吳攀，周鳳星(武漢科技大學信息科學與工程學院，武漢430081)

基于STM32控制的大功率直流電機調(diào)速系統(tǒng)*

吳攀，周鳳星
(武漢科技大學信息科學與工程學院，武漢430081)

針對直流電機調(diào)速系統(tǒng)大功率高精度的控制需求，設計了一種基于STM32單片機和H橋的新型控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用光電編碼器作為速度檢測傳感器，利用光電隔離器設計了一種大功率直流電機驅動控制電路，直流電機利用PWM脈寬調(diào)制以及PID算法實現(xiàn)對直流電機速度，啟停，轉向準確控制。上位機采用LabVIEW編寫，實時監(jiān)控直流電機運行狀態(tài)。描述了硬件的設計方案。通過實驗結果表明，該直流調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)速精準，低功耗，大功率的優(yōu)良工作特性。

STM32控制;H橋;大功率驅動

0 引言

社會生產(chǎn)中，大功率交流電機的應用非常普遍與成熟，但在只有直流電源的應用場合下，大功率高精度的直流電機調(diào)速系統(tǒng)［1］就十分稀缺。目前，國內(nèi)外直流調(diào)速系統(tǒng)設計研究主要集中于小功率靈活化，例如大多數(shù)文獻研究資料采用IR2104，IR2110系列驅動芯片，采用這些芯片設計的小功率直流電機調(diào)速系統(tǒng)，驅動電流不超過5A，只能應用于小功率直流電機，針對這個問題，本文設計了大功率直流電機調(diào)速系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體結構

微控制器通過通訊接口(例如A/D、并口通訊、串口通訊等)從上位機獲得直流電機設定轉速，光電編碼器測得電機速度負反饋信號，將給定的速度信號與反饋的速度信號相減，經(jīng)過控制算法計算出PWM占空比后，驅動直流電機驅動模塊，實現(xiàn)對電機轉速的準確控制［2-3］。系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構框圖

2 硬件設計

2.1 驅動放大電路設計

根據(jù)實際使用需求，采用H橋驅動電路［4-5］。組成H橋開關管分為Q1，Q2，Q3，Q4，實現(xiàn)直流電機正反轉工作，H橋拓撲原理圖如下。

圖2 H橋驅動拓撲結構

直流電機速度控制信號PWM和直流電機正反工作控制信號DIR經(jīng)過電機驅動邏輯電路［6］分解為PWM1，PWM2，DIR+，DIR－，其中PWM1與PWM波形一致，PWM2與PWM波形反向，DIR+與DIR波形一致，DIR－與DIR波形反向，驅動光電開關實現(xiàn)直流電機的速度和轉向調(diào)控。

采用了光電隔離去驅動場效應管，將直流電機的工作電源與單片機系統(tǒng)的工作電源隔離開來，減少了驅動電路產(chǎn)生的諧波對其他電路的干擾，提高了系統(tǒng)的可靠性。H橋驅動拓撲中，本文以PWM1和DIR+為一組控制電機轉速和轉動方向的驅動信號進行說明，兩路信號的驅動放大設計都采用光電隔離器。

根據(jù)直流調(diào)速系統(tǒng)的要求不同，H橋驅動電路中，4個NMOS開關管的驅動選用不同的光電隔離開關，上橋臂選用普通低頻率光電隔離開關TLP785;下橋臂選用TLP785和快速光電隔離開關TLP109，兩者搭配使用。

