基于單片機(jī)的直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)

李攀 王濟(jì)焜

【摘? 要】針對(duì)新能源汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，采用KEA128單片機(jī)，研究出一種直流電動(dòng)機(jī)變向、變速的控制系統(tǒng)。采用電流閉環(huán)控制的PID算法，大幅提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，保證系統(tǒng)具有較高的魯棒性。論文通過仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)提出的轉(zhuǎn)矩控制策略進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)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(guān)鍵詞】新能源;控制系統(tǒng);直流電動(dòng)機(jī)

【Keywords】new energy; control system; DC motor

【中圖分類號(hào)】TM33? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2020）06-0181-02

1 引言

隨著環(huán)境污染的不斷加劇和能源供應(yīng)的日益緊缺，以直流電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源的電動(dòng)汽車，以其環(huán)境污染小、噪聲污染低、功率密度高、輸出轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點(diǎn)逐漸出現(xiàn)在人們的視野中，但由于其技術(shù)要求高、價(jià)格昂貴等原因并未普及開來。本次基于單片機(jī)的直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的研究，使用32位KEA128單片機(jī)，工作頻率高，易于勝任復(fù)雜的控制算法和濾波算法，且相較于以DSP為核心的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，此設(shè)計(jì)控制電路PCB板的布線難度更小，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的生產(chǎn)成本更低。

2 直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)

直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)由軟件設(shè)計(jì)和硬件電路設(shè)計(jì)兩大部分構(gòu)成。硬件部分主要由KEA128單片機(jī)，多個(gè)傳感器，預(yù)驅(qū)A3941，4個(gè)MOSFET管組成的逆變器和一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)組成。軟件部分利用C語言，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的采集以及對(duì)電動(dòng)機(jī)速度的調(diào)節(jié)，即脈沖寬度調(diào)制。通過控制電路、功率驅(qū)動(dòng)電路、電源電路等電路模塊的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的速度控制以及過流保護(hù)等保護(hù)功能，確保電動(dòng)機(jī)根據(jù)給定的脈沖工作。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 PID 算法設(shè)計(jì)

眾所周知，按偏差的比例、積分、微分進(jìn)行控制的調(diào)節(jié)器簡(jiǎn)稱為PID調(diào)節(jié)器。因其構(gòu)成明白易懂，實(shí)驗(yàn)人員可隨時(shí)調(diào)整參數(shù)而應(yīng)用廣泛，且本設(shè)計(jì)采用KEA128單片機(jī)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn) PID控制時(shí)，其軟件系統(tǒng)靈活易修改的優(yōu)點(diǎn)得以發(fā)揮。所以，PID數(shù)字控制器在本設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。

3.2 算法工作過程

系統(tǒng)工作后，首先進(jìn)行初始化，設(shè)置工作參數(shù)，而后采集電動(dòng)機(jī)、各個(gè)傳感器的模擬信號(hào)，將之轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)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(jīng)過功率晶體管驅(qū)動(dòng)電路的處理，控制直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。若出現(xiàn)故障，則系統(tǒng)在故障診斷后，在顯示屏上顯示對(duì)應(yīng)的故障碼，經(jīng)人為干預(yù)，故障排除后方可進(jìn)行正常工作。具體算法工作過程如圖1所示。

4 硬件設(shè)計(jì)

4.1 KEA128單片機(jī)控制系統(tǒng)

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(yè)和運(yùn)輸應(yīng)用，能夠面向汽車環(huán)境提供最高等級(jí)的質(zhì)量和長(zhǎng)期供貨支持。EA系列是廣泛的ARM生態(tài)體系的入門級(jí)產(chǎn)品，提供低功耗的M0+內(nèi)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(yīng)高溫環(huán)境，輻射排放較低，且其內(nèi)部設(shè)計(jì)了過流保護(hù)、過壓保護(hù)等功能，不易燒，性能穩(wěn)定，安全級(jí)別高，是出色的汽車芯片。

