智能電機控制系統(tǒng)

遼寧工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 邵雪琳 王亞君 劉海輝 徐源博

智能電機控制系統(tǒng)

遼寧工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 邵雪琳 王亞君 劉海輝 徐源博

以電機檢測參數(shù)為依據(jù)，設(shè)計了基于單片機的智能電機控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由供電電路、驅(qū)動電路和單片機控制系統(tǒng)組成。供電部分采用反激式AC/DC變換電路，為電機及系統(tǒng)提供所需的電源。驅(qū)動電路采用H橋結(jié)構(gòu)，通過接收控制系統(tǒng)給出的控制指令，實現(xiàn)上下電機的正反轉(zhuǎn)、加減速和速度匹配控制。單片機控制部分采用單片機作為核心微處理器，結(jié)合PI算法，實現(xiàn)對電動機專屬的閉環(huán)控制。系統(tǒng)運行穩(wěn)定，性能良好。

單片機；反激式AC/DC；閉環(huán)控制；電機控制系統(tǒng)

0　引言

以單片機作為控制器在電機控制領(lǐng)域被廣泛的應(yīng)用。在單片機控制系統(tǒng)中，單片機作為控制核心，主要用于完成一些算法，同時還要處理一些輸入、輸出和顯示的任務(wù)等。另外，電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，使得大功率電子器件性能極大提高。因此可以采用微機直接控制電動機，來完成各種控制操作。

1　總體設(shè)計方案

整個系統(tǒng)由三部分組成：單片機控制系統(tǒng)、三相交流電機及直流電機及其驅(qū)動、供電電源部分。同時要對三相交流電機的轉(zhuǎn)速進行測量反饋到控制模塊中。因為對有較大慣性和滯后的被控制對象，比例+微分的控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。本設(shè)計通過紅外激光接收模塊來測量三相電機的轉(zhuǎn)速。整個流程圖如圖1所示。

圖1　總體設(shè)計方案流程圖

圖2　三相調(diào)壓電路仿真圖

2　硬件設(shè)計

2.1三相交流調(diào)壓電路（見圖2）

本設(shè)計采用三相移相調(diào)壓電路來控制三相電機的運行狀況。通過調(diào)壓來控制電機的轉(zhuǎn)速，達(dá)到目的。通過控制電位器電壓的輸出來控制移相角，電位器輸出電壓為0-5V，對應(yīng)的三相調(diào)壓電路的輸出電壓為0-380V。同時來控制底部的三相定子，使其產(chǎn)生變換的磁場。

圖3　驅(qū)動電路

2.2直流電機驅(qū)動電路

單片機輸出的控制信號通過高速光耦將信號傳遞至或非門，控制方向信號與PWM輸出信號通過硬件在此形成一定的邏輯輸出，到驅(qū)動控制芯片，通過控制D2、D6和D3、D5來控制電機的方向，驅(qū)動電路如圖3所示。

2.3供電電源的設(shè)計

圖4所示為電源電路原理圖，采用220V/50HZ的市電輸入電源，通過NTC抑制上電浪涌電流，L1、C3和C4組成了電源濾波器，用于抑制電源輸入的各種噪聲，提高電子設(shè)備的抗干擾能力。開關(guān)電源采用三路電壓輸出，24V、15V和8V，分別為電機、H橋式驅(qū)動和單片機供電。

2.4單片機系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用STM32F103ZET單片機，如圖5所示，為單片機的最小系統(tǒng)，與8MHz晶振相連的兩電容為陶瓷電容，它們是為晶振更好的起振而設(shè)計，采用外部晶振是考慮到單片機運行時系統(tǒng)的穩(wěn)定。考慮到噪聲的問題STM32F103ZET與傳統(tǒng)C51單片機相反，采用低電平復(fù)位。

圖4　供電電源電路圖

圖5　單片機最小系統(tǒng)

圖6　主程序流程圖

圖7　MOSFET的漏源電壓波形

3　軟件設(shè)計

接通電源，系統(tǒng)各模塊初始化。然后進入大循環(huán)程序，在循環(huán)程序里，首先按照初始速度和方向運轉(zhuǎn)，再檢測判斷速度是否達(dá)到預(yù)定值，利用PI算法控制速度的恒定，然后調(diào)用各子程序，判斷電流是否超過額定值，從而達(dá)到保護電機與電路的作用，一切正常時，電機就按給定的速度旋轉(zhuǎn)，最后將各參數(shù)通過顯示屏顯示出來，從而達(dá)到了對電機狀態(tài)的監(jiān)控。圖6為主程序流程圖。

4　系統(tǒng)測試

由于設(shè)計時輸出電壓是穩(wěn)定24V的，不管輸出是否接負(fù)載，輸出電壓為24V的那路穩(wěn)定性非常高，說明達(dá)到了設(shè)計的要求。設(shè)計輸出電壓為15V的空載情況下，電壓為14.97V，達(dá)到了設(shè)計要求；在24V輸出電壓帶載情況下，輸出電壓為17.48V，這是由于調(diào)整率的變化導(dǎo)致的。

在市電輸入條件下，圖7為開關(guān)電源MOSFET的漏源電壓波形圖，由圖可知它的母線電壓為350V，復(fù)位電壓為120V，尖峰電壓為120V，漏源電壓峰峰值為584V，在MOSFET的耐壓范圍內(nèi)，符合設(shè)計要求。

5　總結(jié)

本設(shè)計以電動機參數(shù)為依據(jù)，設(shè)計基于單片機處理器的電動機控制系統(tǒng)。電動機參數(shù)檢測與控制系統(tǒng)能協(xié)調(diào)穩(wěn)定工作。三相交流電機通過晶閘管驅(qū)動電路實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的控制，使其有更好的啟動性能和更好的動態(tài)特性，而且有利于電能的節(jié)約。本系統(tǒng)能達(dá)到理想的工作狀態(tài)，最大限度的增強系統(tǒng)的整體性能。

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邵雪琳（1994—），黑龍江齊齊哈爾人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于遼寧工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院。

王亞君（1978—），遼寧葫蘆島人，博士，副教授。

遼寧省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目。