金巨波

（黑龍江財經(jīng)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150025）

基于嵌入式單片機的電機控制系統(tǒng)設(shè)計

金巨波

（黑龍江財經(jīng)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150025）

隨著社會的全面發(fā)展，電機控制系統(tǒng)基于嵌入式單機片的設(shè)計十分重要.其不僅能夠讓電機的控制效率得到相應(yīng)的提升，還能讓整體的控制體系得到相應(yīng)的優(yōu)化.本文主要針對電機控制系統(tǒng)基于嵌入式單片機的設(shè)計進行相應(yīng)的分析，并提出了相應(yīng)的優(yōu)化措施.

電機控制系統(tǒng)；嵌入式單片機；硬件設(shè)計；軟件平臺設(shè)計

電機控制系統(tǒng)在嵌入式單機片的整體設(shè)計十分關(guān)鍵.其能夠讓硬件平臺設(shè)計與軟件平臺有效地結(jié)合在一起.在電機進行運行的過程中，其主要是以電機作為動力系統(tǒng)進行單機的整體運轉(zhuǎn).而單機片與電機的契合性將直接決定電機控制系統(tǒng)的整體運用效率.因此，電機控制系統(tǒng)基于嵌入單機片的設(shè)計意義深遠(yuǎn).

1 電機控制系統(tǒng)基于嵌入式單機片設(shè)計的內(nèi)容

1.1 單機芯片體系的構(gòu)建

在進行單機芯片的基礎(chǔ)構(gòu)建時，首先需要對電機的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進行相應(yīng)的分析.一般情況下，其會使用三相異步電動機.其內(nèi)部電力體系通常可以分為主電路、控制電路以及輔助電路.相對而言，主電路系統(tǒng)較為簡單，并沒有過多的結(jié)構(gòu)變化.而控制電路則是電機與單片機的連接中樞.其不僅能夠控制電機的正轉(zhuǎn)以及反轉(zhuǎn)，還能對單機片的停止以及運轉(zhuǎn)進行明確的控制.而且嵌入式單片機相對而言還具有多方面的特性.尤其是在51芯片逐步地發(fā)展為DSP芯片的過程中，單片機的設(shè)計已經(jīng)逐漸地得到了完善.其數(shù)字芯片控制也逐漸地變得簡單以及牢靠.但在單機芯片體系的整體構(gòu)建過程中，其電機的控制與單片機還存在協(xié)調(diào)性的問題.尤其是在電機高速的運轉(zhuǎn)的過程中，其芯片體系結(jié)構(gòu)還需要采用多種不同的方法進行相應(yīng)的改善.其單片機也時常會出現(xiàn)運行不夠穩(wěn)定的情況.所以，在進行設(shè)計的過程中，其需要做好電流的過流保護工作.從而讓單機片芯片的驅(qū)動功率逐漸地變大.并且有一個良好的運轉(zhuǎn).

1.2 嵌入式單機片設(shè)計的意義

嵌入式單機片在電機中的應(yīng)用十分的廣泛.其不僅具備穩(wěn)定性好，實踐性能方便等諸多的特性，而且其還能通過軟件以及硬件的結(jié)合，實現(xiàn)電機多方面的功能.同時其還能將數(shù)字電路全面的應(yīng)用到嵌入式單機片的整體設(shè)計之中.這樣，電機在運行的過程中，就能通過單機片以及數(shù)字電路的共同作用實現(xiàn)自動化的控制.而且隨著高級單機片的面世.用極其簡單的硬件結(jié)構(gòu)去實現(xiàn)較為復(fù)雜的電機功能也成為可能.其能夠讓電力體系結(jié)構(gòu)的整體運行效率得到顯著性的提升.這樣不僅能夠降低電機的運行成本，還能讓復(fù)雜的控制電路化繁為簡.突破了電路集成的范疇.使得單片機的抗干擾性以及穩(wěn)定性得到了全面性的提升.

