基于嵌入式系统的电机控制软件设计与实现

基于嵌入式系统的电机控制软件设计与实现

刘淑杰

 郑州飞机装备有限责任公司  河南省郑州市   475000

摘要：本研究聚焦于提升工业自动化与智能化水平的嵌入式系统在电机控制领域的设计。选择了模型预测控制（MPC）和比例积分微分（PID）算法，并通过多层次嵌入式系统架构设计增强了软件性能和可维护性。在实质性软件实现中，先进控制算法在速度环和控制环中实际应用，实现了电机参数的在线识别和自适应调整，确保系统在不同工况下的灵活性。实时数据处理与响应策略通过分级控制策略保障了电机系统在复杂工业应用中的表现。软件仿真和实际测试通过MATLAB/Simulink等工具进行，验证了系统在各种场景下的性能。

关键词：嵌入式系统，电机控制，模型预测控制，软件仿真，系统架构设计

一、引言

随着科技的迅猛发展，嵌入式系统在各个领域的应用日益广泛，其中电机控制作为一个关键的应用场景，对于提升工业自动化和智能化水平具有重要意义。电机系统的稳定性和性能直接影响到生产设备的效率和可靠性，因此，基于嵌入式系统的电机控制软件的设计与实现成为当前工程和科研领域的热点问题之一。本研究旨在深入探讨嵌入式系统在电机控制方面的关键技术和创新方法，以提高电机系统的精准性和响应速度。在电机控制软件设计中，选择合适的控制算法并将其嵌入到嵌入式系统中，是提高系统性能的核心。模块化设计和功能划分的思想也有助于构建灵活、可维护的软件结构，使系统更具扩展性和适应性。

二、基于嵌入式系统的电机控制软件设计

2.1 控制算法选择与原理

在电机控制软件的设计中，选择适当的控制算法至关重要。针对不同的电机类型和工作环境需要综合考虑多种算法的性能，并根据实际需求进行选择。其中，MPC和PID是常用的两种算法。MPC通过对电机系统建模，优化未来时刻的控制序列，以达到更好的性能。PID控制则基于比例、积分和微分三个环节，通过不断调整控制参数来维持系统稳定[1]。本研究将深入分析这两种算法的原理，对其在电机控制中的应用进行详细研究，以期为不同应用场景提供最优的算法选择。

2.2 嵌入式系统架构设计

嵌入式系统的架构设计直接影响到电机控制软件的性能和稳定性。本研究将采用多层次的架构，包括硬件抽象层、操作系统层和应用层。在硬件抽象层，针对具体电机的特性进行细致的硬件控制，以保证对电机的精准控制。操作系统层将负责实时性的保障和资源的合理分配，确保软件能够在动态环境中稳定运行。应用层则包含了电机控制算法的实现以及与用户交互的界面[2]。通过精心设计嵌入式系统的架构，旨在提高电机控制软件的整体性能和可维护性。

2.3 模块化设计与功能划分

①控制算法模块：这个模块负责实现选择了先进控制算法MPC和PID。其中，MPC模块包括控制序列的建模和优化，而PID模块包括比例、积分、微分控制参数的调整。在速度环和控制环中，通过控制算法模块的实际应用，MPC算法在速度环中优化控制序列，PID算法在控制环中调整控制参数，以实现电机系统的高效控制。

②嵌入式系统架构模块：这个模块设计了嵌入式系统的整体架构，包括硬件抽象层、操作系统层和应用层。硬件抽象层负责实现对电机的底层硬件控制，操作系统层确保实时性和资源分配，应用层包含电机控制算法的实现和用户交互。通过模块化设计，每个层次可以独立开发和测试，降低系统集成的难度。

③实时数据处理模块：该模块负责实时采集和处理电机的运行数据，包括电流、速度和位置等信息。通过采用高效的数据处理算法，如滤波和采样，系统能够及时获取准确的电机状态，以支持实时的控制和调整。

④参数识别和调整模块：这个模块在线识别电机的参数，包括电阻、电感和反电动势常数。通过采用自适应算法，系统可以在运行时动态调整这些参数，以适应不同的工况，提高系统的准确性。

⑤用户界面模块：为了方便用户监控和交互，设计了一个用户界面模块。这个模块允许用户设定电机控制的目标，监测电机状态，并实时调整控制参数。通过友好的用户界面，降低了用户的学习成本，使系统更易用[3]。

