孔佳儀++程紅

摘要：針對(duì)以PC機(jī)為上位機(jī)，DSP為下位機(jī)控制器的小型直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，給出了硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案、驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型，詳細(xì)介紹了功率驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)開(kāi)發(fā)和下位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)。通過(guò)電機(jī)調(diào)速特性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)的可行性，達(dá)到了控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能要求，系統(tǒng)人機(jī)對(duì)話友好，該方案可推廣應(yīng)用于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：直流電機(jī)調(diào)速 DSP 驅(qū)動(dòng)電路 串口通信

中圖分類號(hào)：TM33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）11（a）-0006-04

用DSP替代傳統(tǒng)的單片機(jī)進(jìn)行電機(jī)控制已成為一種潮流。該文將高速、高性能、滿足實(shí)時(shí)性要求的TMS320F2812用于直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路，滿足低成本大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，采用增量式PI算法閉環(huán)反饋，通過(guò)改變PWM信號(hào)達(dá)到調(diào)速控制目的，TMS320F2812通過(guò)串行通信數(shù)據(jù)接口與上位機(jī)進(jìn)行信息交互，使得系統(tǒng)更加智能化，人機(jī)對(duì)話友好，該方案可推廣應(yīng)用于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 總體控制方案

該文選取額定電壓為12 V的37GB-520大扭矩直流減速電機(jī)，同時(shí)電機(jī)尾部裝備了一個(gè)增量式霍爾旋轉(zhuǎn)編碼器，簡(jiǎn)化了硬件結(jié)構(gòu)。控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是接收上位機(jī)的控制命令，采集直流電機(jī)速度反饋信息，通過(guò)閉環(huán)控制算法控制直流電機(jī)完成相應(yīng)動(dòng)作[1]，總體控制方案如圖1所示。DSP用于產(chǎn)生PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)功率驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)電機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)控制。通信模塊用于實(shí)現(xiàn)DSP和上位機(jī)之間的信息交互，上位機(jī)發(fā)送控制命令給下位機(jī)，同時(shí)，下位機(jī)能夠?qū)崟r(shí)地將速度信息反饋給上位機(jī)，方便上位機(jī)監(jiān)控[2]。

1.2 功率驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

功率驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示，由于功率半導(dǎo)體器件并非理想開(kāi)關(guān)，斬波器橋路同側(cè)兩元件切換時(shí)必須要等到導(dǎo)通元件確實(shí)關(guān)斷之后才能開(kāi)通另一元件，否則勢(shì)必造成同側(cè)對(duì)應(yīng)管直通，將電源短路[3]。為了避免直通短路，必須引入開(kāi)通延時(shí)死區(qū)，延時(shí)時(shí)間必須大于MOSFET管的存儲(chǔ)時(shí)間[4]。該文選用IR公司的IR2104半橋驅(qū)動(dòng)芯片作為柵極驅(qū)動(dòng)器，IR2104能提供較大的柵極驅(qū)動(dòng)電流，死區(qū)電壓小，并且具有硬件防同臂導(dǎo)通等功能。

1.3 通信電路設(shè)計(jì)

為實(shí)時(shí)直流電機(jī)的速度信息，該文建立了上位機(jī)與下位機(jī)通信的電路模塊。串行通信采用符合RS-232標(biāo)準(zhǔn)的SP3232E芯片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，具有兩個(gè)接收和發(fā)送通道，因其集成度高，與TMS320F2812一樣采用3.3V供電，所以可以直接進(jìn)行連接[5]。串行通信接口電路如圖3所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

該文采用TMS320F2812的串行SCIA模塊外擴(kuò)為RS-232接口與上位機(jī)進(jìn)行通訊，SCIA模塊通過(guò)中斷模式接收上位機(jī)的控制數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為控制命令放入控制命令變量中[6]。為保證下位機(jī)能夠正確接收上位機(jī)發(fā)送的控制命令，需要設(shè)置通訊協(xié)議[7]。上位機(jī)到DSP的控制命令字定義如表1所示。

