【武汉理工大学校赛】直流减速电机控制系统 - 嘉立创EDA开源硬件平台

武汉理工大学第十三届电子设计竞赛一等奖 队伍成员 肖灼华 高鹏飞 王彪 指导老师 张家亮 - - - # 1、方案设计与论证 ## 1.1 电源部分设计 题目所涉及的电源电路主要为两部分，第一部分为升压电源，要求在输入12V的情况下输出15V电压；第二部分为降压电路，为单片机、测量系统等提供工作电压，输入电压仍为12V。 1.1.1 升压电源设计 方案一：采用LM2577为核心芯片 LM2577是单片集成电路，该芯片有三种不同的输出电压版本：12V，15V和可调。其优点为需要很少的外部元件，设计成本较低，并且使用简单。 并且LM2577具有较宽的电压输入范围，可达3.5V~40V，内置52kHz振荡器。并且芯片发热量小，在没有加散热器的情况下可以去到15W，加了散热器之后可以去到25W的输出功率。 方案二：采用LM5122为核心芯片 LM5122是一款由德州仪器（TI）推出的高效率及高功率密度的宽泛输入电压同步升压控制器。支持3 V至65V输入电压与高达100V 的输出电压范围。该控制器可便捷进行配置，支持交错式多相位工作，从而可充分满足多种高功率应用需求。 以上两种方案均可实现题目的要求，通过比较两款芯片的性能，我们发现LM5122的高效率及高功率特点较为突出，对题目有很大帮助。并且LM5122的宽输入、输出方便电路调试。因此选用LM5122作为升压电路的核心芯片。 1.1.2 降压电路设计 该部分电路要为单片机、测量系统等提供工作电压，因此设计降压输出5V和3.3V两种电压；并且题目要求系统静态电流小于 5mA，所以就对电路的芯片性能有了要求。 通过查阅资料，我们选取了BL1117和ME6206两款芯片。BL1117芯片具有较低的静态电流2mA，并且输出电压固定或者可调。ME6206芯片输出精度约为2%，、输出电压范围为1.5 ~ 5.0V，同时具有低功耗（8uA）、大输出电流（300mA）等特点。 因此本部分采用BL1117芯片实现将12V电压降至5V电压，同时使用ME6206芯片将5V电压降至3.3V电压。 ## 1.2电机驱动 方案一：L298N电机驱动 L298N电路简单，可实现电机正反转及调速的功能，启动性能好，启动转矩大，可同时控制两台直流电机。L298N工作电压可达36V，最大电流为4A。 方案二：MOS管电机驱动 MOS管开关特性好，由4个MOS管组成H桥电路控制电机，控制电路和电机电路相互独立，最大电流不受单片机电流限制，工作电压12-24V，额定电流为7A。 题目要求电机驱动工作电压12-24V，额定电流>5A，故选择方案二。 ## 1.3电机的控制方式 方案一：受限单极控制 该控制方式功耗低，只需要一个PWM波控制。但是在负载超过设定速度时不能提供反向力矩。调速静差大，调速性能很差，稳定性也不好 方案二：单极控制 该控制方式启动快，能加速，刹车，能耗制动，能量反馈，调速性能不如双极模式好，但是相差不多，电机特性比较好。能在负载超速时提供反向力矩，只需要产生一个PWM波。但是刹车时，速度不能减速到0，速度接近0时没有制动力。不能突然倒转。动态性能不好，调速静差大。 方案三：双极控制 该控制方式能正反转运行，启动快，调速精度高，动态性能好，调速静差小，调速范围大，能加速、减速、刹车、倒转，能在负载超过设定速度时，提供反向力矩，能克服电机轴的静态摩擦力，产生非常低的转速。但是需要两个互补PWM波控制，功率损耗大，电机容易发烫。 题目对电机控制精度要求很高，并且要求控制速度较低，故选用动态性能好、能产生低转速的方案三。 ## 1.4电流检测方式 方案一：使用霍尔传感器 此方法利用霍尔效应将电流转换为霍尔电压，两者具有线性关系。通过ADC采样测量电压值，可推算出电流的值。