陳立奇

(湖南信息學(xué)院 電子信息學(xué)院，長沙 410151)

0 引言

電機作為工業(yè)生產(chǎn)加工的主要動力驅(qū)動設(shè)備，具有使用方便、運行可靠、成本低的特點，在工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用[1]。近年來，隨著現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，電機在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，傳統(tǒng)電機的運行方式已經(jīng)無法滿足當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)需求。因此，研究人員通過對電機控制系統(tǒng)進行創(chuàng)新改造，采用數(shù)字式控制系統(tǒng)的新技術(shù)以完善電機的控制系統(tǒng)，提高電機的工作效率和控制系統(tǒng)工作的可靠性，并且有利于電機系統(tǒng)在使用中的不斷升級完善，延長電機的使用壽命[2]。

隨著數(shù)字式控制系統(tǒng)的應(yīng)用，利用單片機與電機控制系統(tǒng)的有效結(jié)合，發(fā)揮了智能化、數(shù)字化的特點，提高了整個電機控制系統(tǒng)的運行效率。通過設(shè)計者的不斷研究探索，電機控制系統(tǒng)在嵌入式單機片的整體設(shè)計過程中，不僅需要硬件平臺設(shè)計與軟件平臺有效地結(jié)合在一起，還要實現(xiàn)單機片與電機的契合性，以保障電機作為動力系統(tǒng)在運行過程中滿足單機整體的良好運轉(zhuǎn)，從而提高電機控制系統(tǒng)的整體運用效率[3]。因此，在電機控制系統(tǒng)進行嵌入式單機片的設(shè)計具有重要的意義，基于此種背景，提出了基于單片機的嵌入式多電機智能控制系統(tǒng)設(shè)計研究。數(shù)字式控制系統(tǒng)采用高性能數(shù)字式控制芯片, 使得電機的調(diào)速控制范圍廣、使用壽命長、維護方便，大大提高了電機的工作效率和可靠的性能[4]。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

在系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計中，單片機的嵌入式多電機智能控制系統(tǒng)采用DSP28335為核心處理器，SN65HVD230為CAN總線收發(fā)機的架構(gòu)設(shè)計，方案的整體架構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)總體架構(gòu)包括上位機、驅(qū)動電路、CAN接口和各電路等，系統(tǒng)運行時上位機發(fā)送命令，通過CAN接口傳送給驅(qū)動器模塊，CAN接口負責(zé)上位機與驅(qū)動器之間的信息傳遞連接，驅(qū)動器將接收到的命令進行對電機的運行控制，并實時對電機運動過程中的電壓和電流信息及時反饋給上位機，確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運行[1]。

2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

在系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計中，由于采用嵌入式單片機 dsPIC20F芯片，因此不需要過多的外設(shè)裝置就可以進行正常的電機控制操作[5]。這是因為嵌入式單片機dsPIC20F芯片包括了豐富的內(nèi)部資源，不僅能夠保證電機的運行效率，還減少了外設(shè)裝置的使用數(shù)量，有效降低設(shè)備成本，使控制工作更加簡便，優(yōu)化了系統(tǒng)運行效果[6]。

基于單片機的嵌入式多電機智能控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示，單片機的電機控制系統(tǒng)采用dsPIC20F芯片控制信號。在工作流程中，首先由系統(tǒng)內(nèi)的感應(yīng)器對電機轉(zhuǎn)子的位置進行采樣，再與設(shè)定數(shù)據(jù)進行比較計算，然后把兩者之間的轉(zhuǎn)速差轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的信號，最后發(fā)送到控制芯片[7]。由于控制芯片預(yù)先設(shè)定了控制指令，因此會向驅(qū)動模塊發(fā)出特定的信號，并傳送到相應(yīng)的驅(qū)動模塊，控制芯片根據(jù)接收到的信號發(fā)出控制指令反饋給電機，從而完成全部的控制過程。電機的整體旋轉(zhuǎn)速度應(yīng)當(dāng)根據(jù)實際的工作環(huán)境來選擇一個合適的旋轉(zhuǎn)速度，提高電機的工作效率[8]。

2.1 A/D 數(shù)據(jù)采集器

選用AD_TCP-01型號A/D 數(shù)據(jù)采集器，該局域網(wǎng)A/D數(shù)據(jù)采集器采用IP協(xié)議控制PC主機進行通訊，傳輸距離遠且穩(wěn)定可靠，在300米范圍內(nèi)可通過互聯(lián)網(wǎng)進行超遠程控制與傳輸，每塊A/D轉(zhuǎn)換采集板都分配一個唯一IP地址，通過該地址進行數(shù)據(jù)傳輸。該型號采集器控制器具有6路10位高速轉(zhuǎn)換通道，同時對外部輸入模擬量進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果通過以太網(wǎng)向PC主機快速輸出。輸出數(shù)據(jù)幀固定字節(jié)如下所示：

