直流電機(jī)監(jiān)控閉環(huán)轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

1引言

直流電機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是機(jī)電產(chǎn)品中的重要環(huán)節(jié)，其控制性能反映了機(jī)電設(shè)備的控制質(zhì)量。靈活、方便、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的監(jiān)控需要對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行測量和處理，以達(dá)到精確控制轉(zhuǎn)速的目的。

2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

ARM／DSP／FPGA雖精度高、速度快，但設(shè)計(jì)復(fù)雜，價(jià)格也一直居高不下。本系統(tǒng)采用一種適用于小容量存儲(chǔ)器單片機(jī)(如PIC系列)系統(tǒng)且功能強(qiáng)大的RTOS—Salvo。無需擴(kuò)展大量的RAM和ROM，并且實(shí)時(shí)性好。大大節(jié)省了成本。系統(tǒng)選用PC機(jī)作為上位機(jī)，運(yùn)用API函數(shù)及MSCOMM控件實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)通信。PIC16F877A單片機(jī)及外圍電路組成一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)。作為下位機(jī)。電路設(shè)計(jì)包括PWM驅(qū)動(dòng)、CCP捕捉、A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換、LCD液晶顯示、RS232和SPI串行通訊以及下位機(jī)雙機(jī)通信模塊。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

3Salvo系統(tǒng)簡介

嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Salvo具有占用系統(tǒng)資源少和功能強(qiáng)大兩大特點(diǎn)。

3。1Salvo占用的系統(tǒng)資源

Salvo最大的特點(diǎn)是占用系統(tǒng)資源少，特別是占用存儲(chǔ)器資源極少。它不但適用于51系列單片機(jī)，也適用于存儲(chǔ)器資源更少的PIC系列單片機(jī)。Salvo占用ROM資源取決于用戶調(diào)用的系統(tǒng)函數(shù)，占用RAM取決于用戶定義的變量、任務(wù)和事件的數(shù)量。以PIC16系列單片機(jī)為例，每個(gè)全局變量占10B，任務(wù)占5B，事件占3B。

3。2Salvo功能和性能

Salvo是一個(gè)基于優(yōu)先級(jí)任務(wù)切換、支持事件驅(qū)動(dòng)的多任務(wù)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。Salvo共支持16個(gè)任務(wù)優(yōu)先級(jí)，且多個(gè)任務(wù)可共用一個(gè)優(yōu)先級(jí)，任務(wù)按優(yōu)先級(jí)高低切換，對(duì)于多個(gè)同一優(yōu)先級(jí)的任務(wù)則以時(shí)間片循環(huán)方式(round-robin)切換。Salvo支持任務(wù)和事件的數(shù)量取決于RAM的大小(Salvo默認(rèn)支持255個(gè)任務(wù)、255個(gè)事件和255個(gè)消息隊(duì)列)。Salvo內(nèi)核主要提供以下幾類函數(shù)供用戶應(yīng)用程序引用：

任務(wù)管理：提供任務(wù)建立、任務(wù)撤消功能；

時(shí)間管理：提供任務(wù)延時(shí)函數(shù)功能；

信號(hào)管理：提供信號(hào)量建立、刪除、等待、發(fā)出等功能；

消息管理：提供消息建立、刪除、等待、發(fā)出等功能。

4系統(tǒng)硬件總述

通訊部分主要由兩部分組成：單片機(jī)與PC機(jī)以及PIC單片機(jī)之間的通訊。PC機(jī)與下位單片機(jī)間互傳數(shù)據(jù)采用RS232串行異步通信方式。而PIC單片機(jī)之間的通訊則采用SPI總線，它是主要用于處理器和外設(shè)同步串行通信的4線接口。采用同步時(shí)鐘把串行數(shù)據(jù)以8位碼的形式移入和移出微控制器。SPI總線是一種主／從接口，主接口驅(qū)動(dòng)串行時(shí)鐘。在使用SPI時(shí)，會(huì)同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，使其成為一種全雙工協(xié)議，通訊效率高，而且電路連線及軟件編程結(jié)構(gòu)簡單。硬件電路如圖2、圖3所示，其單元電路包括CCP捕捉電路、PWM驅(qū)動(dòng)電路、RS232／SPI通訊模塊、A／D轉(zhuǎn)換算法及LCD顯示等。

