施志榮 唐藝明

(漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程學(xué)院 福建漳州 363000)

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，電機(jī)的速度、位置和轉(zhuǎn)矩的精確控制已經(jīng)變得越來(lái)越廣泛和重要了。系統(tǒng)使用基于Cortex-M4內(nèi)核的STM32F407 IGT6單片機(jī)為控制器，結(jié)合雙閉環(huán)調(diào)速技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了直流電機(jī)的精確調(diào)速[1]。

1系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由電源、LabView上位機(jī)、STM32F407I GT6控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、霍爾傳感器和直流電機(jī)組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2硬件設(shè)計(jì)

2.1控制器的選擇

系統(tǒng)的控制器選用STM32F407IGT6為主控芯片。STM32F407IGT6控制器通過(guò)PC6和PC7引腳檢測(cè)霍爾編碼器產(chǎn)生的速度信號(hào)，結(jié)合電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的速度控制。同時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊上還增加了電流的采集電路，控制器通過(guò)芯片的PF10引腳采集電機(jī)的電流信號(hào)實(shí)現(xiàn)電流的閉環(huán)控制。在電機(jī)啟動(dòng)的過(guò)渡過(guò)程中，調(diào)速系統(tǒng)的電流環(huán)能夠充分利用電機(jī)允許的過(guò)載能力，讓電機(jī)盡可能以最大的電流啟動(dòng)，縮短調(diào)節(jié)時(shí)間，從而使直流電機(jī)具有快速的響應(yīng)特性。

2.2驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

在中、小容量的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)通常采用常見的H橋電路[2]，其電路如圖2所示。

圖2 H橋電路

H橋電路的4個(gè)橋臂通常使用MOS電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管來(lái)搭建。由于P型MOS管導(dǎo)通電阻大、難做到高耐壓大電流的型號(hào)，所以同樣性能的MOS管，N型MOS管比P型MOS管便宜。IRFS3607的N型MOS管，最大電壓75V、內(nèi)阻7.34mΩ、最大電流80A。系統(tǒng)使用4個(gè)型號(hào)為IRFS3607的N型MOS管來(lái)搭建H橋電路。

當(dāng)主控芯片控制Q1、Q3管導(dǎo)通，Q2、Q4管關(guān)斷時(shí)，電流從左至右經(jīng)過(guò)電機(jī)，電機(jī)開始正向旋轉(zhuǎn)；當(dāng)主控芯片控制Q2、Q4管導(dǎo)通，Q1、Q3管關(guān)斷時(shí)，電流從右至左經(jīng)過(guò)電機(jī)，電機(jī)開始反向旋轉(zhuǎn)。

在4個(gè)橋臂的驅(qū)動(dòng)過(guò)程中，因?yàn)镾TM32F407IGT6輸出的3.3V的PWM高電平能夠驅(qū)動(dòng)下橋臂的N-MOS管導(dǎo)通，所以Q3、Q4管可以直接使用STM32F407IGT6芯片引腳進(jìn)行控制。而上橋臂的N-MOS管無(wú)法直接使用STM32F407IGT6芯片引腳驅(qū)動(dòng)，因此需要使用自舉電路將PWM信號(hào)升壓到27 V左右才能驅(qū)動(dòng)Q1、Q2管。IR2104S是一款專用的MOS管半橋驅(qū)動(dòng)芯片，帶有ShutDown引腳，可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)N-MOS管導(dǎo)通。因此，系統(tǒng)使用IR2104S加1個(gè)自舉電容和1個(gè)自舉二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)上下橋臂N-MOS管的驅(qū)動(dòng)，具體的半橋驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

圖3 半橋驅(qū)動(dòng)電路

2.3電流采集電路

通過(guò)在低端MOS管的下方串聯(lián)一個(gè)阻值微小的采樣電阻R9可以將電機(jī)的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，電路如圖4所示。

圖4 電流采集電路

R6、R7、C10、R10和R11組成差分濾波電路對(duì)轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)進(jìn)行濾波處理。MAX4334ESD是一款具有四通道的運(yùn)算放大器芯片。使用MMAX4334ESD的運(yùn)放通道1放大濾波后的電壓信號(hào)。該通道的同相輸入端經(jīng)過(guò)一個(gè)上拉電阻R5接0.8V的抬升電壓。這個(gè)抬升電壓VCC_08V由MAX4334ESD的另一個(gè)運(yùn)放通道2組成的電壓跟隨器配合精密電阻R13和R14提供。因此，電流采集電路的最終輸出輸入關(guān)系是：

(1)

