探究電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)中單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用

李海　王慧　李瑛

摘 要：在信息化技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)不斷發(fā)展的今天，電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)也逐漸迎來了改造升級(jí)的新機(jī)遇，而單片機(jī)技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，則是電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)升級(jí)發(fā)展的必然選擇。為了提升電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)中單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用效果，首先需要了解單片機(jī)技術(shù)和電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的概念，在此基礎(chǔ)上對(duì)電氣主回路、單片機(jī)系統(tǒng)、C程序與匯編程序的協(xié)同開發(fā)以及算法改進(jìn)等應(yīng)用要點(diǎn)進(jìn)行深入研究。

關(guān)鍵詞：電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng) 單片機(jī)技術(shù)

Exploration of the Application of Single Chip Microcomputer Technology in Electric Drive Control System

Li Hai，Wang Hui，Li Ying

Abstract：With the continuous development of information technology and automation technology， electric drive control systems are gradually ushering in new opportunities for transformation and upgrading， and the large-scale application of single-chip technology is an inevitable choice for the upgrading and development of electric drive control systems. To improve the application effect of the single-chip technology in the electric drive control system， it is first necessary to understand the concept of the single-chip technology and the electric drive control system， and on this basis， the collaborative development of the electrical main circuit， the single-chip system， the C program and the assembler， and the improvement of algorithms， etc. are studied in great depth.

Key words：electric drive control system， single chip microcomputer technology

1 引言

中國特色社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的高度發(fā)展，帶動(dòng)了技術(shù)轉(zhuǎn)型、設(shè)備升級(jí)的熱潮，而單片機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，讓電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的自動(dòng)化成為現(xiàn)實(shí)，從實(shí)際應(yīng)用情況來看，單片機(jī)具有功能性極佳、使用便利性突出等優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中發(fā)揮了重要作用，而電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)與單片機(jī)技術(shù)的結(jié)合，顯然也有一定的現(xiàn)實(shí)意義。因此，對(duì)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)中單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行探究可謂是勢(shì)在必行。

2 相關(guān)概念

時(shí)代在發(fā)展、社會(huì)在進(jìn)步，各種科學(xué)技術(shù)也始終處在不斷升級(jí)的狀態(tài)中，自動(dòng)化技術(shù)和設(shè)備的應(yīng)用，改變了我國工業(yè)生產(chǎn)的模式。單片機(jī)屬于自動(dòng)化控制技術(shù)當(dāng)中的重中之重，它的合理應(yīng)用能夠提升生產(chǎn)的技術(shù)水平，并提升電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行效果[1]。為了更好地探究電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)中單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用策略，必須要了解以下兩個(gè)概念：第一，單片機(jī)技術(shù)的概念。單片機(jī)技術(shù)指的是包含存儲(chǔ)條、電路以及高性能處理器等設(shè)備功能的芯片，能夠解決傳統(tǒng)設(shè)備體積過大帶來的一系列問題。另外，單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)也十分明顯，具有計(jì)算機(jī)的絕大多數(shù)使用功能，因此在實(shí)際應(yīng)用中往往有著極佳的應(yīng)用效果。它主要的作用在于進(jìn)行自動(dòng)化控制，在各行各業(yè)當(dāng)中都有所體現(xiàn)，甚至改變了電氣控制系統(tǒng)的運(yùn)行模式，給人們的生產(chǎn)生活帶來了巨大的影響。通常情況下，比較常見的單片機(jī)主要有PRINCETON結(jié)構(gòu)以及HARVARD結(jié)構(gòu)兩種，其中又以后者更加常見。第二，電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的概念。所謂的電氣傳動(dòng)，指的是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的過程，主要依靠電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)，這種設(shè)備具有突出的電能傳輸和分配能力，自動(dòng)化控制效果比較好，因此電氣傳動(dòng)控制裝置越來越常見。而電氣傳動(dòng)控制技術(shù)，值得則是利用電氣傳動(dòng)裝置對(duì)生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行自動(dòng)化控制的技術(shù)，在工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中發(fā)揮著不可替代的積極作用。電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)，是一種以中央處理器為基礎(chǔ)的電氣控制系統(tǒng)，具有自動(dòng)化、智能化檢測(cè)功能，近幾年開始得到廣泛應(yīng)用，進(jìn)一步提升了我國社會(huì)生產(chǎn)率，推動(dòng)了中國信息化現(xiàn)代化建設(shè)的進(jìn)程。除此之外，電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)與信息化技術(shù)的結(jié)合，還衍生出了數(shù)字控制和數(shù)據(jù)通信等新功能，相比于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)而言，其控制效率又得到了進(jìn)一步提升，在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中扮演著極其重要的角色。

