基于微控制器的多电机同步控制算法与系统设计

刘立

摘 要：多电机控制技术在工业中具有广泛的用途。分析了微控制器的基本概念和多电机同步控制系统的组成，并对基于微控制器的多电机同步控制算法与系统设计进行了分析和阐述。

关键词：微控制器；多电机；系统设计；同步控制算法

中图分类号：TM301.2 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.22.068

当前，多台电机的系统设计均以微控制器为基础。研究基于微控制器的多电机同步控制算法和系统设计，对提升多台电机联合运行效率、开发多台电机的运行潜力有着极为重要的意义，也是当前多台电机联合运行研究领域的重要研究方向。

1 微控制器简析

1.1 分类方式

微控制器的分类方式较多。我们既可以根据数据总线的宽度将其分为8位机、16位机和32位机，也可以根据存储器的具体结构将其分为Harvard结构和Von Neumann结构，还可以根据其组成结构中程序存储器的不同将其分为OTP、掩膜、EPROM/EEPROM和闪存Flash等不同类型的微控制器。

1.2 程序存储器

程序存储器是微控制器的重要组成部分。我们可以根据数据总线的宽度将其存储器在逻辑上分为成对的8 KB、16 KB或32 KB等不同的种类，然后使用不同的闪存单元来支持相应的应用编程。

1.3 运行模式

运行模式对微控制器的影响是非常显著的。在启动微控制器的器件之后，根据其运行模式的设定，可以执行驻留于器件内部专用ROM的加载程序。在这一过程中，每当收到一个回车符号，其内部的串口就能执行自动的波特率功能，并且还能与主机的波特率同步。除此之外，在分析其运行模式的过程中，由于其具有简单的引导加载程序接口，因此实际上允许其使用几种方法来实现PC机与目标微控制器间的通信。

2 多电机同步控制系统分析

图1 多电机同步控制系统框架图

多电机同步控制系统的结构如图1所示。由图1可以看出，多电机同步控制系统是由同步控制器、工控机、协议转换器和变频器组成。其中，同步控制器具有最重要的通讯、检测、控制三大功能模块，是整个控制系统的核心；协议转换器是上位机与同步控制器之间的桥梁，其主要功能就是实现协议的转换记忆同步传动参数的双向传递；变频器的主要功能是驱动同步电机。一般情况下，一块同步控制器能够实现对五路电机的同步控制。

3 多电机同步控制算法与系统设计

3.1 PID控制算法

PID控制算法是基于微控制器的多电机同步控制算法的基

础和前提，主要是以比例、积分和微分为理论基础的控制算法。在PID控制算法40余年的应用过程中，其对诸多新兴控制策略的诞生和完善都起到了重要作用。根据该算法在多电机领域中的应用，其作为一个低阶和可预测的控制算法，始终具有良好的控制效果。

计算多电机同步控制系统的偏差的基本公式为：

e（t）=c（t）-r（t）. （1）

3.2 模糊控制算法

模糊控制算法对基于微控制器的多电机同步控制算法的重要性是不言而喻的。这一控制算法诞生于1965年，其以非线性和时变系统为理论基础，至今得到了很好的发展。该算法是语言类型的控制工具，这意味着它能够便利地被人类的逻辑和意识所理解与应用。在模糊控制算法的基本结构中，知识库为最上层结构，然后下端分别为输入隶属度函数、推理规则和输出隶属度函数。知识库使精确输入通过模糊化、模糊推理和反模糊化之后最终得到精确的输出。

讨论各种模糊现象离不开相应隶属函数的计算。建立模糊隶属函数的方法较多，不同的模糊问题有不同的方法。通常采用的方法有两种，分别是统计规律法和随机分割法。

3.2.1 统计规律法

在概率论中，经常使用统计规律法计算古典概率，例如在n次试验中，事件A发生的概率P（A）为：

P（A）= . （2）

古典概率的定义、方法同样适用于隶属函数，其中，P（A）相当于隶属函数μA（u），n表示论域U中的一群元素，“A事件出现的次数”用“u属于模糊子集A的次数”表示，则：

μA（u）= . （3）

概率是事件A可能出现的可能性，隶属函数是元素u从属于子集A的程度。前者充满随机性，后者则呈现出客观模糊性。

3.2.2 随机分割法

采用统计规律法求得的是隶属函数的值，而不是函数，采用随机分割法可求出隶属函数的值。这种方法的要点是随机分割模糊统计试验模型。在分割时，注意要使用模糊概念，例如把体积划分成特大、大、较大、中、较小、小、特小等七个不同的级别。

现采用三分法。所谓“三分法”，就是指把讨论的空间Ω划分成三个子空间A1、A2、A3，且设A1、A2的分界点（面）为ξ，A2、A3的分界点（面）为η.这样，如果确定了（ξ，η），就确定了一次分割。

随机分割法把（ξ，η）看作是一对随机变量，在抽样调查中求出ξ，η的概率分布，再推导出隶属函数μAi（u）。其中，i是子空间数。如果是3个子空间，则i=1，2，3.

使用随机分割法计算隶属函数的公式如下。

设（ξ，η）是满足p（ξ，η）=1的一组连续随机向量，又假设（ξ，η）的每次取值对应一个映射e，则e（ξ，η）︰Ω→U={A1，A2，A3}，且：

e（ξ，η）（x）= . （4）

则3个模糊子集对应的3个隶属函数由下列公式确定：

. （5）

. （6）

. （7）

式（4）（6）中：Pξ（u）和Pμ（u）分别为ξ和μ的边缘分布密度函数。

3.3 控制方式选择

控制方式选择是基于微控制器的多电机同步控制系统设计的核心内容之一。在控制方式选择的过程中，有主从式结构和平行式结构可供选择，工作人员在选择时需要考虑多个方面的因素，例如传动要求和精度、性价比和控制能力等。在选择空中方式时，工作人员应当注意到其具有一定的滞后性。这一滞后性主要是由其结构形态和其他因素所决定的。

3.4 网络结构设计

网络结构设计是基于微控制器的多电机同步控制系统设计的重中之重。在网络结构设计的过程中，工作人员应以上位PC机器、CAN总线和DSP控制板为结构的支点。除此之外，CAN总线能够使PC机器更好的通讯，这一通讯对象也包括CAN总线本身。

3.5 通信模式设计

通信模式设计是基于微控制器的多电机同步控制系统设计的关键环节。在通信模式设计中，CAN总线有效实现了上位机与下位机之间的通信。这意味着上下位机能够通过总线建立联系，所以在通信模式的设计过程中，工作人员应当以主电机的转速信号为通信信号，以DSP为基础设计同步算法，由此跟踪主电机的转速信号，使主电机与从电机之间能够达到同步，并进行有效的信号通信。

4 结束语

在设计系统之前，首先应全面了解微控制器的基本概念、运行方式和组成结构等基本信息，然后在此基础上通过大量的技术实践，不断促进我国多电机同步控制算法与系统设计整体水平的有效提升。

参考文献

[1]张新平.四电机分部传动机纱机的控制系统研究[D].杭州：浙江大学，2013.

[2]陈曦.造纸机分部传动多电机同步控制系统研究[D].济南：山东大学，2012.

[3]潘杰.无轴传动技本在印刷机上的应用[J].印刷杂志，2013（10）.

〔编辑：王霞〕