王勁，桑凌峰

（寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，浙江寧波 315800）

0 引言

服務(wù)機(jī)器人的電動(dòng)機(jī)多為直流電動(dòng)機(jī)，直流電動(dòng)機(jī)分為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制和有刷直流電動(dòng)機(jī)控制，其中有刷直流電動(dòng)機(jī)的控制現(xiàn)在已經(jīng)比較成熟[5-6]，且有刷電動(dòng)機(jī)存在機(jī)械換向問(wèn)題，因此壽命較短；無(wú)刷電動(dòng)機(jī)采用電子換向的方式，具有響應(yīng)快、效率高、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，因此已經(jīng)在服務(wù)機(jī)器人行業(yè)廣泛應(yīng)用[7-11]。

在采用多電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)，往往需要進(jìn)行多電動(dòng)機(jī)的協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的主動(dòng)控制、被動(dòng)控制及跟隨控制，因此在進(jìn)行電動(dòng)機(jī)控制器設(shè)計(jì)時(shí)，不僅需要考慮位置控制、速度控制，還需要電流控制[12-14]?；诖?，本文采用STM32芯片設(shè)計(jì)了一款控制器，該控制器可以實(shí)現(xiàn)位置控制、速度控制及電流控制，并能實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)這3種模式的切換。

1 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制工作原理

1.1 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)單相定子繞組的電壓平衡方程可以通過(guò)下式進(jìn)行表述：

通過(guò)上述狀態(tài)方程，可以把無(wú)刷電動(dòng)機(jī)等效為圖1所示電路。

圖1 無(wú)刷電動(dòng)機(jī)等效電路

因此可以得到無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為

由于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在每次通電時(shí)，僅有兩相繞組可以得電，因此可以得到

通過(guò)無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)可以看出，我們可以通過(guò)控制無(wú)刷電動(dòng)機(jī)通電繞組的電流及通電繞組兩端的電壓來(lái)控制無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的速度和力矩。

1.2 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制器的工作原理

圖2為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的控制框圖。采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103RBT6作為主處理芯片。硬件電路主要包含電源電路、驅(qū)動(dòng)電路、逆變電路、電流檢測(cè)電路、霍爾傳感及光電編碼器。其中電源電路用于處理電動(dòng)機(jī)供電、芯片供電及運(yùn)算放大器等的供電；驅(qū)動(dòng)電路用于驅(qū)動(dòng)逆變電路換向；電流檢測(cè)電路用來(lái)檢測(cè)通過(guò)三相繞組的電流，間接獲得此時(shí)電動(dòng)機(jī)的力矩；逆變電路根據(jù)驅(qū)動(dòng)電路的指令導(dǎo)通相應(yīng)的MOS管，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)繞組通電；霍爾傳感用于檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子當(dāng)前所處的位置；光電編碼器用于實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前電動(dòng)機(jī)位置的反饋。

上面說(shuō)到的一些原材料中，質(zhì)量控制主要是體現(xiàn)在含泥量方面，按照已有的標(biāo)準(zhǔn)慣例來(lái)看，在砂石的含泥量中不得大于3%，而碎石的含泥量也不能超過(guò)2%，假若是不小心超過(guò)了這個(gè)已有的標(biāo)準(zhǔn)，那將會(huì)對(duì)整個(gè)建筑工程的質(zhì)量帶來(lái)尤為嚴(yán)重的危害。并且除了上文說(shuō)的要保證碎石、砂石等原材料的含泥量外，也需要做好對(duì)于骨料的質(zhì)量控制，骨料看重的是他的含水量，這個(gè)因素將直接影響著混凝土的強(qiáng)度，在選擇骨料的時(shí)候應(yīng)該選擇熱膨脹系數(shù)比較小，且含泥量相對(duì)較低的骨料。在材料的質(zhì)量控制中，要對(duì)混凝土進(jìn)行嚴(yán)格把控，這也是整個(gè)建筑材料的質(zhì)量核心，混凝土質(zhì)量與規(guī)格的達(dá)標(biāo)是對(duì)整個(gè)建筑材料的保證，更是有利于提升建筑工程整體的施工質(zhì)量和建設(shè)水平。

圖2 無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用多電源供電，如圖3所示。24 V主要用電動(dòng)機(jī)供電，13 V用于功率驅(qū)動(dòng)模塊供電，5 V用于霍爾和編碼器供電，3.3 V用于單片機(jī)供電。

圖3 電源電路設(shè)計(jì)

2.2 STM32最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

STM32最小系統(tǒng)包括工作模式選擇（如圖4）、復(fù)位電路、濾波電路和晶振電路（如圖5）。工作模式選擇為上電即從用戶(hù)程序開(kāi)始執(zhí)行；復(fù)位采用上電自復(fù)位電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖4 單片機(jī)工作模式選擇

圖5 濾波和晶振電路

2.3 功率驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

圖6為單相繞組的功率驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)。采用IR2103STRPBF芯片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，依靠D4 二極管和C12的電容構(gòu)成自舉電路。當(dāng)HIN和LIN同時(shí)為高電平時(shí)，HO輸出高電平使Q1導(dǎo)通，當(dāng)HIN和LIN同時(shí)為低電平時(shí)，LO輸出高電平使Q2導(dǎo)通。通過(guò)圖6所示的3個(gè)單相功率驅(qū)動(dòng)模塊電路可以實(shí)現(xiàn)對(duì)6個(gè)MOS管不同時(shí)刻的導(dǎo)通，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。

