楊立宏，袁夫全

（中山火炬職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東中山，528436）

0 引言

由于無刷電機(jī)具有高效率，低能耗等優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)領(lǐng)域有取代傳統(tǒng)電機(jī)的趨勢(shì)，而無刷電機(jī)的核心部件無刷電機(jī)控制器產(chǎn)量也在不斷增長(zhǎng)。無刷電機(jī)控制器的出廠檢測(cè)是其生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，目前，控制器檢測(cè)仍處于半自動(dòng)化狀態(tài)，通過人工操作儀器對(duì)線路板的部分功能進(jìn)行檢測(cè)，以確認(rèn)是否達(dá)到出廠標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)當(dāng)前電機(jī)控制器檢測(cè)自動(dòng)化程度低，功能單一等問題，本文提出一種基于LabVIEW虛擬儀器和STM32嵌入式微控制器的自動(dòng)化檢測(cè)平臺(tái)，STM32對(duì)無刷電機(jī)控制器的輸入電壓、電流、輸出相電壓、相電流、發(fā)熱元件溫度進(jìn)行采集，LabVIEW開發(fā)的上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示無刷電機(jī)控制器的性能參數(shù)，檢測(cè)人員只需觀察上位機(jī)顯示的參數(shù)即可完成控制器的全部檢測(cè)，大大增加了自動(dòng)化程度，提高了檢測(cè)效率。

1 檢測(cè)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

本文研究的檢測(cè)平臺(tái)主要針對(duì)100W以下的無刷電機(jī)控制器進(jìn)行檢測(cè)。無刷電機(jī)控制器檢測(cè)平臺(tái)主要包括被測(cè)控制器和無刷電機(jī)、電流、電壓傳感器、溫度傳感器、STM32采集板和LabVIEW上位機(jī)軟件等。STM32采集板和探針轉(zhuǎn)接板被安裝在測(cè)試夾具上，測(cè)試時(shí)，將被測(cè)控制器放置在夾具固定座上，夾具上的探針轉(zhuǎn)接板通過探針和被測(cè)控制器接觸。測(cè)試平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 檢測(cè)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)方案圖

整個(gè)測(cè)試平臺(tái)通過24V直流電源供電，供電電源通過STM32采集板的電壓和電流傳感器采集輸入電壓和電流，并通過探針轉(zhuǎn)接板將電源輸入給被測(cè)控制器。探針轉(zhuǎn)接板將被測(cè)控制器的溫度傳感器采集的溫度、電壓傳感器采集的相電壓、電流傳感器采集的相電流傳送給STM32采集板。STM32采集板將傳送過來的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理后，通過串口發(fā)送到電腦端的LabVIEW上位機(jī)進(jìn)行顯示。針對(duì)不同物理形狀的無刷電機(jī)控制器，需要設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)的探針轉(zhuǎn)接板將STM32采集板和被測(cè)控制器進(jìn)行無縫對(duì)接，這樣可適應(yīng)不同類型的無刷電機(jī)控制器。

2 STM32采集板硬件設(shè)計(jì)

本檢測(cè)系統(tǒng)主要針對(duì)功率在100W以下的無刷電機(jī)，因此電源的輸出電流一般在5A以下，這里輸入電流和相電流采集選用線性電流傳感器ACS712ELCTR-05B，該傳感器具有低噪聲模擬信號(hào)通路，80kHz帶寬，25°C時(shí)總輸出誤差1.5%，內(nèi)部導(dǎo)體電阻僅1.2mΩ，5V單電源操作，簡(jiǎn)化了供電電路設(shè)計(jì)，輸出靈敏度為185mV/A，其典型應(yīng)用電路如圖2所示。

圖2 ACS712典型應(yīng)用電路

依據(jù)芯片資料，ACS712傳感器的輸出電壓VOUT與輸入直流或者交流電流IP成比例，在5V電源供電條件下，其關(guān)系式為VOUT=2.5+0.185×IP，通過STM32的AD轉(zhuǎn)換器得到VOUT，即可計(jì)算出輸入電流IP。

本設(shè)計(jì)為了保證采集通道數(shù)的可擴(kuò)展性，選擇STM32F103C8T6作為主控制器，該控制器具有16個(gè)外部模擬輸入通道，12位AD轉(zhuǎn)換分辨率，AD轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為1.17μs。輸入/輸出電壓、電流和溫度采集部分的電路設(shè)計(jì)如圖3所示。電壓的采集直接采用精密電阻分壓的方式實(shí)現(xiàn)，輸入電源電壓VIN計(jì)算公式為VIN=ADC_IN_V×(R21+R22)/R21，在24V電源輸入的情況下，要將電壓分壓到3.3V以下以便于輸入到STM32的AD輸入端口，這里接地電阻R21選擇10kΩ，1%精度，接24V電阻R22選擇75kΩ，1%精度。被測(cè)直流電流經(jīng)ACS712ELCTR-05B的IP+流入，IP-流出，輸入電流大小由芯片7腳VIOUT計(jì)算得到，該傳感器輸出靈敏度為185mV/A，假設(shè)輸入電流為5A，根據(jù)計(jì)算公式VIOUT=2.5+0.185×IP，則VIOUT電壓值會(huì)超過STM32F103C8T6所規(guī)定的3.3V輸入電壓，因此在電路中，需要將輸出VIOUT進(jìn)行分壓后輸入到STM32的AD轉(zhuǎn)換器，分壓依然采用精密電阻串聯(lián)分壓實(shí)現(xiàn)，電阻R19選擇20kΩ，1%精度，電阻R20選擇10kΩ，1%精度。VIOUT=ADC_IN_A×(R19+R20)/R19，從而可以計(jì)算出輸入電流IP=(ADC_IN_A×(R19+R20)/R19-2.5)/0.185。相電壓、相電流的采集采用圖3同樣的電路。被測(cè)控制器發(fā)熱部位的溫度采用NTC熱敏電阻測(cè)量，圖3中R24為10kΩ熱敏電阻，該熱敏電阻和10kΩ的電阻串聯(lián)，抽頭接入到STM32的AD轉(zhuǎn)換接口，串聯(lián)電阻分壓抽頭電壓值數(shù)字量ADC_IN7=(4096×R23)/(R24+R23)，再通過查表法得到溫度值。

