基于A(yíng)RM的直流電機數字式電子調速器設計

近年來(lái)，隨著(zhù)數字電子技術(shù)的發(fā)展，電機的調速技術(shù)也得以迅速發(fā)展。數字式電子調速器以其控制精度高、響應速度快，能夠有效地提高發(fā)動(dòng)機的調速性能，延長(cháng)發(fā)動(dòng)機的使用壽命的優(yōu)點(diǎn)得以廣泛應用。在此基礎上，本文設計了一種基于ARM的實(shí)時(shí)精確控制直流電機轉速的數字式電子調速器。

1 直流電機調速原理

1.1 直流電機的工作原理

依據直流電機的機械特性知，直流電機的調速方案有三種：改變電源電壓;改變電樞電阻;弱磁調速(即改變勵磁磁通)。改變電樞電阻的方法會(huì )引起電機機械特性變軟，使轉速的穩定性變差。弱磁調速在低速時(shí)受到磁極飽和的限制，在高速時(shí)受換向火花和換向器結構強度的限制，并且勵磁線(xiàn)圈電感較大，動(dòng)態(tài)響應較差。所以在本設計中采用改變電源電壓的調速方案。

1.2 PWM控速原理

圖1是利用開(kāi)關(guān)管對直流電動(dòng)機進(jìn)行PWM調速控制的原理圖和輸入輸出電壓波形。在圖1(a)中，當開(kāi)關(guān)柵極輸入高電平時(shí)，開(kāi)關(guān)管導通，直流電動(dòng)機電樞繞組兩端有電壓Us。t1秒后，柵極輸入變?yōu)榈碗娖?，開(kāi)關(guān)管截至，電動(dòng)機電樞兩端電壓為0。t2秒后，柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖?。開(kāi)關(guān)管重復前面的動(dòng)作。這樣，對應著(zhù)輸入電平的高低。直流電動(dòng)機繞組兩端的電壓波形如圖1(b)所示。電動(dòng)機繞組兩端的電壓平均值為：

通過(guò)改變α的值可以改變電樞繞組兩端電壓的平均值，從而達到調速的目的，這是PWM調速原理。

2 數字式電子調速器設計

數字式電子調速器由控制器、執行器驅動(dòng)機構、執行器和傳感器四部分組成。

本設計采用飛思卡爾基于ARM@Cortex@-M4內核的32位微控制器Kinetis。K60系列的MK60DN512ZVLQ10(以下簡(jiǎn)稱(chēng)K60)控制器，其工作電壓2.7 V-5.5 V，總線(xiàn)頻率可達100 MHz，其擁有512 kB的FLASH和128 kB的SRAM。它能完成電擊調速、控制運算、檢測調速器工作狀態(tài)以及與外部設備通信聯(lián)絡(luò )等功能。執行器驅動(dòng)機構由H橋驅動(dòng)電路構成。執行器為伺服直流電機。傳感器選用歐姆龍集團的E6A2-CW3E光電編碼器。此外為了調試方便，采用藍牙串口通信模塊作為與上位機通信模塊。

2.1 調速器結構

本設計由K60作為控制器，完成與上位機之間的通信，同時(shí)通過(guò)采集車(chē)輪轉速與設定值進(jìn)行比較，然后采用PWM對電機轉速進(jìn)行調控。

2.2 ARM接口電路的設計

K60內部集成了正交解碼，PWM輸出以及串口通信外設。光電編碼器可以對電機的轉速進(jìn)行測量，該光電編碼器通過(guò)齒輪與電機齒輪相嚙合，電機轉動(dòng)時(shí)編碼器會(huì )產(chǎn)生A、B相脈沖，兩相脈沖信號相位相差90°。編碼器產(chǎn)生信號后，K60對應的GPT0口將采集PWM信號，此時(shí)A相信號作為方向判斷信號，即當A相超前B相90°時(shí)，電機正轉;A相滯后B相90°時(shí)，電機反轉。B相信號作為電機轉速信號使用。圖2為K60接口電路的設計。

2.3 電機驅動(dòng)電路

電機驅動(dòng)電路使用74HC08與門(mén)、HIP4082芯片作為K60與H橋之間的橋梁。74HC08接收K60產(chǎn)生的PWM信號，經(jīng)過(guò)與運算產(chǎn)生PWM信號。HIP4 082芯片具有隔離功能，對K60起到保護作用，另一方面HIP4082為NMOS提供合適的漏、源電壓使H橋相應橋臂導通進(jìn)而對電機進(jìn)行驅動(dòng)。圖3為電機驅動(dòng)電路。

2.4 串口通信模塊

由于藍牙具有串口通信功能，且藍牙傳輸輕巧方便，通信簡(jiǎn)單，故采用藍牙模塊與上位機進(jìn)行通信。

3 調速器軟件設計

本設計采用轉速負反饋和PI調節器的單閉環(huán)負反饋進(jìn)行調速，該調速器可以保證在系統穩定的條件下實(shí)現無(wú)轉速靜態(tài)誤差。

本設計由K60通過(guò)光電編碼器測得電機轉速的實(shí)際值與目標值進(jìn)行對比產(chǎn)生誤差值。誤差值經(jīng)過(guò)PI調節器后產(chǎn)生PWM輸出值，由K60輸出PWM到電機驅動(dòng)電路對電機轉速進(jìn)行調節。軟件流程圖如圖4所示。

4 調試

上位機通過(guò)串口通信給K60傳遞調速器的參數和電機速度的沒(méi)定值。K60通過(guò)比較分析實(shí)際值與設定值之差，經(jīng)由調節器計算得出控制電機的PWM輸出值。例如：上位機設定電機轉速為1.5 m/s，設定值經(jīng)串口通信傳遞給下位機。同時(shí)下位機將測得數據反饋到上位機，數據有0.084 s的上升時(shí)間，峰值為1.55 m/s，超調量為3.3%，調整時(shí)間為0.208 s。如圖5所示。

通過(guò)數次實(shí)驗得出如下數據見(jiàn)表1。

表1中的數據說(shuō)明，所設計的調速器可以實(shí)時(shí)精確控制電機轉速，具有超調量小，調整時(shí)間短的特點(diǎn)。

5 總結

本文設計的基于A(yíng)RM的直流電機數字式電子調速器，充分利用了飛思卡爾K60處理器中的資源，降低了調速器系統的復雜性，而且系統所具有的實(shí)時(shí)調控、超調小、調整時(shí)間短、無(wú)轉速靜態(tài)誤差等特點(diǎn)可以促進(jìn)該系統在各方面的廣泛應用。