直流電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉旭輝 簡(jiǎn) 震 張遠(yuǎn)方 丁志娟

（上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院）

LabVIEW以簡(jiǎn)單易用的圖形開(kāi)發(fā)環(huán)境、強(qiáng)大的底層硬件驅(qū)動(dòng)和較好的圖形顯示能力在工業(yè)控制、數(shù)據(jù)采集、圖像處理及機(jī)器視覺(jué)等領(lǐng)域應(yīng)用頗為廣泛［1，2］。 隨著電磁技術(shù)的不斷發(fā)展，交流電機(jī)因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠及維護(hù)方便等優(yōu)勢(shì)得到了廣泛的應(yīng)用。 然而在一些大功率冶金行業(yè)、新能源汽車行業(yè)和大型家電行業(yè)里，直流電機(jī)以其良好的啟停性能和無(wú)極調(diào)速性能仍具有無(wú)可替代的作用， 并且從閉環(huán)反饋控制角度分析，直流電機(jī)控制是交流電機(jī)控制的基礎(chǔ)，因此直流電機(jī)仍有一定的理論意義和廣闊的應(yīng)用前景［3］。 筆者基于STM32和LabVIEW搭建了直流電機(jī)閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，依據(jù)脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速原理和PID控制理論，對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

筆者設(shè)計(jì)的閉環(huán)控制系統(tǒng)可分為硬件部分和軟件部分。硬件部分包括STM32控制器、直流電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器和編碼器。 軟件部分包括LabVIEW上位機(jī)軟件和基于HAL庫(kù)編寫的STM32控制程序。STM32控制器采用STM32F407IG6驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片采用Cortex-CM4內(nèi)核處理器。 直流電機(jī)采用25GA370大功率碳金刷直流減速電機(jī)， 減速比為1∶30， 內(nèi)置11線光電編碼器。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用L298N驅(qū)動(dòng)芯片，內(nèi)置雙H橋驅(qū)動(dòng)電路。 上位機(jī)軟件通過(guò)串口與STM32進(jìn)行通信， 傳遞指令碼給STM32控制器， 控制器根據(jù)通信協(xié)議對(duì)指令碼進(jìn)行解析后輸出相應(yīng)占空比的PWM脈沖信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器， 驅(qū)動(dòng)器根據(jù)脈沖信號(hào)控制H橋橋臂的開(kāi)斷狀態(tài)，進(jìn)而控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速與方向。STM32控制器通過(guò)編碼器接口獲取電機(jī)轉(zhuǎn)速，并通過(guò)波形圖表顯示模塊對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。 該控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 硬件環(huán)境設(shè)計(jì)

2.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)器是控制器與電機(jī)之間的橋梁，本系統(tǒng)采用STM32控制器的GPIO口的輸出電壓是3.3V，而25GA370直流電機(jī)的額定電壓是12V， 不能用控制器直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)， 因此選用L298N芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，L298N芯片內(nèi)含雙H橋全橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，每個(gè)H橋由4個(gè)大功率三極管構(gòu)成，為確保H橋電路不會(huì)同側(cè)導(dǎo)通，在原H橋電路基礎(chǔ)上增加4個(gè)與門和2個(gè)非門邏輯電路，可確保H橋單側(cè)只有一個(gè)三極管導(dǎo)通， 起到保護(hù)芯片的作用。 通過(guò)STM32控制器高級(jí)定時(shí)器輸出互補(bǔ)PWM脈沖，控制橋臂交替導(dǎo)通和截止， 實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制，通過(guò)調(diào)整PWM脈沖的占空比控制驅(qū)動(dòng)器輸出電壓實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速［4］。 此外，利用4個(gè)光耦隔離器將STM32控制器與驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行隔離， 確保電路安全可靠。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。

