智能電機控制系統

遼寧工業大學電子與信息工程學院 邵雪琳 王亞君 劉海輝 徐源博

智能電機控制系統

遼寧工業大學電子與信息工程學院 邵雪琳 王亞君 劉海輝 徐源博

以電機檢測參數為依據，設計了基于單片機的智能電機控制系統。該系統主要由供電電路、驅動電路和單片機控制系統組成。供電部分采用反激式AC/DC變換電路，為電機及系統提供所需的電源。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。系統運行穩定，性能良好。

單片機；反激式AC/DC；閉環控制；電機控制系統

0　引言

以單片機作為控制器在電機控制領域被廣泛的應用。在單片機控制系統中，單片機作為控制核心，主要用于完成一些算法，同時還要處理一些輸入、輸出和顯示的任務等。另外，電力電子技術的高速發展，使得大功率電子器件性能極大提高。因此可以采用微機直接控制電動機，來完成各種控制操作。

1　總體設計方案

整個系統由三部分組成：單片機控制系統、三相交流電機及直流電機及其驅動、供電電源部分。同時要對三相交流電機的轉速進行測量反饋到控制模塊中。因為對有較大慣性和滯后的被控制對象，比例+微分的控制器能改善系統在調節過程中的動態特性。本設計通過紅外激光接收模塊來測量三相電機的轉速。整個流程圖如圖1所示。

圖1　總體設計方案流程圖

圖2　三相調壓電路仿真圖

2　硬件設計

2.1三相交流調壓電路（見圖2）

本設計采用三相移相調壓電路來控制三相電機的運行狀況。通過調壓來控制電機的轉速，達到目的。通過控制電位器電壓的輸出來控制移相角，電位器輸出電壓為0-5V，對應的三相調壓電路的輸出電壓為0-380V。同時來控制底部的三相定子，使其產生變換的磁場。

圖3　驅動電路

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

2.3供電電源的設計

圖4所示為電源電路原理圖，采用220V/50HZ的市電輸入電源，通過NTC抑制上電浪涌電流，L1、C3和C4組成了電源濾波器，用于抑制電源輸入的各種噪聲，提高電子設備的抗干擾能力。開關電源采用三路電壓輸出，24V、15V和8V，分別為電機、H橋式驅動和單片機供電。

2.4單片機系統

本系統采用STM32F103ZET單片機，如圖5所示，為單片機的最小系統，與8MHz晶振相連的兩電容為陶瓷電容，它們是為晶振更好的起振而設計，采用外部晶振是考慮到單片機運行時系統的穩定。考慮到噪聲的問題STM32F103ZET與傳統C51單片機相反，采用低電平復位。

圖4　供電電源電路圖

圖5　單片機最小系統

圖6　主程序流程圖

圖7　MOSFET的漏源電壓波形

3　軟件設計

接通電源，系統各模塊初始化。然后進入大循環程序，在循環程序里，首先按照初始速度和方向運轉，再檢測判斷速度是否達到預定值，利用PI算法控制速度的恒定，然后調用各子程序，判斷電流是否超過額定值，從而達到保護電機與電路的作用，一切正常時，電機就按給定的速度旋轉，最后將各參數通過顯示屏顯示出來，從而達到了對電機狀態的監控。圖6為主程序流程圖。

4　系統測試

由于設計時輸出電壓是穩定24V的，不管輸出是否接負載，輸出電壓為24V的那路穩定性非常高，說明達到了設計的要求。設計輸出電壓為15V的空載情況下，電壓為14.97V，達到了設計要求；在24V輸出電壓帶載情況下，輸出電壓為17.48V，這是由于調整率的變化導致的。

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

5　總結

本設計以電動機參數為依據，設計基于單片機處理器的電動機控制系統。電動機參數檢測與控制系統能協調穩定工作。三相交流電機通過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。本系統能達到理想的工作狀態，最大限度的增強系統的整體性能。

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邵雪琳（1994—），黑龍江齊齊哈爾人，大學本科，現就讀于遼寧工業大學電子與信息工程學院。

王亞君（1978—），遼寧葫蘆島人，博士，副教授。

遼寧省大學生創新創業訓練計劃項目。