DIR為1時，DIR+為1，如圖3光電隔離器J1導通，Q1開關管門極電壓為12V，Q1飽和導通，電源電壓U加于電機電壓電樞一端。

圖3 Q1開關管驅動放大原理圖

當DIR+為1時，由于采用了驅動邏輯電路，PWM1的波形與PWM的波形完全一致，另外一組PWM2和DIR－都為0。如圖4所示，當PWM1為高電平1時，經(jīng)過非門M0，A點電位為0，光電隔離開關M1導通，Q4門極G4點點位+12V，門極電壓+12V近似于直接與電源電壓相接，Q4飽和導通，由于增大場效應管門極的驅動脈沖幅值G4，可以縮短場效應管導通延遲時間td(on)，其值為1.5μs［6］;當PWM1為低電平0時，經(jīng)過非門M0，A點電位為1，光電隔離開關M1截止，由于A點高點位，M2光電隔離開關TLP109導通，驅動級聯(lián)三極管M3導通，串入門極的電阻RG近似為0，Q4門極G4點電位為0，Q4截止，由于減少串入門極的電阻RG，可以縮短場效應管截止延遲時間td(off)，其值為1.5μs［6］。因此G4點脈沖波形與PWM1波形一致，僅脈沖幅值不同。又M1、M2工作在推挽模式，G4點電位為幅值12V，與PWM1波形頻率一致的矩形脈沖。此時PWM2和DIR－都為0，PWM2和DIR－分別驅動的開關Q2，Q3工作在截止狀態(tài)。這時H橋的4個場效應管Q2，Q3為截止狀態(tài);Q1飽和導通，Q4工作在受PWM占空比調(diào)制的工作狀態(tài)。電機電樞兩端通過Q1和Q4加U電壓降，此時電機工作于正轉狀態(tài)。通過調(diào)節(jié)PWM占空比，即可調(diào)節(jié)電機轉速。PWM占空比從0%～100%連續(xù)可調(diào)，對應電機轉速從零到最大轉速連續(xù)可調(diào)。

同理DIR為0時，DIR+為0，PWM1為0，DIR－為1，PWM2與PWM波形一致。這時H橋的4個場效應管Q1，Q4為截止狀態(tài);Q2飽和導通，Q3工作在受PWM占空比調(diào)制的工作狀態(tài)。電機電樞兩端通過Q2和Q3加－U電壓降，此時電機工作于反轉狀態(tài)。通過調(diào)節(jié)PWM占空比，即可調(diào)節(jié)電機轉速。占空比PWM從0%～100%連續(xù)可調(diào)，對應電機轉速從零到最大轉速連續(xù)可調(diào)。

圖4 Q4開關管驅動放大原理圖

本文設計的光電隔離驅動放大器，工作在PWM調(diào)制狀態(tài)下的NMOS開關管［7］，導通時門極直接加電源電壓12V，MOS管導通的上升沿只需要1.5μs左右，飽和導通;NMOS開關管截止時，通過三極管級聯(lián)然后與NMOS并聯(lián)，關閉NMOS關只需要0.5μs，由于設計大大縮短了NMOS管的導通和截止時間，因此對直流電機輸出的矩形脈沖波形非常理想。本文選用的功率開關，漏極電壓UDS耐壓75V，漏極電流ID達到120A，理論上可以輸出功率9000kW，考慮環(huán)境因素及大電流發(fā)熱對功率開關的影響，綜合實驗可得穩(wěn)定驅動電流達到60A，可以滿足直流電機大功率驅動要求。

2.2 速度負反饋模塊電路設計

ZKT9040旋轉編碼器600線光電碼盤，電機每轉動一周，會產(chǎn)生兩路600個光電脈沖信號A，B。A，B為兩相相位相差90°的正交方波脈沖信號，通過單片機計數(shù)器在單位時間內(nèi)計數(shù)A、B任意一項脈沖個數(shù)即可計算出電機的轉速，通過A，B相位之間的關系，就可以判斷電機正反轉方向。

2.3 顯示模塊設計

整個調(diào)速系統(tǒng)通過LCD顯示屏來顯示電機的運行參數(shù)，如設定速度、實際運行速度，電機正轉反轉方向，這樣方便直觀地了解電機的運行狀況。另外在對電機調(diào)速參數(shù)進行優(yōu)化設置時，通過LCD屏可以顯示參數(shù)設定的效果，進而可以不斷對參數(shù)進行優(yōu)化，使電機調(diào)速參數(shù)達到理想狀態(tài)。

