基于上位机的直流电机控制优化系统技术领域
本发明涉及一些小型电机器械人机交互的电机控制技术。
背景技术
基于上位机的电机控制系统是通过上位机界面实现人机交互，对电机进行一
定的控制，而该系统要用到一些控制芯片建立通信，软硬结合，从而实现电机的
控制。
随着微型计算机、超大规模集成电路、新型电子电力开关器件和新型传感器
的出现，以及自动控制理论、电力电子技术、计算机控制技术的深入发展，电动
机控制装置也不断向前发展。在那些对电动机控制系统的性能要求较高的场合，
传统的控制算法已难以满足系统要求。为了适应时代的发展，现有的电动机控制
系统也在朝着高精度、高性能、网络化、信息化、模糊化的方向不断前进。
发明内容
本发明的目的是提供一种电机的控制优化系统，以提高电机控制的高效化、
信息化。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种基于上位机的直流电机
控制优化系统，包括上位机，上位机通过电机控制器控制直流电机，上位机通过
串行数据接口与电机控制器建立数据通信，其特征在于：
在上位机上运行有电机监控系统，用于监视和控制直流电机，通过电机监控
系统至少实现数据通讯、数据采集、数据存储、数据可视化以及数据导出，在电
机监控系统中建立电机控制模型；
电机控制器采用数字控制器，该数字控制器集成捕获/比较单元及位置接口
单元，捕获/比较单元支持多对互补PWM生成和非对称PWM生成，位置接口单
元支持精确的直流电机位置检测，同时，该数字控制器还具有可编程串行通信接
口模块。
优选地，所述上位机与所述电机控制器之间连接有逻辑电平转换单元。
优选地，所述电机控制器采用电机控制芯片XMC1300。
优选地，所述逻辑电平转换单元采用MAX232转化芯片。
本发明提供的一种基于上位机的直流电机控制优化系统具有高精度、高性
能、网络化、信息化、模糊化等优点。
附图说明
图1为本发明所涉及系统的框图；
图2为上位机监控示意图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
如图1所示，本发明提供的一种基于上位机的直流电机控制优化系统由以下
3个部分组成：
第一部分：运行有电机监控系统的上位机，电机监控系统提供电机监控界面
用于监视和控制整个电机系统，主要采用Labview构建上位机监控系统，它主要
功能包括硬件系统与PC间的数据通讯、数据采集、数据存储、数据可视化以及
数据导出成Excel文件等功能。
上位机监控界面设计主要实现电机工作状态的监控，电量及报警信息的监
测。当上位机接收到下位机传输来的数据后，分别通过校验和检验与软件过滤，
最终将采集数据显示在示波器上，并可以对采集数据、报警信息和时间数据进行
数据备份。
LabVIEW的函数库包括数据采集、数据显示、GPIB、串口控制、数据分析
及数据存储等。由于本系统上位机界面与控制器通过RS232建立通信，即主要
用到VISA配置函数。其中VISA配置函数主要用于配置串口的初始化，需分配
串口、设置波特率、设置输入数据的位数、设置要传输或接收的每一帧所使用的
奇偶校验等。
在监控系统中建立电机控制模型是编程的关键，它负责采集电机转矩及电机
功率信息，以及一些转矩指令值的传输，以上实现了监控软件的控制部分，基于
该基础进行扩展就实现了监控软件的监控系统。
监控平台主要分为三大模块：开关按钮模块、输入/输出显示模块以及I/O参
数设定模块。该监控平台是上下位机连接的纽带，通过此VI前面板，可以设置
相关参数，即可实现控制功能；其“参数显示模块”能及时反应系统运行状况，
达到监测目的。
第二部分：串口通信。串口通信在系统控制中有着重要地位，在利用计算机
实现对电机控制过程中，这种通信能够实时传递计算机的测控指令和设备的信息
状况，通过合理准确地使用通信功能使得监控系统具备了人机交互的功能。
现在，已经对串行通信建立了几个一致的概念和标准，这些概念和标准属于
三个方面：传输率，电特性，信号名称和接口标准。通用计算机在测控中经常使
