劉松斌 王海星 李碩恒

(東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

基于STM32的直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)

劉松斌 王海星 李碩恒

(東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁直流電機(jī)轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確、快速、穩(wěn)定地控制，提出積分分離PID與變參數(shù)PID相結(jié)合的控制算法，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)。詳細(xì)闡述了直流電機(jī)調(diào)速的工作原理、積分分離PID與變參數(shù)PID控制算法和系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。以STM32為主控芯片搭建控制平臺(tái)驗(yàn)證調(diào)速系統(tǒng)的性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)達(dá)到了優(yōu)良的調(diào)速性能，與經(jīng)典PID控制算法相比有更快的響應(yīng)速度和更好的穩(wěn)定性。

直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 積分分離PID 變參數(shù)PID STM32

直流電機(jī)以良好的啟動(dòng)性能和調(diào)速性能著稱[1]，宜于在寬廣的范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在軋鋼機(jī)、礦井卷?yè)P(yáng)機(jī)等需要高性能可控電力拖動(dòng)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。雖然與交流電機(jī)相比成本較高且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但從閉環(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)，所以直流電機(jī)仍有一定的理論意義和使用價(jià)值[2]。對(duì)于電機(jī)的控制有調(diào)速控制、位置隨動(dòng)控制及張力控制等，本質(zhì)上都是對(duì)轉(zhuǎn)速的控制[3]。應(yīng)用最廣的是PWM調(diào)速，其優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)快、效率高、抗干擾能力強(qiáng)。

PID是最經(jīng)典的閉環(huán)控制算法，隨著微控制器和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，控制算法在微控制器中實(shí)現(xiàn)比模擬PID更靈活、穩(wěn)定[4]。于是產(chǎn)生了一系列的改進(jìn)PID算法，如積分分離PID、變速積分PID及帶死區(qū)的PID等。針對(duì)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的控制目標(biāo)，提出積分分離和變參數(shù)PID相結(jié)合的算法，實(shí)現(xiàn)電機(jī)對(duì)給定轉(zhuǎn)速的快速穩(wěn)定跟蹤，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差。

1 調(diào)速原理

直流電機(jī)轉(zhuǎn)速與電機(jī)其他參數(shù)的關(guān)系如下[5]：

(1)

式中I——電樞電流，A；

ke——電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)；

n——轉(zhuǎn)速，r/min；

R——電樞回路總電阻，Ω；

U——電樞電壓，V；

φ——?jiǎng)?lì)磁磁通，Wb。

由此可知有3種方法可以改變直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，即改變U、φ、R，分別稱為調(diào)壓調(diào)速、改變磁通調(diào)速、改變電樞回路電阻調(diào)速。對(duì)于需要無(wú)級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，常用調(diào)壓調(diào)速。PWM調(diào)速是調(diào)壓調(diào)速的一種[6]，即將PWM脈沖直接加在電樞的兩端，通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖的寬度來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓。

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件由5部分組成：STM32最小系統(tǒng)作為主控單元、L298N和外圍電路組成驅(qū)動(dòng)模塊、12V直流電機(jī)作為控制對(duì)象、起到速度反饋?zhàn)饔玫幕魻柎a盤(pán)傳感器、觀察轉(zhuǎn)速變化的上位機(jī)。系統(tǒng)的硬件組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件組成框圖

STM32是基于Cortex-M3內(nèi)核的32位ARM處理器，具有價(jià)格便宜、功耗低及性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)。內(nèi)部還集成了高級(jí)定時(shí)器，可生成互補(bǔ)含有死區(qū)的PWM脈沖，特別適合電力電子變換和電機(jī)控制。STM32最小系統(tǒng)由電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和程序下載電路組成。由于STM32輸出PWM為3.3V電平，難以驅(qū)動(dòng)12V直流電機(jī)，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N來(lái)提高驅(qū)動(dòng)能力。L298N內(nèi)部?jī)?nèi)含兩個(gè)H橋,是高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)[7,8]。因?yàn)長(zhǎng)298N為5V邏輯電平，并且工作時(shí)功率電路和控制電路需要隔離，所以需要加一些必要的外圍電路，如光耦隔離、電平轉(zhuǎn)換等，L298N電路如圖2所示，圖中XPWM7連接STM32的PWM輸出引腳，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)M1的驅(qū)動(dòng)。

圖2 L298N電路

為了實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制必須將速度信號(hào)反饋回控制器，選用霍爾碼盤(pán)傳感器將速度信號(hào)以方波脈沖的形式反饋回控制器，STM32的捕獲單元可以捕獲這些脈沖的頻率，從而根據(jù)脈沖頻率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系計(jì)算出轉(zhuǎn)速值。

3 軟件設(shè)計(jì)

PID是一種線性控制算法，它是基于偏差的控制，將偏差e(t)的比例(P)、積分(I)、微分(D)通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量u(t)，對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制，PID的控制規(guī)律為：

(2)

計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制系統(tǒng)，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量，所以連續(xù)PID控制算法不能直接在微控制器中使用，需要采用離散化方法，常用的為增量PID，控制規(guī)律如下：

Δu(k)=u(k-1)+kp[e(k)-e(k-1)]+kie(k)+

kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

(3)

如果計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期，只要使用前后3次測(cè)量的偏差值，就可以由求出控制量。

