嵌入式單片機在電機控制系統中的應用

劉 穎

（四川信息技術職業技術學院，四川廣元，628017）

嵌入式單片機在電機控制系統中的應用

劉 穎

（四川信息技術職業技術學院，四川廣元，628017）

在工業領域，電機的運行狀態關系到生產的效率和安全，是廣大機電控制技術人員關注的重點。隨著數字式控制系統的發展，嵌入式單片機在電機控制系統的應用越來越廣發，對電機的控制更加的安全、可靠，能使電機長時間處于良好的工作狀態，其穩定性也得到了顯著的提升。嵌入式單片機在電機控制系統中的應用可以分為軟件應用和硬件應用，硬件提供基本的物理框架支撐，軟件提供基本的信息、數據處理渠道，也只有這樣，才能有效提升電機控制系統的性能，這也是建立高速實時電機控制系統的前提。

嵌入式單片機；電機控制系統；應用

0 引言

在很長的一段時間內，電機的控制主要是通過模擬器件實現，對電機的廣泛應用具有一定的推動作用。以模擬器件為核心的電機控制系統的優勢是安裝簡單、成本低廉，但缺點是不具有可擴展性，極大地限制了電機控制系統的提升，而數字式控制芯片的出現很好地解決了上述問題。對于數字式控制芯片而言，其發展有一個從51芯片到DSP芯片的歷程，在這個過程中，數字式控制的性能越來越高，結構越來越簡單。在無刷直流電動機控制系統中，應用最廣泛的是DSP芯片，為嵌入式單片機的應用提供了一個良好的信息環境。通過本文的論述，筆者發現，嵌入式單片機不僅能提升電機控制系統的運行速度和抗干擾性，還能簡化并保護電路，甚至能通過修改軟件來擴展控制系統的功能，極大地豐富了嵌入式單片機的應用范圍，比如變壓器保護控制系統、變頻系統等，是控制系統發展的里程碑。

1 硬件應用

1.1 單片機

為了提升電機控制系統的性能，筆者認為應選擇功能較強的單機片（MCU）。dsPIC20F是一款以16位單片機為核心并結合DSP技術的數字系統控制器，滿足性能高的要求，本文以此為例來展開論述。在功能強大的外圍設備支撐下，dsPIC20F不僅具有較強的快速中斷處理能力，還能對數字信號進行高速處理。由于具備較強的可擴展性，其支持軟件的修改、功能的增減以及異常事情的處理。dsPIC20F對外設硬件的依賴較低，通過豐富的內部資源就可以實現基本的控制功能。為了提升單片機的適應能力，確保能在各種工況以及環境下良好運行，可采用總線不出芯片的設計，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發難度，對系統的靈活性也大有裨益。

1.2 硬件電路

1.2.1 整體硬件結構

本文設計的電機控制系統以dsPIC20F為核心，輔以電子轉子位置傳感器、CPU控制芯片、驅動模塊等，其整體硬件結構如圖1所示。應用方法如下：電子轉子位置傳感器主要負責檢測電機轉子的位置，CPU控制芯片負責計算轉子位置并把計算結果轉化為電信號，驅動模塊根據CPU控制芯片給出的電信號驅動電機旋轉。電機旋轉后，CPU控制芯片根據電機的當前速度工況條件選擇最合適的電機轉速。電機的當前速度可通過計算轉子位置傳感器脈沖信號的寬度得出。電機的實際旋轉通常與設定速度存有一定的差異，CPU控制芯片會把這種差異轉為偏差信號，這種偏差信號會成為驅動模塊的控制指令，實現對電機的再控制，完成閉環控制。

圖1 電機控制系統整體結構圖

1.2.2 電機轉子位置檢測電路

霍爾位置傳感器是檢測電機轉子位置的核心構件，分為靜止部分和轉動部分，前者固定在電機機座，后者固定在電機轉軸上，隨轉子同步旋轉，是一個開有齒、槽的遮光盤。應用方法如下：遮光盤的齒部被遮擋時產生高電平信號，不遮擋時產生低電平信號，通過比較電平信號的差異來確定轉子位置信息，通過比較霍爾元件的輸出狀態來確定轉子的磁極位置。霍爾位置傳感器的應用極大地提升了電機轉子位置檢測的可靠性和精準性，對電機轉速的調整和控制提供了有力的參數支撐，有效提升了電機控制系統的性能。

