基于PWM的三維大氣電場傳感器驅動電機的轉速控制

林 楚，陳曉寧，張海濤，顧超超

(解放軍理工大學 國防工程學院，江蘇 南京 210007)

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基于PWM的三維大氣電場傳感器驅動電機的轉速控制

林 楚，陳曉寧，張海濤，顧超超

(解放軍理工大學 國防工程學院，江蘇 南京 210007)

為實現所設計的空中三維大氣電場傳感器的屏蔽轉子穩(wěn)定可靠的旋轉，提出了以意法半導體公司第二代ARM微控制器STM32F103RC為核心集成電路的MCU(Micro Control Unit)電機控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由無刷直流電機構成的動力驅動系統(tǒng)、微控制器構成的中央控制系統(tǒng)、無線收發(fā)裝置構成的無線收發(fā)系統(tǒng)，以及三維電場傳感器、電子羅盤、陀螺儀、GPS等傳感器構成的傳感器測量系統(tǒng)組成。采用脈沖寬度調制(PWM)信號控制無刷直流電機驅動模塊，通過編程模擬相應的旋轉速度。實驗結果表明，空中三維大氣電場傳感器的屏蔽轉子能實現穩(wěn)定旋轉。

三維大氣電場傳感器；微控制器；無刷直流電機；脈沖寬度調制

0 引言

空中三維大氣電場傳感器[1]是用來檢測大氣電場強度的裝置，通過電機驅動屏蔽轉子旋轉對感應電極進行交替屏蔽，使感應電極交替暴露在外電場中，感應電極上的感應電荷發(fā)生周期性變化，形成了交變的電流信號，其大小與外部電場成一定的比例關系，從而通過檢測該電流的大小來檢測電場強度。它由軸向(Z)和徑向(X,Y) 3路電場測量單元和驅動單元以及電路單元組成。電場測量裝置的發(fā)展已有半個世紀，最先出現的是一維電場測量裝置，只能測量單一方向上的電場強度，隨著研究工作的發(fā)展，出現了二維電場和三維電場測量裝置。為了更加直接地掌握空中三維電場情況，在地面三維電場測量裝置的基礎上，筆者研制出了空中三維電場測量裝置。

本文應用意法半導體公司的第二代ARM微控制器STM32F103RC為核心集成電路的MCU(Micro Control Unit)電機控制系統(tǒng)，通過調制PWM(Pulse Width Modulation)信號輸出的占空比驅動無刷直流電機[2-5]。完成硬件電路連接之后，進行編程，將程序下載到微控制器中，電機就能旋轉，然后利用無線收發(fā)系統(tǒng)發(fā)送接收指令實現電機轉速控制[6-8]，從而驅動空中三維大氣電場傳感器屏蔽轉子的旋轉。

1 空中三維大氣電場傳感器電機控制系統(tǒng)

1.1 空中三維大氣電場檢測系統(tǒng)總體架構

電場檢測系統(tǒng)包括動力驅動系統(tǒng)、中央微控系統(tǒng)、無線收發(fā)系統(tǒng)、傳感器測量系統(tǒng)。其中動力驅動系統(tǒng)由無刷直流電機構成。中央微控系統(tǒng)主要由STM32F103RC芯片構成。無線收發(fā)系統(tǒng)主要是由中心頻率為170 MHz的型號為E50-TTL-100的無線模塊構成。傳感器測量系統(tǒng)由三維電場傳感器、三維電子羅盤、三軸電子陀螺儀、GPS等傳感器構成。空中三維大氣電場檢測系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1 空中三維大氣電場檢測系統(tǒng)架構

1.2 空中三維大氣電場檢測系統(tǒng)硬件選擇

1.2.1 控制芯片選擇

本系統(tǒng)選用ARM單片機的STM32F103系列的STM32F103RC芯片[9]。該芯片是32位基于第二代ARM內核的高性能大容量增強型微控制器，延伸了第一代ARM內核的特性，具有更快的運行速度、更低的功耗、端口資源也更加豐富，全部引腳都可以作為中斷輸入，串口可以直接下載程序，廣泛應用于數據采集、數據分析處理、儀器儀表、工業(yè)通訊、電機控制等領域。最高可達72 MHz的工作頻率，工作電壓為2.0 V～3.6 V，工作溫度為-40℃～+125℃，能夠在低溫、潮濕、震蕩等惡劣大氣環(huán)境中穩(wěn)定運行。單片機內集成了11個定時器，其中包括4個16位通用定時器、2個看門狗定時器、2個用于驅動DAC的基本定時器、2個用于電機控制的16位PWM高級控制定時器和1個系統(tǒng)嘀嗒定時器，內置256 KB閃存及48 KB SRAM的高速存儲器、3個12位的ADC轉換器，13個通信接口，包括2個I2C接口、5個USART接口、3個SPI接口(其中2個可復用為I2S接口)、1個CAN接口、1個USB 2.0全速接口、SDIO接口，功能非常強大。

