林 楚，陳曉寧，張海濤，顧超超

(解放軍理工大學(xué) 國防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

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基于PWM的三維大氣電場傳感器驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制

林 楚，陳曉寧，張海濤，顧超超

(解放軍理工大學(xué) 國防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

為實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的空中三維大氣電場傳感器的屏蔽轉(zhuǎn)子穩(wěn)定可靠的旋轉(zhuǎn)，提出了以意法半導(dǎo)體公司第二代ARM微控制器STM32F103RC為核心集成電路的MCU(Micro Control Unit)電機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由無刷直流電機(jī)構(gòu)成的動力驅(qū)動系統(tǒng)、微控制器構(gòu)成的中央控制系統(tǒng)、無線收發(fā)裝置構(gòu)成的無線收發(fā)系統(tǒng)，以及三維電場傳感器、電子羅盤、陀螺儀、GPS等傳感器構(gòu)成的傳感器測量系統(tǒng)組成。采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號控制無刷直流電機(jī)驅(qū)動模塊，通過編程模擬相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)速度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，空中三維大氣電場傳感器的屏蔽轉(zhuǎn)子能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。

三維大氣電場傳感器；微控制器；無刷直流電機(jī)；脈沖寬度調(diào)制

0 引言

空中三維大氣電場傳感器[1]是用來檢測大氣電場強(qiáng)度的裝置，通過電機(jī)驅(qū)動屏蔽轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)對感應(yīng)電極進(jìn)行交替屏蔽，使感應(yīng)電極交替暴露在外電場中，感應(yīng)電極上的感應(yīng)電荷發(fā)生周期性變化，形成了交變的電流信號，其大小與外部電場成一定的比例關(guān)系，從而通過檢測該電流的大小來檢測電場強(qiáng)度。它由軸向(Z)和徑向(X,Y) 3路電場測量單元和驅(qū)動單元以及電路單元組成。電場測量裝置的發(fā)展已有半個世紀(jì)，最先出現(xiàn)的是一維電場測量裝置，只能測量單一方向上的電場強(qiáng)度，隨著研究工作的發(fā)展，出現(xiàn)了二維電場和三維電場測量裝置。為了更加直接地掌握空中三維電場情況，在地面三維電場測量裝置的基礎(chǔ)上，筆者研制出了空中三維電場測量裝置。

本文應(yīng)用意法半導(dǎo)體公司的第二代ARM微控制器STM32F103RC為核心集成電路的MCU(Micro Control Unit)電機(jī)控制系統(tǒng)，通過調(diào)制PWM(Pulse Width Modulation)信號輸出的占空比驅(qū)動無刷直流電機(jī)[2-5]。完成硬件電路連接之后，進(jìn)行編程，將程序下載到微控制器中，電機(jī)就能旋轉(zhuǎn)，然后利用無線收發(fā)系統(tǒng)發(fā)送接收指令實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制[6-8]，從而驅(qū)動空中三維大氣電場傳感器屏蔽轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。

1 空中三維大氣電場傳感器電機(jī)控制系統(tǒng)

1.1 空中三維大氣電場檢測系統(tǒng)總體架構(gòu)

電場檢測系統(tǒng)包括動力驅(qū)動系統(tǒng)、中央微控系統(tǒng)、無線收發(fā)系統(tǒng)、傳感器測量系統(tǒng)。其中動力驅(qū)動系統(tǒng)由無刷直流電機(jī)構(gòu)成。中央微控系統(tǒng)主要由STM32F103RC芯片構(gòu)成。無線收發(fā)系統(tǒng)主要是由中心頻率為170 MHz的型號為E50-TTL-100的無線模塊構(gòu)成。傳感器測量系統(tǒng)由三維電場傳感器、三維電子羅盤、三軸電子陀螺儀、GPS等傳感器構(gòu)成?？罩腥S大氣電場檢測系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 空中三維大氣電場檢測系統(tǒng)架構(gòu)

1.2 空中三維大氣電場檢測系統(tǒng)硬件選擇

1.2.1 控制芯片選擇

本系統(tǒng)選用ARM單片機(jī)的STM32F103系列的STM32F103RC芯片[9]。該芯片是32位基于第二代ARM內(nèi)核的高性能大容量增強(qiáng)型微控制器，延伸了第一代ARM內(nèi)核的特性，具有更快的運(yùn)行速度、更低的功耗、端口資源也更加豐富，全部引腳都可以作為中斷輸入，串口可以直接下載程序，廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析處理、儀器儀表、工業(yè)通訊、電機(jī)控制等領(lǐng)域。最高可達(dá)72 MHz的工作頻率，工作電壓為2.0 V～3.6 V，工作溫度為-40℃～+125℃，能夠在低溫、潮濕、震蕩等惡劣大氣環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行。單片機(jī)內(nèi)集成了11個定時器，其中包括4個16位通用定時器、2個看門狗定時器、2個用于驅(qū)動DAC的基本定時器、2個用于電機(jī)控制的16位PWM高級控制定時器和1個系統(tǒng)嘀嗒定時器，內(nèi)置256 KB閃存及48 KB SRAM的高速存儲器、3個12位的ADC轉(zhuǎn)換器，13個通信接口，包括2個I2C接口、5個USART接口、3個SPI接口(其中2個可復(fù)用為I2S接口)、1個CAN接口、1個USB 2.0全速接口、SDIO接口，功能非常強(qiáng)大。

