基于嵌入式单片机的电机控制系统的设计

赵兴娜

（山东华宇工学院 山东省德州市 253034）

电动机作为工业领域中应用最广泛的机电一体化设备，电动机控制是一些专业技术人员长期以来探讨的项目。据调查，传统的控制方式都是用模拟装置来实现的，由模拟装置组成，控制系统结构简单，成本低。但由于系统控制功能可靠性低，等级不易提高，因此很少使用。随着数字控制芯片的慢慢崛起，电机控制也得到了飞速发展。主流的DSP 芯片也在慢慢替代传统的51 芯片，正是由于这些高性能的芯片的使用，才使得我们操控电机的方式更加简单。基于该方法，传统的控制系统性能得到了极大地提升。本文对嵌入式处理器其在电机控制中的应用于改良进行了论述，以及控制功能的实现，总结了块式宏处理器在电机控制中的应用经验，以供参考。

1 硬件平台设计

1.1 主控单元的选择

要想使电机的性能得到提升，选用性能更加强大的处理器才是关键，于是我们便选用了dsPIC20F 芯片。采用高性能16 位数字信号控制器的DsPIC20F 系列芯片结合了单芯片和DSP 技术。基于16 位宏处理器，dsPIC20F 系列芯片具有去全新的配置和强大的处理能力，因此它配备了高速数字的处理器。另外，如果遇到异常事件，他也可以具有良好的表现。由于dsPIC20F 芯片配置很高，因此dsPIC20F 平台开发所需要的外置辅助设备也就很少，因此在进行方案设计时，就可以使用这种芯片来代替传统芯片。由于他的高性能高配置以及可靠性强的优点，就能满足在各种不同的环境下均可以正常运行的条件。这样下来既节省了资金，也节约了研发时间。

1.2 硬件电路设计

1.2.1 主要硬件结构设计

图l 显示了基于dsPIC20F 的电机控制系统的总体结构。电动机控制系统的总体工作原理是：首先，利用电子转位传感器检测当前电动机的转位位置，由主控芯片计算出电动机的转位位置，然后由主控芯片将转位信息输入驱动模块，由主控芯片输入预置控制指令。因此在适当的模块进行电流输出，保证电机的平稳性，再通过马达旋转。在这些检测步骤全部完成之后，驱动电机旋转，由CPU主控芯片根据电机转子位置传感器脉冲信号的宽度计算出电机当前的转速，并与设定转速比较，得到电机的转速偏差信号；起始点速度偏差信号被转换成相应的控制信号反馈电机，实现闭环控制。

1.2.2 机转子位置检测电路的设计

在电机上安装传感器，可以有效地检测电机转子的位置。通过传感器对电机转子进行位置检测，将传感器的分为静止的部分和转动部分，静用电机支架来支撑静止的部分，而转动部分与电机转子的转子同步转动，并与开齿挡板连接。通过特殊方式，使电子元件产生高频信号，以达到确定转子电机位置的目的。再通过三个原件不同的输出状态，确定其磁极位置。霍尔位置传感器的使用，提供了调节电机转速的基本参数，也提高了电机控制系统的整体性和可靠性。

图1：电机控制系统整体结构圈

图2：任务调度流程图

1.2.3 驱动电路设计

驱动电路通常包括控制器，变频器，电机三大部分。本设计使用比较广泛的直流电机，主要有永磁直流电机，伺服电机，步进电机三种。电机控制简单，DC 性能良好，DC 电源也可简单实现。本论文采用专用数字驱动芯片，实现了电机的直流驱动。下面介绍一种由LMM8200 数字集成芯片实现的驱动控制电路。LMDA8200是一种特殊的H 桥接模块，它由美国半导体公司销售的直流电机驱动，它的CMOS 控制电路与DMS 电源设备集成在同一芯片上。晶片瞬时驱动电流可达6A，正常运行电流可达3A，驱动能力强，无“断电”电流。此外，芯片上还设有过电流保护测量电路，通过测量LMul8200 的8 个输出端的电压值，比较其过电流保护功能与给定电压值，实现对输出的保护。执行电路的过流保护功能。此外，LMUL8200 的5 个脚是PWM 波输入端，通过改变PWM 的占空比可以调节电机的旋转速度，如果改变3 个脚的高低电平，就可以控制电机的正反转。传动功率大，稳定性好，使用方便，安全可靠。

直流驱动控制电路所使用的数字集成控制芯片，比采用采用原来的芯片要简单得多，极大地减少了单片机控制主板的面积，而采用电机控制板的麦克风可实现工业化生产。举例来说，速度控制，它是电动机的主要控制功能，当数位驱动集成芯片LMult8200 接收到主体的请求命令时，需要通过内部的智能系统来判断是否需要工作，通过主体芯片将指令信息传递给电动机控制，表明是否需要加速或减速。芯片LMDAl8200 在接收芯片中的倍频指令时，即加速指令后产生倍频输出指令，接收减速指令后输出倍频指令，根据频率的变化对直流电机进行控制，以达到快速控制的目的。

