基于觸摸屏的直流電機控制系統

李 偉 謝興瑯 馬景蘭 萬京生

(北京石油化工學院電氣工程系，北京 102617)

直流電機具有良好的線性特性、優異的控制性能以及較強的過載能力，廣泛應用于工業過程和設備控制系統中。盡管其他種類電動機發展迅速，但直流電機在電氣傳動領域仍然占據著十分重要的地位。近年來，由于生產技術的發展，對電氣傳動領域直流電機控制系統在調速精度、動態響應以及操作靈活性方面都提出了更高的要求。

傳統的直流電機調速方法存在著調速響應慢、精度差以及調速裝置復雜等缺點。隨著新型電子器件的出現,以開關頻率高的全控型晶體管作為開關器件的直流脈寬調制(PWM)調速系統也應運而生，該調速方法可顯著降低系統功耗,提高系統的響應速度并且降低運行噪聲，已成為直流調速系統的主要發展方向。與此同時，由于計算機技術和微電子技術的高速發展，電動機的控制策略也發生了巨大的變化，同模擬控制方式相比，數字控制方式可以采用更加靈活多樣的控制算法來對電機系統進行控制，不僅可以降低控制電路的復雜程度,提高設計和制造的靈活性，在控制精度、穩定性及一致性等方面也較模擬控制方式有顯著優勢，因此傳統的模擬控制方法已逐漸被以微處理器為核心的數字控制方法所取代。此外，隨著自動化程度的不斷提高，很多工作環境中不僅要求電機控制系統具有優異的控制性能，還要求系統具有良好的人機交互特性，便于操作人員在系統運行過程中直觀地了解設備的運行狀況，方便地進行參數設定與修改。因此，數字化的人機交互功能的實現對提高電機控制系統的性能起著不可忽視的作用。

筆者設計的直流電機控制系統以帶DSP引擎的16位微處理器為控制核心，采用PWM直流脈寬調制方式和數字化PID技術實現直流電機閉環速度控制。為便于參數設定和狀態顯示，選用觸摸屏進行人機交互，提高了整個控制系統的靈活性。

1 控制系統方案簡介①

采用觸摸屏實現人機交互的直流電機控制系統方案如圖1所示。該系統主要完成轉速測量與控制、過流保護以及人機交互等功能。系統中主控制器選用Microchip公司為嵌入式電機控制應用而設計的16位微處理器dsPIC30F6010A，具有8個獨立或4對互補的電機控制專用PWM輸出，可以很方便地對電機進行PWM控制。此外，其自帶的DSP引擎可實現控制環的快速響應。

系統中控制對象為48V/20A直流電動機，在實際運行過程中，操作人員通過觸摸屏的人機交互界面設定好電機的目標速度后，微處理器輸出PWM信號至MOSFET驅動電路，驅動直流電機旋轉。為實現電機的可逆調速，驅動部分采用H型雙極性可逆PWM結構。直流電機運行速度通過增量式光電編碼器進行檢測，由于dsPIC30F6010A微處理器本身自帶正交編碼器模塊，故編碼器送出的A/B/Z三相信號無需經過相位判別電路，即可直接送入控制器進行速度測量，簡化了系統硬件設計。系統檢測出電機實際運行速度后，根據相應控制算法調節PWM輸出，從而對電機速度進行控制。另外，為保護電機，系統采用霍爾電流傳感器檢測電機電流，并在電機過流時關閉PWM輸出，從而達到保護電機的目的。

圖1 控制系統框圖

2 系統硬件組成

該系統硬件部分主要由MOSFET驅動電路、觸摸屏電平轉換電路、電機速度測量電路、電流檢測以及過流保護電路等組成。

2.1 MOSFET驅動電路

為實現直流電機可逆調速，系統采用如圖2所示的H型雙極性可逆PWM驅動方式驅動直流電機[1]。該全橋電路由4個N溝道MOSFET功率場效應晶體管75NF和4片功率二極管構成，其中二極管在場效應管關斷時為電樞回路提供釋放電感儲能的續流回路。系統有兩組開關管，Q1和Q3為一組，Q2和Q4為另一組。同組的開關管同步導通或關斷，不同組的開關管的導通與關斷則恰好相反。在每個PWM周期里，當控制信號Ug1為高電平時，開關管Q1和Q3導通，此時Ug2為低電平，因此Q2和Q4截止，電樞繞組承受從A到B的正向電壓;當控制信號Ug1為低電平時，開關管Q1和Q3截止，此時Ug2為高電平，因此Q2和Q4導通，電樞繞組承受從B到A的反向電壓，在一個PWM周期里電樞電壓經歷了正、反兩次變化。雙極性可逆PWM驅動時，電樞繞組所受的平均電壓取決于占空比D的大小：當D=0時，Ua=-48V，電動機反轉，且轉速最大；當D=1時，Ua=48V，電動機正轉，轉速最大；當D=1/2時，Ua=0，電動機不轉。雖然此時電動機不轉，但電樞繞組中仍然有交變電流通過，使電動機產生高頻振蕩，這種振蕩有利于克服電動機負載的靜摩擦，提高動態性能。該驅動電路工作時，需要將控制電路的輸出脈沖放大到足以激勵MOSFET管導通，在此選用IR公司的IR2110作為柵極驅動器[2]。

圖2 H型雙極可逆PWM驅動系統

2.2 觸摸屏電平轉換電路

系統選用威綸通科技有限公司生產的MT6100I觸摸屏完成人機交互，該觸摸屏具有強大的圖形顯示功能和數據處理功能，并支持RS-232和RS-485兩種通信接口，廣泛應用于各種工業場合。