幀頭固定格式為0×55，具有6個通道，每個通道具體轉(zhuǎn)換結(jié)果為2字節(jié)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 幀頭通道轉(zhuǎn)換結(jié)果

幀頭固定格式為0×AA；

每路A/D轉(zhuǎn)換數(shù)值計算公式如下所示：

(1)

A/D 數(shù)據(jù)采集器采用 WJ28 數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換模塊，包括信號隔離、電源隔離、線性化、A/D 轉(zhuǎn)換和 RS-485 串行通信等，通過對電機與傳感器之間的信號采集轉(zhuǎn)換，完成對模擬信號的檢測，確保通訊正常。數(shù)據(jù)采集器可承受 3000 VDC 隔離電壓，具有較強的抗干擾性能，在系統(tǒng)控制中發(fā)揮了重要的作用，保證了電機設(shè)備正?？煽康倪\行。

2.2 驅(qū)動模塊電路

驅(qū)動模塊采用直流電路的方式，系統(tǒng)主要包括電動機、控制器、功率轉(zhuǎn)換器等，在設(shè)計過程中根據(jù)驅(qū)動模塊直流電路開展直流電機的設(shè)計模式。

該電路選用M57962AL是厚模單列直插式封裝模式，如圖3所示。

圖3 M57962AL芯片的直插式封裝驅(qū)動模式

驅(qū)動模塊電路在正常工作中電流為 2.5 A，當(dāng)瞬間驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)時，可以提供的電流強度達到5～6 A。在驅(qū)動模塊電路內(nèi)部還伴有過流保護測量電路，能夠進行有效的過流保護作用，確保電路處于正常工作狀態(tài)之中。

2.3 電機

選用NMRV075步進電機具有伺服蝸輪蝸桿rv減速機小型減速器帶電機齒輪箱，重量比較輕，外殼采用鋁合金鑄造，強度優(yōu)越且外觀精美，散熱性高，使用壽命長，動作無噪音，與電機連接較為簡便。該電機作為一種實用傳動設(shè)備，更符合單片機需求，不需要聯(lián)軸器連結(jié)，適合全方位安裝，輸出扭矩也相對較大。該電機結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 NMRV步進電機結(jié)構(gòu)

該步進電機的LED和鍵盤模塊如圖5所示。

圖5 LED和鍵盤模塊

根據(jù)圖5可知，單片機的步進電機控制系統(tǒng)通過設(shè)計3*4鍵盤與*SLED數(shù)碼管,實現(xiàn)了人與機器的對話，實現(xiàn)智能化控制操作。操作人員通過鍵盤輸入，控制系統(tǒng)將鍵盤輸入的信息進行掃描，接口器件8279負責(zé)鍵盤的輸入與LDE輸出，可以有效提高單片機的工作效率。同時，通過LDE管可以清晰觀測到步進機的運轉(zhuǎn)、啟動、轉(zhuǎn)動方向等，及時掌握步進機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速的動態(tài)，避免發(fā)生故障。

3 軟件部分設(shè)計

軟件平臺設(shè)計中采用嵌入式 μClinux實時操作系統(tǒng)，根據(jù)實際工作需求從系統(tǒng)應(yīng)用程序調(diào)度函數(shù)，通過對調(diào)度函數(shù)中尋找的最高任務(wù)進行任務(wù)切換操作。嵌入式實時操作系統(tǒng)不僅有效減少了單片機工作的承載，同時還能夠在操作過程中進行實時性的任務(wù)操作或及時的中斷處理，提高了電機工作的安全性和可靠性。

3.1 任務(wù)調(diào)度流程設(shè)計

在單片機的嵌入式多電機智能控制系統(tǒng)任務(wù)流程設(shè)計中，將 CPU、操作系統(tǒng)、主要任務(wù)控制塊和TCB優(yōu)先級表進行初始化，并創(chuàng)建空任務(wù)和新任務(wù)，同時在新創(chuàng)建的任務(wù)中創(chuàng)建其他的新任務(wù)，最后調(diào)用OSSTART()函數(shù)啟動多任務(wù)調(diào)度，流程圖如圖6所示。

