基于嵌入式單片機的電機控制系統設計

金巨波

（黑龍江財經學院，黑龍江 哈爾濱 150025）

基于嵌入式單片機的電機控制系統設計

金巨波

（黑龍江財經學院，黑龍江 哈爾濱 150025）

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

電機控制系統；嵌入式單片機；硬件設計；軟件平臺設計

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

1 電機控制系統基于嵌入式單機片設計的內容

1.1 單機芯片體系的構建

在進行單機芯片的基礎構建時，首先需要對電機的基礎結構進行相應的分析.一般情況下，其會使用三相異步電動機.其內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，主電路系統較為簡單，并沒有過多的結構變化.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以及反轉，還能對單機片的停止以及運轉進行明確的控制.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芯片逐步地發展為DSP芯片的過程中，單片機的設計已經逐漸地得到了完善.其數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建過程中，其電機的控制與單片機還存在協調性的問題.尤其是在電機高速的運轉的過程中，其芯片體系結構還需要采用多種不同的方法進行相應的改善.其單片機也時常會出現運行不夠穩定的情況.所以，在進行設計的過程中，其需要做好電流的過流保護工作.從而讓單機片芯片的驅動功率逐漸地變大.并且有一個良好的運轉.

1.2 嵌入式單機片設計的意義

嵌入式單機片在電機中的應用十分的廣泛.其不僅具備穩定性好，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合，實現電機多方面的功能.同時其還能將數字電路全面的應用到嵌入式單機片的整體設計之中.這樣，電機在運行的過程中，就能通過單機片以及數字電路的共同作用實現自動化的控制.而且隨著高級單機片的面世.用極其簡單的硬件結構去實現較為復雜的電機功能也成為可能.其能夠讓電力體系結構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定性得到了全面性的提升.

2 電機控制系統基于嵌入式單片機的硬件設計

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技術相結合的高性能16位數字的信號控制器.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環境中，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部資源，基于dsPIC20F平臺開發的電機控制系統，在硬件整體設計方案中，僅僅需要很少的外設，這樣不僅能夠滿足裝置的可靠性和抗干擾性，還能夠實現總線不出芯片的設計，在各種環境及工況下運行的要求下，在降低開發成本、縮短開發時間的同時，還需要提升系統的靈活性.在進行選型的過程中，還要結合其整體的體系結構進行綜合性的選型.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 硬件電路的設計

2.2.1 總體硬件結構設計

基于dsPIC20F的結構設計非常重要，電機控制系統可以檢測電機轉子的情況，當這主要是有電子轉子位置的傳感器來檢測的，在電子轉子通過控制芯片時，把它的位置細心發送到驅動模塊上，用早就設置好的指令，讓控制芯片決定向驅動模塊輸出的驅動邏輯電平情況，通過驅動電機的旋轉，對轉子位置進行檢測，根據實際的運作條件，讓合適的電機轉速進行輸出，通過轉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計的速度進行對比，就會出現轉速偏差，通過主控芯片的傳輸，可以將這個偏差的信號，轉變成相應的控制信號，最后，將得到的控制信號發送給電機.這種閉環控制的應用，能夠準確的核算實際的控制信號.

2.2.2 電機轉子位置檢測電路的設計

霍爾位置傳感器是可以電機轉子的位置進行檢測的.霍爾位置傳感器可以分為轉動和靜止兩個部分，首先，把靜止的那部分牢牢地固定在機座上，而轉動的部分固定在轉軸上，轉動部分隨著轉子一起轉動，對遮光盤齒部的遮擋進行操作，可以產生高低不同的電平信號，這樣，就可以把轉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，將轉子的磁極信息記錄下來，用霍爾位置傳感器，可以實現對電機轉子的信息監測，把基本的調整參數和控制參數提供給電機，保證了數據的精準，有利于提升整個電機的控制系統.

2.2.3 驅動電路的設計

驅動系統是由電動機、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，這使得直流電機擁有較為出眾的性能.對于直流電機的驅動，在本論文中主要采用對是專用數字驅動芯片.一般情況下，控制電路的是用數字集成芯片LMD18200電機控制芯片進行設計的直流電機.

3 電機控制系統基于嵌入式單片機的軟件平臺設計

3.1 軟件功能的劃分

在平時的操作過程中，一般使用系統uClinux來操作，這個系統可以對多個任務進行調度，因為它具有操作多個任務的程序，系統的任務中斷決定著他的實時性，調用pClinux的任務調度函數，用戶也就可以從就緒任務中調度函數，找到優先級最高的任務.進行切換操作.結合電機的實際控制的具體要求，按照基本的任務劃分原則，能夠將應用軟件分為以下幾類任務：

①人機交互功能：電機轉速和溫度顯示器顯示等.

②有超前的預防性：對電機進行保護，一旦出現故障，它具有報警的功能.

③測控性強：測控數據的可靠性強，實時的操作性高.對數據可以進行預處理.

3.2 軟件控制程序設計

對于電機控制的系統任務而言，通過本地數據的采集程序能夠實現系統任務.根據實際任務的不同，可以將本地數據的采集程序分為以下幾個模塊，例如：數據保存模塊、LCD模塊、數據處理模塊、數據采集模塊等，按照不同用戶設定的不同控制參數，利用數據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，對于采集到的數據可以送到數據處理模塊；對于采集到的實際數據可以利用數據處理模塊進行數字濾波操作，在本系統中主要采用取相鄰10個數據平均值的濾波方法，這樣能夠取得較為準確的結果，數據處理模塊能夠將濾波后的數據存入公共的數據緩沖區，這樣可以提供LCD模塊顯示或者供網絡服務程序進行使用；LCD模塊的主要職能是按照用戶的實際需求，可以將公共數據緩沖區的數據顯示出來；按照一定的格式，可以對采集到的數據進行保存，使用數據保存模塊保存到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，提供給用戶在現場對電機設備進行控制的手段，能夠方便用戶快捷的獲取需要用到的設定采集的參數.

4 結語

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

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TM301.2

A

1673-260X（2017）09-0047-02

2017-05-14

黑龍江省教育科學規劃課題（GJB1316070）