图3：机控制系统仿真测试结果图

2 软件平台的设计

2.1 软件控制功能的划分与调度

通过对嵌入式操作系统的研究统，设计出了一个软件平台，而多任务系统则是在由Clinux 调度和管理。实时性多任务操作系统应用的实时性取决于任务的优先级，遇到特殊情况是，用户可以使用IzClinux 的功能进行解决，他就会从已有的任务中自动选取优先级最高的任务，然后对其执行切换操作。针对电动机实际控制的具体要求，按照任务划分的原则，对应用软件进行了任务分类：

（1）基本功能的测试任务包括：测试，数据预处理，驱动输出等。由于这些任务的实时性非常高，而且非常可靠，因此拥有极高的优先权和测量优先权，取样资料的预处理应按要求采用低通滤波。

（2）保护器功能：可以在电机发生故障时做出报警提示，最高优先级。

（3）人机交互功能：可以显示出工作电机的转速和温度等信息，最低优先级。

例如，IxClinux 应用系统初始化了CPU，初始化了操作系统，初始化了主任务控制块(TCP)，初始化了TCB 优先度表，生成了空闲任务，在新生成的任务中来对新的任务进行创建，之后再通过OSTSTART(函数调用)进行调试。整体流程任务表如图2所示。

2.2 软件控制程序设计

主程序与断路器服务程序组成电机控制系统，实现了人机界面的维护，事件的记录，数据的计算，参数的更新等。中断服务子程序可实现断路器的故障诊断、AD 转换、不同输入输出方式的切换、智能更新、断路是自动启动等功能。该通过对程序数据的收集和控制来更新控制系统，根据任务数据，可以将系统程序分成以下几点：数据的采集，数据的处理，数据的液晶显示，数据存储等模块。根具不同用户对收集数据时使用的不同参数(例如 A/D 信道、收集频率)，收集外部信号并将其发送给数据处理模块。数据处理模块采用数字滤波的方法采集数据，取 I/O 均值旁边的数据进行滤波，数据处理模块采用普通数据缓冲器、液晶模块或网络进行数据显示。按照调整程序进行液晶屏模块具有一般用户所需的数据缓冲功能，数据存储模块将数据存储在闪光模块中。如安装键盘模组，则可现场对应。由电机控制装置设定采集参数。

3 综合模拟分析试验

为了验证内置式单片机马达能否做出可行且可靠的控制方案，需要将整个硬件电路做一次系统模拟实验。本系统不仅完全支持SPICE3F5 模拟引擎开发的模拟、数字、模拟软件，以及基于模拟电子系统的混合模拟软件，还支持基于MCS15l 的宏流的设计系统进行处理，以及基于 AVR 和 PIC 系列的微型计算机模拟系统。采用 dsPIC 20 F 模块库加载方法，实现了 PIC 单片机控制系统中电路的建模。ORION oteus 模拟系统，其模型库与硬件电路完全一致，具有良好的可用性，在模拟电路的操作过程中，硬件电路都是按照以下步骤来模拟的。

（1）首先在Proteus 中建立符合设计方案的模拟模型，在Proteus 中进行实际建模时，无需对硬件电路进行重构，直接通过电路原理设计软件将硬件电路输出到模型库中，如果Proteus 将模型线装入Bruri，则可以通过Proteus 建模。

（2）引擎控制装置。Protoeus 通过仿真软件对系统的单片机主注入控制程序进行编译和调试，调试通过后生成“.HEX”文件。

（3）运行模拟软件Proteus，打开加载的模拟电路模型，从模型库中选择dsPIC20F 模型，将".HEX"加载到ProgrameFile 中，打开文件，单击"OK"即可进行模拟。

（4）为了使电机控制的效果更加直观，本文设计了数据源的宏处理器。仿真过程比较复杂，例如使用虚拟传感器收集参数数据，如马达的旋转速度和电流，或者使用虚拟显示终端采集数据，因此这里作为单芯片控制系统的数据采集源，使用周期半正弦信号发生器。如果硬件电路设计能够顺利实现控制功能，则电机接收的输出控制信号也应该是周期半正弦波形，这样可以通过设置电机侧的波形显示来观察控制效果。

（5）设定以上步骤后开始模拟，就可以模拟这个宏机器控制系统了。仿真结果如图3所示。

如图3中所示，所设计的正交轴是时间，信号源采样频率高，数据量大，这里只采样1 分钟。纵轴为资料轴。从波形图上可以看到，数据代表的是正弦曲线，控制效果达到了可执行性。它是由4 种不同颜色的正弦波曲线组成，并分别设定不同的采样频率，通过数据通讯实现。绿量是采样频率最低的通信结果，由于这样的单片机控制系统低频特性不好，预计会出现电机参数采集丢失或测量误差。工厂另一方面的控制应用。

4 结束语

采用高性能单片机芯片，即使结构简单，也能够实现复杂的功能；本文以dsPIC30F6014 的高性能的制动器信号装置为研究对象，相较于普通的系统来说，速度不仅得到了提升，同时还采用了单芯片硬件的控制结构，使得电路设计简洁，开发周期短，开发成本低。总线芯片的设计思想已基本实现。综合控制平台为控制系统。这是一个集成的硬件平台，通过对软件进行适当修改以适应不同的需要，使其适用于电动机、变压器、FM 调速系统的保护。