无线电遥控式直流电机控制系统

余翔翔，陈德传，郑忠杰

(杭州电子科技大学自动化学院，浙江杭州310018)

0 引言

在恶劣环境和不便于信号有线连接的各类工矿生产场合，以及家居设备的应用中，对无线遥控式电机执行装置的需求越来越多，对提高此类系统的功能与对无线通信的可靠性等性能的要求也越来越高。目前常用的无线遥控方案有红外遥控模式和无线电遥控模式两种，其中，红外遥控模式的遥控距离短、范围小、穿透能力弱，故不适合工业场合;而无线电遥控式的遥控距离远、范围大、能够实现双向通信，故适合工业场合。尽管目前基于无线电遥控芯片与单片机结合的方案有很多，但是大部分采用的是普通单片机，功能及灵活性欠佳［1］，此外，现有的遥控式电机控制装置的功能也较单一。为此，本文采用基于无线电遥控模式，并以高性能嵌入式微处理器STM32F103VCT6［2］、超低功耗MSP430系列［3］单片机分别作为无线电机控制器、手持遥控器中的控制核心，且两者间的无线通信均采用以工业级强抗扰的射频收发器CC1101［4］为核心，基于此构成的无线电遥控式直流电机控制系统具有无线通信可靠、电机控制功能多、系统性价比高等特点。

1 直流电机遥控系统的组成原理

无线电遥控式直流电机控制系统组成框图如图1所示，图1中手持遥控器由电池供电，以超低功耗MSP430F2274单片机、工业级强抗扰射频收发器CC1101、液晶显示器LCD1602等为核心，遥控指令经MSP430F2274单片机与工业级强抗扰射频收发器CC1101，将信号发送给电机控制系统中的工业级强抗扰射频收发器CC1101与嵌入式微处理器STM32F103VCT6;而直流电机控制系统则以工业级强抗扰射频收发器CC1101、嵌入式微处理器STM32F103－VCT6、电机驱动与检测电路等组成，根据指令进而通过驱动电路控制电机的正反转与调速，同时，检测电枢回路的电流信号和电压信号，形成调压调速的闭环控制回路，并实现过载保护等。电机运动信息通过手持遥控器与电机控制系统间的无线射频芯片进行交互，并在手持遥控器上液晶显示器中显示。

图1 无线电遥控式直流电机控制系统组成框图

2 无线电遥控式直流电机控制系统设计

2.1 无线电遥控式直流电机控制电路设计

图1中无线电遥控式直流电机控制电路如图2所示，图2中M为永磁直流电动机;CS1为霍尔电流传感器用以检测电机电枢电流;以运放U3为主的电路单元用于检测电枢电压;继电器K1用于正转、反转的切换控制;MOSFET(VT1)用于实现PWM调压调速。通过工业级强抗扰射频收发器CC1101(U1)与手持遥控器间进行运行指令与电机实际运行状态信息的无线收发交互，嵌入式微处理器STM32F103VCT6(U2)根据收到的电机运行控制指令，首先根据正反转方向指令控制继电器K1线圈的通/断电，进而改变由PA0口输出PWM信号中的占空比，经以VT2为主的MOSFET驱动电路使MOSFET管(VT1)处于PWM工作状态，同时将电机电枢电压、电流的检测信号经ADC0、ADC1输入到STM32F103VCT6(U2)，经调压调速的闭环控制程序实现电机的调速控制及过载保护。此外，快恢复二极管D1作为电机续流回路，继电器K1必须在电机电枢电流为零时进行切换控制。

图2 无线电遥控式直流电机控制电路

2.2 直流电机的调速与保护方法

在本文设计方案中，采用在电机电枢电压闭环调节的基础上迭加电枢电流截止负反馈的控制方法，其中的电压调节器采用PI调节算法。当出现过载故障时，上述控制方法可使电机停转并将电机电枢电流限制在允许值以实现保护控制。其基本思想类似于基于电流截止负反馈的转速闭环控制系统［5］，因具体控制算法需占较多篇幅，故不赘述。

