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(lái)越廣發(fā)，對(duì)電機(jī)的控制更加的安全、可靠，能使電機(jī)長(zhǎng)時(shí)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(shí)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(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，電機(jī)的控制主要是通過(guò)模擬器件實(shí)現(xiàn)，對(duì)電機(jī)的廣泛應(yīng)用具有一定的推動(dòng)作用。以模擬器件為核心的電機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)是安裝簡(jiǎn)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(wèn)題。對(duì)于數(shù)字式控制芯片而言，其發(fā)展有一個(gè)從51芯片到DSP芯片的歷程，在這個(gè)過(guò)程中，數(shù)字式控制的性能越來(lái)越高，結(jié)構(gòu)越來(lái)越簡(jiǎn)單。在無(wú)刷直流電動(dòng)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(gè)良好的信息環(huán)境。通過(guò)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(jiǎn)化并保護(hù)電路，甚至能通過(guò)修改軟件來(lái)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(lái)展開(kāi)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(duì)數(shù)字信號(hào)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(duì)外設(shè)硬件的依賴較低，通過(guò)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(jì)，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(kāi)發(fā)難度，對(duì)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(jì)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(dòng)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(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，CPU控制芯片負(fù)責(zé)計(jì)算轉(zhuǎn)子位置并把計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，驅(qū)動(dòng)模塊根據(jù)CPU控制芯片給出的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)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(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)子位置傳感器脈沖信號(hào)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(huì)把這種差異轉(zhuǎn)為偏差信號(hào)，這種偏差信號(hào)會(huì)成為驅(qū)動(dòng)模塊的控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)電路

霍爾位置傳感器是檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的核心構(gòu)件，分為靜止部分和轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)開(kāi)有齒、槽的遮光盤。應(yīng)用方法如下：遮光盤的齒部被遮擋時(shí)產(chǎn)生高電平信號(hào)，不遮擋時(shí)產(chǎn)生低電平信號(hào)，通過(guò)比較電平信號(hào)的差異來(lái)確定轉(zhuǎn)子位置信息，通過(guò)比較霍爾元件的輸出狀態(tài)來(lái)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(cè)的可靠性和精準(zhǔn)性，對(duì)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(dòng)電路

電動(dòng)機(jī)、控制器、功率變換器是驅(qū)動(dòng)電路的核心構(gòu)件，電動(dòng)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(jiǎn)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(dòng)控制電路為例展開(kāi)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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的H橋組件，由美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司研發(fā)。該芯片正常工作電流可達(dá)3A，無(wú)“shotthrough”電流，瞬間驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)去6A，具有很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。此外，該芯片內(nèi)部電路還具有過(guò)流保護(hù)的功能，給定一個(gè)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(guò)給定電壓時(shí)，會(huì)采取相對(duì)應(yīng)的降壓措施，繼而實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)功能。電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制可通過(guò)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(guò)改變LMD18200的5腳的PWM波輸入端的占空比實(shí)現(xiàn)?？傊?，以LMD18200為核心的驅(qū)動(dòng)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(shì)。與以分離元件為核心的驅(qū)動(dòng)控制電路相比，以LMD18200為核心的驅(qū)動(dòng)控制電路更加的簡(jiǎn)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(dòng)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(huì)控制直流電動(dòng)機(jī)加速運(yùn)轉(zhuǎn)，減倍輸出指令會(huì)控制直流電動(dòng)機(jī)減速運(yùn)轉(zhuǎn)，繼繼而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(guò)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μCLinux實(shí)現(xiàn)的，是軟件平臺(tái)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(duì)任務(wù)進(jìn)行處理，通過(guò)任務(wù)切換操作，確保就緒任務(wù)中的優(yōu)先任務(wù)及時(shí)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(cè)量設(shè)為最優(yōu)先等級(jí)，其次是數(shù)據(jù)預(yù)處理，然后是驅(qū)動(dòng)輸出。首先保證測(cè)量任務(wù)的可靠性以及實(shí)時(shí)性，然后對(duì)測(cè)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(dòng)輸出。電機(jī)故障報(bào)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(jí)。人機(jī)交互功能的優(yōu)先級(jí)最低，主要功能是通過(guò)顯示器顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速和溫度。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μCLinux工作時(shí)，會(huì)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(jí)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(duì)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(duì)硬件的依賴，使得電機(jī)控制系統(tǒng)能在較為簡(jiǎn)單的硬件結(jié)構(gòu)下進(jìn)行及時(shí)、高效的控制操作，在提高運(yùn)行速度的同時(shí)，還能降低開(kāi)發(fā)成本和時(shí)間，簡(jiǎn)化電路，而簡(jiǎn)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(guò)，對(duì)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(jì)[J].計(jì)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(jì)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2013,(25):20-20.

[4] 張國(guó)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(jì)[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2011,07(24):6017-6019.

[5] 陳國(guó)錦.基于嵌入式單片機(jī)的電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[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(jì)的分析[J].無(wú)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(jì)[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(guó)家自然科學(xué)基金（00000000）；國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)（2008AA000000）