昆明力倫電氣設備有限公司 周正華

嵌入式單片機在電機控制系統(tǒng)中的應用

昆明力倫電氣設備有限公司 周正華

在機器化大生產(chǎn)時代，電機的重要性作用越發(fā)突出，成為工業(yè)生產(chǎn)領域相關技術工作人員的關注重點。隨著現(xiàn)代技術的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)展現(xiàn)出前所未有的優(yōu)越性，嵌入式單片機也因其智能化的應用優(yōu)勢成為電機控制系統(tǒng)中應用范圍廣、發(fā)展前景良好的有效工具，能夠保證電機的控制系統(tǒng)更具時效性、安全性、穩(wěn)定性和應用性。本文主要介紹嵌入式單片機在電機控制系統(tǒng)中軟件應用和硬件應用，硬件提供運行環(huán)境，軟件實現(xiàn)智能化的信息加工與處理，在兩者的有效配合下電機控制系統(tǒng)的優(yōu)質(zhì)性能得以實現(xiàn)。

嵌入式單片機；電機控制系統(tǒng)；應用

引言

電機起初是通過模擬器的作用實現(xiàn)其控制系統(tǒng)功能的，以模擬器為核心構件的電機控制系統(tǒng)結構較為簡單、成本低，這在一定程度上推動了電機的廣泛應用，但在實際的操作使用中發(fā)現(xiàn)其不具備可擴展性，使電機控制系統(tǒng)運行效率難以保證。正是基于模擬器的應用缺陷，數(shù)字式控制芯片應運而生，其具備的可擴展性功能使得電機控制系統(tǒng)的運行效率得以保證。而數(shù)控式芯片也經(jīng)歷了一個逐步優(yōu)化、不斷發(fā)展的工程，使其性能不斷優(yōu)化、提高，更具實用性和便捷性。本文主要介紹了數(shù)字式嵌入式單片機的硬件及軟件應用，通過研究表明嵌入式單片機具有較好的使用優(yōu)勢，能夠提升提升電機控制系統(tǒng)的運行效率和安全性。

1.嵌入式單片機的使用條件

嵌入式單片機的應用應該以實現(xiàn)電機控制系統(tǒng)的運行要求和保證其性能為前提，主要保證實現(xiàn)電機控制系統(tǒng)的換相順序、電機轉速及電機轉向功能。

（1）控制換相順序

換相順序的控制目的是實現(xiàn)電機正常運轉工作的前提和基礎?？刂茡Q相順序也即脈沖分配，主要由軟件法和硬件法兩種方法來實現(xiàn)。其中，軟件法利用單片機發(fā)出控制脈沖信號實現(xiàn)脈沖分配，但這種方法適用的前提的是需要預先設定好通電換相順序，且耗時長；而硬件法通過脈沖分配器芯片控制通電換相順序，可以有效克服軟件法的缺陷，其應用范圍更廣。

（2）控制電機轉速

電機轉速的控制的原理是對單片機發(fā)出的脈沖信號頻率進行控制，一般有兩種方法可以實現(xiàn)：其一，通過改變延時時間來改變輸出脈沖信號的頻率，此方法同樣需要耗費大量的時間，其應用性不強；其二，通過控制調(diào)整定時器常數(shù)從而實現(xiàn)對輸出脈沖信號的控制。

（3）控制電機轉向

電機轉向的控制的原理是通過改變電機通電相序達到的，通過通電相序的控制進而實現(xiàn)對電機轉向的控制。

2.硬件應用

2.1 單片機

單片機是電機控制系統(tǒng)的主要構件之一。dsPIC20F是一款性能高、技術先進的數(shù)字控制器，它以16位單片機為核心構件，同時融合了先進的DSP技術，本文也是以此為對象展開研究的。dsPIC20F控制器具備了具備了較好的運行環(huán)境，能夠實現(xiàn)更為快速的中斷及處理功能，同時具有數(shù)字信號的高速處理能力，且其可擴展性較強，能夠較好的應對故障時間的處理。并且，dsPIC20F具有較好的相對獨立性，其內(nèi)部強大的功能儲備使其對外部環(huán)境的依賴性相對較低。采用總線不出芯片的設計能夠更好適用運行環(huán)境，增加系統(tǒng)運行的安全、可靠及簡便靈活性。