1.2.2 無刷直流電機驅動

空中三維大氣電場傳感器電機選用無刷直流電機,它利用電子換向器取代機械電刷和機械換向器，使無刷直流電機具有直流電機響應速度快、較大的啟動轉矩等優(yōu)點，同時又取消了碳刷、滑環(huán)結構，在汽車、工具、工業(yè)控制、自動化以及航空航天等行業(yè)應用廣泛，優(yōu)勢明顯。無刷電機的使用壽命高達幾萬小時，能夠滿足電場傳感器對長時間、高轉速的性能要求。

無刷直流電機采用日產Nidec的12 V微型無刷電機，型號為13H055B020。該電機的外形尺寸為24.3 mm×19 mm，重量28 g，輸出軸徑2 mm。電機可以接PWM調速，PWM端直接接電源正極就可以最高轉速運轉，12 V時轉速6 200 r/min，電機的控制驅動芯片是BD6922，內部沒有碳刷，大大增加了電機的使用壽命。

1.2.3 電源選擇

電源選用12 V、2 000 mA.h的鋰電池供電，可以連續(xù)供電8～10 h。因為傳感器輸出的信號較微弱，所以需要設計信號放大電路對其信號進行放大，所使用的運算放大器需要±5 V電壓為其供電，因此選用DC-DC電源模塊，輸出±5 V電壓。又因為STM32F103RC芯片的工作電壓為2.0 V～3.6 V，因此還需選用AMS1117穩(wěn)壓模塊將+5 V輸入電壓穩(wěn)壓到3.3 V。

1.2.4 無線數據收發(fā)模塊選擇

無線數據收發(fā)模塊采用中心頻率為170 MHz的型號為E50-TTL-100的無線裝置，無線通信距離為2 km，通過接收機與計算機的連接向發(fā)射機發(fā)出指令來實現電機轉速的控制。發(fā)射機接單片機串口3(USART3)，編程口接串口1(USART1)通過USB連接計算機下載程序。

1.3 空中三維大氣電場傳感器驅動系統(tǒng)PWM脈寬調制

空中三維大氣電場傳感器動力系統(tǒng)主要是通過PWM信號來驅動無刷直流電機。PWM是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，通過改變直流脈沖序列的占空比來實現電機轉速的變化[10-14]。

STM32F103RC內置的定時器除了TIM6和TIM7都可以用來產生PWM輸出，本文使用通用定時器TIM3的通道2(TIM3_CH2)產生一路PWM輸出來控制電機的轉速。這里要用到3個寄存器來控制PWM，分別是：捕獲/比較模式寄存器(TIMx_CCMR1/2)、捕獲/比較使能寄存器(TIMx_CCER)、捕獲/比較寄存器(TIMx_CCR1～4)。在TIMx_CCMR1/2中，用到的是模式設置位OCxM，它由3位組成，可以配置成7種模式，本文使用的是PWM模式，所以這3位必須設置為110/111。在TIMx_CCER中，只用到了CC2E位，要想PWM從I/O口輸出，該位必須設置為1。在TIMx_CCR1～4中，通過修改TIM3_CCR2的值即可實現脈寬控制電機的轉速。但是，TIM3_CH2默認是接在PA7引腳上的，而電機的PWM輸出接在PB5引腳上，因此要通過MCU的重映射功能，把TIM3_CH2映射到PB5引腳上。本文設置PWM波形的頻率為10 kHz，因為MCU的頻率外晶振最大為72 MHz，所以ARR(自動重裝值)寄存器的定時器周期值為7 199不分頻。PWM波形頻率計算公式為：

(1)