圖3 電壓、電流和溫度采集原理圖

3 STM32程序設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，STM32主要完成1路輸入電壓和電流，3路相電壓和相電流以及4路溫度共12路數(shù)據(jù)采集并通過串口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。由于所需采集的模擬信號(hào)較多，AD轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)采用了多通道掃描，DMA傳輸轉(zhuǎn)換結(jié)果的方式，程序設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

圖4 STM32程序設(shè)計(jì)流程圖

初始化部分主要包含了ADC時(shí)鐘、GPIO端口及AD轉(zhuǎn)換配置、DMA配置、中斷優(yōu)先級(jí)和USART的初始化以及啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換。AD轉(zhuǎn)換啟動(dòng)后，每個(gè)通道轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)會(huì)通過DMA傳輸?shù)介_辟的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，當(dāng)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)滿后，DMA產(chǎn)生中斷。在DMA中斷服務(wù)程序中先關(guān)閉AD轉(zhuǎn)換和DMA中斷，然后將各個(gè)通道的數(shù)據(jù)取出并進(jìn)行平滑濾波，程序設(shè)計(jì)中對(duì)每通道連續(xù)20次采樣的結(jié)果進(jìn)行算數(shù)平均濾波，以濾除隨機(jī)干擾。在DMA中斷服務(wù)程序中各通道數(shù)據(jù)提取及濾波代碼如下：

將濾波后的電壓值數(shù)字量進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算轉(zhuǎn)換成模擬量，代入到2節(jié)的VIN和IP公式中，計(jì)算得到最終的VIN和IP值。而對(duì)于NTC熱敏電阻測(cè)量溫度值，由于熱敏電阻阻值和溫度并非線性關(guān)系，本程序中采用二分法查表實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量，二分法查表實(shí)現(xiàn)函數(shù)如下：

通過二分法查表法得到當(dāng)前的溫度值，對(duì)于溫度精度要求較高的情況，對(duì)查表得到的溫度值通過線性插值得到更高精度的溫度值。由于LabVIEW上位機(jī)發(fā)送和接收都是ASCII碼格式的字符，在STM32的串口發(fā)送程序中也將得到電壓、電流和溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成ASCII碼發(fā)送。

4 LabVIEW上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)系統(tǒng)采用LabVIEW軟件編寫，該軟件為用戶提供了便利的API接口、數(shù)據(jù)處理算法及顯示控件，可以方便快速完成上位機(jī)系統(tǒng)的搭建。本設(shè)計(jì)中上位機(jī)主要完成傳感器數(shù)據(jù)的接收、處理及顯示。為了便于甄別不同幀的數(shù)據(jù)，STM32上傳的一幀數(shù)據(jù)以回車符結(jié)束，因此在LabVIEW上位機(jī)，當(dāng)接收到回車符時(shí)表示一幀數(shù)據(jù)接收結(jié)束。LabVIEW上位機(jī)數(shù)據(jù)的接收及顯示程序框圖如圖5所示。

圖5 LabVIEW數(shù)據(jù)接收及顯示程序框圖

為了便于展示，本程序框圖中只列出輸入電壓、輸入電流、A相電壓和相電流、1個(gè)溫度傳感器數(shù)據(jù)的處理及顯示，如果有更多數(shù)據(jù)處理，只需在后面添加即可。程序中通過一個(gè)“開始接收”按鈕啟動(dòng)數(shù)據(jù)的接收，當(dāng)有數(shù)據(jù)需要接收并且已經(jīng)啟動(dòng)數(shù)據(jù)接收的情況下，數(shù)據(jù)被送入到VISA讀取函數(shù)，接收到的數(shù)據(jù)通過反饋節(jié)點(diǎn)和連接字符串函數(shù)連接成一個(gè)字符串，通過搜索替換字符串函數(shù)搜索是否接收到回車符，如果收到回車符，說明一幀數(shù)據(jù)接收完成，則將接收到的這一幀字符串?dāng)?shù)據(jù)使用掃描值函數(shù)按照格式字符串的格式將各傳感器數(shù)據(jù)取出顯示到波形圖表。前面板得到的實(shí)時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)波形如圖6所示。

圖6 前面板數(shù)據(jù)波形

圖6 中顯示的波形是無刷電機(jī)控制器在控制無刷電機(jī)加減速過程中輸入電壓、輸入電流、A相電壓、A相電流以及一個(gè)MOS管的表面溫度曲線。將下載好驗(yàn)證程序的無刷電機(jī)控制器放置到夾具下，啟動(dòng)測(cè)試，即可快速檢測(cè)控制器是否符合出廠標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)束語

本文針對(duì)無刷電機(jī)控制器出廠檢測(cè)的自動(dòng)化程度不高，設(shè)計(jì)了一種無刷電機(jī)控制器自動(dòng)檢測(cè)平臺(tái)。采用STM32微控制器采集控制器的各項(xiàng)參數(shù)，并通過串口發(fā)送到上位機(jī)，上位機(jī)采用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)，能夠?qū)崟r(shí)顯示無刷電機(jī)控制器當(dāng)前運(yùn)行情況，使得檢測(cè)人員能夠快速完成控制器的檢測(cè)，大大提高了檢測(cè)效率，降低了檢測(cè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度。