用的接口是串行口(RS232接口、RS485等)，对于通信功能的实现，编写测控
应用程序也比较多。RS-232C标准是美国EIA(电子工业联合会)与BELL等公
司一起开发公布的通信协议。它适合于数据传输速率在0～20000b/s范围内的通
信。这个标准对串行通信接口的有关问题，如信号线功能、电器特性都作了明确
规定。由于通行设备厂商都生产与RS-232C制式兼容的通信设备，因此，它作
为一种标准，目前已在微机通信接口中广泛采用。
上位机的RS-232规定的电平和一般微处理器的逻辑电平不一致，与控制器
的信号处理器并不兼容，必须进行电平转换，实现逻辑电平转换可以采用
MAX232转化芯片。MAX232是MAXIM公司生产的，包含两路驱动器和接收
器的RS232转换芯片。该芯片具有一个专有的，将输入的+5V电压转换为RS232
接口所需的±10V电压，尤其适用于没有±12V的单电源系统。与此原理相同
的芯片还有MAX202、AD公司的ADM101以及INTERSIL公司的ICL232芯片，
ICL232与MAX232可直接替换。
RS232串行接口除了有上述的USB数据采集卡与主机之间的交互过程外，
在USB连接建立之前，我们还要实现与控制器XMC1300的通信，
本系统通信过程中，通过界面上的数据输入，上位机将把给定的转速大小和
相关的控制器参数发给XMC1300，同时，要通过DAVE软件编写程序配置
XMC1300控制器的端口以及寄存器，对UART进行串口调试，我们可以用串口
来对xmc1300_uart程序进行调试，把输入的模拟信号通过串口在DAVE的监控
界面显示出来，实现PC机通过通信串口与控制器建立通信。
固件程序调试这一块，我们使用RS232接口来检测PC机与USB数据采集
卡之间得交互过程，我们可以通过DAVE软件来观察PC与控制器交互执行的操
作，并分析它们的合法性。
通过LabVIEW结合单片机控制芯片XMC1300实现对电机的控制，能直接
在LabVIEW上实现对电机转速及转角的控制。该系统与传统的单片机控制或
labVIEW加运动采集卡控制相比，具有成本低、编程简单、方便控制等优点，并
且人机交互性强，界面友好。
第三部分：建立完善的电机控制系统还需要电机控制器。下位机是以
XMC1300为核心的数字控制器的控制系统
在这里，XMC1300系列可满足电机控制或数字电源转换应用的实时控制需
求，它集成一个功能强大的捕获/比较单元CCU8(支持8对互补PWM生成和
非对称PWM生成)，集成位置接口单元(POSIF)，支持精确的电机位置检测。
特别适用于电机控制和电源控制领域。XMC1300系列还集成算术协处理器，支
持无传感器FOC(磁场定向控制)解决方案，提高电机运行效率。这是其他基
于Cortex-M0的单片机产品所没有的。XMC1300系列的工作温度最高可达105
摄氏度，安全性比较高，比较适用小型电机器械的控制。
该控制器具有可编程串行通信接口模块USIC，USIC是一个灵活的接口模
块，它能处理多种串行通信协议，一个USIC模块包含两个独立的，可并行使用
的通信通道。集成的FIFO允许缓存要发送和已接收的数据，对一些实时应用情
况起到缓冲作用。
通用I/O端口为所有标准数字I/O提供一个通用和非常灵活的软件和硬件接
口。每个端口单元都有单独的接口用于通用I/O操作，还为片内外设提供链接，
并对焊盘特性提供进行控制。
本系统上位机采用RS232串行通信方式实现PC机与驱动器的实时通信，
NI公司的发布的图形化编程语言LabVIEW编写上位机界面，整个控制系统软件
采用模块化设计。主程序主要实现连接各子程序，控制整体的数据流向，协调各
子模块间的通讯。
为了编程方便，将上位机发送的命令按照以下串口传输属性：
(1)串口传输波特率，试验中为9600；
(2)串口传输的奇偶校验位，试验中为none；
(3)串口传输的停止位，试验中为8位；
(4)串口传输的数据位数，试验中为8位；
(5)串口端口默认选择PC机的com1。
要实现USB接口的正确通信，不但要保证硬件电路上的正确性，而且要保
证程序处理的正确性。