基于微粒群優(yōu)化算法的直流電機(jī)控制系統(tǒng)研究

劉海波 楊戰(zhàn)旗 艾永樂(lè)

摘 要： 針對(duì)現(xiàn)有直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和存在的問(wèn)題，介紹以STM32單片機(jī)為控制核心的直流電機(jī)數(shù)字調(diào)速控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)控制直流電機(jī)，將模糊控制與微粒群算法相結(jié)合，優(yōu)化模糊控制器的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和閉環(huán)調(diào)速控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)速性能好，并具有較強(qiáng)的抗干擾能力，在工程應(yīng)用中有較高的推廣價(jià)值。

關(guān)健詞： 直流電機(jī)； STM32； 模糊控制； 微粒群優(yōu)化算法； PWM信號(hào)； 閉環(huán)調(diào)速

中圖分類(lèi)號(hào)： TN964?34； TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）08?0121?04

Abstract： In allusion to the characteristics and problems of the current DC motor control system， a DC motor digital speed regulation control system taking STM32 single chip microcomputer as the control core is introduced. In the system， PWM signals are used to drive and control the DC motor， fuzzy control is combined with the particle swarm optimization algorithm to optimize the parameters of fuzzy controller and realize the drive of DC motor and closed?loop speed regulation control. The experimental results show that the control system has a simple structure， good speed regulation performance， and strong anti?interference capability， which has a high promotional value in engineering application.

Keywords： DC motor； STM32； fuzzy control； particle swarm optimization algorithm； PWM signal； closed?loop speed regulation

當(dāng)今，自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)已經(jīng)在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。直流電動(dòng)機(jī)因其控制性能好、方法簡(jiǎn)單、成本低和能夠較大范圍平滑調(diào)速等優(yōu)點(diǎn)，在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域占據(jù)著十分重要的地位[1]。隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以單片機(jī)為控制核心的數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)控制方法靈活便捷，測(cè)速精度高，抗干擾能力強(qiáng)，能達(dá)到最優(yōu)控制效果。本系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為控制核心，利用PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)控制直流電機(jī)，結(jié)合電流傳感器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 基本結(jié)構(gòu)

調(diào)速系統(tǒng)主要由主控模塊、整流電路模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)及保護(hù)模塊、電壓電流檢測(cè)模塊、人機(jī)交互模塊和電源模塊等組成，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)采用STM32單片機(jī)作為主控制器，根據(jù)設(shè)定轉(zhuǎn)速，利用轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊檢測(cè)轉(zhuǎn)速信號(hào)并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)反饋給單片機(jī)；系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定轉(zhuǎn)速和反饋轉(zhuǎn)速信號(hào)的偏差，經(jīng)速度調(diào)節(jié)后產(chǎn)生電流參考量，它與電流反饋量形成的偏差經(jīng)電流調(diào)節(jié)后，利用微粒群算法優(yōu)化模糊控制器，在線自動(dòng)調(diào)節(jié)模糊控制器的參數(shù)，得到PWM占空比的控制量，即改變直流電機(jī)電樞兩端的平均電壓調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)基于STM32單片機(jī)的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速，提高系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。

1.2 主控制器

調(diào)速裝置的主控制器模塊采用高性能、低功耗的STM32F103C8T6單片機(jī)，它是ARM公司最新生產(chǎn)的基于Cortex?M3 內(nèi)核的32 位微處理器，時(shí)鐘頻率最高可達(dá)72 MHz，具有單周期乘法制定的硬件觸發(fā)功能和較強(qiáng)的運(yùn)算能力[2]。它提供了高級(jí)的中斷響應(yīng)系統(tǒng)和片上資源，并設(shè)有電機(jī)的專(zhuān)門(mén)接口，可以實(shí)現(xiàn)6路可配置的PWM信號(hào)，結(jié)合定時(shí)器較強(qiáng)的邊沿捕獲能力，為實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的精確控制調(diào)速提供了保障。

1.3 驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路

驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路模塊主要完成開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通和關(guān)斷控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速控制。通過(guò)電流檢測(cè)模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)電流，當(dāng)檢測(cè)到電機(jī)過(guò)載時(shí)，主控芯片關(guān)閉PWM輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)保護(hù)。考慮到電機(jī)控制過(guò)程中存在的各種情況，要求驅(qū)動(dòng)模塊應(yīng)具有脫機(jī)、使能、鎖定等功能[3?4]。

系統(tǒng)采用集成IR2130芯片設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路，其電路原理圖如圖2所示。

1.4 隔離電路設(shè)計(jì)

考慮到系統(tǒng)的抗干擾性能，接口需要考慮采用光電隔離等措施。隔離電路以快速光電隔離器件6N137為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，光電隔離電路原理圖如圖3所示。其主要功能是隔離驅(qū)動(dòng)電路和STM32控制電路，以防止大電流反饋到控制電路，燒壞控制芯片[5]。

