基于單片機的直流電動機控制系統

李攀 王濟焜

【摘? 要】針對新能源汽車驅動系統，采用KEA128單片機，研究出一種直流電動機變向、變速的控制系統。采用電流閉環控制的PID算法，大幅提高系統的實時性，保證系統具有較高的魯棒性。論文通過仿真和實驗對提出的轉矩控制策略進行測試和驗證。

【Abstract】Aiming at the drive system of new energy vehicle， a control system of changing direction and changing speed of DC motor is developed by using KEA128 single chip microcomputer. The PID algorithm of current closed-loop control is used to improve the real-time performance of the system and ensure the system has high robustness. The proposed torque control strategy is tested and verified by simulation and experiment.

【關鍵詞】新能源;控制系統;直流電動機

【Keywords】new energy; control system; DC motor

【中圖分類號】TM33? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2020）06-0181-02

1 引言

隨著環境污染的不斷加劇和能源供應的日益緊缺，以直流電動機為動力源的電動汽車，以其環境污染小、噪聲污染低、功率密度高、輸出轉矩大等優點逐漸出現在人們的視野中，但由于其技術要求高、價格昂貴等原因并未普及開來。本次基于單片機的直流電動機控制系統的研究，使用32位KEA128單片機，工作頻率高，易于勝任復雜的控制算法和濾波算法，且相較于以DSP為核心的驅動系統，此設計控制電路PCB板的布線難度更小，驅動系統的生產成本更低。

2 直流電動機轉速控制系統

直流電動機轉速控制系統由軟件設計和硬件電路設計兩大部分構成。硬件部分主要由KEA128單片機，多個傳感器，預驅A3941，4個MOSFET管組成的逆變器和一個直流電動機組成。軟件部分利用C語言，實現數字信號的采集以及對電動機速度的調節，即脈沖寬度調制。通過控制電路、功率驅動電路、電源電路等電路模塊的設計，實現電動機的速度控制以及過流保護等保護功能，確保電動機根據給定的脈沖工作。

3 軟件設計

3.1 PID 算法設計

眾所周知，按偏差的比例、積分、微分進行控制的調節器簡稱為PID調節器。因其構成明白易懂，實驗人員可隨時調整參數而應用廣泛，且本設計采用KEA128單片機系統來實現 PID控制時，其軟件系統靈活易修改的優點得以發揮。所以，PID數字控制器在本設計中得到了廣泛的應用。

3.2 算法工作過程

系統工作后，首先進行初始化，設置工作參數，而后采集電動機、各個傳感器的模擬信號，將之轉換為數字信號，并對其進行處理判斷，若一切正常，則按程序要求，控制輸出大小適宜的電流，經過功率晶體管驅動電路的處理，控制直流電動機的轉速和轉向。若出現故障，則系統在故障診斷后，在顯示屏上顯示對應的故障碼，經人為干預，故障排除后方可進行正常工作。具體算法工作過程如圖1所示。

4 硬件設計

4.1 KEA128單片機控制系統

KEA128系列微控制器是Kinetis EA系列32位ARM Cortex MCU控制器，廣泛適用于高可靠性工業和運輸應用，能夠面向汽車環境提供最高等級的質量和長期供貨支持。EA系列是廣泛的ARM生態體系的入門級產品，提供低功耗的M0+內核和8-128kB的嵌入式閃存，支持5V電源，具備出色的EMC/ESD兼容性，能夠適應高溫環境，輻射排放較低，且其內部設計了過流保護、過壓保護等功能，不易燒，性能穩定，安全級別高，是出色的汽車芯片。

4.2 功率晶體管驅動電路

功率晶體管是雙極性大功率器件，具有控制方便、開關時間短、通態壓降低、高頻特性好、安全工作區寬等優點，特別適合在集成電路中作功率器件，廣泛應用在電動機控制系統中。當BE結正偏、CB結反偏時，功率晶體管處于放大模式，作為放大器，其應用在電源串聯調壓電路，用較小的基極電流便可以控制較大的集電極電流，將較小的功率按比例放大為較大的功率。當BE結零偏或反偏、CB結反偏時，功率晶體管處于截止模式，起大功率半導體開關的作用。綜上，控制系統通過控制各個晶體管電流的大小，便可進一步控制電動機的運動。

4.3 系統工作過程

控制器根據輸入的信號，輸出相應PWM波，驅動電路將脈沖寬度的變化PWM信號輸送給電動機，并通過調節電壓的高低控制電動機的轉速。主控制芯片根據輸入信號，控制功率開關管的開通或關斷，以實現對電動機的電子換向。通過輸入不同的脈沖的寬度來決定功率開關管的導通順序及換相的時間，同時計算出電動機的轉速，并與給定的轉速信號進行比較，調節脈沖寬度的占空比，實現直流電動機速度及轉向的控制。

從圖2可以看出，整個直流電動機的速度控制系統具有結構簡單、體積小等諸多優點。

5 結語

本設計是一種基于KEA128單片機的直流電動機的變向轉、變速轉控制系統。采用PWM調制，減小電流及換相轉矩脈動，具有穩態誤差小，控制精度高，響應速度快等優點。通過信號發生器和示波器等對軟硬件參數進行了嚴格測試，設計符合預期要求。

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