圖2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

2.2 電機(jī)轉(zhuǎn)速采集電路

為實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的閉環(huán)控制，系統(tǒng)需要對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行采集。 25GA370直流電機(jī)上集成了一個(gè)編碼器測(cè)速裝置， 由2個(gè)霍爾傳感器和鐵氧體磁環(huán)組成，2個(gè)霍爾傳感器成90°安裝，即編碼器A相和B相。 電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)鐵氧體磁環(huán)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)磁環(huán)的一個(gè)磁極靠近霍爾傳感器時(shí)輸出低電平信號(hào)，磁環(huán)的另一個(gè)磁極靠近即上個(gè)磁極遠(yuǎn)離時(shí)輸出高電平信號(hào)［5］。 通過(guò)定時(shí)器輸入捕獲功能計(jì)算捕獲的高電平或低電平的次數(shù)，從而得到電機(jī)的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)。 筆者采用的編碼器分辨率為11線，即電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一圈編碼器可產(chǎn)生11個(gè)脈沖信號(hào)，考慮到電機(jī)減速比為1∶30，實(shí)際輸出軸旋轉(zhuǎn)一圈編碼器可產(chǎn)生330個(gè)脈沖信號(hào)。 通常編碼器測(cè)速有兩種方法——T法和M法，T法即計(jì)算一定脈沖數(shù)量所用的時(shí)間，M法即計(jì)算一定時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)量［6］，筆者采用M法測(cè)速。 YS-F4Pro控制板上集成了專用的編碼器接口，最多可同時(shí)雙相采集兩路編碼器脈沖信號(hào)，其電路如圖3所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 PID算法

筆者采用離散型增量式PID算法實(shí)現(xiàn)對(duì)直流

圖3 編碼器接口電路

電機(jī)的閉環(huán)控制，表達(dá)式如下：

式中 ek——第k次采樣偏差；

k——采樣序號(hào)；

Kd——微分系數(shù)；

Ki——積分系數(shù)；

Kp——比例系數(shù)；

T——采樣周期；

Δuk——第k次采樣輸出控制量的增量。

系統(tǒng)的PID算法通過(guò)Keil軟件采用C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)。 STM32通過(guò)對(duì)編碼器脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)得到電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速， 然后將當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速傳給PID控制函數(shù)， 得到控制量增量用以調(diào)節(jié)占空比輸出相應(yīng)的PWM脈沖信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的PID控制，控制流程如圖4所示。

圖4 增量式PID控制算法流程

3.2 上位機(jī)軟件的編寫

為實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信，筆者基于LabVIEW編寫了上位機(jī)軟件，主要包括串口通信模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊和圖形顯示模塊。

3.2.1 串口通信模塊

VISA函數(shù)是LabVIEW中常用的串口通信模塊，VISA函數(shù)編程簡(jiǎn)單， 但生成安裝文件時(shí)，需額外安裝約250MB的函數(shù)驅(qū)動(dòng)程序， 導(dǎo)致程序運(yùn)行較慢，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)可能造成丟失。 筆者采用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)庫(kù)函數(shù)PCOMM.dll來(lái)實(shí)現(xiàn)串口通信功能。通過(guò)PCOMM.dll庫(kù)函數(shù)可直接調(diào)用PC機(jī)底層的WINAPI開(kāi)發(fā)接口，與VISA相比運(yùn)行速度提高近兩倍［7］。 圖5為PCOMM.dll庫(kù)函數(shù)串口通信程序。

圖5 PCOMM.dll庫(kù)函數(shù)串口通信程序

3.2.2 數(shù)據(jù)發(fā)送模塊

數(shù)據(jù)發(fā)送模塊包括PID參數(shù)整定、 目標(biāo)位置發(fā)送和電機(jī)啟停。 采用字符串形式通過(guò)串口向下位機(jī)發(fā)送相關(guān)指令數(shù)據(jù)，指令碼格式見(jiàn)表1。

