“單片機(jī)技術(shù)在電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用”文獻(xiàn)綜述

黃青穎

（江蘇城鄉(xiāng)建設(shè)職業(yè)學(xué)院，江蘇 常州 213000）

1 電氣傳動(dòng)

1.1 工業(yè)革命推動(dòng)技術(shù)升級(jí)

電力的應(yīng)用推動(dòng)了各個(gè)行業(yè)的技術(shù)革新和社會(huì)的高速發(fā)展。第三次工業(yè)革命的成果是各行業(yè)逐步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。當(dāng)代社會(huì)正在進(jìn)入以人工智能為代表的第四次工業(yè)革命。智能技術(shù)的引入逐步成為電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的新思路與新方向。

1.2 電氣傳動(dòng)

電氣傳動(dòng)是利用電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，帶動(dòng)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的生產(chǎn)過程。電能是經(jīng)濟(jì)、普及、方便使用的清潔能源；電動(dòng)機(jī)的電能轉(zhuǎn)化效率高，易于控制，兩者結(jié)合，使傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行變得易于控制和高效。 電氣技術(shù)在傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用，降低了產(chǎn)品生產(chǎn)過程中所需要的勞動(dòng)力，有利于企業(yè)節(jié)約成本。

傳動(dòng)控制的電氣化，提高了生產(chǎn)過程的自動(dòng)化水平。 電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)是當(dāng)前重要的工業(yè)基礎(chǔ)，它由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、電動(dòng)機(jī)、控制設(shè)備三部分組成。隨著網(wǎng)絡(luò)通信、微電子及智能技術(shù)的使用，傳動(dòng)控制技術(shù)水平也在不斷提高。

1.3 信息化對(duì)電氣傳動(dòng)控制的要求

大多數(shù)工業(yè)國家都將工業(yè)化逐漸轉(zhuǎn)向信息化，信息化帶動(dòng)了生產(chǎn)力的發(fā)展。 電氣傳動(dòng)是工業(yè)的基礎(chǔ)。信息化發(fā)展推動(dòng)了傳動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步，為企業(yè)的高效發(fā)展提供有力的支撐。 在電氣傳動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)中，數(shù)據(jù)通信和數(shù)字控制已經(jīng)成為其控制的主要手段。

電氣系統(tǒng)的傳動(dòng)模式按電動(dòng)機(jī)類別分為直流電氣傳動(dòng)與交流電氣傳動(dòng)。 一開始，直流傳動(dòng)由于良好的起、制動(dòng)性能和控制特性，加上成本較低、容易操作的特點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用，是電氣傳動(dòng)的主要模式。但隨著信息技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流傳動(dòng)技術(shù)不斷提升。 與直流傳動(dòng)相比，交流傳動(dòng)所需的設(shè)備體積小，輸出的功率大、可靠性高、動(dòng)力性能優(yōu)，所以直流傳動(dòng)逐步讓位于交流傳動(dòng)。

1.4 電氣傳動(dòng)的智能控制趨勢

智能控制是在沒有人干預(yù)的情況下自主驅(qū)動(dòng)智能設(shè)備來實(shí)現(xiàn)控制的自控技術(shù)，它高于傳統(tǒng)的自動(dòng)化控制。

自動(dòng)化控制是一種根據(jù)數(shù)學(xué)模型執(zhí)行運(yùn)行步驟的系統(tǒng)。傳統(tǒng)的自動(dòng)化控制技術(shù)在一定程度上改善了勞動(dòng)者的工作環(huán)境，降低了勞動(dòng)者的勞動(dòng)強(qiáng)度和工作風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)預(yù)設(shè)的問題制定處理方式，但缺乏自我診斷和調(diào)整的功能，所以沒有實(shí)現(xiàn)智能化控制。 設(shè)備工作現(xiàn)場的環(huán)境是千變?nèi)f化的，不確定的因數(shù)多，如果只靠設(shè)定的數(shù)學(xué)模型來控制，系統(tǒng)不能及時(shí)、有效地處理設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)出現(xiàn)的問題。

企業(yè)對(duì)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的效率要求不斷提高，而系統(tǒng)改進(jìn)和升級(jí)需要較高的成本。設(shè)備運(yùn)行采用智能控制，就相當(dāng)于人腦的運(yùn)行。 系統(tǒng)通過對(duì)采集的數(shù)據(jù)和環(huán)境要素的準(zhǔn)確判斷和分析， 經(jīng)過自我調(diào)整和調(diào)控，實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。人工智能控制超越了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型控制，能進(jìn)行實(shí)時(shí)的自我修正和改進(jìn)，以提升自身的規(guī)范性和合理性來適應(yīng)實(shí)際需要，從而更有效地提升效率。