2 電機控制系統(tǒng)基于嵌入式單片機的硬件設(shè)計

2.1 對MCU進行選型

我們在選擇單片機的時候，控制功能較強的單片機是很受歡迎的，因為們可以夠完善電機的控制功能，這里用到的是daPIC20F芯片.dsPIC20P系列的芯片是一款將單片機與DSP技術(shù)相結(jié)合的高性能16位數(shù)字的信號控制器.dsPIC20F系列芯片主要以l6位單片機為核心，在擁有功能強大的外混設(shè)備的時候，他們有著快速中斷處理的能力，還可以通過高速的信號處理器進行計算.與此同時，dsPIC20F系列芯片在軟件開發(fā)環(huán)境中，有著很多強的處理性能，尤其是對那些異常事件.由于dsPIC20F芯片擁有較為豐富的內(nèi)部資源，基于dsPIC20F平臺開發(fā)的電機控制系統(tǒng)，在硬件整體設(shè)計方案中，僅僅需要很少的外設(shè)，這樣不僅能夠滿足裝置的可靠性和抗干擾性，還能夠?qū)崿F(xiàn)總線不出芯片的設(shè)計，在各種環(huán)境及工況下運行的要求下，在降低開發(fā)成本、縮短開發(fā)時間的同時，還需要提升系統(tǒng)的靈活性.在進行選型的過程中，還要結(jié)合其整體的體系結(jié)構(gòu)進行綜合性的選型.從而使得芯片的整體運行以及計算效率得到整體性的提升.

2.2 硬件電路的設(shè)計

2.2.1 總體硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于dsPIC20F的結(jié)構(gòu)設(shè)計非常重要，電機控制系統(tǒng)可以檢測電機轉(zhuǎn)子的情況，當(dāng)這主要是有電子轉(zhuǎn)子位置的傳感器來檢測的，在電子轉(zhuǎn)子通過控制芯片時，把它的位置細(xì)心發(fā)送到驅(qū)動模塊上，用早就設(shè)置好的指令，讓控制芯片決定向驅(qū)動模塊輸出的驅(qū)動邏輯電平情況，通過驅(qū)動電機的旋轉(zhuǎn)，對轉(zhuǎn)子位置進行檢測，根據(jù)實際的運作條件，讓合適的電機轉(zhuǎn)速進行輸出，通過轉(zhuǎn)子位置的傳感器信號的強度，由主芯片將電機的速度核算出來，然后，對實際的速度和起初設(shè)計的速度進行對比，就會出現(xiàn)轉(zhuǎn)速偏差，通過主控芯片的傳輸，可以將這個偏差的信號，轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的控制信號，最后，將得到的控制信號發(fā)送給電機.這種閉環(huán)控制的應(yīng)用，能夠準(zhǔn)確的核算實際的控制信號.

2.2.2 電機轉(zhuǎn)子位置檢測電路的設(shè)計

霍爾位置傳感器是可以電機轉(zhuǎn)子的位置進行檢測的.霍爾位置傳感器可以分為轉(zhuǎn)動和靜止兩個部分，首先，把靜止的那部分牢牢地固定在機座上，而轉(zhuǎn)動的部分固定在轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)動部分隨著轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動，對遮光盤齒部的遮擋進行操作，可以產(chǎn)生高低不同的電平信號，這樣，就可以把轉(zhuǎn)子的位置信息提高給電動機了，利用三個霍爾元件的三種不同的輸出狀態(tài)，將轉(zhuǎn)子的磁極信息記錄下來，用霍爾位置傳感器，可以實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)子的信息監(jiān)測，把基本的調(diào)整參數(shù)和控制參數(shù)提供給電機，保證了數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)，有利于提升整個電機的控制系統(tǒng).

2.2.3 驅(qū)動電路的設(shè)計

驅(qū)動系統(tǒng)是由電動機、功率變換器和控制器這三個部分組成的.使用比較廣泛的是直流電動機，它的操控較為簡單，在實際操作中，直流電源也較容易實現(xiàn)，這使得直流電機擁有較為出眾的性能.對于直流電機的驅(qū)動，在本論文中主要采用對是專用數(shù)字驅(qū)動芯片.一般情況下，控制電路的是用數(shù)字集成芯片LMD18200電機控制芯片進行設(shè)計的直流電機.