4.2 功率晶體管驅(qū)動(dòng)電路

功率晶體管是雙極性大功率器件，具有控制方便、開關(guān)時(shí)間短、通態(tài)壓降低、高頻特性好、安全工作區(qū)寬等優(yōu)點(diǎn)，特別適合在集成電路中作功率器件，廣泛應(yīng)用在電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中。當(dāng)BE結(jié)正偏、CB結(jié)反偏時(shí)，功率晶體管處于放大模式，作為放大器，其應(yīng)用在電源串聯(lián)調(diào)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(dāng)BE結(jié)零偏或反偏、CB結(jié)反偏時(shí)，功率晶體管處于截止模式，起大功率半導(dǎo)體開關(guān)的作用。綜上，控制系統(tǒng)通過控制各個(gè)晶體管電流的大小，便可進(jìn)一步控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)。

4.3 系統(tǒng)工作過程

控制器根據(jù)輸入的信號(hào)，輸出相應(yīng)PWM波，驅(qū)動(dòng)電路將脈沖寬度的變化PWM信號(hào)輸送給電動(dòng)機(jī)，并通過調(diào)節(jié)電壓的高低控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。主控制芯片根據(jù)輸入信號(hào)，控制功率開關(guān)管的開通或關(guān)斷，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的電子換向。通過輸入不同的脈沖的寬度來決定功率開關(guān)管的導(dǎo)通順序及換相的時(shí)間，同時(shí)計(jì)算出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，并與給定的轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行比較，調(diào)節(jié)脈沖寬度的占空比，實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)速度及轉(zhuǎn)向的控制。

從圖2可以看出，整個(gè)直流電動(dòng)機(jī)的速度控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小等諸多優(yōu)點(diǎn)。

5 結(jié)語

本設(shè)計(jì)是一種基于KEA128單片機(jī)的直流電動(dòng)機(jī)的變向轉(zhuǎn)、變速轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)。采用PWM調(diào)制，減小電流及換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，具有穩(wěn)態(tài)誤差小，控制精度高，響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。通過信號(hào)發(fā)生器和示波器等對(duì)軟硬件參數(shù)進(jìn)行了嚴(yán)格測(cè)試，設(shè)計(jì)符合預(yù)期要求。

【參考文獻(xiàn)】

【1】陳敏祥，陳林，王宗培.新直流電動(dòng)機(jī)（New DCM）電樞電路分析[J].微電機(jī)，2013，46（04）：8-13.

【2】王宗培，陳敏祥.關(guān)于直流電動(dòng)機(jī)的電樞繞組及電樞電路（一）環(huán)流問題[J].微電機(jī)，2012，45（07）：1-5.

【3】姚澤勝.電動(dòng)汽車用串勵(lì)直流電機(jī)控制原理的研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2011.

【4】錢華.真空有刷直流電動(dòng)機(jī)換向可靠性[J].微特電機(jī)，2009，37（04）：62-63.

【5】吳強(qiáng)，徐造林.基于P87LPC768的電動(dòng)自行車電動(dòng)機(jī)控制器的設(shè)計(jì)[J].電氣應(yīng)用，2006（12）：23-24+28.

【6】宋楠.高功率有刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2007.

【7】孫建中.白鳳仙特種電機(jī)及其控制[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2005.

【8】王曉明，王玲.電動(dòng)機(jī)的DSP控制：T1公司DSP應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

【9】曾華，馮浩，趙浩.有刷直流電機(jī)振動(dòng)轉(zhuǎn)矩的解析與實(shí)驗(yàn)研究[J].輕工機(jī)械，2014，32（01）：70-74.

【10】路?？?電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究[J].價(jià)值工程，2013，32（16）：45-47.

【11】王宗培，陳敏祥.關(guān)于直流電動(dòng)機(jī)的電樞繞組及電樞電路（一）環(huán)流問題[J].微電機(jī)，2012，45（07）：1-5.