摘要：目前，随着社会科技的发展，电机是工业控制领域最常见的执行机构之一，其中直流电机以其良好的启停和调速性能，在部分控制要求比较高的系统中应用极为广泛，因而直流电机控制研究极具实际价值和意义。直流电机的控制系统多种多样，嵌入式系统以其灵活多样、方便可靠的特点成为很多工业控制领域的首选。
关键词：以太网；直流电机；嵌入式；控制系统；设计
引言
随着能源的日益匮乏，新能源汽车的应用也越来越广泛。随着新能源汽车的不断发展，越来越多的新能源汽车充电接口实现了能量的双向流动，无疑会给电网带来一定的冲击，这使得对新能源充放电的研究成为了未来的发展趋势。为了将新能源充放电时对电网产生的冲击降到最低，在保持电网的稳定性和安全性并合理利用资源的同时，提高新能源的充放电效率，有必要研制一种用于非车载直流充放电机的充放电控制系统。目前国内新能源充电桩的发展已日渐成熟，但是现有充电桩的功能仍是以充电为主，涉及放电的产品并不多见，而越来越
多的新能源已经具备可以实现电能双向流动的接口，但放电功能基本上处于闲置状态，并不能合理有效利用资源，违背了该功能设计的初衷。
1传统无位置传感器控制方法
在无刷直流电机无位置传感器控制中，传统的控制方法主要有反电动势法、电感法、磁链法、三次谐波法和续流二极管法。其中，反电动势法是目前最成熟、使用最广泛的方法。电感法和磁链函数法也有应用，且电感法因其特殊的原理可用于电机启动控制。 1.1反电动势法
反电动势法将通过端电压检测法得到的相反电动势过零点延时30°后得到换相点，而采用线电压法则无需延时，测得的反电动势过零点即为换相点。反电动势法原理简单、实现方便，在市场上应用广泛。但是，反电动势法同样存在着一些弊端，众多学者对此提出了各种的改进方法。 信号干扰问题。在采集的三相电压信号中，存在高频干扰信号，使得反电动势过零点信号不准确。对此，一般采用低通滤波器过滤掉高频信号，但由此产生的相移需要在后续的控
制中进行补偿。构造了反电动势与反电动势斜率之比的函数，通过分析函数的单调性来得到电机的换相信号，该方法无需反电动势过零点信号，避免了低通滤波带来的延时，使电机能工作在更宽的工况范围。续流阶段同样会对反电动势过零点信号采集造成干扰。分析了PWM调制对反电动势过零点检测造成的影响，并对阻容滤波造成的相移以及硬件与软件产生的延时进行了补偿。在考虑续流影响的基础上，通过分析电机线电压差积分值与换相角度之间的关系，调制延时来控制线电压积分值为零，从而校正电机换相点，实现精准换相。
1.2其他传统控制方法
电感法。当电机运行时，电机定子绕组的电感值会随着转子位置的变化而变化。电感法的基本思想就是通过检测电感值变化来测定转子位置。不同于反电动势法，电感法不受反电动势影响，在启动或低速运行时也有很好的应用效果，但是电感法对电流检测的精度要求很高。磁链法依据磁链与转子位置之间的关系，通过磁链信息来估算转子位置。磁链法构造了与转速无关的磁链函数，通过对函数的分析，得到电机的换相点，所以理论上可以在全转速范围内使用。磁链法计算复杂，对电压电流的测量精度要求高，而且容易受到电机
参数变化的影响。此外，磁链法的使用也需要确定转子的初始位置，在实际使用中有一定的限制。三次谐波法通过检测反电动势三次谐波的过零点来确定电机的换相点。三次谐波法能够应用于较广的转速范围，且具有较小的相位延迟，但是使用时需要附加检测电路，而且积分过程会累计低速时的误差，对其使用造成了一定的影响。
2具有直流电机特性的自适应下垂控制
2.1 VDCM等效模型
双向DC/DC变换器拓扑结构与VDCM等效电路中变换器结构可等效为一个二端口网络，与VDCM模型具有一定的对应关系。变换器前端为蓄电池输出电压Ubat；VDCM等效电路前端为电枢感应电动势E，后端为直流电机输出电压U，等效为变换器输出电压Uo；L和C分别为储能变换器电感和电容；ra为虚拟电枢电阻，将其设计为随着蓄电池SOC自适应变化的参数，ia为动态电枢电流，其随着ra的变化而变化，以调节储能变换器的输出电流。因此，根据机械转动方程和电枢回路方程将直流电机工作特性应用到双向DC/DC变换器控制中，使变换器端口具备与直流电机相同的惯性和阻尼特性，当系统功率发生波动时，能够有效提高系统惯性以增强母线电压质量。
2.2虚拟压降调节器
各储能变换器的线路压降与虚拟压降之和相等，若系统线路电阻不等，直接采用下垂控制会影响功率的分配精度，降低系统的稳定性。因此可串联可调电阻，实时调整各线路电阻值为系统平均线路电阻，从而与系统理想情况即忽略线路电阻效果一致，使负荷功率合理分配。然而在实际情况下无法准确得到直流微电网中线路电阻的参数值，无法统一线路电阻。考虑到各蓄电池线路压降与虚拟压降之和相等，若能使各虚拟压降相等，仍可呈现以上效果。为实现ESU间的信息共享，保证信息的准确性与动态性，平均虚拟压降可通过动态一致性算法求得。
