基于嵌入式單片機的電機控制系統設計

摘 要：隨著信息技術的發展，越來越多的單片機被應用于各種控制系統的電路中。通過使用單片機，并自行設計其中的軟硬件系統，提高了系統的穩定性并簡化電路的設計。通過參數調整可以適用于不同的電機，提高了系統的推廣潛力。本文通過對系統的設計和實際測試進行分析，找出系統的優缺點，為該系統的擴展提供建議和思路。

關鍵詞：嵌入式系統；單片機；電機控制

中圖分類號：TM33 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 06-0000-01

電機作為一種工業領域應用最廣泛的機電設備，傳統的模擬器件控制方式由于結構簡單所以具有很大的成本優勢，但是在穩定性和系統升級方面沒有保障。隨著信息技術的發展，簡單可靠的單片機嵌入式技術為電機控制帶來了新的方向，提高了電機的控制性。在嵌入式控制系統的設計上硬件和軟件兩個部分，不同的軟硬件平臺有各自不同的優勢[1]。

一、硬件的選擇

（一）MCU的選擇

通過選擇功能強大、運算能力強的MCU可以提高系統的控制性能。很多平臺習慣采用microchip公司的dsPIC20F芯片，這是一款集成DSP技術的16位控制器，但是筆者針對目前芯片的發展趨勢以及將來的升級能力的考慮，選用Motorola公司的32位芯片M.CORE，M.CORE不僅在運算性能上遠遠強于dsPIC20F，同時在軟件開發環境以及抗干擾性能方面也十分強大。

通過采用M.CORE可以降低外設的投入和軟件開發的難度，可以通過修改參數實現移植，在二次開發上可以減少很大工作量[2]。

（二）硬件電路設計

1.電路工作原理。本控制電路采用的是閉環控制原理，由相應的傳感器檢測電機轉子的位置，交由CPU控制進行計算，得出轉子位置，然后將轉子位置信息傳入驅動電路，進行對應的旋轉控制。在出現速度偏差時通過脈沖信號傳遞給CPU計算并發出信號進行控制（原理圖如下：圖1）。

2.轉子位置計算電路。采用霍爾位置傳感器檢測轉子位置。工作原理：霍爾傳感器由固定在電機座上的靜止部分、固定在電機轉軸上的轉動部分以及一個同樣固定在電機轉軸上的遮光片組成。通過三個部分的輸出信號可以確定轉子位置[3]。

3.驅動模塊。驅動模塊包括控制器、功率變換電路和電動機三個部分。通過數字驅動芯片的完成對電機的驅動作用。通過MCU發出指令傳入信號器，在信號器內進行頻率變化，實現電機速度的控制。

二、軟件平臺的設計

在軟件平臺的設計上選擇UCOS為開發平臺。

（一）軟件控制功能

UCOS在多任務實時處理方面具有很大優勢，非常適合電機的控制系統，結合工作需求的分析，將應用軟件的功能分為以下幾個方面：

1.基本功能。本平臺的基本功能是測量、數據處理和驅動輸出。優先級別最高的是測量任務，其次就是數據處理任務，最后是驅動輸出。

2.電機保護任務。此任務是對電機運行故障進行報警，并停止電機運行，所以此任務在優先級設置上僅次于測量任務。

3.人機交互功能。這類任務是為了方便觀察電機的轉速以及溫度，在輸出優先級中尚屬最低，就不用說整體優先級了，所以這個功能的優先級是最低的。

在基于UCOS操作系統進行工作的時候，必須先初始化CPU，然后是操作系統，最后才是對任務控制模塊進行初始化，在這之后就是對數據的讀取和處理。

（二）軟件控制程序

在整個軟件程序的設計中，控制程序的設計是尤為關鍵的。控制程序就是除主程序之外的中斷服務程序。主程序負責各種數據的采集、記錄和輸出，而中斷子程序則負責中斷當前服務調用其他功能。

在程序運行過程中，主程序完成所有功能之后，中斷子程序負責中斷部分服務，并把數據輸出到LCD顯示器上，任務完成后再把主控權交給主程序。如果發現電機發生故障，則中斷子程序再次接管系統，中斷電機運行，并輸出故障信號。在故障結束或修復后重啟系統，再進入最開始情況繼續運行。當系統檢測到運行環境發生變化時都會交由中斷子程序進行中斷，并在做出判斷后繼續運行。

三、系統測試

通過搭建模擬測試平臺，驗證了本平臺對于電機的控制作用。經長時間運行，電機變速過程平穩，未出現較大抖動，恒速運轉十分穩定，效果較好。后期進行故障測試的時候，結果顯示中斷子程序能夠很好的完成中斷運行，并發出報警聲音及報警信號，從而保障電機的安全運行。

四、結束語

本文通過M.CORE的應用與分析，針對電機控制系統進行設計，得到了一個非常優秀的電機控制平臺，無論是硬件還是軟件的設計，其適應性、靈活性、穩定性都比較好。并且在日后的升級維護中，有很大的升級空間。在平臺的推廣方面，只需要很少的軟件參數改動就可以完美的實現控制平臺的移植，可以很好的節省二次開發的成本。

參考文獻：

[1]張國棟.基于嵌入式單片機的步進電機控制系統設計[J].電腦知識與技術，2011（24）.

[2]劉大維.基于嵌入式單片機的智能車控制系統研究[D].華南理工大學，2013.

[3]武書揚.基于嵌入式單片機的底盤測功機控制系統的研究[D].吉林大學，2013.

[作者簡介]陳國錦（1983-），男，廣西人，工程師，研究方向：商用空調產品研發。