嵌入式單片機的電機控制系統設計

摘要：工業領域對電機的使用較為廣泛，所以電機控制的研究成為很多專業人士關注的重點。傳統的電機控制系統主要是利用模擬器對整個系統進行控制。雖然它的組成結構較為簡單、造作性較強、成本較低，但是它的控制工作可靠程度低，而且不利于進行完善和升級。所以，人們開始利用數字式來代替傳統的形式，對控制系統進行改進。通過嵌入式單片機實現電機控制工作，是利用先進的數字技術來實現控制工作的簡化操作，并且能進一步提高系統性能。

關鍵詞：電機控制系統;嵌入式單片機;硬件設計

一、電機控制系統基于嵌入式單片機的硬件設計

1.1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。

1.2硬件電路的設計

1.2.1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。

1.2.2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。

1.2.3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。

二、電機控制系統基于嵌入式單片機的軟件平臺設計

2.1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。

2.2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。

三、結語

隨著現代科技的不斷進步，芯片的性能也將不斷提高，這樣就可以實現利用簡單的硬件設計完成復雜的控制工作。與其他的電機控制系統相比，本文提到的數字信號控制系統優勢明顯，不僅實現了電路的簡化設計，而且降低了研發成本和時間消耗。既大大簡化了硬件結構，又提高了系統的運作速度和工作性能，且實現了將所有連線設計在芯片控制范圍內，一定程度上提高了系統工作的可靠性和抗干擾能力。在硬件系統的正常運行下，操作者可以根據自身的不同需求設置軟件，以滿足自身需要。

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（作者單位：遼寧科技學院）

作者簡介：姚穎，1980年3月，女，漢族，講師 碩士研究生 ?遼寧本溪 碩士研究生，研究方向：控制理論與控制工程。