圖6 調(diào)度流程

3.2 單片機程序設(shè)計

整個單片機程序是由多個功能器件驅(qū)動程序組成，通過中斷脈沖信號后計算運轉(zhuǎn)步數(shù)和圈數(shù)，并實時記錄，再將采集到的數(shù)據(jù)通過接口電路傳遞給單片機，供單片機進行計算處理和控制開關(guān)狀態(tài)信息處理，實現(xiàn)對電機運轉(zhuǎn)速度的有效控制。具體按程序設(shè)計流程如圖7所示。

圖7 單片機程序設(shè)計

3.3 PC上位機設(shè)計

通過對PC上位機優(yōu)化設(shè)計，采用晶振中設(shè)置的USART模塊，由VB6.0對相關(guān)的控制軟件進行編寫，采用MSComm軟件進行實時通訊，確保任務(wù)執(zhí)行的準確性，實現(xiàn)了智能化電機控制系統(tǒng)。上位機利用單片機中相關(guān)設(shè)置實現(xiàn)人與機的對話，通過單片機軟件在設(shè)置中存儲執(zhí)行命令，進行人與機的對話，可以完成實時多任務(wù)的運行或中斷，提高了系統(tǒng)運行效率，保證了電機安全可靠的運行。

3.4 軟件控制程序設(shè)計

為使軟件程序達到最優(yōu)設(shè)計，對電機控制系統(tǒng)中的主程序和中斷服務(wù)子程序進行優(yōu)化控制設(shè)計。優(yōu)化后的主程序和中斷服務(wù)子程序不僅能夠完成數(shù)據(jù)計算 、定值更新、故障判斷、A/ D轉(zhuǎn)換、開關(guān)量輸入輸出、通信等一系列功能程序，同時還可以進行多功能任務(wù)的實施。

電機控制的系統(tǒng)任務(wù)的設(shè)置與采集需要根據(jù)實際工作環(huán)境進行設(shè)計，外部數(shù)據(jù)信號根據(jù)用戶設(shè)置的采集通道采集，并根據(jù)任務(wù)設(shè)置完成LCD模塊和數(shù)據(jù)處理程序模塊、本地數(shù)據(jù)采集程序模塊、數(shù)據(jù)儲存程序模塊，完成數(shù)據(jù)采集、處理及存儲。然后發(fā)送給數(shù)據(jù)處理模塊，經(jīng)過對接收數(shù)據(jù)的數(shù)字濾波處理后，過濾后的數(shù)據(jù)存儲在公共數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，供LCD模塊顯示或供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)程序使用。再將Flash中的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)標準格式，存儲在公共緩沖區(qū)中;與此同時，配置鍵盤模塊，以設(shè)置采集到的參數(shù)為依據(jù)，可對電機設(shè)備進行現(xiàn)場實時控制。

4 系統(tǒng)調(diào)試

在完成基于單片機的嵌入式多電機智能控制系統(tǒng)設(shè)計工作之后，需對其運行穩(wěn)定性進行實驗驗證分析，為此，需選取Proteus仿真軟件作為驗證方式。

4.1 Proteus仿真軟件

Proteus仿真軟件是在仿真引擎電路下設(shè)計的，不僅具有模數(shù)混合電路，更具有特色仿真功能，支持dsPIC20F單片機設(shè)計系統(tǒng)運行。在Proteus仿真系統(tǒng)內(nèi)構(gòu)件的模型是與硬件電路一致的，因此，構(gòu)件的實驗環(huán)境是具有可操作性的。

Proteus中示波器使用情況如圖8所示。

圖8 Proteus中示波器使用情況

圖中的左下角CH1和CH2按鈕可以選擇DC模式或是AC模式，而圖中右上角的CH1和CH2按鈕可以選擇不同通道進行信息傳輸。

4.2 反饋信息分析

電機正轉(zhuǎn)、停止和反轉(zhuǎn)的反饋信息如表2～4所示。

表2 電機正轉(zhuǎn)

表3 電機停止

表4 電機反轉(zhuǎn)

4.3 調(diào)試結(jié)果與分析

依據(jù)電機正轉(zhuǎn)、停止和反轉(zhuǎn)的反饋信息對基于單片機嵌入式多電機智能控制系統(tǒng)運行情況進行調(diào)試分析。

4.3.1 電機正轉(zhuǎn)