其中，Isensor表示采樣電阻R9的電流，即直流電機(jī)的電流值；Vsensor表示采樣電阻R9兩端的電壓值；VCurrent_amp表示MAX4334ESD運(yùn)放通道1的輸出電壓值。采樣電阻的電壓Vsensor經(jīng)過(guò)放大后可以直接接到STM32F407IGT6的PF10引腳上，控制器通過(guò)ADC轉(zhuǎn)換通道采集到VCurrent_amp的值，然后根據(jù)公式(1)可以計(jì)算得到直流電機(jī)的電流值Isensor。另外，在電流采集電路中，電阻R8和電容C9對(duì)MMAX4334ESD的運(yùn)放通道1的輸出信號(hào)進(jìn)行一階低通濾波處理；二極管D3能將放大器的輸出電壓VCurrent_amp鉗位在3.3 V左右實(shí)現(xiàn)保護(hù)微控制器ADC引腳的目的。

3電機(jī)調(diào)速程序設(shè)計(jì)

HAL庫(kù)是一個(gè)包含STM32系列微處理器所有外設(shè)性能特征的軟件函數(shù)包。通過(guò)使用HAL庫(kù)編程，不需要掌握具體細(xì)節(jié)就可以輕松使用STM32F407IGT6微處理器的相關(guān)外設(shè)。因此，在電機(jī)調(diào)速程序設(shè)計(jì)時(shí)，使用HAL庫(kù)進(jìn)行編程并根據(jù)系統(tǒng)的功能模塊進(jìn)行劃分，將程序進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。

3.1系統(tǒng)主程序

主程序的主要功能是上電時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)初始化并進(jìn)入程序的主循環(huán)。系統(tǒng)初始化的任務(wù)主要包括：復(fù)位相關(guān)外設(shè)，初始化系統(tǒng)滴答定時(shí)器和Flash接口；配置系統(tǒng)時(shí)鐘；串口、按鍵和編碼器的初始化及使能編碼器模式；ADC和DMA初始化并啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換及使能DMA傳輸和中斷；高級(jí)控制定時(shí)器初始化并配置PWM輸出功能，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器通道和互補(bǔ)通道PWM輸出；PID參數(shù)的初始化。程序主循環(huán)的主要工作是對(duì)按鍵和相關(guān)標(biāo)志位進(jìn)行循環(huán)掃描，當(dāng)按鍵按下或有相關(guān)中斷發(fā)生時(shí)，CPU便會(huì)調(diào)用相應(yīng)的服務(wù)子程序進(jìn)行處理。

3.2PID控制算法設(shè)計(jì)

電機(jī)的閉環(huán)控制，就是根據(jù)電機(jī)的反饋量對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)控。將電機(jī)被控量的設(shè)定值與傳感器檢測(cè)到的實(shí)際值進(jìn)行比較，得到一個(gè)偏差，然后按一定的控制規(guī)律計(jì)算得到輸出量。在實(shí)際控制中，PID控制器是應(yīng)用最為廣泛的一種自動(dòng)控制器。所謂的PID控制就是對(duì)偏差進(jìn)行比例，積分，微分運(yùn)算，最后得到輸出量的控制過(guò)程。數(shù)字式PID控制器的計(jì)算表達(dá)式如下：

(2)

式(2)中，k表示第k次采樣，e(k)表示第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值，e(k-1)表示第k-1次采樣時(shí)刻輸入的偏差值，u(k)表示第k次采樣時(shí)刻的輸出值，Kp表示比例系數(shù)，Ki表示積分系數(shù)，Kd表示微分系數(shù)[3]。

在實(shí)際的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，為了避免積分深度飽和，往往需要對(duì)積分進(jìn)行限幅，而為了提高電機(jī)的響應(yīng)速度又常常需要給定較大的積分初值，如此一來(lái)，雖然可以勉強(qiáng)滿足控制要求，但是電機(jī)電流超調(diào)嚴(yán)重、系統(tǒng)穩(wěn)定性差。采用PID串級(jí)控制能夠有效地改善調(diào)速系統(tǒng)的控制質(zhì)量。為了減小電流的超調(diào)和過(guò)飽和現(xiàn)象，達(dá)到更好的控制效果，該系統(tǒng)采用雙閉環(huán)串級(jí)調(diào)速控制，將速度環(huán)的計(jì)算結(jié)果作為電流環(huán)的目標(biāo)電流進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，即電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)，速度環(huán)作為外環(huán)。速度環(huán)+電流環(huán)串級(jí)調(diào)速程序框圖如圖5所示。