2 單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展

2.1 單片機(jī)的歷史

單片機(jī)誕生于20 世紀(jì)70 年代，它是使用集成電路技術(shù)將 CPU、 存儲(chǔ)器 RAM 和 ROM、 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器， 輸入/輸出接口等主要部件集成在一塊半導(dǎo)體芯片上的微型計(jì)算機(jī)。CPU 能完成各種邏輯運(yùn)算與算術(shù)運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)邏輯測試、發(fā)出控制信號(hào)。單片機(jī)能對(duì)電動(dòng)機(jī)等設(shè)備進(jìn)行控制。

2.2 單片機(jī)的功能特點(diǎn)

單片機(jī)因結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、控制功能強(qiáng)、低功耗等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在通信、交通、智能儀表、智能家電、遙感等領(lǐng)域。 單片機(jī)比一般集成電路有更強(qiáng)的抗干擾能力；對(duì)溫度、濕度等環(huán)境要素有更好的適應(yīng)能力。 它成本低，卻能完成一般集成電路無法完成的工作。 它使生產(chǎn)效率得到有效提高，使這些領(lǐng)域的操作與控制變得智能化。 在電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中使用單片機(jī)，能達(dá)到較理想的控制效果。

2.3 單片機(jī)的結(jié)構(gòu)

單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為兩種：Princeton 結(jié)構(gòu)和harvard 結(jié)構(gòu)。 Princeton 結(jié)構(gòu)，將程序存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)放在同一個(gè)儲(chǔ)存空間。 Harvard 結(jié)構(gòu)與Princeton 結(jié)構(gòu)恰恰相反， 它的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和程序存儲(chǔ)是分開的。harvard 結(jié)構(gòu)更有利于單片機(jī)控制功能的實(shí)現(xiàn)， 電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的單片機(jī)普遍采用的是harvard 結(jié)構(gòu)。

2.4 單片機(jī)具備了EFT 和低噪聲布線技術(shù)

目前單片機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速，具備更好的抗干擾技術(shù)EFT。 當(dāng)外界有干擾信號(hào)時(shí)，電路信號(hào)會(huì)疊加毛刺信號(hào)， 傳統(tǒng)的處理方式是使用施密特電路降干擾，而毛刺信號(hào)不能完全消除， 可能被觸發(fā)干擾正常信號(hào)。如果交替使用施密特電路和RC 濾波電路，就可以消除這些毛刺或者令其失效，從而保證信號(hào)正常。

在電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中采用單片機(jī)技術(shù)， 通常將電源引線和地線均勻分布于集成電路塊的對(duì)稱點(diǎn)上， 如右上和左下。這樣布線有弊端，電源產(chǎn)生的噪聲影響范圍大，會(huì)干擾芯片內(nèi)部電路的工作，降低運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。如果電源不放在對(duì)稱點(diǎn)上，而是放在相鄰的引腳上，這樣能夠減少流過整個(gè)芯片的電流，還方便去耦電容電路的布置，從而減少了電路板的噪聲。

EFT 抗干擾技術(shù)和低噪聲布線技術(shù)使單片機(jī)系統(tǒng)在工作時(shí)更穩(wěn)定。

2.5 單片機(jī)與智能控制

單片機(jī)為電氣傳動(dòng)技術(shù)帶來了技術(shù)革新。它通過編程來對(duì)設(shè)備運(yùn)行和生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)控制功能。它代替了傳統(tǒng)的硬件電路，電路功能變得強(qiáng)大，能夠?qū)崿F(xiàn)更復(fù)雜控制。 單片機(jī)是通過模糊控制、數(shù)字計(jì)算控制和自適應(yīng)控制等來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得到簡化，維護(hù)和升級(jí)變得經(jīng)濟(jì)。 所以單片機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展日新月異，網(wǎng)絡(luò)普及，人們的生活與網(wǎng)絡(luò)緊密相連。 不僅計(jì)算機(jī)與互聯(lián)網(wǎng)相連，物品與物品也可以通過網(wǎng)絡(luò)相連，如家用電器。 許多電器內(nèi)部采用單片機(jī)控制系統(tǒng)。單片機(jī)的通信接口支持它服務(wù)的設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)。 網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)代最流行的工具，智能化的時(shí)代離不開網(wǎng)絡(luò)，離不開單片機(jī)技術(shù)。 一些成本低、 性能穩(wěn)定、 易控制的智能芯片裝入手機(jī)，電視、音箱和打印機(jī)等電器內(nèi)，智能控制方便了人們的生活。