2.3 SOC均衡控制器
为使蓄电池SOC均衡，通过虚拟电枢电阻的设计，充、放电功率应以SOC较高的蓄电池单元在放电模式下释放较多功率或在充电模式下吸收较少功率的方式进行调节；SOC较低的蓄电池单元在放电模式下释放较少功率或在充电模式下吸收较多功率的方式进行调节。io在放电模式下为正，充电模式下为负，且虚拟电枢电阻ra1≤ra2。可以看出，蓄电池放电时，若使SOC较大的蓄电池释放功率较快，放电电流较大，需满足该ra较小；相反，蓄电
池充电时，SOC较大的蓄电池吸收功率速度较慢，充电电流较小，对应ra应该较大。
3系统硬件设计
3.1微控制器部分
设计的基于以太网的直流电机嵌入式控制系统，采用的是C8051F120单片机作为核心控制器，结合控制系统的功能，设计了供电电路、调试电路、输入输出电路及以太网电路等配套外围模块。
系统微控制器采用的是某公司的C8051F120单片机，该款芯片相比传统的80C51单片机具有更强的运算、存储能力，具有更为丰富的内部资源，完全满足本系统对控制器性能的要求且与STM32单片机相比在价格上更有优势。因此，系统微控制器采用了C8051F120单片机。
微控制器供电部分。电源是保证系统微控制器正常工作的首要基础。按照系统功能设计的要求，微控制器部分需要供电的芯片主要有C8051F120单片机、外围电路各种芯片等。其中，C8051F120单片机供电电压为3.3Ｖ，外围电路芯片的供电电压为５Ｖ，所以整个微
控制器部分需要至少提供５Ｖ和3.3Ｖ两种电压。微控制器调试电路。C8051F120单片机不仅有着出的性能，而且支持在线、实时调试，调试电路借助ＪＴＡＧ接口进行，利用某公司出品的ＩＤＥ调试软件进行程序调试时可以实现断点、单步、设置观测点等功能。极大地满足了系统程序设计的要求，提升了系统程序调试的效率。
微控制器输入输出接口部分。输入输出是微控制器与被控对象进行信息交换的重要通道。同时，控制器作为数字芯片，处理和接收的数据以数字量为主，而直流电机作为被控对象接收和回传的信号则是以模拟量为主，因此该控制系统中设计足够数量的数字量和模拟量的输入和输出通道是必要的。C8051F120单片机正好内部集成了模拟输入６路、模拟输出２路及各４路的数字输入、输出通道，完全满足了本系统的设计要求。
微控制器以太网接口部分。在设计的系统中，以太网作为微控制器与ＰＣ上位机进行信息交换的通信方式，是整个系统中的重要设计内容之一，该通信方式相较于传统的ＲＳ485等方式具有更远的传输距离、相较于蓝牙等无线通信方式具有更稳定、可靠的优势。为了与微控制器某公司出的C8051F120单片机进行更好的适配，本系统在以太网设计时采用了同一家公司的CP2200作为以太网的接口芯片，该芯片是一矿广泛应用工业现场的工业级以太网芯片。
3.2控制及驱动电路的设计
C8051F120单片机具有片内可编程计数器／定时器阵列（ＰＣＡ）。在ＰＣＡ０溢出后，同时改变捕捉／比较模块中的数值可实现输出可调占空比的ＰＷＭ波形；控制器输出的ＰＷＭ脉冲经放大后作用于非过零触发的可控硅模块的输入端，高电平时可控硅输出导通，低电平时可控硅输出关断，电机电枢绕组两端电压发生变化，因此电机的转速随之也发生变化。直流电机的工作电压不能高于额定电压，因此电枢电压只能向小于额定电压的方向改变。降低电压后的人为机械特性与固有机械特性平行，硬度不变。
3.3速度测量电路的设计
速度测量电路作为控制系统的信息采集环节，对系统实现闭环精准控制至关重要。借助霍尔传感器进行电机转速的测试是一种通用且有效的办法。本文设计的系统中将磁钢片张贴于电机转轴上，将CS1303霍尔传感器元器件置于电机转子附件，电机旋转时将CS1303霍尔传感器采集到的信号引入C8051F120单片机ＩＮＴ０中，实现电机转速测量的目的。
4直流充放电机控制系统设计
4.1系统软件框架
系统软件采用模块化、分层分级的思想，整体框架分为驱动层、数据层、应用层。其中，驱动层进行单片机的初始化操作，根据设计原理图配置I/O和相关通信接口，完成通信接口的正常收发数据，分配和管理存储空间，完成远程升级，配置操作系统和处理文件操作；数据层处理各个通信接口（包括CAN总线、RS-485、RS-232、以太网等）、模拟/数字（A/D）采集、绝缘检测数据的数据接收和存储；应用层完成充电、故障管理、人机交互、参数配置等功能。
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