嵌入式领域中电机控制应用的可编程片上系统(PSoC)

无论是小到手持设备还是大到机械机床，在当今的嵌入式和工业应用中，控制系统的基本要素仍然占据着举足轻重的地位。大多数自动控制系统都采用负反馈机制来控制物理参数，如位置、速度、扭矩、电压、电流以及强度等。在此，需要控制的参数均由适当的变换器进行感测，之后再反馈回输入与参考值进行比较。将经采样的输出信号与参考输入相减，即是所谓的负反馈。差异信号(“误差”)放大后会驱动系统(激励)，让输出接近参考值。换言之，系统可最小化误差信号，因而是一种闭环控制系统。电子机械系统在传统控制系统中占绝大多数，而电机控制则是一种常见的应用。

图1：控制电机速度的闭环系统

一般说来，可将电机控制系统分为各种不同的子系统，如速度、位置或方向控制系统等。我们首先看一下构造简单的速度控制系统，其电机采用常量电压(V)。在默认情况下，电机在特定的供电电压(V)下具有特定的转速(x)。如果向电机施加相同电压(V)的负载，那么其转速可能下降(y)。这样，我们就不能控制电机的速度，也就是说不能确保转速不受任何外部因素的影响。这是一种开环系统，因而我们要采取一定的反馈机制，以便能感应电机的速度并对有关因素进行补偿。

图1显示了闭环电机控制系统。这里，运动控制器将来自反馈系统的信号与实际输入进行比较，以获得误差信号，然后将其放大后提供给电机。在此系统中，向电机馈送校正因数的“运动控制器”和“放大器”模块可一起由混合信号控制器实现，而光学转动编码器则作为传感器，因为我们能通过控制器轻松对该组件的输出信号进行解码。下文将对上述各个系统的模块做进一步地阐述。

DC和步进电机简介

电机就是可将电能转换为机械能的设备。下列给出了不同领域常用的一些电机类型：

(Ⅰ) DC电机：最简单的DC电机就是在轴上加线圈绕组，固定永磁铁(见图2)。在将电压(V)施加给线圈时，电流(i)通过线圈。由于已有磁场(B)，会有力(F)作用在线圈上(弗莱明右手法则)使其转动。

一旦线圈达到永磁铁的磁极之一，就会受到斥力并向另一磁极运动，从而形成持续转动，速度由所施加的DC电压决定。

图2：DC电机的工作原理

(Ⅱ) 步进电机：永磁步进电机由永磁转子、线圈绕组和磁传导定子组成。

为线圈绕组施加电压会产生电磁场，出现南北极。定子承载着磁场。通过顺序通电或“步进”定子线圈，能改变磁场，进而生成旋转运动。图2描述了双相电机的工作情况。在第一步中，为双相定子的A相施加电压，就会将转子磁锁在如图所示的位置，这是因为异性相吸;在第二步中，关闭A相打开B相，让转子顺时针旋转90度;在第三步中，B相打开，极性与第一步相反，又产生90度旋转;在第四步中，A相关闭，B相打开，极性与第二步相反。重复上述序列会让转子每次以90度步进顺时针旋转。

在步进电机中，电机旋转的速度取决于第一步到第四步的执行速度。

旋转编码器简介及其分类

电机控制系统的下一个部分就是能感应电机状态并将状态馈送回控制器的反馈传感器。如前所述，旋转编码器可发挥反馈传感器的作用。

旋转编码器是一种非常简单的电磁器件，其能为轴上的每一步旋转生成适当的脉冲。可将其归为两类：绝对编码器和增量编码器。

(Ⅰ) 绝对编码器

绝对编码器可为电机轴的每个位置提供固定输出。例如，如果编码器能检测0度(固定)、45度、90度、135度、180度、225度、270度、315度角的轴位置(共8个位置 - 45度的分辨率)，则可为每个位置分配一个3位值，如从000到111。

(Ⅱ) 增量编码器

就增量编码器而言，仅能确定电机的相对位置(即仅能确定相对于上一个位置的转动方向和角度)。增量编码器给出A和B两个信号，它们在不转动的情况下都具有默认值，假设为逻辑0和逻辑1。在轴上出现较小角度的旋转时，信号A和B都会在短时期内转换为其它逻辑，随后又返回默认值。根据旋转方向，A会转到B或B会转到A。对于每次这种旋转来说，信号A和B都会发生这种转变。图4同时给出了顺时针和逆时针旋转情况下信号A和B的转变情况。

图4：信号A和B的转变

此外，旋转编码器还可根据使用的工作原理做进一步细分，包括：

(Ⅰ) 机械编码器：相继趋近接触金属接地(逻辑0)时信号A和B发生转变;

(Ⅱ) 磁性编码器：转子随轴转动，在此情况下南北两极间距一致且互变。传感器根据通量线路的方向检测位置的微量偏移和转动方向;

(Ⅲ) 光学编码器：发光二极管的光束通过连接在轴上且有透明和不透明部分的圆盘。两个光检测器(传感器A和B)检测到光束，随后生成正交相位脉冲A和B。

图5显示了机械编码器示例。

图5：机械旋转编码器

速度测量设备

目前，转速表被广泛用于测量电机的转速。可将电机的轴连接到类似于DC生成器的转速表(即，用机械能生成电能)上，其输出的DC电压与电机转速成正比。转速表生成的电压可用于实现进一步处理。

如今，众多设计人员都纷纷转而采用旋转编码器，每次转动生成数字输出。另外，这不会像转速表那样出现磨损问题。将旋转编码器的输出馈送给微控制器，就能直接监控以旋转编码器作为传感器的电机转速。