3 單片機(jī)技術(shù)在電氣傳動(dòng)中的應(yīng)用

3.1 單片機(jī)成為控制的核心

電氣傳動(dòng)電路，由電氣主回路、接口電路、控制電路三個(gè)部分組成。 控制電路的主要元件是單片機(jī)。 輸入信號(hào)從輸入接口電路中進(jìn)入單片機(jī)內(nèi)部，CPU 對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行處理，再把處理后的信號(hào)由輸出接口電路送出，控制主回路。 抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、運(yùn)算能力強(qiáng)的單片機(jī)是控制電路的關(guān)鍵。

3.2 C 語言與匯編語言混合編程

C 語言簡潔、靈活、庫函數(shù)豐富、調(diào)試方便、移植性好，被廣泛用于硬件開發(fā)中。 匯編語言是一種面向機(jī)器的語言，它的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行速度快，所占用的存儲(chǔ)空間小，可以對(duì)硬件直接控制。 在電氣傳動(dòng)控制電路實(shí)時(shí)響應(yīng)的場合中， 技術(shù)人員會(huì)用匯編語言編程，以獲得較快的執(zhí)行速度。

在電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)中，常采用C 語言以及匯編語言（ASM）混合編程模式。匯編程序模塊與C 語言程序模塊經(jīng)常需要相互調(diào)用。調(diào)用分無參數(shù)傳遞和有參數(shù)傳遞兩種情況。 前者需要在程序中寫入?yún)R編偽指令，才可以實(shí)現(xiàn)匯編與C 語言的相互轉(zhuǎn)換；后者要在C 源代碼中添加目的匯編程序， 編譯鏈接所有程序后， 還要核對(duì)類似M96 和M51 系統(tǒng)文件再進(jìn)行程序修改。

3.3 改進(jìn)算法

單片機(jī)技術(shù)對(duì)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)中的算法也具有優(yōu)化的作用。 在電氣的傳動(dòng)控制系統(tǒng)中，例如對(duì)轉(zhuǎn)速器的進(jìn)行設(shè)置和調(diào)整，可以通過單片機(jī)內(nèi)參數(shù)設(shè)定來完成。 采用單片機(jī)技術(shù)，省略控制系統(tǒng)中的計(jì)算代碼，可以提高設(shè)備的運(yùn)算速度與準(zhǔn)確性。

3.4 系統(tǒng)頭文件中的應(yīng)用

單片機(jī)的系統(tǒng)頭文件有各個(gè)端口與各種特殊功能寄存器的地址。 精準(zhǔn)制定單片機(jī)的系統(tǒng)頭文件，能把單片機(jī)的功能發(fā)揮到最大。 單片機(jī)型號(hào)多，框架結(jié)構(gòu)和工藝水平也不同，不同單片機(jī)功能差別大，應(yīng)當(dāng)依據(jù)單片機(jī)型號(hào)來制定系統(tǒng)頭文件。 這樣一來，當(dāng)單片機(jī)型號(hào)出現(xiàn)變化，可以通過轉(zhuǎn)換頭文件來完成程序的移植。這可以縮短單片機(jī)開發(fā)的進(jìn)程，使過程簡化。

單片機(jī)應(yīng)用使電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)思路和理念發(fā)生根本的變化。軟件編程實(shí)現(xiàn)了以前硬件電路的控制功能，電路結(jié)構(gòu)得到簡化，但是電路成效得到提高，不同的控制要求得到滿足。 比如傳統(tǒng)電氣傳動(dòng)控制中的PID 調(diào)節(jié)，就可以用單片機(jī)控制來實(shí)現(xiàn)。

單片機(jī)技術(shù)提高了電路的可靠性和準(zhǔn)確性，使得電路智能化， 在電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中具有至關(guān)重要的作用。 隨著科技的創(chuàng)新，單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展也會(huì)向著高水平、多部件、多功能等方向發(fā)展，對(duì)電氣傳動(dòng)會(huì)產(chǎn)生更加深遠(yuǎn)的影響。