基于STM32 的直流電機(jī)調(diào)速

龔成 南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院

1 引言

隨著微處理器、電力電子、控制技術(shù)的發(fā)展，電機(jī)控制以電力半導(dǎo)體變流器件的應(yīng)用為基礎(chǔ)，以電動(dòng)機(jī)為控制對(duì)象，以控制理論為指導(dǎo)，以電子技術(shù)和微處理器技術(shù)以及計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)為手段，結(jié)合檢測(cè)技術(shù)和數(shù)據(jù)通信技術(shù)，使數(shù)字化回路的電機(jī)控制成為可能。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)原理框圖

設(shè)計(jì)采用以STM32 為系統(tǒng)控制核心，STM32 產(chǎn)生的PWM脈沖控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，進(jìn)而控制電機(jī)，同時(shí)編碼器實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度的信號(hào)檢測(cè)處理，提供反饋信號(hào)給微處理器，微處理器綜合處理信息后再發(fā)送信號(hào)給驅(qū)動(dòng)模塊，從而形成電機(jī)閉環(huán)控制。系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2.2 整體原理圖

在控制電機(jī)運(yùn)行時(shí)，信號(hào)從STM32 的AIN1 和AIN2 輸出，進(jìn)入驅(qū)動(dòng)TB6612，從而控制電機(jī)A1、A2，傳輸?shù)骄幋a器接口，進(jìn)而編碼器輸出，返回到微處理器，形成閉環(huán)控制。整體原理圖如圖2 所示。

圖2 整體原理圖

2.3 STM32 控制器模塊

主控芯片采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的32 位微控制器STM32F103C8T6，該芯片是基于ARM Cortex-M3 核心的帶64K 字節(jié)閃存的微控制器，其工作頻率最高可達(dá)到72MHz，性能高，功耗低。

2.4 電源模塊

電源供電，通過(guò)降壓電路將5V 的電壓源轉(zhuǎn)換為3.3V。

2.5 驅(qū)動(dòng)模塊

驅(qū)動(dòng)芯片采用集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片TB6612。該芯片主要是由兩組四個(gè)大功率晶體管組成的H 橋電路構(gòu)成，本課題采用其中一個(gè)H 橋即可。四個(gè)晶體管分為兩組，交替導(dǎo)通和截止，STM32控制MOS 管使之工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，通過(guò)調(diào)整控制邏輯輸入脈沖的占空比，進(jìn)而調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

2.6 通信模塊

MAX3485 是用于通信的3.3V 低功耗收發(fā)器，每個(gè)器件中都具有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)接收器。驅(qū)動(dòng)器具有短路電流限制，并可以通過(guò)熱關(guān)斷電路將驅(qū)動(dòng)器輸出置為高阻狀態(tài)，防止過(guò)度的功率損耗。接收器輸入具有失效保護(hù)特性，黨輸入開(kāi)路時(shí)，可以確保邏輯高電平輸出。DE 和RO 為使能管腳。DE 為低電平、RE 為低電平時(shí)為接收；DE 為高電平、RE 為高電平時(shí)為發(fā)送；RO 和DI為數(shù)據(jù)管腳。RO 為接收，DI 為發(fā)送；因此我們經(jīng)常將DE 和RE直接連接，用一個(gè)IO 口控制。

3 MATLAB 仿真

3.1 建立電機(jī)模型

在他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，以磁場(chǎng)為媒介，實(shí)現(xiàn)電能和機(jī)械的轉(zhuǎn)換，其數(shù)學(xué)模型主要包含電壓平衡方程和機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程。

在零初始條件下，取等式兩側(cè)的拉氏變換，得電壓與電流間傳遞函數(shù)為：

由此，可以建立直流電機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖3 所示。可知直流電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)受到兩個(gè)物理量的影響：一個(gè)是PWM 放大器的輸出電壓Ua0(s)，另一個(gè)是負(fù)載電流IaL(s)。前者是控制輸入量，后者是擾動(dòng)輸入量。

圖3 直流電機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

3.2 模型參數(shù)計(jì)算

控制對(duì)象電機(jī)減速機(jī)的基本參數(shù)如表1 所示。

表1 減速電機(jī)基本參數(shù)

單閉環(huán)傳統(tǒng)函數(shù)如圖4 所示。

圖4 單閉環(huán)傳統(tǒng)函數(shù)框圖

由于任務(wù)要求可知，開(kāi)關(guān)頻率為10K，速度回路采樣周期為14mS。由此得出PWM 環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)，即開(kāi)關(guān)頻率的倒數(shù)，Ts=1/10000=0.0001s 速度回路采樣周期，T=0.014s。通過(guò)查閱運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)相關(guān)章節(jié)，復(fù)習(xí)直流電機(jī)模型的傳遞函數(shù)，依據(jù)電機(jī)基本參數(shù)值，通過(guò)計(jì)算確定各參數(shù)值。

3.3 Simulink 仿真

根據(jù)所得數(shù)據(jù)，利用MATLAB 軟件，建立直流電機(jī)的Simulink 的仿真模型，如圖9 所示。

圖9 直流電機(jī)的Simulink 的仿真模型

通過(guò)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)整定法調(diào)整PID 參數(shù)，得出滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)任務(wù)要求的PID 參數(shù)。經(jīng)調(diào)試當(dāng)p=10、i=0.82、d=0 時(shí)，基本滿足條件。

圖10 p=10、i=0.82、d=0 時(shí)的波形圖