3 電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)中單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用

我國的單片機(jī)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，具有占用體積小、應(yīng)用效果佳、使用便利性突出等一系列優(yōu)勢(shì)，得到了業(yè)界人士的一致好評(píng)和認(rèn)可，從實(shí)際情況來看，很多電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)都是以51系列的8位單片機(jī)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)控制功能，然而在遇到高要求的情況下，8位單片機(jī)就不再具有應(yīng)用價(jià)值，16位單片機(jī)則以更強(qiáng)勢(shì)的功能取而代之[2]。因此，就以MCS-96系列的16位單片機(jī)為例，對(duì)探究電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)中單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)進(jìn)行分析：

3.1 電氣主回路

電氣主回路的結(jié)構(gòu)圖（見圖1）比較復(fù)雜，其中包含雙極性的H橋結(jié)構(gòu)，能夠?qū)⒔涣麟娹D(zhuǎn)換為直流電并為系統(tǒng)所用，通過并入大容量電容的方法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓并作為主電源，并利用PWM進(jìn)行調(diào)速，回路結(jié)構(gòu)十分清晰、具有穩(wěn)定的保護(hù)功能，在接入周邊電路以后，即可驅(qū)動(dòng)并發(fā)揮作用。

3.2 單片機(jī)系統(tǒng)

為細(xì)化分析結(jié)果，以MCS-96系列的80C196MC構(gòu)成16位總線的單片機(jī)系統(tǒng)為例，探究單片機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用要點(diǎn)：首先，中央處理器當(dāng)中的算術(shù)邏輯單元與8位單片機(jī)有一定的差異，傳統(tǒng)的累加器結(jié)構(gòu)被淘汰，引入了256字節(jié)的寄存器突破了過去中央處理器存在的瓶頸問題，保證了單片機(jī)系統(tǒng)的使用效果和數(shù)據(jù)處理能力。其次，在256字節(jié)寄存器當(dāng)中，有24字節(jié)作為專用寄存器，剩余的都是通用寄存器，這樣一來其寄存器的數(shù)量就遠(yuǎn)超常規(guī)單片機(jī)，能夠在更多、更復(fù)雜的場(chǎng)景下發(fā)揮作用，解決服務(wù)中斷帶來的現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)及保護(hù)難題，降低數(shù)據(jù)復(fù)原成本，為程序設(shè)計(jì)人員提供一定的便利。第三，相比于傳統(tǒng)的8位單片機(jī)系統(tǒng)，80C196MC具有波形發(fā)生器（WG），可以脫離外圍元器件的支持而自主生成波形，同時(shí)波形發(fā)生器所具有的調(diào)節(jié)功能又比較成熟，有助于實(shí)現(xiàn)PWM波形功率的放大需求，還能夠避免雙極性H橋電路發(fā)生“共態(tài)穿通”問題，保證電源系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。最后，16位單片機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行效率更高、執(zhí)行速度更快，指令系統(tǒng)更加成熟，可通過20M赫茲的時(shí)鐘、事件處理器陣列、外設(shè)事務(wù)服務(wù)器等一系列先進(jìn)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)電流和轉(zhuǎn)速之間的妥善轉(zhuǎn)換，解決了傳統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換速度慢、響應(yīng)時(shí)間比較長的問題，有助于電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的順利運(yùn)行[3]。