針對電機正轉(zhuǎn)反饋信息，對其5個時間標識下的數(shù)據(jù)采集情況進行分析，如圖9所示。

圖9 電機正轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)采集情況

由圖9可知：在08:45:02.179.0時間標識下，數(shù)據(jù)量采集波形呈直線上升-不變-下降趨勢，最高數(shù)據(jù)采集量可達到590 db；在08:45:02.193.0時間標識下，數(shù)據(jù)量采集波形呈曲線上升-下降趨勢，最高數(shù)據(jù)采集量可達到750 db；在08:45:02.207.0時間標識下，數(shù)據(jù)量采集波形呈曲線上升-下降趨勢，最高數(shù)據(jù)采集量可達到730 db；在08:45:02.220.0時間標識下，數(shù)據(jù)量采集波形呈曲線上升-下降趨勢，最高數(shù)據(jù)采集量可達到740 db；在08:45:02.233.0時間標識下，數(shù)據(jù)量采集波形呈曲線上升-下降趨勢，最高數(shù)據(jù)采集量可達到700 db。

4.3.2 電機停止

針對電機停止反饋信息，對其4個時間標識下的數(shù)據(jù)采集情況進行分析，如圖10所示。

圖10 電機停止數(shù)據(jù)采集情況

由圖10可知：在08:45:02.783.0時間標識下，數(shù)據(jù)量采集波形呈直線上升-不變-下降趨勢，最高數(shù)據(jù)采集量可達到420 db；在08:45:02.790.0時間標識下，最高數(shù)據(jù)采集量可達到440 db；在08:45:02.805.0時間標識下，最高數(shù)據(jù)采集量可達到440 db；在08:45:02.820.0時間標識下，數(shù)據(jù)量采集波形呈曲線上升-下降趨勢，最高數(shù)據(jù)采集量可達到400 db。

4.3.3 電機反轉(zhuǎn)

針對電機反轉(zhuǎn)反饋信息，對其5個時間標識下的數(shù)據(jù)采集情況進行分析，如圖11所示。

圖11 電機正轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)采集情況

由圖11可知：在08:46:03.379.0時間標識下，最高數(shù)據(jù)采集量可達到920db；在08:46:03.385.0時間標識下，最高數(shù)據(jù)采集量可達到980 db；在08:46:03.394.0時間標識下，數(shù)據(jù)量采集波形呈曲線上升-下降趨勢，最高數(shù)據(jù)采集量可達到980 db；在08:46:03.409.0時間標識下，數(shù)據(jù)量采集波形呈曲線上升-下降趨勢，最高數(shù)據(jù)采集量可達到800 db；在08:46:03.424.0時間標識下，數(shù)據(jù)量采集波形呈曲線上升-下降趨勢，最高數(shù)據(jù)采集量可達到970 db。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)采集結(jié)果，將傳統(tǒng)系統(tǒng)與所設(shè)計系統(tǒng)的控制效果進行對比分析，結(jié)果如表5所示。

表5 兩種系統(tǒng)控制效果對比分析

通過對比結(jié)果可知，采用所設(shè)計系統(tǒng)的最高控制效果可達到0.996，而傳統(tǒng)系統(tǒng)最高控制效果可達到0.691，由此可知，基于單片機的嵌入式多電機智能控制系統(tǒng)調(diào)試效果較好。

5 結(jié)束語

隨著電子、通信技術(shù)的快速發(fā)展，電機控制已經(jīng)實現(xiàn)智能化控制，尤其是數(shù)字信號電機控制系統(tǒng)，利用單機芯片優(yōu)越性能，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高了運行速度和工作性能。采用模塊設(shè)計方案對硬件結(jié)構(gòu)和軟件平臺進行科學(xué)合理的設(shè)計，實現(xiàn)了復(fù)雜的控制功能。現(xiàn)代電機控制系統(tǒng)簡化了電路的設(shè)計，并帶有保護電路功能，設(shè)計連線在芯片的范圍內(nèi)，提高了系統(tǒng)工作的可靠性和抵抗外界干擾的能力。單機控制系統(tǒng)通過用戶需求可以自行設(shè)置任務(wù)參數(shù)，以滿足用戶的實際需要，能夠?qū)崟r完成多任務(wù)的控制管理，發(fā)揮了良好的應(yīng)用效果。嵌入式單片機控制系統(tǒng)具有成本低、節(jié)能環(huán)保的特點，提高了電機的工作效率，保證了電機運行的安全性和可靠性，在工業(yè)領(lǐng)域和相關(guān)應(yīng)用企業(yè)發(fā)揮了重要的作用。

通過嵌入式單片機的整體設(shè)計研究，應(yīng)明確單片機芯片體系的設(shè)計方案，依據(jù)電機的電力體系結(jié)構(gòu)開展嵌入式單片機的硬件設(shè)計，科學(xué)合理地搭配各種硬件設(shè)施，并對軟件體系進行優(yōu)化設(shè)計，以保證軟件的控制功能，從而實現(xiàn)多種不同的運行功能，確保電機控制系統(tǒng)中嵌入式單機片的設(shè)計滿足控制多任務(wù)的需求。