圖5 雙閉環(huán)調(diào)速程序流程框圖

雙閉環(huán)調(diào)速的功能程序是在系統(tǒng)滴答定時(shí)器中斷回調(diào)函數(shù)中實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)滴答定時(shí)器每隔1ms產(chǎn)生中斷并調(diào)用一次中斷回調(diào)函數(shù)進(jìn)行處理。由于電流內(nèi)環(huán)對(duì)時(shí)間要求高是需要頻繁處理的閉環(huán)系統(tǒng)、速度外環(huán)對(duì)時(shí)間要求較弱是能夠以較長(zhǎng)時(shí)間間隔處理的閉環(huán)系統(tǒng)[4-5]。因此，系統(tǒng)電流內(nèi)環(huán)使用40ms的采樣周期，速度外環(huán)使用100ms的采樣周期。

4上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的上位機(jī)是基于LabView軟件平臺(tái)開發(fā)的應(yīng)用程序。上位機(jī)與STM32F407IGT6控制器通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，具體通信幀格式如表1所示。

表1 系統(tǒng)通信幀格式

每個(gè)數(shù)據(jù)幀總共包含16個(gè)字節(jié)。幀頭為0xAA，長(zhǎng)度占1個(gè)字節(jié)。當(dāng)上位機(jī)接收到0xAA時(shí)表示數(shù)據(jù)傳輸開始。指令碼的取值范圍為0x01-0xFF，長(zhǎng)度占1個(gè)字節(jié)，不同的指令碼能夠完成不同的通信功能，具體指令碼功能說(shuō)明如下表2所示。傳輸參數(shù)長(zhǎng)度占12個(gè)字節(jié)，不同的指令碼具有不同的傳輸參數(shù)，沒(méi)使用到的參數(shù)空間使用0x55填充。將指令碼與12個(gè)字節(jié)的參數(shù)進(jìn)行求和并保留最低位的1個(gè)字節(jié)可以得到校驗(yàn)碼。最后，當(dāng)上位機(jī)接收到0x2F時(shí)表示數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束。

表2 指令碼功能說(shuō)明

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，STM32F407IGT6控制器根據(jù)霍爾傳感器的脈沖值計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并通過(guò)串口將計(jì)算結(jié)果發(fā)送給上位機(jī)。上位機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)處理程序及其注釋如圖6所示。

圖6 上位機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)處理程序及注釋

上位機(jī)以16個(gè)字節(jié)為單位將串口接收到的數(shù)據(jù)讀入數(shù)組中。當(dāng)幀頭為0xAA、幀尾為0x2F及13個(gè)字節(jié)的檢驗(yàn)和正確無(wú)誤時(shí)，程序提取數(shù)組中的指令碼。指令碼0x88表示12個(gè)字節(jié)的傳輸參數(shù)為電機(jī)的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，程序以4個(gè)字節(jié)為一個(gè)通道提取轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)并送到曲線顯示構(gòu)件進(jìn)行顯示。

5系統(tǒng)測(cè)試與分析

系統(tǒng)使用GM37-545型直流電機(jī)進(jìn)行測(cè)試。GM37-545是一個(gè)帶編碼器的直流減速電機(jī)。電機(jī)的減速比為30，額定電壓24V，額定轉(zhuǎn)矩0.53 N·m，最大功率83 W。編碼器使用11線的霍爾傳感器，減速后的編碼線速為330。

在正常工作環(huán)境下，速度環(huán)采用PID調(diào)節(jié)，參數(shù)分別是：P=2.4，I=0.3，D=0.2；電流環(huán)采用PI調(diào)節(jié)，參數(shù)分別是：P=0.35，I=0.6，D=0。電機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速的測(cè)試效果如圖7所示。

圖7 電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)試曲線

從圖7的轉(zhuǎn)速曲線可以看出：當(dāng)轉(zhuǎn)速的設(shè)定值為100 r/min時(shí)，系統(tǒng)的最大超調(diào)為3%、穩(wěn)態(tài)誤差小于0.3%。由于電流環(huán)的引入，電機(jī)的響應(yīng)能力得到了很好的改善，調(diào)整時(shí)間不超過(guò)4s。電機(jī)在第15s的時(shí)侯投入測(cè)試負(fù)載，速度雖然暫時(shí)下降為90r/min，但是在隨后的6s內(nèi)又立即調(diào)整為100r/min的設(shè)定值，完全滿足實(shí)驗(yàn)的測(cè)試要求。

6結(jié)論

文章設(shè)計(jì)了一種基于STM32F407IGT6微控制器的直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有啟動(dòng)速度快、控制精度高、輸出特性好等優(yōu)點(diǎn)，能夠應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的相關(guān)控制領(lǐng)域。