3 電機控制系統(tǒng)基于嵌入式單片機的軟件平臺設(shè)計

3.1 軟件功能的劃分

在平時的操作過程中，一般使用系統(tǒng)uClinux來操作，這個系統(tǒng)可以對多個任務(wù)進行調(diào)度，因為它具有操作多個任務(wù)的程序，系統(tǒng)的任務(wù)中斷決定著他的實時性，調(diào)用pClinux的任務(wù)調(diào)度函數(shù)，用戶也就可以從就緒任務(wù)中調(diào)度函數(shù)，找到優(yōu)先級最高的任務(wù).進行切換操作.結(jié)合電機的實際控制的具體要求，按照基本的任務(wù)劃分原則，能夠?qū)?yīng)用軟件分為以下幾類任務(wù)：

①人機交互功能：電機轉(zhuǎn)速和溫度顯示器顯示等.

②有超前的預(yù)防性：對電機進行保護，一旦出現(xiàn)故障，它具有報警的功能.

③測控性強：測控數(shù)據(jù)的可靠性強，實時的操作性高.對數(shù)據(jù)可以進行預(yù)處理.

3.2 軟件控制程序設(shè)計

對于電機控制的系統(tǒng)任務(wù)而言，通過本地數(shù)據(jù)的采集程序能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)任務(wù).根據(jù)實際任務(wù)的不同，可以將本地數(shù)據(jù)的采集程序分為以下幾個模塊，例如：數(shù)據(jù)保存模塊、LCD模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊等，按照不同用戶設(shè)定的不同控制參數(shù)，利用數(shù)據(jù)采集模塊能夠直接進行操作，例如：采集頻率、A/D通道等，對外部的信號實際采集，可以用以上兩種方法進行具體實施，對于采集到的數(shù)據(jù)可以送到數(shù)據(jù)處理模塊；對于采集到的實際數(shù)據(jù)可以利用數(shù)據(jù)處理模塊進行數(shù)字濾波操作，在本系統(tǒng)中主要采用取相鄰10個數(shù)據(jù)平均值的濾波方法，這樣能夠取得較為準(zhǔn)確的結(jié)果，數(shù)據(jù)處理模塊能夠?qū)V波后的數(shù)據(jù)存入公共的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，這樣可以提供LCD模塊顯示或者供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)程序進行使用；LCD模塊的主要職能是按照用戶的實際需求，可以將公共數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)顯示出來；按照一定的格式，可以對采集到的數(shù)據(jù)進行保存，使用數(shù)據(jù)保存模塊保存到Flash中；另外，可以在LCD模塊外還可以配置鍵盤模塊，這樣方便用戶進行實際操作體驗，提供給用戶在現(xiàn)場對電機設(shè)備進行控制的手段，能夠方便用戶快捷的獲取需要用到的設(shè)定采集的參數(shù).

4 結(jié)語

電機控制系統(tǒng)基于嵌入式單片機的設(shè)計十分重要，其能夠讓電機的運行效率得到相應(yīng)的提升.在進行整體的設(shè)計過程中，其首先需要明確單片機的設(shè)計內(nèi)容.有針對性的進行芯片體系的設(shè)計，并完善電機的電力體系結(jié)構(gòu).然后要做好嵌入式單片機的硬件設(shè)計，讓各種硬件設(shè)施的搭配更為合理.最后還要不斷優(yōu)化軟件設(shè)計體系，其需要利用軟件的控制功能對軟件程序進行基礎(chǔ)的模擬，并實現(xiàn)多種不同的運行功能.從而使得電機控制系統(tǒng)中嵌入式單機片的設(shè)計更加科學(xué)合理.

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TM301.2

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1673-260X（2017）09-0047-02

2017-05-14

黑龍江省教育科學(xué)規(guī)劃課題（GJB1316070）