基于嵌入式單片機的電機控制系統的設計

趙興娜

（山東華宇工學院 山東省德州市 253034）

電動機作為工業領域中應用最廣泛的機電一體化設備，電動機控制是一些專業技術人員長期以來探討的項目。據調查，傳統的控制方式都是用模擬裝置來實現的，由模擬裝置組成，控制系統結構簡單，成本低。但由于系統控制功能可靠性低，等級不易提高，因此很少使用。隨著數字控制芯片的慢慢崛起，電機控制也得到了飛速發展。主流的DSP 芯片也在慢慢替代傳統的51 芯片，正是由于這些高性能的芯片的使用，才使得我們操控電機的方式更加簡單。基于該方法，傳統的控制系統性能得到了極大地提升。本文對嵌入式處理器其在電機控制中的應用于改良進行了論述，以及控制功能的實現，總結了塊式宏處理器在電機控制中的應用經驗，以供參考。

1 硬件平臺設計

1.1 主控單元的選擇

要想使電機的性能得到提升，選用性能更加強大的處理器才是關鍵，于是我們便選用了dsPIC20F 芯片。采用高性能16 位數字信號控制器的DsPIC20F 系列芯片結合了單芯片和DSP 技術。基于16 位宏處理器，dsPIC20F 系列芯片具有去全新的配置和強大的處理能力，因此它配備了高速數字的處理器。另外，如果遇到異常事件，他也可以具有良好的表現。由于dsPIC20F 芯片配置很高，因此dsPIC20F 平臺開發所需要的外置輔助設備也就很少，因此在進行方案設計時，就可以使用這種芯片來代替傳統芯片。由于他的高性能高配置以及可靠性強的優點，就能滿足在各種不同的環境下均可以正常運行的條件。這樣下來既節省了資金，也節約了研發時間。

1.2 硬件電路設計

1.2.1 主要硬件結構設計

圖l 顯示了基于dsPIC20F 的電機控制系統的總體結構。電動機控制系統的總體工作原理是：首先，利用電子轉位傳感器檢測當前電動機的轉位位置，由主控芯片計算出電動機的轉位位置，然后由主控芯片將轉位信息輸入驅動模塊，由主控芯片輸入預置控制指令。因此在適當的模塊進行電流輸出，保證電機的平穩性，再通過馬達旋轉。在這些檢測步驟全部完成之后，驅動電機旋轉，由CPU主控芯片根據電機轉子位置傳感器脈沖信號的寬度計算出電機當前的轉速，并與設定轉速比較，得到電機的轉速偏差信號；起始點速度偏差信號被轉換成相應的控制信號反饋電機，實現閉環控制。

1.2.2 機轉子位置檢測電路的設計

在電機上安裝傳感器，可以有效地檢測電機轉子的位置。通過傳感器對電機轉子進行位置檢測，將傳感器的分為靜止的部分和轉動部分，靜用電機支架來支撐靜止的部分，而轉動部分與電機轉子的轉子同步轉動，并與開齒擋板連接。通過特殊方式，使電子元件產生高頻信號，以達到確定轉子電機位置的目的。再通過三個原件不同的輸出狀態，確定其磁極位置。霍爾位置傳感器的使用，提供了調節電機轉速的基本參數，也提高了電機控制系統的整體性和可靠性。

圖1：電機控制系統整體結構圈

圖2：任務調度流程圖

1.2.3 驅動電路設計

驅動電路通常包括控制器，變頻器，電機三大部分。本設計使用比較廣泛的直流電機，主要有永磁直流電機，伺服電機，步進電機三種。電機控制簡單，DC 性能良好，DC 電源也可簡單實現。本論文采用專用數字驅動芯片，實現了電機的直流驅動。下面介紹一種由LMM8200 數字集成芯片實現的驅動控制電路。LMDA8200是一種特殊的H 橋接模塊，它由美國半導體公司銷售的直流電機驅動，它的CMOS 控制電路與DMS 電源設備集成在同一芯片上。晶片瞬時驅動電流可達6A，正常運行電流可達3A，驅動能力強，無“斷電”電流。此外，芯片上還設有過電流保護測量電路，通過測量LMul8200 的8 個輸出端的電壓值，比較其過電流保護功能與給定電壓值，實現對輸出的保護。執行電路的過流保護功能。此外，LMUL8200 的5 個腳是PWM 波輸入端，通過改變PWM 的占空比可以調節電機的旋轉速度，如果改變3 個腳的高低電平，就可以控制電機的正反轉。傳動功率大，穩定性好，使用方便，安全可靠。

直流驅動控制電路所使用的數字集成控制芯片，比采用采用原來的芯片要簡單得多，極大地減少了單片機控制主板的面積，而采用電機控制板的麥克風可實現工業化生產。舉例來說，速度控制，它是電動機的主要控制功能，當數位驅動集成芯片LMult8200 接收到主體的請求命令時，需要通過內部的智能系統來判斷是否需要工作，通過主體芯片將指令信息傳遞給電動機控制，表明是否需要加速或減速。芯片LMDAl8200 在接收芯片中的倍頻指令時，即加速指令后產生倍頻輸出指令，接收減速指令后輸出倍頻指令，根據頻率的變化對直流電機進行控制，以達到快速控制的目的。

