嵌入式单片机在电机控制系统中的应用

刘 颖

（四川信息技术职业技术学院，四川广元，628017）

嵌入式单片机在电机控制系统中的应用

刘 颖

（四川信息技术职业技术学院，四川广元，628017）

在工业领域，电机的运行状态关系到生产的效率和安全，是广大机电控制技术人员关注的重点。随着数字式控制系统的发展，嵌入式单片机在电机控制系统的应用越来越广发，对电机的控制更加的安全、可靠，能使电机长时间处于良好的工作状态，其稳定性也得到了显著的提升。嵌入式单片机在电机控制系统中的应用可以分为软件应用和硬件应用，硬件提供基本的物理框架支撑，软件提供基本的信息、数据处理渠道，也只有这样，才能有效提升电机控制系统的性能，这也是建立高速实时电机控制系统的前提。

嵌入式单片机；电机控制系统；应用

0 引言

在很长的一段时间内，电机的控制主要是通过模拟器件实现，对电机的广泛应用具有一定的推动作用。以模拟器件为核心的电机控制系统的优势是安装简单、成本低廉，但缺点是不具有可扩展性，极大地限制了电机控制系统的提升，而数字式控制芯片的出现很好地解决了上述问题。对于数字式控制芯片而言，其发展有一个从51芯片到DSP芯片的历程，在这个过程中，数字式控制的性能越来越高，结构越来越简单。在无刷直流电动机控制系统中，应用最广泛的是DSP芯片，为嵌入式单片机的应用提供了一个良好的信息环境。通过本文的论述，笔者发现，嵌入式单片机不仅能提升电机控制系统的运行速度和抗干扰性，还能简化并保护电路，甚至能通过修改软件来扩展控制系统的功能，极大地丰富了嵌入式单片机的应用范围，比如变压器保护控制系统、变频系统等，是控制系统发展的里程碑。

1 硬件应用

1.1 单片机

为了提升电机控制系统的性能，笔者认为应选择功能较强的单机片（MCU）。dsPIC20F是一款以16位单片机为核心并结合DSP技术的数字系统控制器，满足性能高的要求，本文以此为例来展开论述。在功能强大的外围设备支撑下，dsPIC20F不仅具有较强的快速中断处理能力，还能对数字信号进行高速处理。由于具备较强的可扩展性，其支持软件的修改、功能的增减以及异常事情的处理。dsPIC20F对外设硬件的依赖较低，通过丰富的内部资源就可以实现基本的控制功能。为了提升单片机的适应能力，确保能在各种工况以及环境下良好运行，可采用总线不出芯片的设计，这样不单增加了装置的可靠性和抗干扰性，还能降低排线部分的成本支出以及开发难度，对系统的灵活性也大有裨益。

1.2 硬件电路

1.2.1 整体硬件结构

本文设计的电机控制系统以dsPIC20F为核心，辅以电子转子位置传感器、CPU控制芯片、驱动模块等，其整体硬件结构如图1所示。应用方法如下：电子转子位置传感器主要负责检测电机转子的位置，CPU控制芯片负责计算转子位置并把计算结果转化为电信号，驱动模块根据CPU控制芯片给出的电信号驱动电机旋转。电机旋转后，CPU控制芯片根据电机的当前速度工况条件选择最合适的电机转速。电机的当前速度可通过计算转子位置传感器脉冲信号的宽度得出。电机的实际旋转通常与设定速度存有一定的差异，CPU控制芯片会把这种差异转为偏差信号，这种偏差信号会成为驱动模块的控制指令，实现对电机的再控制，完成闭环控制。

图1 电机控制系统整体结构图

1.2.2 电机转子位置检测电路

霍尔位置传感器是检测电机转子位置的核心构件，分为静止部分和转动部分，前者固定在电机机座，后者固定在电机转轴上，随转子同步旋转，是一个开有齿、槽的遮光盘。应用方法如下：遮光盘的齿部被遮挡时产生高电平信号，不遮挡时产生低电平信号，通过比较电平信号的差异来确定转子位置信息，通过比较霍尔元件的输出状态来确定转子的磁极位置。霍尔位置传感器的应用极大地提升了电机转子位置检测的可靠性和精准性，对电机转速的调整和控制提供了有力的参数支撑，有效提升了电机控制系统的性能。

