基于單片機與組態的智能電機控制系統

劉海輝+王亞君+朱成瑞

摘 要： 為實現半固態合金漿料制漿過程的自動控制和高穩定性要求，設計了基于單片機與組態的智能上下電機控制系統，克服了傳統單一電機攪拌不均的問題。該系統主要由電機供電電路、電機驅動電路、單片機控制系統以及電腦組態控制四部分組成。電機供電部分采用帶有隔離功能的反激式AC/DC變換電路，為電機及系統提供穩定的電源。電機驅動電路采用H橋結構，通過接收控制系統給出的控制指令，實現上下電機的正反轉、加減速和速度匹配控制。單片機控制部分采用STM32F103ZET單片機作為核心微處理器，結合PI算法，實現對電動機專屬的閉環控制，并通過與電腦的組態軟件界面連接，實現上位機對電機參數的控制。實驗結果表明該系統能夠實現上下電機轉速的精確匹配，取得了比單一電機攪拌更好的效果。

關鍵詞： 單片機； 智能電機控制系統； 組態； 上下電機控制； 反激式變換； 自動控制

中圖分類號： TN876?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）03?0157?04

Abstract： In order to satisfy the automatic control and high stability requirements of semi?solid alloy slurry pulping process， an intelligent upper and lower motor control system based on single?chip microcomputer and Kingview was designed， which can eliminate the problem of uneven stirring existing in conventional single motor. The system is mainly composed of motor power supply circuit， motor drive circuit， single?chip microcomputer control system and computer Kingview control. The flyback AC/DC conversion circuit with isolated function is adopted in motor power supply to provide the stable power supply for the motor and the system. The motor drive circuit adopts the H bridge structure to realize the control of positive and negative rotation， acceleration， deceleration and speed matching for the upper and lower motor by means of receiving the control instruction given by control circuit. The STM32F103ZET single?chip microcomputer is taken as the core processor， combined with PI algorithm to realize the exclusive closed?loop control of the motor， and connected with Kingview software interface in computer to realize the control of the motor parameters. The experimental results show that the system can realize the speed precise matching of the upper and lower motor， and has better results than the single motor stirring system.

Keywords： single?chip microcomputer； intelligent motor control system； Kingview； upper and lower motor control； flyback conversion； automatic control

0 引 言

半固態合金流變漿料復合攪拌速度的精確匹配是影響半固態漿料質量的重要因素。為實現攪拌速度的精確控制以及制漿過程的自動控制，三相交流電機采用晶閘管驅動電路實現對電機轉速的控制，使其有更好的啟動性能和更好的動態特性，而且有利于電能的節約[1]。

以單片機作為控制器，結合相應算法，實現相應指令和任務的操作，完成其控制功能。同時為了得到一個良好的具體現場運行效果，以方便工作人員進行相關的操作，組態界面可以讓工作人員方便快捷地通過畫面對現場進行監控。另外，電力電子技術的飛速發展，使得大功率電子器件的性能得到了極大提高[2?3]。因此采用單片機和組態相結合進行控制，可以實現交流電機、直流電機和定子磁場的有效協調運行，使攪拌速度得到準確控制。

1 系統總體設計方案

該系統采用STM32F103ZET單片機作為核心微處理器[4?5]。由于該制漿系統的被控對象具有較大的慣性，因此采用PI算法的閉環系統進行控制[6?7]，以改善系統的滯后性和動態特性。電機驅動電路采用H橋結構移相調壓電路，通過接收單片機給出的控制指令，實現對電機的正反轉控制、加減速控制和速度匹配控制。上位機采用組態軟件[8]設計監控畫面，與下位機相連，實現數據通信，實時顯示電機運行狀態和參數。供電電源部分采用帶有隔離功能的反激式AC/DC變換電路[9?10]，為系統各部分供電。整體設計方案框圖如圖1所示。endprint

2 硬件電路設計

2.1 單片機最小系統

采用STM32F103ZET單片機系統，由于與傳統C51單片機相反，采用低電平復位。為晶振更好地起振，將8 MHz晶振與兩片陶瓷電容相連，采用外部晶振是考慮到單片機運行時系統的穩定，如圖2所示。

2.2 直流電機驅動電路

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，驅動控制芯片，通過控制D2，D6和D3，D5來控制電機的方向，如圖3所示。

2.3 三相交流調壓原理

本設計采用三相移相調壓電路控制三相電機的運行狀況。通過控制電位器的電壓輸出值控制移相角，電位器輸出電壓為0～5 V，對應的輸出電壓為0～380 V。采用無中線星形連接三相交流調壓電路，任一相在導通時必須和另一相構成回路，因此，電流流通路徑中有兩個晶閘管，所以應采用雙脈沖或寬脈沖觸發。三相觸發脈沖應依次相差120°，同一相的兩個反并聯晶閘管觸發脈沖應相差180°。觸發脈沖順序是VT1～VT6，依次相差60°。

2.4 測速與壓流檢測原理

速度檢測采用KM115/16反射式光電傳感器進行測量，它在精確定位的情況下，在被測部件上對稱安裝多個反光片或反光貼紙會取得較好的測量效果。當旋轉部件上的反光貼紙通過光電傳感器時，光電傳感器的輸出就會跳變一次，通過測出跳變頻率就可知道轉速經后續放大電路放大后，由功放LMD93輸出。壓流檢測選用雙向、高精度電流型傳感器ACS712進行設計，ACS712內置有高精度的線性霍爾傳感器電路，流經電流與其輸出電壓呈線性關系，響應速度極快。

3 軟件部分設計

3.1 監控界面設計

利用組態王軟件監控系統，能夠有效地增強工廠生產控制能力，監控界面如圖4所示。從采集設備中獲得通信數據，并依據工程瀏覽器的動畫設計顯示動態畫面，實現人與控制設備的交互操作。組態王的通信參數要和單片機一致。通過控制界面上的相應按鈕，輸出對應的控制信息，并且通過串口將信息傳遞給單片機，單片機按指令完成任務。

3.2 單片機軟件設計

首先，各模塊初始化，按照初始速度和方向運轉，判斷速度是否達到預定值，利用PI算法實現閉環控制達到速度恒定，然后調用各子程序判斷電流是否超過額定值，達到保護電機與電路的作用。如圖5a）所示為主程序流程圖，圖5b）所示為測速流程圖。首先進行I/O的初始化、模塊的配置等工作，每隔一定時間主程序就會調用速度檢測子程序，為了取得較高的精度，可以采用多次測量平均值的方法。

4 系統測試

測試電路系統如圖6所示，速度測試結果如表1所示，滿足設計要求。

供電電源測試結果：輸出電壓為24 V的供電電源，不管是否接負載，都穩定在24 V；輸出電壓為15 V的供電電源，實際輸出為14.97 V，達到了設計要求。當在24 V輸出電壓帶載情況下，該路輸出為17.48 V，這是由于調整率的變化導致的。

圖7為開關電源MOSFET的漏源電壓波形圖，由圖7可知它的母線電壓為350 V，復位電壓為120 V，尖峰電壓為120 V，漏源電壓峰峰值為584 V，在MOSFET的耐壓范圍內，符合設計的要求。

5 結 語

本文設計以電動機、定子磁場檢測參數為依據，設計基于單片機和組態的電動機控制系統。系統主要由電機供電電源電路、電機驅動電路、單片機控制系統以及電腦組態控制四部分組成，實現了制漿過程的自動控制，同時克服了傳統單一電機制漿的不均勻性。經測試，該系統能夠實現上下電機的正反轉、加減速和速度匹配的精確控制。運行狀況良好，最大限度地增強了系統的整體性能。

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