圖6 功率驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

2.4 電流檢測(cè)設(shè)計(jì)

由于單片機(jī)的檢測(cè)電壓在0～3.3 V之間，對(duì)于較小的電壓或較大電壓其檢測(cè)的靈敏度較弱，因此我們將檢測(cè)電壓設(shè)計(jì)在1.6～2.2 V之間；控制器最高可以承受的工作電流為30 A，以封裝、功率滿(mǎn)足情況下選擇較大阻值為原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，可得采樣電壓變化如下：

式中：Imax=30 A；Ps=3 W。

將數(shù)據(jù)代入式(8)可以得到采樣電阻為Rs≈0.003 Ω。進(jìn)而可以得到采樣電壓的變化范圍為0～90 mV。由于將電壓直接升至1.6～2.2 V較為困難，先將電壓抬高至1.65 V（如圖7），之后在此基礎(chǔ)上再將原有的采樣電壓放大5倍，可以得到最終的采樣電壓變化范圍為1.65～2.10 V。圖8為采樣電阻電壓放大電路。

圖7 采樣電阻電壓拉升電路

圖8 采樣電阻電壓放大電路

3 軟件設(shè)計(jì)

圖9為無(wú)刷電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的軟件控制框圖。分別于1、10、50 ms周期處對(duì)電流、速度和位置進(jìn)行檢測(cè)。在進(jìn)行電流控制時(shí)，采用位置式PID進(jìn)行運(yùn)算；在進(jìn)行速度控制時(shí)采用增量式PID進(jìn)行計(jì)算；在進(jìn)行位置控制時(shí)采用位置式PID進(jìn)行計(jì)算。

圖9 無(wú)刷驅(qū)動(dòng)控制軟件框圖

4 控制算法

在每一個(gè)控制周期，3種控制模式獨(dú)立運(yùn)行，計(jì)算結(jié)果作為PWM的操作變量進(jìn)行輸出。

4.1 位置控制

4.2 速度控制

速度控制的操作變量Prv可以通過(guò)下式進(jìn)行表示：

4.3 電流控制

對(duì)于電流控制，分3種情況來(lái)討論：1）實(shí)際測(cè)得電流比目標(biāo)電流大，根據(jù)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)受到的阻力不同又分為3種情況。a.有阻力但不足以卡死電動(dòng)機(jī)；b.阻力剛好卡死電動(dòng)機(jī)；c.阻力大于電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，造成反轉(zhuǎn)。2）實(shí)際測(cè)得電流比目標(biāo)電流小，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向和電流控制方向相同且?guī)?dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。3）實(shí)際測(cè)得電流和目標(biāo)電流相同，阻力很小。可以采用下面公式進(jìn)行描述：

5 實(shí)驗(yàn)研究

基于前述的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制器，如圖10所示。利用該控制器對(duì)單個(gè)電動(dòng)機(jī)的位置控制、速度控制及電流控制分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

使用Processing軟件進(jìn)行了調(diào)試界面編程；整個(gè)調(diào)試界面如圖11所示，可以使用該調(diào)試界面進(jìn)行位置控制、速度控制和電流控制。

圖11 電動(dòng)機(jī)調(diào)試界面

整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)如圖12所示。在此系統(tǒng)下對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制模式進(jìn)行測(cè)試，首先是位置模式，測(cè)試結(jié)果如圖13（a）所示。電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)1圈可以產(chǎn)生的pulse數(shù)為24，預(yù)設(shè)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)位置pulse數(shù)為6000，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行到5 s位置時(shí)到達(dá)此位置；電動(dòng)機(jī)總共運(yùn)轉(zhuǎn)了250圈。電動(dòng)機(jī)運(yùn)行到恒定速度約為3750 r/min，通過(guò)計(jì)算得到，在5 s內(nèi)可以運(yùn)動(dòng)到達(dá)該位置，因此可以看出運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)正確。同時(shí)反復(fù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其誤差均小于±0.1%。

圖12 電動(dòng)機(jī)控制測(cè)試系統(tǒng)

設(shè)定電動(dòng)機(jī)的控制速度為6000 r/min, 通過(guò)電動(dòng)機(jī)調(diào)試界面反饋數(shù)據(jù)并將其保存，我們可以得到運(yùn)行結(jié)果為圖13（b）；觀察曲線(xiàn)可以看出，在大約8.4 s時(shí)上升到該速度；指定速度和實(shí)際速度之間的誤差小于±1%。

設(shè)定電動(dòng)機(jī)的控制電流為0.4 A，在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行開(kāi)始的時(shí)候，增加外力，可以看出電動(dòng)機(jī)電流升至1 A左右，當(dāng)時(shí)間在1.7 s時(shí)，電動(dòng)機(jī)電流又被控制拉回到原來(lái)的電流位置，保持在0.4 A左右，運(yùn)行結(jié)果如圖13(c)所示。

圖13 3種控制測(cè)試曲線(xiàn)

6 結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)無(wú)刷電動(dòng)機(jī)理論分析和控制算法設(shè)計(jì)，完成了無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制器的硬件電路和軟件框架，通過(guò)測(cè)試可以看出，控制器可以實(shí)現(xiàn)位置控制、速度控制和電流控制，并能實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)3種控制方式的任意切換；其中位置控制和速度控制誤差分別小于±0.1%和±1%，能夠很好地滿(mǎn)足控制要求。

2）本文中雖然實(shí)現(xiàn)了電流控制，但是電流控制的精度及控制時(shí)間需要在后續(xù)的研究中進(jìn)一步提高。