1.2.3 驱动电路

电动机、控制器、功率变换器是驱动电路的核心构件，电动机分为步进电机、伺服电机以及永磁直流电机。永磁直流电机应用较为广泛，不仅直流电源容易实现，还具有性能出众、控制简单的特点，本文以采用数字集成芯片LMD18200的直流电机驱动控制电路为例展开论述，数字集成芯片LMD18200集成了DMOS功率器件和CMOS控制电路，是专用于直流电动机驱动的H桥组件，由美国国家半导体公司研发。该芯片正常工作电流可达3A，无“shotthrough”电流，瞬间驱动电流可达去6A，具有很强的驱动能力。此外，该芯片内部电路还具有过流保护的功能，给定一个电压，然后与LMD18200的8脚输出端电压进行比较，当输出端电压超过给定电压时，会采取相对应的降压措施，继而实现过流保护功能。电机正反转的控制可通过改变LMD18200的3脚的高低电平实现，电机的速度的调节可通过改变LMD18200的5脚的PWM波输入端的占空比实现。总之，以LMD18200为核心的驱动电路具有稳定性好、可靠安全、功率大、容易实现能优势。与以分离元件为核心的驱动控制电路相比，以LMD18200为核心的驱动控制电路更加的简化，单片机控制主板的面积也更小，有效促进了电机控制板的微型化发展。具体的应用方法如下：程序内部只能判断加速或减速需要，主MCU据此向数字驱动集成芯片LMD18200下达指令，LMD18200芯片产生频率加倍或减倍的输出指令，加倍输出指令会控制直流电动机加速运转，减倍输出指令会控制直流电动机减速运转，继继而实现对电机运转速度的控制。

图2 任务调度流程图

2 软件应用

系统多任务的管理以及调度是通过嵌入式实时操作系统μCLinux实现的，是软件平台的核心组件。根据电机控制的具体要求，用户调用μCLinux的任务调度函数对任务进行处理，通过任务切换操作，确保就绪任务中的优先任务及时得到处理，继而完成电机的实际控制需要。具体应用方法：把测量设为最优先等级，其次是数据预处理，然后是驱动输出。首先保证测量任务的可靠性以及实时性，然后对测量数据作低通滤波处理，采样数据预处理后才能驱动输出。电机故障报警功能使其具备较强的故障保护能力，相关的任务根据轻重环境可只能划定优先等级。人机交互功能的优先级最低，主要功能是通过显示器显示电机转速和温度。嵌入式实时操作系统μCLinux工作时，会先进行一系列的初始化操作，比如CPU初始化、主要任务控制块初始化（TCB）、操作系统初始化以及优先级表初始化，然后进行新任务创建、空任务创建，甚至在创建子任务，最后采用OSSTART函数对任务进行调度，具体流程如图2所示。

3 结论

传统意义上的电机控制系统非常依赖硬件结构，控制功能越多、控制性能要求越高预示着硬件结构就越复杂、庞大，而高性能微处理器芯片的出现极大地降低了电机控制系统对硬件的依赖，使得电机控制系统能在较为简单的硬件结构下进行及时、高效的控制操作，在提高运行速度的同时，还能降低开发成本和时间，简化电路，而简化电路有利于机控制系统的抗干扰性和可靠性的进一步提升。不过，对于嵌入式单片机在电机控制系统中实际应用，还是要综合考虑多方面的因素，根据控制要求、经济条件、扩展需要以及具体工况条件选择最合适的嵌入式单片机，实现经济效益和使用功能的双重实现。

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The embedded microcontroller control motor

Liu Ying
（Sichuan Information Technology College，Guangyuan，628017)

In the field of industry, motor running state is related to the safety and efficiency of production,the focus is the general mechanical and electrical control technology personnel.With the development of the digital control system,the embedded microcontroller applications in motor control system is more and more gf,control of the motor is more safe and reliable,can make the captain of the electric time is in good working condition,its stability has been significantly improve.Embedded microcontroller applications in motor control system can be divided into application software and hardware applications,provide basic physical hardware framework,software provides basic information,data processing,and only in this way,can effectively improve the performance of motor control system,which is to establish the real-time motor control system.

Embedded MCU；motor control system;application

国家自然科学基金（00000000）；国家高技术研究发展计划(863计划)（2008AA000000）