圖3：機控制系統仿真測試結果圖

2 軟件平臺的設計

2.1 軟件控制功能的劃分與調度

通過對嵌入式操作系統的研究統，設計出了一個軟件平臺，而多任務系統則是在由Clinux 調度和管理。實時性多任務操作系統應用的實時性取決于任務的優先級，遇到特殊情況是，用戶可以使用IzClinux 的功能進行解決，他就會從已有的任務中自動選取優先級最高的任務，然后對其執行切換操作。針對電動機實際控制的具體要求，按照任務劃分的原則，對應用軟件進行了任務分類：

（1）基本功能的測試任務包括：測試，數據預處理，驅動輸出等。由于這些任務的實時性非常高，而且非常可靠，因此擁有極高的優先權和測量優先權，取樣資料的預處理應按要求采用低通濾波。

（2）保護器功能：可以在電機發生故障時做出報警提示，最高優先級。

（3）人機交互功能：可以顯示出工作電機的轉速和溫度等信息，最低優先級。

例如，IxClinux 應用系統初始化了CPU，初始化了操作系統，初始化了主任務控制塊(TCP)，初始化了TCB 優先度表，生成了空閑任務，在新生成的任務中來對新的任務進行創建，之后再通過OSTSTART(函數調用)進行調試。整體流程任務表如圖2所示。

2.2 軟件控制程序設計

主程序與斷路器服務程序組成電機控制系統，實現了人機界面的維護，事件的記錄，數據的計算，參數的更新等。中斷服務子程序可實現斷路器的故障診斷、AD 轉換、不同輸入輸出方式的切換、智能更新、斷路是自動啟動等功能。該通過對程序數據的收集和控制來更新控制系統，根據任務數據，可以將系統程序分成以下幾點：數據的采集，數據的處理，數據的液晶顯示，數據存儲等模塊。根具不同用戶對收集數據時使用的不同參數(例如 A/D 信道、收集頻率)，收集外部信號并將其發送給數據處理模塊。數據處理模塊采用數字濾波的方法采集數據，取 I/O 均值旁邊的數據進行濾波，數據處理模塊采用普通數據緩沖器、液晶模塊或網絡進行數據顯示。按照調整程序進行液晶屏模塊具有一般用戶所需的數據緩沖功能，數據存儲模塊將數據存儲在閃光模塊中。如安裝鍵盤模組，則可現場對應。由電機控制裝置設定采集參數。

3 綜合模擬分析試驗

為了驗證內置式單片機馬達能否做出可行且可靠的控制方案，需要將整個硬件電路做一次系統模擬實驗。本系統不僅完全支持SPICE3F5 模擬引擎開發的模擬、數字、模擬軟件，以及基于模擬電子系統的混合模擬軟件，還支持基于MCS15l 的宏流的設計系統進行處理，以及基于 AVR 和 PIC 系列的微型計算機模擬系統。采用 dsPIC 20 F 模塊庫加載方法，實現了 PIC 單片機控制系統中電路的建模。ORION oteus 模擬系統，其模型庫與硬件電路完全一致，具有良好的可用性，在模擬電路的操作過程中，硬件電路都是按照以下步驟來模擬的。

（1）首先在Proteus 中建立符合設計方案的模擬模型，在Proteus 中進行實際建模時，無需對硬件電路進行重構，直接通過電路原理設計軟件將硬件電路輸出到模型庫中，如果Proteus 將模型線裝入Bruri，則可以通過Proteus 建模。

（2）引擎控制裝置。Protoeus 通過仿真軟件對系統的單片機主注入控制程序進行編譯和調試，調試通過后生成“.HEX”文件。

（3）運行模擬軟件Proteus，打開加載的模擬電路模型，從模型庫中選擇dsPIC20F 模型，將".HEX"加載到ProgrameFile 中，打開文件，單擊"OK"即可進行模擬。

（4）為了使電機控制的效果更加直觀，本文設計了數據源的宏處理器。仿真過程比較復雜，例如使用虛擬傳感器收集參數數據，如馬達的旋轉速度和電流，或者使用虛擬顯示終端采集數據，因此這里作為單芯片控制系統的數據采集源，使用周期半正弦信號發生器。如果硬件電路設計能夠順利實現控制功能，則電機接收的輸出控制信號也應該是周期半正弦波形，這樣可以通過設置電機側的波形顯示來觀察控制效果。

（5）設定以上步驟后開始模擬，就可以模擬這個宏機器控制系統了。仿真結果如圖3所示。

如圖3中所示，所設計的正交軸是時間，信號源采樣頻率高，數據量大，這里只采樣1 分鐘。縱軸為資料軸。從波形圖上可以看到，數據代表的是正弦曲線，控制效果達到了可執行性。它是由4 種不同顏色的正弦波曲線組成，并分別設定不同的采樣頻率，通過數據通訊實現。綠量是采樣頻率最低的通信結果，由于這樣的單片機控制系統低頻特性不好，預計會出現電機參數采集丟失或測量誤差。工廠另一方面的控制應用。

4 結束語

采用高性能單片機芯片，即使結構簡單，也能夠實現復雜的功能；本文以dsPIC30F6014 的高性能的制動器信號裝置為研究對象，相較于普通的系統來說，速度不僅得到了提升，同時還采用了單芯片硬件的控制結構，使得電路設計簡潔，開發周期短，開發成本低。總線芯片的設計思想已基本實現。綜合控制平臺為控制系統。這是一個集成的硬件平臺，通過對軟件進行適當修改以適應不同的需要，使其適用于電動機、變壓器、FM 調速系統的保護。