基于ARM 的直流电机数字式电子调速器设计

2015-11-28郭晓洪

山西电子技术 2015年1期

郭晓洪

(中国大唐集团公司山西分公司安全生产部，山西太原 030024)

近年来，随着数字电子技术的发展，电机的调速技术也得以迅速发展。数字式电子调速器以其控制精度高、响应速度快，能够有效地提高发动机的调速性能，延长发动机的使用寿命的优点得以广泛应用［1，2］。在此基础上，本文设计了一种基于ARM 的实时精确控制直流电机转速的数字式电子调速器。

1 直流电机调速原理

1.1 直流电机的工作原理

依据直流电机的机械特性知，直流电机的调速方案有三种:改变电源电压;改变电枢电阻;弱磁调速(即改变励磁磁通)。改变电枢电阻的方法会引起电机机械特性变软，使转速的稳定性变差。弱磁调速在低速时受到磁极饱和的限制，在高速时受换向火花和换向器结构强度的限制，并且励磁线圈电感较大，动态响应较差。所以在本设计中采用改变电源电压的调速方案。

1.2 PWM 控速原理

图1 是利用开关管对直流电动机进行PWM 调速控制的原理图和输入输出电压波形。在图1(a)中，当开关栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压Us。t1秒后，栅极输入变为低电平，开关管截至，电动机电枢两端电压为0。t2秒后，栅极输入重新变为高电平。开关管重复前面的动作。这样，对应着输入电平的高低。直流电动机绕组两端的电压波形如图1(b)所示。电动机绕组两端的电压平均值为［4，5］:

通过改变α 的值可以改变电枢绕组两端电压的平均值，从而达到调速的目的，这是PWM 调速原理。

图1 PWM 调速控制的原理图和输入输出电压波形

2 数字式电子调速器设计

数字式电子调速器由控制器、执行器驱动机构、执行器和传感器四部分组成。

本设计采用飞思卡尔基于ARM®Cortex®－M4 内核的32 位微控制器Kinetis K60 系列的MK60DN512ZVLQ10(以下简称K60)控制器，其工作电压2.7 V－5.5 V，总线频率可达100 MHz，其拥有512 kB 的FLASH 和128 kB 的SRAM。它能完成电击调速、控制运算、检测调速器工作状态以及与外部设备通信联络等功能。执行器驱动机构由H 桥驱动电路构成。执行器为伺服直流电机。传感器选用欧姆龙集团的E6A2－CW3E 光电编码器。此外为了调试方便，采用蓝牙串口通信模块作为与上位机通信模块。

2.1 调速器结构

本设计由K60 作为控制器，完成与上位机之间的通信，同时通过采集车轮转速与设定值进行比较，然后采用PWM对电机转速进行调控。

2.2 ARM 接口电路的设计

K60 内部集成了正交解码，PWM 输出以及串口通信外设。光电编码器可以对电机的转速进行测量，该光电编码器通过齿轮与电机齿轮相啮合，电机转动时编码器会产生A、B相脉冲，两相脉冲信号相位相差90°。编码器产生信号后，K60 对应的GPIO 口将采集PWM 信号，此时A 相信号作为方向判断信号，即当A 相超前B 相90°时，电机正转;A 相滞后B 相90°时，电机反转。B 相信号作为电机转速信号使用。图2 为K60 接口电路的设计。

图2 K60 接口电路设计

2.3 电机驱动电路

电机驱动电路使用74HC08 与门、HIP4082 芯片作为K60 与H 桥之间的桥梁。74HC08 接收K60 产生的PWM 信号，经过与运算产生PWM 信号。HIP4082 芯片具有隔离功能，对K60 起到保护作用，另一方面HIP4082 为NMOS 提供合适的漏、源电压使H 桥相应桥臂导通进而对电机进行驱动。图3 为电机驱动电路。

图3 电机驱动电路

2.4 串口通信模块

由于蓝牙具有串口通信功能，且蓝牙传输轻巧方便，通信简单，故采用蓝牙模块与上位机进行通信。

3 调速器软件设计

本设计采用转速负反馈和PI 调节器的单闭环负反馈进行调速，该调速器可以保证在系统稳定的条件下实现无转速静态误差。

本设计由K60 通过光电编码器测得电机转速的实际值与目标值进行对比产生误差值。误差值经过PI 调节器后产生PWM 输出值，由K60 输出PWM 到电机驱动电路对电机转速进行调节。软件流程图如图4 所示。

图4 调速器软件流程图

4 调试

上位机通过串口通信给K60 传递调速器的参数和电机速度的设定值。K60 通过比较分析实际值与设定值之差，经由调节器计算得出控制电机的PWM 输出值。例如:上位机设定电机转速为1.5 m/s，设定值经串口通信传递给下位机。同时下位机将测得数据反馈到上位机，数据有0.084 s 的上升时间，峰值为1.55 m/s，超调量为3.3%，调整时间为0.208 s。如图5 所示。