1.5 電壓電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

電機(jī)的電壓和電流分別通過(guò)VSM025A電壓傳感器、CSM005A電流傳感器測(cè)量，它們是應(yīng)用霍爾效應(yīng)閉環(huán)原理的傳感器，能在電隔離條件下測(cè)量直流、交流、脈沖以及各種不規(guī)則波形的電壓和電流。電壓傳感器可以測(cè)量10～500 V電壓，電流傳感器可以測(cè)量0～±6 A電流。其中采樣電阻必須選用精密電阻，不會(huì)因外界和自身的溫度變化而發(fā)生變化，否則會(huì)影響電壓電流檢測(cè)的準(zhǔn)確性。電壓和電流檢測(cè)電路分別如圖4、圖5所示。

1.6 人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互模塊主要包括液晶顯示電路和鍵盤(pán)控制，顯示電路采用OLED顯示屏，主要完成電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)的電壓和電流、脈沖占空比等參數(shù)的顯示。鍵盤(pán)控制采用獨(dú)立按鍵輸入方式，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)整、占空比的控制等功能。

2 系統(tǒng)控制方法設(shè)計(jì)

直流電機(jī)的調(diào)速主要是通過(guò)調(diào)節(jié)電樞電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其中應(yīng)用比較廣泛的是傳統(tǒng)的PID控制。為了提高系統(tǒng)的性能，需要確定最佳的PID參數(shù)，但目前主要還是靠“試湊法”來(lái)獲取，效率低、適應(yīng)性差，時(shí)常造成調(diào)速系統(tǒng)的工作性能不佳[6]。很多學(xué)者將模糊控制與PID算法相結(jié)合進(jìn)行直流電機(jī)的控制，在一定程度上解決了傳統(tǒng)PID控制的問(wèn)題，但模糊控制的規(guī)則是靠專(zhuān)家的知識(shí)積累和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)制定的，由于人員的差別會(huì)使控制系統(tǒng)存在缺陷，影響調(diào)速系統(tǒng)的性能[7]。針對(duì)這種情況，本文提出一種新的控制方法，將模糊控制和微粒群算法相結(jié)合，利用微粒群優(yōu)化算法對(duì)模糊控制器的參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)速參數(shù)的優(yōu)化，提高系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，使其具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。

2.1 微粒群優(yōu)化算法

微粒群優(yōu)化算法（Particle Swarm Optimization）與其他進(jìn)化類(lèi)算法相似，同樣采用“群體”和“進(jìn)化”的概念，它主要是受人類(lèi)對(duì)鳥(niǎo)類(lèi)群體行為的建模和仿真研究結(jié)果的啟發(fā)，從而用于優(yōu)化問(wèn)題的解決[8]。

2.2 微粒群優(yōu)化模糊控制器實(shí)現(xiàn)

模糊控制器的輸入變量有兩個(gè)，分別為直流電機(jī)的給定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的偏差e和偏差變化率ec，其輸出變量為u，ke和kec分別為e和ec的量化因子，ku為u的比例因子，模糊量E，EC和U的語(yǔ)言變量論域有7個(gè)語(yǔ)言變量，設(shè)為NB（負(fù)大），NM（負(fù)中），NS（負(fù)小），ZO（零），PS（正小），PM（正中），PB（正大）[10?11]。

通過(guò)將模糊控制和微粒群優(yōu)化算法相結(jié)合，根據(jù)它們各自的特點(diǎn)，采用改進(jìn)的微粒群算法實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)和修改模糊控制器的參數(shù)，使其成為權(quán)重可調(diào)的自適應(yīng)模糊控制器。微粒群優(yōu)化的模糊PID控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

3 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

在Matlab/Simulink環(huán)境中進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證該直流電機(jī)控制方法的正確性和系統(tǒng)工作的性能，并與傳統(tǒng)的PID控制性能進(jìn)行比較。

由圖可知，該控制方法可以滿(mǎn)足調(diào)速系統(tǒng)的要求，其性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的PID控制，系統(tǒng)響應(yīng)的時(shí)間更短，工作穩(wěn)定可靠，無(wú)超調(diào)量，系統(tǒng)的調(diào)速性能得到了極大的提高。

4 結(jié) 論

本文提出基于STM32單片機(jī)的直流電機(jī)數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的PWM波脈寬控制，結(jié)合電流傳感器可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的雙閉環(huán)數(shù)字控制。開(kāi)發(fā)的調(diào)速系統(tǒng)樣機(jī)通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室的調(diào)試使用，結(jié)果表明該系統(tǒng)可以安全可靠的工作，兼具響應(yīng)速度快和控制精度高等優(yōu)勢(shì)，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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