其中，fCLK為時鐘頻率，P為計數器值，N表示分頻因子(N可取1、8、64、256、1 024)。

2 空中三維大氣電場傳感器的結構設計與軟件實現

2.1 空中三維大氣電場傳感器的機械結構設計

空中三維大氣電場傳感器的機械結構需保證對稱性、穩(wěn)定性、勻質性、絕緣性、小型性。對稱性是指設計傳感器感應電極時，每個方向上都采用兩個對稱結構，即軸向(Z)和徑向(X,Y)，電場測量單元由6個感應電極組成。穩(wěn)定性要求機械器件連接牢固，屏蔽轉子能夠穩(wěn)定旋轉。勻質性要求材料的質地均勻。絕緣性要求電機軸與定子、轉子之間要相互絕緣。小型化要求傳感器體積要盡量小。三維電場傳感器實物圖如圖2所示。

圖2 三維電場傳感器實物圖

2.2 空中三維大氣電場傳感器的系統(tǒng)設計和調試

控制電場傳感器的屏蔽轉子旋轉時需要改變捕獲、比較寄存器TIM3_CCR2的值，以調節(jié)PWM信號占空比。PB12引腳處接一個發(fā)光二極管LED，通過對LED燈的亮滅控制來顯示MCU的程序運行與否。控制電機轉速的主程序流程圖如圖3所示。通過TIM3_CH2重映射到PB5上并由TIM3_CH2輸出PWM來控制電機轉速的流程圖如圖4所示。

圖3 控制電機轉速的主程序流程圖

圖4 TIM3_CH2重映射到PB5的流程圖

經過編程調試，電機能夠帶動三維電場傳感器的屏蔽轉子旋轉，在連接著無線接收模塊的PC上，打開串口調試助手界面輸入規(guī)定的指令就可以改變電機的轉速，因為電機的轉速是通過調節(jié)PWM輸出的占空比來改變的，因此通過示波器可以看出不同電機轉速下PWM輸出波形的占空比變化情況，如圖5所示。

圖5 不同轉速下電機PWM輸出波形占空比的變化

通過圖5可以看出隨著電機轉速的變化，電機輸出的PWM波形的占空比隨之變化，并且電機的轉速越快，占空比越大。

3 結論

本文通過對空中三維電場傳感器電機控制系統(tǒng)的研究，設計了一種以ARM微控制器STM32F103RC為核心的MCU控制電路。給出了動力驅動系統(tǒng)、中央控制系統(tǒng)、無線收發(fā)系統(tǒng)、傳感器測量系統(tǒng)的系統(tǒng)架構和實現流程。調試結果表明空中三維電場傳感器的屏蔽轉子能實現穩(wěn)定旋轉。

動力驅動系統(tǒng)應用中央控制系統(tǒng)的PWM輸出控制驅動無刷直流電機的旋轉并且通過對PWM輸出波形占空比的調制來實現電機轉速的變化。無線收發(fā)系統(tǒng)采用170 MHz的無線收發(fā)模塊對中央控制系統(tǒng)進行指令收發(fā)控制，然后核心控制系統(tǒng)再對動力系統(tǒng)進行控制。

目前已經完成了空中三維大氣電場測量系統(tǒng)電機轉速的調試，后期將會對該測量系統(tǒng)的三維電場數據采集模塊進行調試與標定，確保采集到的三維電場數據真實有效。

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Speed control of the drive motor of the three dimensional atmospheric electric field sensor based on PWM

Lin Chu, Chen Xiaoning, Zhang Haitao, Gu Chaochao

(Institute of National Defense Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China)

In order to achieve the rotation of the shielding rotor of the designed air three-dimensional atmospheric electric field sensor is stable and reliable, this paper proposed the MCU (Micro Control Unit) motor control system which is based on the second generation ARM Micro controller STM32F103RC that is produced by STMicroelectronics company. The system includes drive system composed by brushless DC motor, central control system composed by microcontroller, wireless transceiver system composed by a wireless transceiver, and sensor measurement system composed by three-dimensional electric field sensor, electronic compass, gyroscope, GPS and other sensors. Using pulse width modulation (PWM) signal to control the drive module of the brushless DC motor, and programming, simulating the corresponding rotational speed. The experimental results show that the shielding rotor of the three dimensional atmospheric electric field sensor can realize stable rotation.

three-dimensional atmospheric electric field sensor; microcontroller; brushless direct current motor; pulse width modulation

TM155

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.11.009

林楚，陳曉寧，張海濤，等.基于PWM的三維大氣電場傳感器驅動電機的轉速控制[J].微型機與應用，2017,36(11)：31-33，36.

2017-01-14)

林楚(1991-)，通信作者，女，碩士，主要研究方向：電力系統(tǒng)雷電防護研究。E-mail：1016220101@qq.com。

陳曉寧(1963-)，女，教授，主要研究方向：電力系統(tǒng)雷電防護研究。