1.2.2 無刷直流電機(jī)驅(qū)動

空中三維大氣電場傳感器電機(jī)選用無刷直流電機(jī),它利用電子換向器取代機(jī)械電刷和機(jī)械換向器，使無刷直流電機(jī)具有直流電機(jī)響應(yīng)速度快、較大的啟動轉(zhuǎn)矩等優(yōu)點(diǎn)，同時又取消了碳刷、滑環(huán)結(jié)構(gòu)，在汽車、工具、工業(yè)控制、自動化以及航空航天等行業(yè)應(yīng)用廣泛，優(yōu)勢明顯。無刷電機(jī)的使用壽命高達(dá)幾萬小時，能夠滿足電場傳感器對長時間、高轉(zhuǎn)速的性能要求。

無刷直流電機(jī)采用日產(chǎn)Nidec的12 V微型無刷電機(jī)，型號為13H055B020。該電機(jī)的外形尺寸為24.3 mm×19 mm，重量28 g，輸出軸徑2 mm。電機(jī)可以接PWM調(diào)速，PWM端直接接電源正極就可以最高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，12 V時轉(zhuǎn)速6 200 r/min，電機(jī)的控制驅(qū)動芯片是BD6922，內(nèi)部沒有碳刷，大大增加了電機(jī)的使用壽命。

1.2.3 電源選擇

電源選用12 V、2 000 mA.h的鋰電池供電，可以連續(xù)供電8～10 h。因?yàn)閭鞲衅鬏敵龅男盘栞^微弱，所以需要設(shè)計(jì)信號放大電路對其信號進(jìn)行放大，所使用的運(yùn)算放大器需要±5 V電壓為其供電，因此選用DC-DC電源模塊，輸出±5 V電壓。又因?yàn)镾TM32F103RC芯片的工作電壓為2.0 V～3.6 V，因此還需選用AMS1117穩(wěn)壓模塊將+5 V輸入電壓穩(wěn)壓到3.3 V。

1.2.4 無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊選擇

無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊采用中心頻率為170 MHz的型號為E50-TTL-100的無線裝置，無線通信距離為2 km，通過接收機(jī)與計(jì)算機(jī)的連接向發(fā)射機(jī)發(fā)出指令來實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。發(fā)射機(jī)接單片機(jī)串口3(USART3)，編程口接串口1(USART1)通過USB連接計(jì)算機(jī)下載程序。

1.3 空中三維大氣電場傳感器驅(qū)動系統(tǒng)PWM脈寬調(diào)制

空中三維大氣電場傳感器動力系統(tǒng)主要是通過PWM信號來驅(qū)動無刷直流電機(jī)。PWM是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，通過改變直流脈沖序列的占空比來實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化[10-14]。

STM32F103RC內(nèi)置的定時器除了TIM6和TIM7都可以用來產(chǎn)生PWM輸出，本文使用通用定時器TIM3的通道2(TIM3_CH2)產(chǎn)生一路PWM輸出來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這里要用到3個寄存器來控制PWM，分別是：捕獲/比較模式寄存器(TIMx_CCMR1/2)、捕獲/比較使能寄存器(TIMx_CCER)、捕獲/比較寄存器(TIMx_CCR1～4)。在TIMx_CCMR1/2中，用到的是模式設(shè)置位OCxM，它由3位組成，可以配置成7種模式，本文使用的是PWM模式，所以這3位必須設(shè)置為110/111。在TIMx_CCER中，只用到了CC2E位，要想PWM從I/O口輸出，該位必須設(shè)置為1。在TIMx_CCR1～4中，通過修改TIM3_CCR2的值即可實(shí)現(xiàn)脈寬控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。但是，TIM3_CH2默認(rèn)是接在PA7引腳上的，而電機(jī)的PWM輸出接在PB5引腳上，因此要通過MCU的重映射功能，把TIM3_CH2映射到PB5引腳上。本文設(shè)置PWM波形的頻率為10 kHz，因?yàn)镸CU的頻率外晶振最大為72 MHz，所以ARR(自動重裝值)寄存器的定時器周期值為7 199不分頻。PWM波形頻率計(jì)算公式為：

(1)

其中，fCLK為時鐘頻率，P為計(jì)數(shù)器值，N表示分頻因子(N可取1、8、64、256、1 024)。

2 空中三維大氣電場傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與軟件實(shí)現(xiàn)

