基于单片机与组态的智能电机控制系统

刘海辉+王亚君+朱成瑞

摘 要： 为实现半固态合金浆料制浆过程的自动控制和高稳定性要求，设计了基于单片机与组态的智能上下电机控制系统，克服了传统单一电机搅拌不均的问题。该系统主要由电机供电电路、电机驱动电路、单片机控制系统以及电脑组态控制四部分组成。电机供电部分采用带有隔离功能的反激式AC/DC变换电路，为电机及系统提供稳定的电源。电机驱动电路采用H桥结构，通过接收控制系统给出的控制指令，实现上下电机的正反转、加减速和速度匹配控制。单片机控制部分采用STM32F103ZET單片机作为核心微处理器，结合PI算法，实现对电动机专属的闭环控制，并通过与电脑的组态软件界面连接，实现上位机对电机参数的控制。实验结果表明该系统能够实现上下电机转速的精确匹配，取得了比单一电机搅拌更好的效果。

关键词： 单片机； 智能电机控制系统； 组态； 上下电机控制； 反激式变换； 自动控制

中图分类号： TN876?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）03?0157?04

Abstract： In order to satisfy the automatic control and high stability requirements of semi?solid alloy slurry pulping process， an intelligent upper and lower motor control system based on single?chip microcomputer and Kingview was designed， which can eliminate the problem of uneven stirring existing in conventional single motor. The system is mainly composed of motor power supply circuit， motor drive circuit， single?chip microcomputer control system and computer Kingview control. The flyback AC/DC conversion circuit with isolated function is adopted in motor power supply to provide the stable power supply for the motor and the system. The motor drive circuit adopts the H bridge structure to realize the control of positive and negative rotation， acceleration， deceleration and speed matching for the upper and lower motor by means of receiving the control instruction given by control circuit. The STM32F103ZET single?chip microcomputer is taken as the core processor， combined with PI algorithm to realize the exclusive closed?loop control of the motor， and connected with Kingview software interface in computer to realize the control of the motor parameters. The experimental results show that the system can realize the speed precise matching of the upper and lower motor， and has better results than the single motor stirring system.

Keywords： single?chip microcomputer； intelligent motor control system； Kingview； upper and lower motor control； flyback conversion； automatic control

0 引 言

半固态合金流变浆料复合搅拌速度的精确匹配是影响半固态浆料质量的重要因素。为实现搅拌速度的精确控制以及制浆过程的自动控制，三相交流电机采用晶闸管驱动电路实现对电机转速的控制，使其有更好的启动性能和更好的动态特性，而且有利于电能的节约[1]。

以单片机作为控制器，结合相应算法，实现相应指令和任务的操作，完成其控制功能。同时为了得到一个良好的具体现场运行效果，以方便工作人员进行相关的操作，组态界面可以让工作人员方便快捷地通过画面对现场进行监控。另外，电力电子技术的飞速发展，使得大功率电子器件的性能得到了极大提高[2?3]。因此采用单片机和组态相结合进行控制，可以实现交流电机、直流电机和定子磁场的有效协调运行，使搅拌速度得到准确控制。

1 系统总体设计方案

该系统采用STM32F103ZET单片机作为核心微处理器[4?5]。由于该制浆系统的被控对象具有较大的惯性，因此采用PI算法的闭环系统进行控制[6?7]，以改善系统的滞后性和动态特性。电机驱动电路采用H桥结构移相调压电路，通过接收单片机给出的控制指令，实现对电机的正反转控制、加减速控制和速度匹配控制。上位机采用组态软件[8]设计监控画面，与下位机相连，实现数据通信，实时显示电机运行状态和参数。供电电源部分采用带有隔离功能的反激式AC/DC变换电路[9?10]，为系统各部分供电。整体设计方案框图如图1所示。endprint

2 硬件电路设计

2.1 单片机最小系统

采用STM32F103ZET单片机系统，由于与传统C51单片机相反，采用低电平复位。为晶振更好地起振，将8 MHz晶振与两片陶瓷电容相连，采用外部晶振是考虑到单片机运行时系统的稳定，如图2所示。

2.2 直流电机驱动电路

单片机输出的控制信号通过高速光耦将信号传递至或非门，控制方向信号与PWM输出信号通过硬件在此形成一定的逻辑输出，驱动控制芯片，通过控制D2，D6和D3，D5来控制电机的方向，如图3所示。

2.3 三相交流调压原理

本设计采用三相移相调压电路控制三相电机的运行状况。通过控制电位器的电压输出值控制移相角，电位器输出电压为0～5 V，对应的输出电压为0～380 V。采用无中线星形连接三相交流调压电路，任一相在导通时必须和另一相构成回路，因此，电流流通路径中有两个晶闸管，所以应采用双脉冲或宽脉冲触发。三相触发脉冲应依次相差120°，同一相的两个反并联晶闸管触发脉冲应相差180°。触发脉冲顺序是VT1～VT6，依次相差60°。

2.4 测速与压流检测原理

速度检测采用KM115/16反射式光电传感器进行测量，它在精确定位的情况下，在被测部件上对称安装多个反光片或反光贴纸会取得较好的测量效果。当旋转部件上的反光贴纸通过光电传感器时，光电传感器的输出就会跳变一次，通过测出跳变频率就可知道转速经后续放大电路放大后，由功放LMD93输出。压流检测选用双向、高精度电流型传感器ACS712进行设计，ACS712内置有高精度的线性霍尔传感器电路，流经电流与其输出电压呈线性关系，响应速度极快。

3 软件部分设计

3.1 监控界面设计

利用组态王软件监控系统，能够有效地增强工厂生产控制能力，监控界面如图4所示。从采集设备中获得通信数据，并依据工程浏览器的动画设计显示动态画面，实现人与控制设备的交互操作。组态王的通信参数要和单片机一致。通过控制界面上的相应按钮，输出对应的控制信息，并且通过串口将信息传递给单片机，单片机按指令完成任务。

3.2 单片机软件设计

首先，各模块初始化，按照初始速度和方向运转，判断速度是否达到预定值，利用PI算法实现闭环控制达到速度恒定，然后调用各子程序判断电流是否超过额定值，达到保护电机与电路的作用。如图5a）所示为主程序流程图，图5b）所示为测速流程图。首先进行I/O的初始化、模块的配置等工作，每隔一定时间主程序就会调用速度检测子程序，為了取得较高的精度，可以采用多次测量平均值的方法。

4 系统测试

测试电路系统如图6所示，速度测试结果如表1所示，满足设计要求。

供电电源测试结果：输出电压为24 V的供电电源，不管是否接负载，都稳定在24 V；输出电压为15 V的供电电源，实际输出为14.97 V，达到了设计要求。当在24 V输出电压带载情况下，该路输出为17.48 V，这是由于调整率的变化导致的。

图7为开关电源MOSFET的漏源电压波形图，由图7可知它的母线电压为350 V，复位电压为120 V，尖峰电压为120 V，漏源电压峰峰值为584 V，在MOSFET的耐压范围内，符合设计的要求。

5 结 语

本文设计以电动机、定子磁场检测参数为依据，设计基于单片机和组态的电动机控制系统。系统主要由电机供电电源电路、电机驱动电路、单片机控制系统以及电脑组态控制四部分组成，实现了制浆过程的自动控制，同时克服了传统单一电机制浆的不均匀性。经测试，该系统能够实现上下电机的正反转、加减速和速度匹配的精确控制。运行状况良好，最大限度地增强了系统的整体性能。

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