3.3 C程序與匯編程序的協(xié)同開發(fā)

數(shù)據(jù)處理是匯編語言過程中最困難、最復(fù)雜的一個(gè)步驟，匯編語言并不支持單精度浮點(diǎn)運(yùn)算，但是在單片機(jī)技術(shù)越來越成熟、應(yīng)用場(chǎng)景越來越復(fù)雜的情況下，高精度算法開始成為必備要素。而C96則能夠支持單精度的浮點(diǎn)運(yùn)算，在絕大多數(shù)場(chǎng)景下具有可用價(jià)值，在有需要的時(shí)候還可以進(jìn)行算法擴(kuò)展，進(jìn)一步提升其運(yùn)算精度，更重要的是其算法設(shè)計(jì)已經(jīng)基本完善，無需重新開發(fā)C程序可供選用，應(yīng)用效益比較突出。但是與此同時(shí)也必須要認(rèn)識(shí)到，在實(shí)現(xiàn)同樣功能的情況下，C96程序編譯連接生成的代碼比匯編語言更長，因此針對(duì)一些對(duì)響應(yīng)速度有要求的場(chǎng)景，程序設(shè)計(jì)人員往往會(huì)從執(zhí)行速度入手，利用匯編語言實(shí)現(xiàn)模塊功能。根據(jù)實(shí)際情況來看，無論是C96還是匯編語言，都能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，在熟練度達(dá)標(biāo)的情況下，新C96編譯器的效率可以達(dá)到1.1，比匯編語言更加可觀，比較熟練的程序員往往可以在更短的時(shí)間內(nèi)利用C96完成開發(fā)任務(wù)，所需要的時(shí)間不足匯編程序時(shí)間的一半，雙方的執(zhí)行速度幾乎完全相同，因此設(shè)計(jì)人員有必要結(jié)合具體需求選擇開發(fā)方式。從上述分析可以發(fā)現(xiàn)，利用C96編寫出來的程序具有更優(yōu)秀的可讀性，在后續(xù)擴(kuò)展和修改過程中也更加方便，程序設(shè)計(jì)人員有必要根據(jù)實(shí)際情況，利用C程序與匯編程序進(jìn)行協(xié)同開發(fā)[4]。

3.4 算法改進(jìn)

算法指的是解題方案的準(zhǔn)確而完整的描述，不同的算法能夠在不同的時(shí)間和場(chǎng)景下完成不同的任務(wù)，在算法不合理的情況下，執(zhí)行該算法將無法達(dá)到預(yù)計(jì)效果，想要保證電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)中單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用效果，就必須要對(duì)算法進(jìn)行改進(jìn)。從實(shí)際運(yùn)行情況來看，計(jì)算轉(zhuǎn)速和電流環(huán)的過程中，并不一定涉及到浮點(diǎn)運(yùn)算模式，因此在進(jìn)行算法改進(jìn)的時(shí)候只考慮轉(zhuǎn)速環(huán)情況即可。目前，電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)中午常見的信號(hào)采集裝置為轉(zhuǎn)速編碼器，80C196MC系列的單片機(jī)則利用相移計(jì)數(shù)器獲取特定時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)速值，在定義域內(nèi)該值必然是整數(shù)，所以轉(zhuǎn)速編碼器的精度就決定了轉(zhuǎn)速的記錄準(zhǔn)確度，在時(shí)間T足夠小的情況下，可將該段時(shí)間內(nèi)得到的脈沖數(shù)值等同于轉(zhuǎn)速值，在給定速度不變、輸出波形周期不變的情況下，其輸出同樣為整數(shù)，所以在進(jìn)行算法優(yōu)化的過程中，只需要調(diào)整IP控制器的參數(shù)，就能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)速環(huán)的有效控制。

4 結(jié)語

計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，帶動(dòng)了單片機(jī)這種特殊的運(yùn)算技術(shù)的進(jìn)步，進(jìn)而使電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行效果得到了前所未有的提升，這與新時(shí)期工業(yè)生產(chǎn)新要求不謀而合。工作人員必須要明確單片機(jī)技術(shù)和電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的概念，并以此為基礎(chǔ)對(duì)算法改進(jìn)、電氣主回路等進(jìn)行分析，明確電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)中單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)。除此之外，還需要對(duì)單片機(jī)技術(shù)等進(jìn)行細(xì)致研究，爭(zhēng)取推動(dòng)我國電氣傳動(dòng)控制技術(shù)的高速發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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