2.1 空中三維大氣電場傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

空中三維大氣電場傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)需保證對稱性、穩(wěn)定性、勻質(zhì)性、絕緣性、小型性。對稱性是指設(shè)計(jì)傳感器感應(yīng)電極時，每個方向上都采用兩個對稱結(jié)構(gòu)，即軸向(Z)和徑向(X,Y)，電場測量單元由6個感應(yīng)電極組成。穩(wěn)定性要求機(jī)械器件連接牢固，屏蔽轉(zhuǎn)子能夠穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。勻質(zhì)性要求材料的質(zhì)地均勻。絕緣性要求電機(jī)軸與定子、轉(zhuǎn)子之間要相互絕緣。小型化要求傳感器體積要盡量小。三維電場傳感器實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 三維電場傳感器實(shí)物圖

2.2 空中三維大氣電場傳感器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試

控制電場傳感器的屏蔽轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時需要改變捕獲、比較寄存器TIM3_CCR2的值，以調(diào)節(jié)PWM信號占空比。PB12引腳處接一個發(fā)光二極管LED，通過對LED燈的亮滅控制來顯示MCU的程序運(yùn)行與否。控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的主程序流程圖如圖3所示。通過TIM3_CH2重映射到PB5上并由TIM3_CH2輸出PWM來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的流程圖如圖4所示。

圖3 控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的主程序流程圖

圖4 TIM3_CH2重映射到PB5的流程圖

經(jīng)過編程調(diào)試，電機(jī)能夠帶動三維電場傳感器的屏蔽轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，在連接著無線接收模塊的PC上，打開串口調(diào)試助手界面輸入規(guī)定的指令就可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，因?yàn)殡姍C(jī)的轉(zhuǎn)速是通過調(diào)節(jié)PWM輸出的占空比來改變的，因此通過示波器可以看出不同電機(jī)轉(zhuǎn)速下PWM輸出波形的占空比變化情況，如圖5所示。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下電機(jī)PWM輸出波形占空比的變化

通過圖5可以看出隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，電機(jī)輸出的PWM波形的占空比隨之變化，并且電機(jī)的轉(zhuǎn)速越快，占空比越大。

3 結(jié)論

本文通過對空中三維電場傳感器電機(jī)控制系統(tǒng)的研究，設(shè)計(jì)了一種以ARM微控制器STM32F103RC為核心的MCU控制電路。給出了動力驅(qū)動系統(tǒng)、中央控制系統(tǒng)、無線收發(fā)系統(tǒng)、傳感器測量系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)流程。調(diào)試結(jié)果表明空中三維電場傳感器的屏蔽轉(zhuǎn)子能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。

動力驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)用中央控制系統(tǒng)的PWM輸出控制驅(qū)動無刷直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)并且通過對PWM輸出波形占空比的調(diào)制來實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化。無線收發(fā)系統(tǒng)采用170 MHz的無線收發(fā)模塊對中央控制系統(tǒng)進(jìn)行指令收發(fā)控制，然后核心控制系統(tǒng)再對動力系統(tǒng)進(jìn)行控制。

目前已經(jīng)完成了空中三維大氣電場測量系統(tǒng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)試，后期將會對該測量系統(tǒng)的三維電場數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行調(diào)試與標(biāo)定，確保采集到的三維電場數(shù)據(jù)真實(shí)有效。

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Speed control of the drive motor of the three dimensional atmospheric electric field sensor based on PWM

Lin Chu, Chen Xiaoning, Zhang Haitao, Gu Chaochao

(Institute of National Defense Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China)

In order to achieve the rotation of the shielding rotor of the designed air three-dimensional atmospheric electric field sensor is stable and reliable, this paper proposed the MCU (Micro Control Unit) motor control system which is based on the second generation ARM Micro controller STM32F103RC that is produced by STMicroelectronics company. The system includes drive system composed by brushless DC motor, central control system composed by microcontroller, wireless transceiver system composed by a wireless transceiver, and sensor measurement system composed by three-dimensional electric field sensor, electronic compass, gyroscope, GPS and other sensors. Using pulse width modulation (PWM) signal to control the drive module of the brushless DC motor, and programming, simulating the corresponding rotational speed. The experimental results show that the shielding rotor of the three dimensional atmospheric electric field sensor can realize stable rotation.

three-dimensional atmospheric electric field sensor; microcontroller; brushless direct current motor; pulse width modulation

TM155

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.11.009

林楚，陳曉寧，張海濤，等.基于PWM的三維大氣電場傳感器驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(11)：31-33，36.

2017-01-14)

林楚(1991-)，通信作者，女，碩士，主要研究方向：電力系統(tǒng)雷電防護(hù)研究。E-mail：1016220101@qq.com。

陳曉寧(1963-)，女，教授，主要研究方向：電力系統(tǒng)雷電防護(hù)研究。