表1 LabVIEW串口通信指令碼格式

以PID參數(shù)整定為例對(duì)該模塊進(jìn)行說(shuō)明。 常見(jiàn)PID參數(shù)整定法有理論計(jì)算法、試湊法、臨界比例法及衰減曲線法等，這些方法均需多次調(diào)整才能得到合適的PID參數(shù)，較為耗時(shí)［8］。為此設(shè)計(jì)PID參數(shù)整定模塊。 PID參數(shù)設(shè)置的指令碼為“AA 07 P（XX XX XX XX） I（XX XX XX XX） D（XX XX XX XX） CS 2F”，其中AA為幀頭，07為功能碼，P、I、D為32位整型（以4個(gè)8位整型XX表示）,CS為校驗(yàn)碼，2F為結(jié)束符（“/”）,共16字節(jié)，均以十六進(jìn)制表示。STM32收到數(shù)據(jù)后對(duì)功能碼進(jìn)行判斷，若為“07” 則截取PID參數(shù)字符串來(lái)修改STM32程序的PID參數(shù)，達(dá)到參數(shù)整定的目的。 程序如圖6所示。

圖6 PID參數(shù)發(fā)送程序

3.2.3 圖形顯示模塊

為實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)了圖形顯示模塊（圖7）。 為簡(jiǎn)化運(yùn)算，控制器SysTick定時(shí)器中斷回調(diào)函數(shù)每隔0.1s通過(guò)串口向上位機(jī)以指令碼形式發(fā)送一次電機(jī)轉(zhuǎn)速信息。 上位機(jī)接收到指令碼，先對(duì)指令碼幀頭、幀尾、校驗(yàn)和進(jìn)行驗(yàn)證，然后以條件結(jié)構(gòu)判斷功能碼，最后通過(guò)索引字符串功能截取轉(zhuǎn)速信息并以波形圖表顯示。

圖7 圖形顯示模塊程序

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

完成上述硬件設(shè)計(jì)和軟件編寫之后，搭建了直流電機(jī)閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)（圖8），主要包括YS-F4Pro控制板、驅(qū)動(dòng)器、直流電機(jī)、編碼器和LabVIEW上位機(jī)軟件。

圖8 直流電機(jī)閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)

經(jīng)過(guò)多次PID參數(shù)的實(shí)時(shí)整定，得出P=5.5、I=1.5、D=0時(shí)，系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行直流電機(jī)的閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證該閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度。 如圖9所示，設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速為150r/s， 在28.5s時(shí)啟動(dòng)電機(jī)， 實(shí)際轉(zhuǎn)速約在30s處與目標(biāo)曲線重合，整個(gè)調(diào)整時(shí)間約為1.5s,沒(méi)有出現(xiàn)較大超調(diào)量。 為了驗(yàn)證該閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在65s處給電機(jī)輸出軸施加反向負(fù)載，電機(jī)在149～152r/s范圍內(nèi)出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象， 與目標(biāo)轉(zhuǎn)速差值在2r/s之內(nèi)，屬于允許誤差范圍。 為進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)的響應(yīng)速度，在112s處，將目標(biāo)轉(zhuǎn)速調(diào)整為50r/s, 實(shí)際轉(zhuǎn)速約在113s處與目標(biāo)轉(zhuǎn)速曲線重合，調(diào)整時(shí)間約為1s，電機(jī)響應(yīng)十分迅速。 由此可見(jiàn)PID參數(shù)是合理的， 該閉環(huán)系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和調(diào)速性能。

圖9 目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

介紹了基于STM32和LabVIEW的直流電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程， 并基于PID理論搭建了直流電機(jī)閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)。 實(shí)驗(yàn)表明，在該系統(tǒng)下直流電機(jī)具有良好的穩(wěn)定性和調(diào)速性能。 此外，通過(guò)上位機(jī)軟件波形圖表顯示功能進(jìn)行PID參數(shù)實(shí)時(shí)整定， 與傳統(tǒng)參數(shù)整定方法相比更加直觀和快捷， 這種全新的參數(shù)整定模式，在工程上具有一定的應(yīng)用價(jià)值和借鑒意義。