由于RS-485采用平衡發送和差分接收的方式傳遞數據，因而抑制共模干擾的能力較強，傳輸距離也較遠?？紤]到電機所處的工業環境較為復雜，為提高系統抗干擾能力，增強通信可靠性，選用RS-485接口完成單片機與觸摸屏的通信。

由于單片機串行通信端口為TTL電平，因此必須進行電平轉換方可正確通信。電平轉換電路如圖3所示，SCIRXD和SCITXD為微控制器的串行收、發引腳，由于RS-485采用半雙工工作方式，任何時候只能有一個點處于發送狀態，因此發送電路必須由使能信號SCIEN加以控制。收發信號以及使能信號均通過6N137光耦隔離后，送至電平轉換芯片。RS485A和RS485B為RS-485總線的輸出，利用電阻將輸出上拉和下拉，可在電路驅動器關閉時使輸出處于固定電平，3個瞬態抑制二極管起保護RS-485總線的作用[3]。

圖3 電平轉換電路

3 系統軟件

系統軟件設計部分主要包括HMI人機交互界面設計、觸摸屏與微處理器通信的Modbus協議實現、數字化速度和電流調節、電機PWM輸出、霍爾電流傳感器電流信號的AD采樣以及正交編碼器模塊速度測量等部分。

3.1 HMI人機界面

選用的威綸通觸摸屏MT6100I配備圖形功能強大且簡單易用的組態軟件Easy Builder 8000，可根據不同客戶需求，方便、快速的生成個性化的人機界面，用戶可以自由組合文字、按鈕、圖形及數字等功能元件，創建出直觀的屏幕畫面，完成人機交互界面的設計。

組態軟件Easy Builder 8000可以提供12個用戶、6個等級密碼的保護，有利于對某些特定參數進行限定，保護了用戶的利益。此外，觸摸屏具有超大的128MByte內存，給程序提供了足夠的畫面存儲空間?；谟|摸屏的直流電機控制系統的人機界面主要由系統主畫面、參數設定與數據顯示及故障報警等界面構成。

當MT6100I觸摸屏連接到控制系統以后，觸摸屏采用主從通信模式與微處理器交換數據，在本系統中，將觸摸屏設為從站，微處理器作為主站，設計人機界面時需要在組態軟件中把HMI設置為Modbus Server模式。

3.2 Modbus協議的軟件實現

觸摸屏與微處理器按照RS-485總線方式交換數據時，需要根據觸摸屏采用的通信協議為微處理器編寫相應的通信程序。Modbus協議是美國Modicon公司推出的一種有效支持控制器之間以及控制器經由網絡(如以太網)與其他設備之間進行通信的協議[4]。筆者使用的Modbus通信協議以RTU通信數據傳輸模式完成微處理器和觸摸屏之間的主從通信。圖4為微處理器作為主站對觸摸屏從站進行讀、寫操作的程序流程圖。

在Modbus RTU模式下，為避免誤碼保證通信的可靠性，采用通信領域常用的CRC-16校驗法對數據進行校驗。在觸摸屏與單片機進行通信時，若校驗錯誤，則程序直接返回。由于微處理器對CRC校驗碼的計算速度要求比較高，采用基于查表的CRC校驗算法，可滿足高速通信的需要。

圖4 主機讀、寫從機數據的工作流程

3.3 控制方案的軟件實現

為使系統具有良好的調速性能，采用由電流內環和速度外環組成的雙閉環控制方案實現閉環調速，具體調速方案如圖5所示。速度調節器的作用是對給定速度與反饋速度之偏差按一定規律進行運算，并通過運算結果對電動機進行調速控制；由于電動機軸的轉動慣量和負載軸的存在，速度時間常數較大，系統的響應較慢，而電流調節器的引入則能改善系統的快速性和穩定性，增強系統的抗電源擾動和抗負載擾動能力。

雙閉環調速方案中包含的控制模塊有速度PI調節模塊、電流PI調節模塊和PWM控制模塊，均是通過軟件來實現的。具體實現方法為：在每個PWM周期(50μs)均完成一次電流采樣和電流調節。程序中先通過微處理器AD采樣模塊測量霍爾電流傳感器的輸出電壓，獲得直流電動機電樞的實際電流;速度采樣子程序則通過微處理器正交編碼器模塊計算光電編碼器輸出脈沖數獲得當前速度。速度調節子程序以速度給定值和速度采樣子程序得到的速度反饋值的偏差作為輸入，通過調用PI控制算法，得到電流的給定輸出值。電流調節子程序則以速度調節器的輸出電流給定值和電流采樣子程序得到的電流反饋值之間的偏差為輸入量，通過調用電流調節器的PI算法，給出目前功率模塊PWM的占空比，實現電機速度的控制。

4 結束語

基于Modbus協議的直流電機控制系統，以專用控制芯片dsPIC30F6010A為主控制器，充分利用其高效的運算處理能力、便捷的PWM輸出功能和實用的正交編碼器模塊功能，實現了數字化雙閉環調速方案，并且基于Modbus通信協議實現了控制系統與觸摸屏的可靠通信。該控制系統已在TIG焊接設備中實現了送絲電機的速度調節，能滿足焊接過程中送絲的要求。經實踐檢驗，該控制系統具有良好的調速性能和人機交互性能，且硬件設計簡單，適用于對直流電機的調速性能和人機交互性能有較高要求的應用場合。