基于微粒群優化算法的直流電機控制系統研究

劉海波 楊戰旗 艾永樂

摘 要： 針對現有直流電動機控制系統的特點和存在的問題，介紹以STM32單片機為控制核心的直流電機數字調速控制系統。該系統利用PWM信號驅動控制直流電機，將模糊控制與微粒群算法相結合，優化模糊控制器的參數，實現直流電機的驅動和閉環調速控制。實驗結果表明，該控制系統結構簡單、調速性能好，并具有較強的抗干擾能力，在工程應用中有較高的推廣價值。

關健詞： 直流電機； STM32； 模糊控制； 微粒群優化算法； PWM信號； 閉環調速

中圖分類號： TN964?34； TP273 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）08?0121?04

Abstract： In allusion to the characteristics and problems of the current DC motor control system， a DC motor digital speed regulation control system taking STM32 single chip microcomputer as the control core is introduced. In the system， PWM signals are used to drive and control the DC motor， fuzzy control is combined with the particle swarm optimization algorithm to optimize the parameters of fuzzy controller and realize the drive of DC motor and closed?loop speed regulation control. The experimental results show that the control system has a simple structure， good speed regulation performance， and strong anti?interference capability， which has a high promotional value in engineering application.

Keywords： DC motor； STM32； fuzzy control； particle swarm optimization algorithm； PWM signal； closed?loop speed regulation

當今，自動調控系統已經在各行各業得到了廣泛的應用和發展。直流電動機因其控制性能好、方法簡單、成本低和能夠較大范圍平滑調速等優點，在電氣傳動領域占據著十分重要的地位[1]。隨著微電子技術和計算機技術的發展，以單片機為控制核心的數字直流調速系統控制方法靈活便捷，測速精度高，抗干擾能力強，能達到最優控制效果。本系統以STM32單片機為控制核心，利用PWM信號驅動控制直流電機，結合電流傳感器實現轉速電流雙閉環直流數字調速系統。

1 硬件設計

1.1 基本結構

調速系統主要由主控模塊、整流電路模塊、電機驅動及保護模塊、電壓電流檢測模塊、人機交互模塊和電源模塊等組成，系統整體設計框圖如圖1所示。

數字調速系統采用STM32單片機作為主控制器，根據設定轉速，利用轉速測量模塊檢測轉速信號并將其轉變為電信號反饋給單片機；系統根據設定轉速和反饋轉速信號的偏差，經速度調節后產生電流參考量，它與電流反饋量形成的偏差經電流調節后，利用微粒群算法優化模糊控制器，在線自動調節模糊控制器的參數，得到PWM占空比的控制量，即改變直流電機電樞兩端的平均電壓調節轉速，實現基于STM32單片機的直流電機轉速電流雙閉環調速，提高系統的性能和穩定性。

1.2 主控制器

調速裝置的主控制器模塊采用高性能、低功耗的STM32F103C8T6單片機，它是ARM公司最新生產的基于Cortex?M3 內核的32 位微處理器，時鐘頻率最高可達72 MHz，具有單周期乘法制定的硬件觸發功能和較強的運算能力[2]。它提供了高級的中斷響應系統和片上資源，并設有電機的專門接口，可以實現6路可配置的PWM信號，結合定時器較強的邊沿捕獲能力，為實現電動機的精確控制調速提供了保障。

1.3 驅動及保護電路

驅動及保護電路模塊主要完成開關管的開通和關斷控制，進而實現電機的調速控制。通過電流檢測模塊實時檢測電機電流，當檢測到電機過載時，主控芯片關閉PWM輸出信號，實現對電機保護。考慮到電機控制過程中存在的各種情況，要求驅動模塊應具有脫機、使能、鎖定等功能[3?4]。

系統采用集成IR2130芯片設計驅動及保護電路，其電路原理圖如圖2所示。

1.4 隔離電路設計

考慮到系統的抗干擾性能，接口需要考慮采用光電隔離等措施。隔離電路以快速光電隔離器件6N137為核心進行設計，光電隔離電路原理圖如圖3所示。其主要功能是隔離驅動電路和STM32控制電路，以防止大電流反饋到控制電路，燒壞控制芯片[5]。

1.5 電壓電流檢測電路設計

電機的電壓和電流分別通過VSM025A電壓傳感器、CSM005A電流傳感器測量，它們是應用霍爾效應閉環原理的傳感器，能在電隔離條件下測量直流、交流、脈沖以及各種不規則波形的電壓和電流。電壓傳感器可以測量10～500 V電壓，電流傳感器可以測量0～±6 A電流。其中采樣電阻必須選用精密電阻，不會因外界和自身的溫度變化而發生變化，否則會影響電壓電流檢測的準確性。電壓和電流檢測電路分別如圖4、圖5所示。

1.6 人機交互模塊

人機交互模塊主要包括液晶顯示電路和鍵盤控制，顯示電路采用OLED顯示屏，主要完成電機轉速、電機的電壓和電流、脈沖占空比等參數的顯示。鍵盤控制采用獨立按鍵輸入方式，可實現電機的轉速調整、占空比的控制等功能。

2 系統控制方法設計

直流電機的調速主要是通過調節電樞電壓來實現的。其中應用比較廣泛的是傳統的PID控制。為了提高系統的性能，需要確定最佳的PID參數，但目前主要還是靠“試湊法”來獲取，效率低、適應性差，時常造成調速系統的工作性能不佳[6]。很多學者將模糊控制與PID算法相結合進行直流電機的控制，在一定程度上解決了傳統PID控制的問題，但模糊控制的規則是靠專家的知識積累和現場經驗制定的，由于人員的差別會使控制系統存在缺陷，影響調速系統的性能[7]。針對這種情況，本文提出一種新的控制方法，將模糊控制和微粒群算法相結合，利用微粒群優化算法對模糊控制器的參數進行在線調節，實現系統調速參數的優化，提高系統的靜態和動態性能，使其具有更強的適應性。

