電機(jī)閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與測試

楊保亮，李顯顯

（重慶文理學(xué)院電子電氣工程學(xué)院，重慶，402160）

0 引言

直流電機(jī)作為一個(gè)電能變換裝置在工業(yè)控制、智能電器中得到了廣泛的應(yīng)用，其中電機(jī)速度的控制的質(zhì)量對產(chǎn)品的起到重要的作用。STM32103系列現(xiàn)代單片機(jī)的潮流，同時(shí)也是性價(jià)比高的單片機(jī)，這里我們利用STM32F103ZET6單片機(jī)設(shè)計(jì)了一套直流電機(jī)速度控制系統(tǒng)，通過PID算法對電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，經(jīng)過實(shí)踐證明，該系統(tǒng)具有精度高、穩(wěn)定、成本低等優(yōu)點(diǎn)，具有一定的學(xué)習(xí)和使用價(jià)值。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

電機(jī)速度控制系統(tǒng)主要有單片機(jī)最小系統(tǒng)、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、彩色LCD顯示模塊、矩陣鍵盤、數(shù)據(jù)通信接口等電路組成。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用L298N電機(jī)專用芯片及其外圍電路構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)兩路電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，采用液晶顯示模塊用來顯示電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和速度等參數(shù)等，矩陣鍵盤主要用來控制電機(jī)的各種狀態(tài)，例如啟動(dòng)、停止、加速、減速及其PID各參數(shù)的設(shè)置等，數(shù)據(jù)通信電路可以把電機(jī)的各種參數(shù)傳送到計(jì)算機(jī)或者其他的設(shè)備上去以便查閱，具體的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件電路的設(shè)計(jì)

2.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

電機(jī)常用的驅(qū)動(dòng)電路有分離元器件構(gòu)建橋式電路、采用專用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片兩種方式，這里我們采用專用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N構(gòu)成，L298N是一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，其中輸出電壓最高可達(dá)46V左右；電流的最大值可以達(dá)到3A。為了便于使用L298N采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號控制即可，但是為了提高系統(tǒng)的干擾性，我們不是用單片機(jī)的IO端口直接控制，而是加入一些光耦進(jìn)行隔離；驅(qū)動(dòng)器提供了ENX（X=A,B），INY(Y=1,2,3,4),ENX主要負(fù)責(zé)是使能控制和速度的調(diào)節(jié)，INY主要進(jìn)行方向的控制，ENX和INY相互結(jié)合可以對電機(jī)進(jìn)行控制，電機(jī)控制連接續(xù)流二極管用來保護(hù)驅(qū)動(dòng)電路。由于我們采用的是PWM控制，所以速度控制端接到ENX，方向控制直接接到INY即可，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，用5V和12V電源分別給單片機(jī)和電機(jī)供電[1-2]。

2.2 電機(jī)測速電路的設(shè)計(jì)

電機(jī)速度的測量有很多方法，主要有用M/T法、霍爾傳感器測量方法、光電編碼器測量方法，本設(shè)計(jì)采用最后一種方法，光電編碼器主要由光柵盤、發(fā)光二極管、光敏傳感器、轉(zhuǎn)換電路等組成，發(fā)光二極管發(fā)光通過電機(jī)帶動(dòng)同軸的光柵盤一起轉(zhuǎn)動(dòng)，對面的光敏傳感器通過光柵盤的長方形孔接收光信號，經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路變成一定頻率的脈沖，其中輸出脈沖的頻率和當(dāng)前轉(zhuǎn)速成正比，同時(shí)根據(jù)輸出2路相位差是否為 90°來判定電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向[3-5]。在單片機(jī)測量電路的設(shè)計(jì)中，為了提高測量的準(zhǔn)確度和測量信號的幅度的大小，我對編碼器輸出的脈沖用帶施密特觸發(fā)器的 74HC14和74HC74進(jìn)行整形后在送入單片機(jī)的IO端口，單片機(jī)與編碼器的具體的電路圖如圖2所示。

圖2 單片機(jī)與編碼器的電路圖

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)核心工作是電機(jī)速度的調(diào)節(jié)，為了提高系統(tǒng)的精度，引入了PWM閉環(huán)速度控制環(huán)節(jié)，具體的要求是利用單片機(jī)的定時(shí)測量電機(jī)的經(jīng)過編碼器輸出的脈沖，根據(jù)一定的規(guī)則算出速度值，然后根據(jù)用戶的設(shè)定值經(jīng)過經(jīng)典的PID算法后，輸出一定比例的PWM，利用PWM經(jīng)過L298N去調(diào)節(jié)電機(jī)的速度，同時(shí)通過廣州大彩屏把系統(tǒng)當(dāng)前速度及溫度顯示出來[6-8]。系統(tǒng)軟件主要由主程序如下圖所示，主要由系統(tǒng)初始化、原始數(shù)據(jù)的獲取、按鍵操作、數(shù)據(jù)通信和顯示等功能，流程圖如圖3所示。

圖3 程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)與調(diào)試

測試環(huán)境是采用5V電機(jī)、電源采用的是開關(guān)電源進(jìn)行測速，編碼器采用歐姆龍的E6A2-CW3C。其中設(shè)定值和測量值實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 電機(jī)控制測試結(jié)果 r.min-1

5 結(jié)論

本文提出了基于STM32F103ZET6為核心的直流電機(jī)測速方案，主要測速器件是光電編碼器，STM32F103ZET6對得到的編碼脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)后轉(zhuǎn)換成電機(jī)的速度，為了得到設(shè)定的速度值，單片機(jī)把設(shè)定值和測量值輸入PID控制算法進(jìn)行計(jì)算，把計(jì)算得到的結(jié)果轉(zhuǎn)換成一定占空比的PWM反饋控制電機(jī)，電機(jī)的速度通過彩色的LCD顯示出來。經(jīng)過自己搭建實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)精度高、結(jié)構(gòu)簡單、性價(jià)比高，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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