1.2.3 驅動電路

電動機、控制器、功率變換器是驅動電路的核心構件，電動機分為步進電機、伺服電機以及永磁直流電機。永磁直流電機應用較為廣泛，不僅直流電源容易實現，還具有性能出眾、控制簡單的特點，本文以采用數字集成芯片LMD18200的直流電機驅動控制電路為例展開論述，數字集成芯片LMD18200集成了DMOS功率器件和CMOS控制電路，是專用于直流電動機驅動的H橋組件，由美國國家半導體公司研發。該芯片正常工作電流可達3A，無“shotthrough”電流，瞬間驅動電流可達去6A，具有很強的驅動能力。此外，該芯片內部電路還具有過流保護的功能，給定一個電壓，然后與LMD18200的8腳輸出端電壓進行比較，當輸出端電壓超過給定電壓時，會采取相對應的降壓措施，繼而實現過流保護功能。電機正反轉的控制可通過改變LMD18200的3腳的高低電平實現，電機的速度的調節可通過改變LMD18200的5腳的PWM波輸入端的占空比實現。總之，以LMD18200為核心的驅動電路具有穩定性好、可靠安全、功率大、容易實現能優勢。與以分離元件為核心的驅動控制電路相比，以LMD18200為核心的驅動控制電路更加的簡化，單片機控制主板的面積也更小，有效促進了電機控制板的微型化發展。具體的應用方法如下：程序內部只能判斷加速或減速需要，主MCU據此向數字驅動集成芯片LMD18200下達指令，LMD18200芯片產生頻率加倍或減倍的輸出指令，加倍輸出指令會控制直流電動機加速運轉，減倍輸出指令會控制直流電動機減速運轉，繼繼而實現對電機運轉速度的控制。

圖2 任務調度流程圖

2 軟件應用

系統多任務的管理以及調度是通過嵌入式實時操作系統μCLinux實現的，是軟件平臺的核心組件。根據電機控制的具體要求，用戶調用μCLinux的任務調度函數對任務進行處理，通過任務切換操作，確保就緒任務中的優先任務及時得到處理，繼而完成電機的實際控制需要。具體應用方法：把測量設為最優先等級，其次是數據預處理，然后是驅動輸出。首先保證測量任務的可靠性以及實時性，然后對測量數據作低通濾波處理，采樣數據預處理后才能驅動輸出。電機故障報警功能使其具備較強的故障保護能力，相關的任務根據輕重環境可只能劃定優先等級。人機交互功能的優先級最低，主要功能是通過顯示器顯示電機轉速和溫度。嵌入式實時操作系統μCLinux工作時，會先進行一系列的初始化操作，比如CPU初始化、主要任務控制塊初始化（TCB）、操作系統初始化以及優先級表初始化，然后進行新任務創建、空任務創建，甚至在創建子任務，最后采用OSSTART函數對任務進行調度，具體流程如圖2所示。

3 結論

傳統意義上的電機控制系統非常依賴硬件結構，控制功能越多、控制性能要求越高預示著硬件結構就越復雜、龐大，而高性能微處理器芯片的出現極大地降低了電機控制系統對硬件的依賴，使得電機控制系統能在較為簡單的硬件結構下進行及時、高效的控制操作，在提高運行速度的同時，還能降低開發成本和時間，簡化電路，而簡化電路有利于機控制系統的抗干擾性和可靠性的進一步提升。不過，對于嵌入式單片機在電機控制系統中實際應用，還是要綜合考慮多方面的因素，根據控制要求、經濟條件、擴展需要以及具體工況條件選擇最合適的嵌入式單片機，實現經濟效益和使用功能的雙重實現。

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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

國家自然科學基金（00000000）；國家高技術研究發展計劃(863計劃)（2008AA000000）