基于ARM 的直流電機(jī)數(shù)字式電子調(diào)速器設(shè)計(jì)

郭曉洪

(中國大唐集團(tuán)公司山西分公司安全生產(chǎn)部，山西 太原 030024)

近年來，隨著數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，電機(jī)的調(diào)速技術(shù)也得以迅速發(fā)展。數(shù)字式電子調(diào)速器以其控制精度高、響應(yīng)速度快，能夠有效地提高發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能，延長發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命的優(yōu)點(diǎn)得以廣泛應(yīng)用［1，2］。在此基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一種基于ARM 的實(shí)時(shí)精確控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的數(shù)字式電子調(diào)速器。

1 直流電機(jī)調(diào)速原理

1.1 直流電機(jī)的工作原理

依據(jù)直流電機(jī)的機(jī)械特性知，直流電機(jī)的調(diào)速方案有三種:改變電源電壓;改變電樞電阻;弱磁調(diào)速(即改變勵(lì)磁磁通)。改變電樞電阻的方法會(huì)引起電機(jī)機(jī)械特性變軟，使轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性變差。弱磁調(diào)速在低速時(shí)受到磁極飽和的限制，在高速時(shí)受換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制，并且勵(lì)磁線圈電感較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差。所以在本設(shè)計(jì)中采用改變電源電壓的調(diào)速方案。

1.2 PWM 控速原理

圖1 是利用開關(guān)管對直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行PWM 調(diào)速控制的原理圖和輸入輸出電壓波形。在圖1(a)中，當(dāng)開關(guān)柵極輸入高電平時(shí)，開關(guān)管導(dǎo)通，直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組兩端有電壓Us。t1秒后，柵極輸入變?yōu)榈碗娖剑_關(guān)管截至，電動(dòng)機(jī)電樞兩端電壓為0。t2秒后，柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖?。開關(guān)管重復(fù)前面的動(dòng)作。這樣，對應(yīng)著輸入電平的高低。直流電動(dòng)機(jī)繞組兩端的電壓波形如圖1(b)所示。電動(dòng)機(jī)繞組兩端的電壓平均值為［4，5］:

通過改變?chǔ)?的值可以改變電樞繞組兩端電壓的平均值，從而達(dá)到調(diào)速的目的，這是PWM 調(diào)速原理。

圖1 PWM 調(diào)速控制的原理圖和輸入輸出電壓波形

2 數(shù)字式電子調(diào)速器設(shè)計(jì)

數(shù)字式電子調(diào)速器由控制器、執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行器和傳感器四部分組成。

本設(shè)計(jì)采用飛思卡爾基于ARM?Cortex?－M4 內(nèi)核的32 位微控制器Kinetis K60 系列的MK60DN512ZVLQ10(以下簡稱K60)控制器，其工作電壓2.7 V－5.5 V，總線頻率可達(dá)100 MHz，其擁有512 kB 的FLASH 和128 kB 的SRAM。它能完成電擊調(diào)速、控制運(yùn)算、檢測調(diào)速器工作狀態(tài)以及與外部設(shè)備通信聯(lián)絡(luò)等功能。執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由H 橋驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。執(zhí)行器為伺服直流電機(jī)。傳感器選用歐姆龍集團(tuán)的E6A2－CW3E 光電編碼器。此外為了調(diào)試方便，采用藍(lán)牙串口通信模塊作為與上位機(jī)通信模塊。

2.1 調(diào)速器結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)由K60 作為控制器，完成與上位機(jī)之間的通信，同時(shí)通過采集車輪轉(zhuǎn)速與設(shè)定值進(jìn)行比較，然后采用PWM對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)控。

2.2 ARM 接口電路的設(shè)計(jì)

K60 內(nèi)部集成了正交解碼，PWM 輸出以及串口通信外設(shè)。光電編碼器可以對電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量，該光電編碼器通過齒輪與電機(jī)齒輪相嚙合，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)編碼器會(huì)產(chǎn)生A、B相脈沖，兩相脈沖信號相位相差90°。編碼器產(chǎn)生信號后，K60 對應(yīng)的GPIO 口將采集PWM 信號，此時(shí)A 相信號作為方向判斷信號，即當(dāng)A 相超前B 相90°時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn);A 相滯后B 相90°時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。B 相信號作為電機(jī)轉(zhuǎn)速信號使用。圖2 為K60 接口電路的設(shè)計(jì)。

圖2 K60 接口電路設(shè)計(jì)

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路使用74HC08 與門、HIP4082 芯片作為K60 與H 橋之間的橋梁。74HC08 接收K60 產(chǎn)生的PWM 信號，經(jīng)過與運(yùn)算產(chǎn)生PWM 信號。HIP4082 芯片具有隔離功能，對K60 起到保護(hù)作用，另一方面HIP4082 為NMOS 提供合適的漏、源電壓使H 橋相應(yīng)橋臂導(dǎo)通進(jìn)而對電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。圖3 為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

2.4 串口通信模塊

由于藍(lán)牙具有串口通信功能，且藍(lán)牙傳輸輕巧方便，通信簡單，故采用藍(lán)牙模塊與上位機(jī)進(jìn)行通信。

3 調(diào)速器軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI 調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)負(fù)反饋進(jìn)行調(diào)速，該調(diào)速器可以保證在系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實(shí)現(xiàn)無轉(zhuǎn)速靜態(tài)誤差。

本設(shè)計(jì)由K60 通過光電編碼器測得電機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)際值與目標(biāo)值進(jìn)行對比產(chǎn)生誤差值。誤差值經(jīng)過PI 調(diào)節(jié)器后產(chǎn)生PWM 輸出值，由K60 輸出PWM 到電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。軟件流程圖如圖4 所示。

圖4 調(diào)速器軟件流程圖

4 調(diào)試

上位機(jī)通過串口通信給K60 傳遞調(diào)速器的參數(shù)和電機(jī)速度的設(shè)定值。K60 通過比較分析實(shí)際值與設(shè)定值之差，經(jīng)由調(diào)節(jié)器計(jì)算得出控制電機(jī)的PWM 輸出值。例如:上位機(jī)設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速為1.5 m/s，設(shè)定值經(jīng)串口通信傳遞給下位機(jī)。同時(shí)下位機(jī)將測得數(shù)據(jù)反饋到上位機(jī)，數(shù)據(jù)有0.084 s 的上升時(shí)間，峰值為1.55 m/s，超調(diào)量為3.3%，調(diào)整時(shí)間為0.208 s。如圖5 所示。

圖5 上位機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示

通過數(shù)次實(shí)驗(yàn)得出如下數(shù)據(jù)見表1。

表1 多次實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)

表1 中的數(shù)據(jù)說明，所設(shè)計(jì)的調(diào)速器可以實(shí)時(shí)精確控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，具有超調(diào)量小，調(diào)整時(shí)間短的特點(diǎn)。

5 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的基于ARM 的直流電機(jī)數(shù)字式電子調(diào)速器，充分利用了飛思卡爾K60 處理器中的資源，降低了調(diào)速器系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且系統(tǒng)所具有的實(shí)時(shí)調(diào)控、超調(diào)小、調(diào)整時(shí)間短、無轉(zhuǎn)速靜態(tài)誤差等特點(diǎn)可以促進(jìn)該系統(tǒng)在各方面的廣泛應(yīng)用。

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