基于STM32 的直流电机调速

2020-06-23龚成南京工程学院自动化学院

数码世界 2020年5期

关键词：高电平框图直流电机

龚成南京工程学院自动化学院

1 引言

随着微处理器、电力电子、控制技术的发展，电机控制以电力半导体变流器件的应用为基础，以电动机为控制对象，以控制理论为指导，以电子技术和微处理器技术以及计算机辅助技术为手段，结合检测技术和数据通信技术，使数字化回路的电机控制成为可能。

2 硬件电路设计

2.1 系统原理框图

设计采用以STM32 为系统控制核心，STM32 产生的PWM脉冲控制电机驱动模块，进而控制电机，同时编码器实现电机速度的信号检测处理，提供反馈信号给微处理器，微处理器综合处理信息后再发送信号给驱动模块，从而形成电机闭环控制。系统框图如图1 所示。

图1 系统原理框图

2.2 整体原理图

在控制电机运行时，信号从STM32 的AIN1 和AIN2 输出，进入驱动TB6612，从而控制电机A1、A2，传输到编码器接口，进而编码器输出，返回到微处理器，形成闭环控制。整体原理图如图2 所示。

图2 整体原理图

2.3 STM32 控制器模块

主控芯片采用意法半导体公司生产的32 位微控制器STM32F103C8T6，该芯片是基于ARM Cortex-M3 核心的带64K 字节闪存的微控制器，其工作频率最高可达到72MHz，性能高，功耗低。

2.4 电源模块

电源供电，通过降压电路将5V 的电压源转换为3.3V。

2.5 驱动模块

驱动芯片采用集成电机驱动芯片TB6612。该芯片主要是由两组四个大功率晶体管组成的H 桥电路构成，本课题采用其中一个H 桥即可。四个晶体管分为两组，交替导通和截止，STM32控制MOS 管使之工作在开关状态，通过调整控制逻辑输入脉冲的占空比，进而调整电动机转速。

2.6 通信模块

MAX3485 是用于通信的3.3V 低功耗收发器，每个器件中都具有一个驱动器和一个接收器。驱动器具有短路电流限制，并可以通过热关断电路将驱动器输出置为高阻状态，防止过度的功率损耗。接收器输入具有失效保护特性，党输入开路时，可以确保逻辑高电平输出。DE 和RO 为使能管脚。DE 为低电平、RE 为低电平时为接收；DE 为高电平、RE 为高电平时为发送；RO 和DI为数据管脚。RO 为接收，DI 为发送；因此我们经常将DE 和RE直接连接，用一个IO 口控制。

3 MATLAB 仿真

3.1 建立电机模型

在他励直流电动机，以磁场为媒介，实现电能和机械的转换，其数学模型主要包含电压平衡方程和机械运动方程。

在零初始条件下，取等式两侧的拉氏变换，得电压与电流间传递函数为：

由此，可以建立直流电机的动态结构图，如图3 所示。可知直流电动机的工作状态受到两个物理量的影响：一个是PWM 放大器的输出电压Ua0(s)，另一个是负载电流IaL(s)。前者是控制输入量，后者是扰动输入量。

图3 直流电机动态结构图

3.2 模型参数计算

控制对象电机减速机的基本参数如表1 所示。

表1 减速电机基本参数

单闭环传统函数如图4 所示。

图4 单闭环传统函数框图

由于任务要求可知，开关频率为10K，速度回路采样周期为14mS。由此得出PWM 环节的时间常数，即开关频率的倒数，Ts=1/10000=0.0001s 速度回路采样周期，T=0.014s。通过查阅运动控制系统和自动控制系统相关章节，复习直流电机模型的传递函数，依据电机基本参数值，通过计算确定各参数值。