jī)應(yīng)用較為廣泛，不僅直流電源容易實(shí)現(xiàn)，還具有性能出眾、控制簡單的特點(diǎn)，本文以采用數(shù)字集成芯片LMD18200的直流電機(jī)驅(qū)動控制電路為例展開論述，數(shù)字集成芯片LMD18200集成了DMOS功率器件和CMOS控制電路，是專用于直流電動機(jī)驅(qū)動的H橋組件，由美國國家半導(dǎo)體公司研發(fā)。該芯片正常工作電流可達(dá)3A，無“shotthrough”電流，瞬間驅(qū)動電流可達(dá)去6A，具有很強(qiáng)的驅(qū)動能力。此外，該芯片內(nèi)部電路還具有過流保護(hù)的功能，給定一個電壓，然后與LMD18200的8腳輸出端電壓進(jìn)行比較，當(dāng)輸出端電壓超過給定電壓時，會采取相對應(yīng)的降壓措施，繼而實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)功能。電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制可通過改變LMD18200的3腳的高低電平實(shí)現(xiàn)，電機(jī)的速度的調(diào)節(jié)可通過改變LMD18200的5腳的PWM波輸入端的占空比實(shí)現(xiàn)。總之，以LMD18200為核心的驅(qū)動電路具有穩(wěn)定性好、可靠安全、功率大、容易實(shí)現(xiàn)能優(yōu)勢。與以分離元件為核心的驅(qū)動控制電路相比，以LMD18200為核心的驅(qū)動控制電路更加的簡化，單片機(jī)控制主板的面積也更小，有效促進(jìn)了電機(jī)控制板的微型化發(fā)展。具體的應(yīng)用方法如下：程序內(nèi)部只能判斷加速或減速需要，主MCU據(jù)此向數(shù)字驅(qū)動集成芯片LMD18200下達(dá)指令，LMD18200芯片產(chǎn)生頻率加倍或減倍的輸出指令，加倍輸出指令會控制直流電動機(jī)加速運(yùn)轉(zhuǎn)，減倍輸出指令會控制直流電動機(jī)減速運(yùn)轉(zhuǎn)，繼繼而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度的控制。

圖2 任務(wù)調(diào)度流程圖

2 軟件應(yīng)用

系統(tǒng)多任務(wù)的管理以及調(diào)度是通過嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)μCLinux實(shí)現(xiàn)的，是軟件平臺的核心組件。根據(jù)電機(jī)控制的具體要求，用戶調(diào)用μCLinux的任務(wù)調(diào)度函數(shù)對任務(wù)進(jìn)行處理，通過任務(wù)切換操作，確保就緒任務(wù)中的優(yōu)先任務(wù)及時得到處理，繼而完成電機(jī)的實(shí)際控制需要。具體應(yīng)用方法：把測量設(shè)為最優(yōu)先等級，其次是數(shù)據(jù)預(yù)處理，然后是驅(qū)動輸出。首先保證測量任務(wù)的可靠性以及實(shí)時性，然后對測量數(shù)據(jù)作低通濾波處理，采樣數(shù)據(jù)預(yù)處理后才能驅(qū)動輸出。電機(jī)故障報警功能使其具備較強(qiáng)的故障保護(hù)能力，相關(guān)的任務(wù)根據(jù)輕重環(huán)境可只能劃定優(yōu)先等級。人機(jī)交互功能的優(yōu)先級最低，主要功能是通過顯示器顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速和溫度。嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)μCLinux工作時，會先進(jìn)行一系列的初始化操作，比如CPU初始化、主要任務(wù)控制塊初始化（TCB）、操作系統(tǒng)初始化以及優(yōu)先級表初始化，然后進(jìn)行新任務(wù)創(chuàng)建、空任務(wù)創(chuàng)建，甚至在創(chuàng)建子任務(wù)，最后采用OSSTART函數(shù)對任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，具體流程如圖2所示。

3 結(jié)論

傳統(tǒng)意義上的電機(jī)控制系統(tǒng)非常依賴硬件結(jié)構(gòu)，控制功能越多、控制性能要求越高預(yù)示著硬件結(jié)構(gòu)就越復(fù)雜、龐大，而高性能微處理器芯片的出現(xiàn)極大地降低了電機(jī)控制系統(tǒng)對硬件的依賴，使得電機(jī)控制系統(tǒng)能在較為簡單的硬件結(jié)構(gòu)下進(jìn)行及時、高效的控制操作，在提高運(yùn)行速度的同時，還能降低開發(fā)成本和時間，簡化電路，而簡化電路有利于機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾性和可靠性的進(jìn)一步提升。不過，對于嵌入式單片機(jī)在電機(jī)控制系統(tǒng)中實(shí)際應(yīng)用，還是要綜合考慮多方面的因素，根據(jù)控制要求、經(jīng)濟(jì)條件、擴(kuò)展需要以及具體工況條件選擇最合適的嵌入式單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和使用功能的雙重實(shí)現(xiàn)。

[1] 陳德益.基于嵌入式單片機(jī)的電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機(jī)仿真,2010,27(1):359-362.

[2] 王娃女.基于嵌入式Linux的GPRS遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究[D].青島大學(xué),2011.

[3] 王鵬.基于嵌入式單片機(jī)的電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2013,(25):20-20.

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

[5] 陳國錦.基于嵌入式單片機(jī)的電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計[J].消費(fèi)電子,2014,(6):202-202.

[6] 陳曉紅.基于嵌入式單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計的分析[J].無線互聯(lián)科技,2014,(10):61-61.

[7] 杜新虎,韓芝俠.嵌入式遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)化電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計[J].機(jī)械與電子,2008,(1):17-18,54

The embedded microcontroller control motor

Liu Ying
（Sichuan Information Technology College，Guangyuan，628017)

In the field of industry, motor running state is related to the safety and efficiency of production,the focus is the general mechanical and electrical control technology personnel.With the development of the digital control system,the embedded microcontroller applications in motor control system is more and more gf,control of the motor is more safe and reliable,can make the captain of the electric time is in good working condition,its stability has been significantly improve.Embedded microcontroller applications in motor control system can be divided into application software and hardware applications,provide basic physical hardware framework,software provides basic information,data processing,and only in this way,can effectively improve the performance of motor control system,which is to establish the real-time motor control system.

Embedded MCU；motor control system;application

國家自然科學(xué)基金（00000000）；國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)（2008AA000000）