龔成 南京工程學院自動化學院

1 引言

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

2 硬件電路設(shè)計

2.1 系統(tǒng)原理框圖

設(shè)計采用以STM32 為系統(tǒng)控制核心，STM32 產(chǎn)生的PWM脈沖控制電機驅(qū)動模塊，進而控制電機，同時編碼器實現(xiàn)電機速度的信號檢測處理，提供反饋信號給微處理器，微處理器綜合處理信息后再發(fā)送信號給驅(qū)動模塊，從而形成電機閉環(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

在控制電機運行時，信號從STM32 的AIN1 和AIN2 輸出，進入驅(qū)動TB6612，從而控制電機A1、A2，傳輸?shù)骄幋a器接口，進而編碼器輸出，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到72MHz，性能高，功耗低。

2.4 電源模塊

電源供電，通過降壓電路將5V 的電壓源轉(zhuǎn)換為3.3V。

2.5 驅(qū)動模塊

驅(qū)動芯片采用集成電機驅(qū)動芯片TB6612。該芯片主要是由兩組四個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H 橋即可。四個晶體管分為兩組，交替導通和截止，STM32控制MOS 管使之工作在開關(guān)狀態(tài)，通過調(diào)整控制邏輯輸入脈沖的占空比，進而調(diào)整電動機轉(zhuǎn)速。

2.6 通信模塊

MAX3485 是用于通信的3.3V 低功耗收發(fā)器，每個器件中都具有一個驅(qū)動器和一個接收器。驅(qū)動器具有短路電流限制，并可以通過熱關(guān)斷電路將驅(qū)動器輸出置為高阻狀態(tài)，防止過度的功率損耗。接收器輸入具有失效保護特性，黨輸入開路時，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 為低電平時為接收；DE 為高電平、RE 為高電平時為發(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IO 口控制。

3 MATLAB 仿真

3.1 建立電機模型

在他勵直流電動機，以磁場為媒介，實現(xiàn)電能和機械的轉(zhuǎn)換，其數(shù)學模型主要包含電壓平衡方程和機械運動方程。

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，可以建立直流電機的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖3 所示?？芍绷麟妱訖C的工作狀態(tài)受到兩個物理量的影響：一個是PWM 放大器的輸出電壓Ua0(s)，另一個是負載電流IaL(s)。前者是控制輸入量，后者是擾動輸入量。

圖3 直流電機動態(tài)結(jié)構(gòu)圖

3.2 模型參數(shù)計算

控制對象電機減速機的基本參數(shù)如表1 所示。

表1 減速電機基本參數(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)的時間常數(shù)，即開關(guān)頻率的倒數(shù)，Ts=1/10000=0.0001s 速度回路采樣周期，T=0.014s。通過查閱運動控制系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)相關(guān)章節(jié)，復習直流電機模型的傳遞函數(shù)，依據(jù)電機基本參數(shù)值，通過計算確定各參數(shù)值。

3.3 Simulink 仿真

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

圖9 直流電機的Simulink 的仿真模型

通過經(jīng)驗參數(shù)整定法調(diào)整PID 參數(shù)，得出滿足項目設(shè)計任務(wù)要求的PID 參數(shù)。經(jīng)調(diào)試當p=10、i=0.82、d=0 時，基本滿足條件。

圖10 p=10、i=0.82、d=0 時的波形圖