2.3 模块化程序设计

电机控制程序框图如图3所示。单片机STM32F103VCT6每次收到的信息有3个指令，分别是工作/停止指令、正转/反转指令、转速指令。收到信息后，先根据第1个指令判断电机是否运行，再根据电机正反转指令以控制继电器线圈通电与否，进而根据转速指令并结合电压、电流检测信号和基于电流截止负反馈的调压调速控制算法［5］，经改变PWM占空比，由MOSFET驱动电机进行调速，及过载时的停机保护控制并发出报警，同时，将信号回传给手持遥控器并在其显示屏中显示报警信息。

此外，无线通信帧中均含有CRC校验，若校验失败，则帧数据被丢弃，并进行重传，结合所采用的工业级强抗扰射频收发器CC1101，能很好地解决工业环境中无线通信的可靠性问题。

图3 控制电路程序框图

3 手持无线电遥控器设计

手持无线电遥控器电路如图4所示，主要由超低功耗单片机MSP430F2554、无线收发电路、液晶显示器、电源电路等部分组成。图4中，无线模块采用工业级强抗扰射频收发器CC1101芯片具有成本低，功耗极低的特点;液晶显示器采用LCD1602，LCD1602为8位并行连接方式，可显示电机的电压，电流，转速信号及电池电量［6］，具有功耗低、体积小、超薄轻巧的特点;遥控器采用4按键操作，S1、S2、S3、S4按键的功能分别为增加、减小、设置、退出并发送;电源采用电池供电，R1、R2采用超大阻值的电阻，通过分压反馈以监测电池电量。因限于篇幅，略去手持无线电遥控器程序框图。

图4 手持无线电遥控器电路图

4 手持无线电遥控器与电机控制系统间的无线通信

手持无线电遥控器与无线电遥控式电机控制系统之间的信号传递交互方式如下:其无线通信帧遵从“前导+同步字+帧长度+目的地址+数据包+CRC校验码”的格式［7］，其中，数据包中含有命令和状态等信息，如:电机运行/停止、转向、速度、报警信息。手持无线电遥控器发出一帧命令，在成功收到电机控制系统的应答帧后便进入接收模式，并开始实时接收电机控制系统发出的运行状态信息，直到改变命令帧时再进入发送模式;相应的，电机控制系统接收到命令帧后发出应答帧并进入发送模式，直到改变命令帧时再进入接收模式。其中，每一帧的发送都含有超时检测，一旦在规定时间内收不到接收方的应答帧，则发送方会发出报警信息。

5 结束语

本文设计的无线电遥控式直流电机控制系统具有结构简单、调速控制与过载(过电流)保护功能齐全、操作便捷、遥控距离远、通用性好的特点，能形成一种无线电遥控的电机执行器产品，具有广泛的用途。

［1］ 任政谏，芦利斌.利用单片机实现的无线遥控技术［J］.山西电子技术，2008，6(8):23－24.

［2］ 孙书鹰，陈志佳，寇 超.新一代嵌入式微处理器STM32F103开发与应用［J］.微计算机应用，2010，31(12):59－63.

［3］ Wang Chauchang，Hsiao Yuhung，Huang Minchih.Development of MSP430-based ultra-low power expandable underwater acoustic recorder［J］.Ocean engineering，2009，36(5):446 － 455.

［4］ Zi Xinyun，Wang Yue，Zhao Ling.Design and Implementation of Wireless Communication System Based on CC1101［EB/OL］.http://www.scientific.net/AMR.684.596，2013 －04 －24.

［5］ 阮毅，陈伯时.电力拖动自动控制系统－运动控制系统(第4版)［M］.北京:机械工业出版社，2009:47－50.

［6］ Kwak Y，MacDonald L.Characterisation of a desktop LCD projector［J］.Displays，2000，21(2):179 －194.

［7］ 乔 挺.基于CC1101的大容量数据无线传输方法［J］.数字化用户，2013，(14):41.