2.4 上位機

直流電機控制系統(tǒng)中上位機采用LabVIEW軟件編寫上位機程序，通過串口通信實現(xiàn)上位機與直流電機調(diào)速系統(tǒng)通信，檢測并反饋直流調(diào)速系統(tǒng)運行的各個狀態(tài)參量。在速度環(huán)控制最優(yōu)參數(shù)整定過程中，監(jiān)控直流電機的運行狀態(tài)。

3 實驗測試與分析

本系統(tǒng)采用STM32F103作為核心的微控制器，控制電路以STM32F103為核心的最小系統(tǒng)實現(xiàn)大功率直流電機系統(tǒng)調(diào)速。通過上位機控制界面對直流電機速度進行設定，從設定轉速到微控系統(tǒng)到達指定轉速，微控器系統(tǒng)控制主要流程如圖5所示。系統(tǒng)中主要由中斷和調(diào)用子模塊完成，當有中斷請求時，調(diào)用相關中斷子模塊進行處理。

圖5 微控制系統(tǒng)主流程圖

使用某電機廠直流電動機LX-4進行測試，該電機是低壓大功率直流電機，電動機具體參數(shù)為:額定電壓48V、額定功率1000W、額定轉速3000 r/min、額定電流16.2A。電機調(diào)速系統(tǒng)中，控制算法常采用PID控制，針對傳統(tǒng)的PID算法中參數(shù)整定的不足，近年出現(xiàn)了改進的PB網(wǎng)絡PID［8］、改進遺傳算法PID［9］、PID組合差分法參數(shù)整定法［10］，綜合考慮，本文使用PID組合差分法參數(shù)整定法，在正常工作環(huán)境下，電機空載運行時，此時系統(tǒng)實驗測試結果見表1。

表1 實驗測試結果

對于上述大功率直流電動機調(diào)速，經(jīng)過實驗測試，系統(tǒng)完全滿足實驗設計要求，能夠實現(xiàn)速度－3000rpm～3000rpm之間任意速度的切換，速度控制精度達到2.5rpm以下，穩(wěn)態(tài)誤差不超過0.8，滿足電動機大功率高精度的控制需求。

4 總結

本文設計了一中基于STM32F103微控制器，以場效應管為核心搭建的H橋PWM控制驅動電路，設計的放大驅動電路，可以穩(wěn)定輸出60A驅動電流，滿足直流電機大功率驅動的需求。該系統(tǒng)采用PID控制算法輸出占空比可調(diào)的PWM脈沖，調(diào)速精準，具有顯著的實時響應特點。系統(tǒng)在滿足高精度，低功耗，快速響應大功率直流負載應用中具有獨特的優(yōu)勢。

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(編輯李秀敏)

Research on High-power Velocity Regulation of Direct Current Motor Using STM32 Control Processor

WU Pan，ZHOU Feng-xing
(College of Information Science and Engineering，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China)

According to the control demand of velocity regulation of DC motor with high-power and high precision，a new kind of speed regulation system based on STM32 microcontroller and H-bridge driver was designed.The speed regulation system make use of PWM and PID algorithm as output signal to controlling starting，braking，positive inversion and speed regulation of DC motors，w hich by using photoelectric coder as speed detecting sensor and optoelectronic isolator to design a high-pow er driver circuit.The parameter data of the DC motors was monitored and w ritten by LabVIEW in PC.The hard circuit design were described in this paper.Experimentproof show thatthis kind of speed regulation system for DC motor has the characteristics of precise speed regulation，low-pow er consumption and high driving power.

microcontroller STM32;H-bridge;high-pow er driver circuit

TH166;TG506

A

1001－2265(2017)04－0111－03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.04.028

2016－08－18

國家自然科學基金項目(61174106)

吳攀(1987—)，男，武漢人，武漢科技大學碩士研究生，研究方向控制科學與工程，(E－mail)wupancool2008@qq.com。