4。1CCP捕捉電路

光電采集模塊中，采用光電器件具有高轉(zhuǎn)換精度、良好的靜態(tài)工作點(diǎn)、完整的模擬前端以及片內(nèi)校正，特別適用于測量低頻小信號(hào)。該電路將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再經(jīng)過整形濾波就可直接送至單片機(jī)。送往單片機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)可通過CCP捕捉模塊測量出轉(zhuǎn)速。在該模式下，若要采用捕捉功能應(yīng)將相應(yīng)的TRIS置為1，將單片機(jī)CCPx引腳設(shè)置為輸入。例如，輸入頻率穩(wěn)定時(shí)，將單片機(jī)預(yù)分頻值設(shè)置為1：16，則這16個(gè)周期的總誤差為1個(gè)TCY。其有效分辨率為TCY／16，即在40MHz時(shí)有效分辨率為6。25ns。只有在輸入頻率在16個(gè)采樣周期內(nèi)均穩(wěn)定的情況下，這一方法才有效。不使用預(yù)分頻器(1：1)時(shí)，每個(gè)采樣分辨率為TCY。而且當(dāng)改變捕捉模式時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)捕捉中斷。用戶應(yīng)保持CCPxIE位清零以禁止這種中斷，還應(yīng)在運(yùn)行模式改變后將CCPxIF位清零。整個(gè)捕捉過程快捷、簡單。

4。2PWM驅(qū)動(dòng)模塊

PIC16F877A單片機(jī)產(chǎn)生的PWM信號(hào)經(jīng)過光電耦合器連接到L298N的使能控制端?？紤]到TLP521-4電路具有反相器作用，PWM信號(hào)中的高電平持續(xù)時(shí)間對(duì)應(yīng)直流電機(jī)的斷電時(shí)間。從單片機(jī)其他引腳輸出的信號(hào)送入L298N的方向控制端，控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和制動(dòng)狀態(tài)。L298N驅(qū)動(dòng)負(fù)載的電源電壓最大為46V，單橋的驅(qū)動(dòng)電源接近2A，最大開關(guān)頻率不小于40kHz。與由分立元件構(gòu)成的橋式驅(qū)動(dòng)電路相比，該電路結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠。通過改寫程序，可以控制小型直流電機(jī)的多種變速。使用光電編碼器實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度檢測，構(gòu)成了完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

4。3RS232串行通訊模塊

PIC16F877A串行口僅占用了單片機(jī)的RC6和RC7引腳，用于接收端RXD和發(fā)送端TXD。因此在上位機(jī)計(jì)算機(jī)與下位機(jī)單片機(jī)通信時(shí)，只需將收發(fā)信號(hào)(TX、RX)及地(GND)3根線相連即可。單片機(jī)的串行接口電平為TTL電平，這與計(jì)算機(jī)的串行接口電平不一致，因此需要電平轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)選用了Maxim公司的MAX232通用串行接收／發(fā)送驅(qū)動(dòng)器，其外圍電路簡單，只需外接4只0。1μF的電容即可。

4。4LCD顯示模塊

模塊SMC1602B由一塊點(diǎn)陣液晶屏和控制器HD44780及其輔助電路組成。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用OCMJ中文模塊系統(tǒng)LCD液晶作為下位機(jī)的顯示模塊。該模塊內(nèi)含GB231216×16點(diǎn)陣國標(biāo)一級(jí)簡體漢字和ASCII8×8(半高)及8×16(全高)點(diǎn)陣形英文字庫，用戶輸入?yún)^(qū)位碼或ASCII碼可實(shí)現(xiàn)文本顯示。OCMJ中文液晶顯示模塊采用ASK／ANSWER握手方式。

5系統(tǒng)軟件總述

5。1下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

智能電機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)主要完成CCP捕捉、A／D采集、PWM控制、SPI通訊、LCD顯示、RS232通訊等多個(gè)功能。總體流程框圖如圖4所示，控制算法是利用PIC16F877A直接控制PID參數(shù)，實(shí)現(xiàn)精確控制。

5。2上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上位機(jī)系統(tǒng)軟件是在Windows平臺(tái)上利用Vi-sualBasic6。0開發(fā)的，設(shè)計(jì)包括了操作提示部分(自動(dòng)發(fā)送、手動(dòng)發(fā)送、串口選擇、奇偶校驗(yàn)、波特率、數(shù)據(jù)位等)、接收回顯部分(接收數(shù)據(jù)位、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)正反轉(zhuǎn)等)以及發(fā)送內(nèi)容部分(電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定、過壓、過流保護(hù)值等)。