2.2 硬件電路

（1）整體硬件結構

本文的電機控制系統(tǒng)以前文所述的PIC20F控制器為核心，輔以電子轉子位置傳感器、CPU控制芯片、驅動模塊等。

硬件結構各構件的功能及應用原理：電子位置傳感器的功能是檢測電相L轉子的位置；CPU控制芯片則對轉子的位置進行數(shù)字化計算并將其轉化為電信號；驅動模塊則根據(jù)前者計算并轉化的電信號驅動電機旋轉。在電機被驅動旋轉后，CPU控制芯片會視具體的運行環(huán)境選取最優(yōu)的轉速。而在實際的電機工作過程中會存在電機實際轉速與預定轉速的誤差，這時，CPU控制芯片又會發(fā)揮作用將這種誤差轉化為偏差信號，進而利用其實現(xiàn)對驅動模塊的再控制，形成系統(tǒng)內(nèi)部的封閉式控制系統(tǒng)。

（2）電相L轉子位置檢測電路和驅動電路

霍爾位置傳感器進行電機轉子位置測定的核心構件，其內(nèi)部的的靜比部分固定在電機機座上，轉動部分則位于電機轉軸上，實現(xiàn)與轉子的共同旋轉?；魻栁恢脗鞲衅鞯膽媚軌蛴行У氐靥嵘姍C轉子位置測定的精準性和可靠性，實現(xiàn)電機控制系統(tǒng)整體性能的有效性能。

驅動電路的主要構件包括電動機、控制器及功率變換器。其中，電動機主要有三種分別為步進電機、伺服電機以及永磁直流電機。而第三種永磁直流電機因其優(yōu)越的操作簡單、易控制、易實現(xiàn)性能而成為使用范圍最廣的電動機類型，數(shù)字集成芯片LMD18200的直流電機驅動控制電路是其中比較有代表性的一種控制電路，其集成了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。此芯片正常工作電流為3A，瞬間驅動電流達6A，驅動能力較好。

3.軟件應用

系統(tǒng)多任務的管理以及調(diào)度是通過嵌入式實時操作系統(tǒng)u CLinux實現(xiàn)的，它是整個軟件平臺的中心部分。在具體的運行目的要求下，用戶調(diào)用u CLinux調(diào)度函數(shù)實現(xiàn)對任務的調(diào)度處理，并能夠在任務操作過程中實時的對任務進行切換，以確保各任務的優(yōu)先等級和處理順序。具體的操作步驟為：最優(yōu)先的等級設定為測量任務，進而進行數(shù)據(jù)預處理，最后進行驅動輸出。在任務實際完成的過程中首先要確保測量的準確性和可靠性，進而保證后續(xù)工作的順利有效進行。而且，電機故障報警功能使其能夠較好的應對各種突發(fā)故障的出現(xiàn)。嵌入式實時操作系統(tǒng)u CLinux在工作之初，會進行CPU初始化、TCB初始化、操作系統(tǒng)初始化以等初始化操作，然后創(chuàng)建新任務、子任務，最后采用OSSTART函數(shù)對任務進行調(diào)度。

4.結論

綜上所述，性能優(yōu)越的電機控制系統(tǒng)往往需要龐大的硬件系統(tǒng)的支撐。而高性能微處理器芯片以其智能化的應用優(yōu)勢極大地縮減了電機控制系統(tǒng)對硬件的依賴，并且使其運行更加的高效、穩(wěn)定，且具有成本低、耗材少、簡便易行的特點。但是，嵌入式單片機在電機控制系統(tǒng)的實際應用還要綜合考慮多方面因素，從而更好地實現(xiàn)任務需求下經(jīng)濟效益及使用使用功能的統(tǒng)籌兼顧。

[l]張軍鋒.嵌入式單片機在電機控制系統(tǒng)中的應用[J].城市建設理論研究(電子版),2015,(29):1320-1320.

[2]張國棟.基于嵌入式單片機的步進電機控制系統(tǒng)設計[J].電腦知識與技術,2011,07(24):6017-6019.