上位機(jī)通過(guò)串口發(fā)送命令給TMS320F2812，TMS320F2812端的串口中斷程序rs232_rx（ ）被觸發(fā)。rs232_rx（ ）清總中斷后讀取緩沖寄存器接收到的數(shù)據(jù)sci_rx[0]。如果sci_rx[0]不在字符‘0-‘5中，則接收到錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，開(kāi)總中斷，退出中斷程序。如果sci_rx[0]接收的數(shù)據(jù)在字符‘0-‘5中，則說(shuō)明接收到有效數(shù)據(jù)，進(jìn)入有效數(shù)據(jù)接收循環(huán)。

實(shí)際中同樣也需要將DSP采集到的數(shù)據(jù)反饋給上位機(jī)，因DSP傳到上位機(jī)進(jìn)行顯示的數(shù)據(jù)較多，為避免誤操作，在定義DSP對(duì)上位機(jī)的通訊協(xié)議時(shí)設(shè)置了開(kāi)始位和結(jié)束位，將數(shù)據(jù)發(fā)送格式定義為"S"+0000+"F"（S代表D，E），上位機(jī)接收指令定義如表2所示。

2.2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)程序首先完成函數(shù)的聲明，包括中斷函數(shù)的聲明，各個(gè)子函數(shù)的聲明以及系統(tǒng)用到的所有變量的定義。然后對(duì)各個(gè)外設(shè)模塊進(jìn)行初始化。最后程序進(jìn)入主循環(huán)體，等待中斷觸發(fā)。中斷子程序由定時(shí)器中斷、捕獲中斷和SCI中斷子程序構(gòu)成。程序總體結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

PI控制器參數(shù)的整定采用的是實(shí)驗(yàn)湊試法，通過(guò)不斷的調(diào)整Kp、Ki參數(shù)，觀察上位機(jī)轉(zhuǎn)速曲線，然后根據(jù)各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響，反復(fù)湊試參數(shù)，直至出現(xiàn)滿意的響應(yīng)，從而確定PI控制器的參數(shù)。通過(guò)不斷的調(diào)整，最終確定了一對(duì)比較理想的數(shù)值KP=0.042，Ki=0.65。

3 系統(tǒng)調(diào)試

該文上位機(jī)控制軟件中通信設(shè)置如下：串口號(hào)設(shè)置為COM1，波特率配置為19 200，數(shù)據(jù)位為8，檢驗(yàn)位設(shè)定為無(wú)，停止位為1，電機(jī)額定電壓為12 V。上位機(jī)設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速366 rpm，電機(jī)從停機(jī)狀態(tài)啟動(dòng)，如圖5所示，在電機(jī)速度維持一段時(shí)間后，通過(guò)上位機(jī)控制電機(jī)減速到330 rpm，如圖6所示，圖7為PC機(jī)控制電機(jī)停轉(zhuǎn)過(guò)程所發(fā)生的動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況。從整個(gè)響應(yīng)曲線圖可以得出，該系統(tǒng)控制直流電機(jī)調(diào)速響應(yīng)時(shí)間短、控制準(zhǔn)確，能達(dá)到系統(tǒng)要求。

4 結(jié)論

該文已成功達(dá)到了直流電機(jī)調(diào)速穩(wěn)定性和快速性的要求，與同類設(shè)計(jì)相比，成本低、功耗低、人機(jī)對(duì)話界面友好，使用方便，上位機(jī)能實(shí)時(shí)監(jiān)控直流電機(jī)的工作情況，利用本方案來(lái)改造現(xiàn)有的直流電機(jī)，易于實(shí)現(xiàn)監(jiān)控的自動(dòng)化，該方案可推廣應(yīng)用于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1] 張毅，羅元.移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用[M].電子工業(yè)出版社，2007.

[2] 相里燕妮.基于DSP的移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].中國(guó)科學(xué)院研究生院（西安光學(xué)精密機(jī)械研究所），2015.

[3] 張靖瑤.基于DSP的直流電機(jī)控制系統(tǒng)的研究[D].武漢理工大學(xué)，2007.

[4] 黃望軍，宋強(qiáng).TMS320C240在電機(jī)控制中的應(yīng)用[J].日用電器，2003（4）：14-16.

[5] 完誠(chéng).履帶式移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].南京理工大學(xué)，2010.

[6] 周超.基于DSP的小型移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2005.

[7] 翟宇毅，張瑞勇.基于VC++的超小型水下機(jī)器人上位機(jī)人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2011（5）：66-68.