2.1 微粒群優化算法

微粒群優化算法（Particle Swarm Optimization）與其他進化類算法相似，同樣采用“群體”和“進化”的概念，它主要是受人類對鳥類群體行為的建模和仿真研究結果的啟發，從而用于優化問題的解決[8]。

2.2 微粒群優化模糊控制器實現

模糊控制器的輸入變量有兩個，分別為直流電機的給定轉速與實際轉速的偏差e和偏差變化率ec，其輸出變量為u，ke和kec分別為e和ec的量化因子，ku為u的比例因子，模糊量E，EC和U的語言變量論域有7個語言變量，設為NB（負大），NM（負中），NS（負?。?，ZO（零），PS（正小），PM（正中），PB（正大）[10?11]。

通過將模糊控制和微粒群優化算法相結合，根據它們各自的特點，采用改進的微粒群算法實時自動調節和修改模糊控制器的參數，使其成為權重可調的自適應模糊控制器。微粒群優化的模糊PID控制系統的結構圖如圖6所示。

3 仿真實驗與結果分析

在Matlab/Simulink環境中進行仿真實驗，驗證該直流電機控制方法的正確性和系統工作的性能，并與傳統的PID控制性能進行比較。

由圖可知，該控制方法可以滿足調速系統的要求，其性能明顯優于傳統的PID控制，系統響應的時間更短，工作穩定可靠，無超調量，系統的調速性能得到了極大的提高。

4 結 論

本文提出基于STM32單片機的直流電機數字調速系統能夠實現直流電動機的PWM波脈寬控制，結合電流傳感器可以實現電機的雙閉環數字控制。開發的調速系統樣機通過在實驗室的調試使用，結果表明該系統可以安全可靠的工作，兼具響應速度快和控制精度高等優勢，具有一定的推廣應用價值。

參考文獻

[1] 陳伯時.電力拖動自動控制系統[M].北京：機械工業出版社，2004.

CHEN Baishi. Electric drive automatic control system [M]. Beijing： China Machine Press， 2004.

[2] 喻金錢，喻斌.STM32系列Cortex?M3核微控制器開發與應用[M].北京：清華大學出版社，2011.

YU Jinqian， YU Bin. Development and application of STM32 series Cortex?M3 core microcontroller [M]. Beijing： Tsinghua University Press， 2011.

[3] 林丹，王楠楠.基于STM32與RS 485網絡的直流電機驅動模塊設計[J].制造業與自動化，2015，37（6）：92?94.

LIN Dan， WANG Nannan. Design of DC motor driver module based on STM32 and RS485 network [J]. Manufacturing automation， 2015， 37（6）： 92?94.

[4] 王蘇.直流電機PWM調速研究及單片機控制實現[J].機電工程技術，2008，37（11）：82?84.

WANG Su. Research on DC motor PWM speed and SCM control [J]. Mechanical &； electrical engineering technology， 2008， 37（11）： 82?84.

[5] 劉國志，張富貴，吳雪梅，等.基于DSP的直流電機模糊PID控制系統的研究與仿真[J].中國農機化學報，2013，34（6）：273?278.

LIU Guozhi， ZHANG Fugui， WU Xuemei， et al. Study and simulation of fuzzy PID control system for DC motor based on DSP [J]. Journal of Chinese agricultural mechanization， 2013， 34（6）： 273?278.

[6] 王婷婷，徐洪學.直流調速系統轉速調節器參數變化規律研究[J].沈陽理工大學學報，2012，31（5）：6?9.

WANG Tingting， XU Hongxue. Research on the change laws of speed regulator parameters in the DC speed control system [J]. Transactions of Shenyang Ligong University， 2012， 31（5）： 6?9.

[7] 趙正黎，于惠鈞，張發明，等.基于模糊PID控制的直流電機調速系統[J].湖南工業大學學報，2015，29（2）：38?43.

ZHAO Zhengli， YU Huijun， ZHANG Faming， et al. DC motor speed control system based on fuzzy PID control [J]. Journal of Hunan University of Technology， 2015， 16（2）： 23?26.

[8] 楊維，李歧強.粒子群優化算法綜述[J].中國工程科學，2004，6（5）：87?94.

YANG Wei， LI Qiqiang. Survey of particle swarm optimization algorithm [J]. Engineering science， 2004， 6（5）： 87?94.

[9] 朱海梅，吳永萍.一種高速收斂粒子群優化算法[J].控制與決策，2010，25（1）：20?24.

ZHU Haimei， WU Yongping. A PSO algorithm with high speed convergence [J]. Control and decision， 2010， 25（1）： 20?24.

[10] 王亮，孫守娟.基于模糊控制的雙閉環系統及仿真分析[J].制造業自動化，2013，35（9）：51?53.

WANG Liang， SUN Shoujuan. The simulation analysis of double loop system based on the fuzzy control [J]. Manufacturing automation， 2013， 35（9）： 51?53.

[11] 鄭光，王迤冉.雙閉環直流調速系統優化及仿真研究[J].計算機仿真，2013，30（7）：321?325.

ZHENG Guang， WANG Yiran. Simulation and optimization of parameters of double closed?loop DC speed tuning system [J]. Computer simulation， 2013， 30（7）： 321?325.