图1 模块程序设计图

三、软件实现

3.1 先进控制算法的实际应用

在电机控制软件的设计中，先进控制算法的实际应用是为了提升系统的动态性能和稳定性。本节将深入研究这些算法在速度环和控制环中的具体实施。

在速度环中，采用MPC算法，该算法的控制输入的实际应用公式为：

其中，是通过优化问题求解得到的控制增量，它使得电机系统的输出能够更好地逼近期望值。这样的实际应用使得速度环能够更精准地跟踪期望速度，提高系统的响应速度。

在控制环中，采用比例积分微分（PID）控制算法，其实际应用公式为：

​

其中，为速度误差、、分别为比例、积分、微分的系数。PID控制的实际应用使得控制环能够通过调整参数来实现对电机系统的稳定控制。

3.2 在线识别和自适应调整电机参数

为了适应电机系统在运行中的参数变化，采用在线识别和自适应调整电机参数的策略。在速度环和控制环中，引入了自适应参数

和，使得电机系统的动态方程变为：

这里为电机的电阻，为电机的电感，为电机的反电动势常数，为电机的角速度。通过在线监测电机电流和角速度，系统可以实时调整这些参数，以适应电机在运行中的实际状况，提高系统的准确性。

3.3 实时数据的处理与响应策略

实时数据的处理与响应策略在电机控制软件中具有关键作用。在矢量控制中，通过对磁链和转子位置的实时监测[4]，可以使用以下实际应用的动态方程：

​

其中，为电机定子电压，为电机电流，为电机转子磁链，为电磁转矩。通过实时处理这些数据，系统可以采用高级的控制策略，如直接转矩控制（DTC），以实现对电机的快速、准确的响应。这样的实质性实时数据处理和响应策略将确保电机系统在复杂多变的工业应用中表现卓越。同时，这些实时数据也为参数自适应调整提供了实时反馈，形成了一个相互支持、相互促进的系统架构。

四、软件仿真和实际测试

4.1软件仿真

在软件仿真阶段，运用先进的仿真工具如MATLAB/Simulink，建立了电机数学模型，并细致考虑了各个模块对整体性能的影响。在速度环和控制环中进行了多方面的仿真测试，包括电机在不同负载、速度变化和外界扰动下的响应情况[5]。具体实施的仿真内容包括：

①系统动态响应仿真：引入各种外部扰动和参数变化，评估控制算法对系统动态响应的准确性。包括在速度环中测试系统对突发速度变化的迅速调整能力以及在控制环中对负载扰动的抵抗性。

②参数优化仿真：针对先进控制算法，进行大量参数优化的仿真测试，确保系统在不同工况下能够获得最佳性能，有助于理解参数的敏感性，为实际测试中的参数调整提供指导。

4.2 实际测试

在进行实际测试阶段，通过连接电机硬件设备，并将控制算法部署到嵌入式系统中，进行了严格而全面的测试。以下是实际测试的详细数据表格，涵盖了各方面的性能参数。

表1：实际测试的详细数据表格

通过对实际测试数据的详细分析，能够更深入地了解电机控制软件在实际工作中的性能特点和稳定性。以下是对数据的分析：

①启动和停止性能：启动时间在28毫秒左右，停止时间为23.75毫秒，表明电机在启动和停止时的响应速度较快。这对于需要频繁启停的应用场景非常重要，确保了系统的灵活性。

②速度环和控制环响应时间：在加速测试中，速度环响应时间为15毫秒，控制环响应时间为18毫秒，显示出系统对速度变化的迅速调整能力。这对于要求高动态性能的应用非常关键。

③负载变化时电机转速波动情况：在负载变化测试中，电机转速波动在±2.0%范围内，说明系统能够有效地抵御外部负载变化，保持相对稳定的运行。这对于工业生产中负载变化频繁的场景是至关重要的。

④场景间一致性：平均值的计算显示，在不同测试场景下，各项性能参数的表现相对一致。标准差较小，说明系统具有较好的一致性和稳定性，适应不同的工作场景。

五、结语

本研究深入探讨了基于嵌入式系统的电机控制软件设计与实现，通过采用先进的控制算法和嵌入式技术，旨在实现高效、精准的电机控制。在软件设计方面，系统性考虑了电机特性和实时性要求，通过巧妙的算法设计和灵活的嵌入式系统运用，提出了潜在高效性和可行性的电机控制软件方案。选择MPC和PID两种算法，并结合模块化设计与功能划分、实时数据处理与响应策略，构建了完整而灵活的系统。在线识别和自适应调整电机参数增强了系统准确性。软件仿真和实际测试结果验证了系统在不同场景下的卓越性能，包括快速启动与停止、敏捷速度响应以及对负载变化的稳健性。

参考文献：

[1]任晓宇;周霆;朱晓宁;王立.嵌入式实时操作系统的资源控制组机制设计与实现[J].航空计算技术,2022:5.

[2]冀峰,罗贵隆.基于以太网的直流电机嵌入式控制系统设计[J].无线互联科技,2022:3.

[3]张宁,段富海,王炳,马欣,杨子鹤.无刷直流电机控制策略及程序设计[J].软件工程与应用,2019:10.

[4]代佳伟,谭博,倪志浩,刘卫国.矢量合成方式对电机共模电压的对比研究[J].微电机,2023:6.

[5]金成杰;俎涛;张焕欣.嵌入式软件测试平台的设计与实现[J].信息技术与网络安全,2022:6.