PID控制中積分部分主要起到消除穩(wěn)態(tài)誤差的作用，在系統(tǒng)剛剛啟動(dòng)或者大范圍改變給定時(shí)系統(tǒng)偏差往往很大，積分作用會(huì)產(chǎn)生積累，這時(shí)控制量達(dá)到最大或者最小的極限輸出即飽和值，系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)量很大甚至振蕩，因此積分分離PID應(yīng)運(yùn)而生。積分分離PID是在經(jīng)典PID基礎(chǔ)上改進(jìn)實(shí)現(xiàn)的，即當(dāng)偏差大于設(shè)定值ε時(shí)使用PD控制，偏差小于ε時(shí)使用PID控制。這樣可以充分發(fā)揮比例環(huán)節(jié)提高系統(tǒng)響應(yīng)的作用，從而快速減少偏差。當(dāng)偏差進(jìn)入很小的范圍時(shí)再引入積分作用，消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。執(zhí)行積分分離PID算法時(shí)，比例環(huán)節(jié)的選擇尤為重要，比例系數(shù)太小系統(tǒng)無(wú)法進(jìn)入積分區(qū)，太大則使系統(tǒng)有很大的超調(diào)甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定。并且工程上常常在引入積分作用后改變比例系數(shù)使它變小，這樣系統(tǒng)會(huì)更加穩(wěn)定，這也就是變參數(shù)PID的思想。積分分離PID的算法公式如下：

u(k)=kpe(t)+kd[e(k)-e(k-1)]/T+

(4)

其中，β為是否引入積分作用的標(biāo)志：

(5)

算法程序框圖如圖3所示。

圖3 積分分離PID算法程序流程

為了更加直觀地體現(xiàn)轉(zhuǎn)速的變化和控制效果，將轉(zhuǎn)速值通過(guò)串口發(fā)送到PC機(jī)中，使用圖形化編程環(huán)境LabVIEW編寫(xiě)上位機(jī)顯示軟件[9]，顯示界面如圖4所示。

圖4 上位機(jī)界面

STM32系列微控制器的開(kāi)發(fā)環(huán)境很多，常用的是MDK。Keil公司開(kāi)發(fā)的ARM開(kāi)發(fā)工具M(jìn)DK，是用來(lái)開(kāi)發(fā)基于ARM核的系列微控制器的嵌入式應(yīng)用程序，可根據(jù)程序流程圖在MDK中完成對(duì)控制算法的編寫(xiě)。

4 實(shí)驗(yàn)研究

結(jié)合以上對(duì)硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)的描述，完成基于STM32的直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牧愕浇o定轉(zhuǎn)速的啟動(dòng)過(guò)程類似一個(gè)階躍響應(yīng)。由自控原理可知，一個(gè)系統(tǒng)的性能可以通過(guò)單位階躍響應(yīng)的特征來(lái)定義，所以通過(guò)系統(tǒng)對(duì)給定轉(zhuǎn)速的響應(yīng)過(guò)程來(lái)分析調(diào)速系統(tǒng)的性能，圖5為系統(tǒng)應(yīng)用普通PID算法的電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程，給定轉(zhuǎn)速為6 000r/min。應(yīng)用積分分離PID和變參數(shù)PID結(jié)合的改進(jìn)PID算法電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程如圖6所示，給定轉(zhuǎn)速也為6 000r/min。分析可知，采用傳統(tǒng)PID算法系統(tǒng)雖然沒(méi)有超調(diào)但響應(yīng)慢；采用改進(jìn)的PID算法時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)速度有顯著提高，很快達(dá)到給定轉(zhuǎn)速，穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差。

圖5 采用PID算法的電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程

圖6 采用改進(jìn)PID算法的電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程

對(duì)于電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，除了啟動(dòng)性能外，系統(tǒng)對(duì)給定轉(zhuǎn)速的跟蹤情況和抵抗負(fù)載擾動(dòng)的能力也是衡量調(diào)速系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。采用改進(jìn)PID算法，給定轉(zhuǎn)速由5 000r/min降到4 000r/min時(shí)的系統(tǒng)響應(yīng)如圖7所示，系統(tǒng)快速達(dá)到給定轉(zhuǎn)速，且運(yùn)行穩(wěn)定。

圖7 采用改進(jìn)PID算法的轉(zhuǎn)速下降過(guò)程

圖8為施加負(fù)載擾動(dòng)后系統(tǒng)的響應(yīng)情況，從圖中可以看到當(dāng)受到負(fù)載擾動(dòng)后系統(tǒng)轉(zhuǎn)速下降，在控制算法的作用下，系統(tǒng)快速恢復(fù)給定轉(zhuǎn)速，有效地抵抗了負(fù)載的擾動(dòng)。

圖8 采用改進(jìn)PID算法施加負(fù)載擾動(dòng)的響應(yīng)過(guò)程

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了基于STM32的直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)表明：積分分離PID算法和變參數(shù)PID結(jié)合的算法與經(jīng)典PID算法相比，直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制效果得到了很大的改善。系統(tǒng)有優(yōu)良的啟動(dòng)性能，實(shí)現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)速對(duì)給定轉(zhuǎn)速的快速穩(wěn)定跟蹤，有效抑制外界擾動(dòng)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。為直流電機(jī)速度控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了一種新的解決方案。

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DesignofDCMotorPWMSpeedControlSystemBasedonSTM32

LIU Song-bin, WANG Hai-xing,LI Shuo-heng

(SchoolofElectricalEngineeringandInformation,NortheastPetroleumUniversity,Daqing163318,China)

In order to control PMDC(permanent magnet DC) motor’s speed accurately and rapidly and stably, a control algorithm which integrating integral separation PID with variable parameter PID was proposed and a PWM speed control system for the DC motor was designed. The working principle of this DC motor speed control system was elaborated, including the newly-proposed control algorithm and the design of the system’s hardware and software. Establishing a STM32 chip-cored control platform to verify speed control system’s performance shows that as compared to the classical PID, this speed control system has faster response speed and better stability.

DC motor speed control system, integral separation PID, variable parameter PID, STM32

2015-11-25(修改稿)

TH865

A

1000-3932(2016)08-0834-04