此方法优点是原理简单，应用方法简单，反应灵敏，测量范围广。缺点是精度不高，存在较大的噪声，容易受到外部磁场的干扰。 方案二：使用电压放大器件 此方法利用采样电阻接入待测回路，得到电流在采样电阻上的分压，然后使用电压放大器把微小的电压放大至ADC可以精确采集的电压范围。测得的电压除以放大系数除以采样电阻值便可得到电流值。优点是反映灵敏，分辨率高，量程可大范围调整。缺点是可能会产生零点漂移，对采样电阻的精度，阻值随环境因素变化的程度要求高很高 # 2、硬件电路设计 ## 2.1 总体系统设计 本系统由STM32控制器、电源、电机驱动、编码电机、蓝牙、OLED显示屏六部分组成。电源变压模块将+12V电压转换为+5V电压给各模块和单片机供电，单片机产生的PWM脉冲波通过电机驱动给电机供电，编码电机编码器通过脉冲波将电机的位置反馈给单片机，单片机根据反馈的脉冲波计算电机的角度和转速，并显示在OLED显示屏上，通过蓝牙串口传输给上位机，并通过PID算法调整输出的PWM脉冲信号，达到控制电机的效果。 系统的结构框图如图1所示。  图1 总体系统的结构框图 ## 2.2 LM5122升压电路 本部分电路以LM5122芯片为核心进行搭建。LM5122是一款具有多相功能的同步升压控制器，主要用于高效同步升压调节器应用。该控制方法基于峰值电流模式控制。电流模式控制提供了固有的线路前馈，逐周期电流限制，并简化了环路补偿。开关频率可编程至1 MHz。两个坚固的N沟道MOSFET栅极驱动器具有自适应空载时间控制，可以实现更高的效率。 LM5122封装分为20引脚和24引脚两种，本设计中采用了20引脚的封装，其芯片引脚分布及功能如图2所示。  图2  LM5122引脚图（俯视图） LM5122芯片的几个主要引脚介绍： 5号引脚为VCC稳压器的电源输入端。使用短、低阻抗路径连接到输入电容器和源电源连接。17号引脚为VCC偏置电源引脚，使用一个尽可能靠近控制器的低ESR/ESL电容器在本地去耦至PGND端。9号引脚（AGND）为模拟接地端，返回内部电压基准和模拟电路。 11号引脚（COMP）为内部误差放大器的输出。在该引脚和FB引脚之间连接环路补偿网络。10号引脚（FB）为反馈端，是内部误差放大器的反向输入。从输出到到引脚的电阻分压器设置输出电平电压。FB引脚上的阈值为1.2V。如果在初始上电时FB引脚电压高于2.7V，则控制器被分配为从机模式。 本设计中输入电压为12V。输出端设计为：芯片COMP引脚和FB引脚间连接了1个电阻和2个电容形成了环路补偿网络。同时FB引脚上的阈值为1.2V，从而通过电阻分压可调节输出电压大小。如图2，FB端通过一个6.8kΩ和可调电位器接地，同时又连接了两个串联电阻接输出端。 当电位器阻值为0Ω时，输出电压约为22V 当电位器阻值为10kΩ时，输出电压约为9.6V 因此通过电位器R15输出电压约为10V-22V可调，满足题目要求的15V输出电压。 LM5122升压电路原理图如图3。  图3  LM5122升压电路原理图 ## 2.3 辅助电源电路 本部分电路设计主要分为两部分，第一部分以BL1117芯片为核心进行搭建，实现将12V电压转换为5V电压。第二部分以ME6206芯片为核心进行搭建，实现将5V电压转换为3.3V电压。 2.3.1 BL1117降压电路 BL1117是一系列低压差三端稳压器，在1A负载电流下的低压差为1.3V。相较于其他芯片，BL1117具有非常低的待机电流2mA。同时BL1117提供热关断和限流功能，确保芯片和电源系统的稳定性。它采用微调技术，保证输出电压精度在±2%以内。 本设计采用的BL1117型号是BL1117-50CX，其固定输出电压5V，输出电压精度在±2%以内，SOT-223封装。BL1117降压电路设计如图3所示，在输入、输出端均通过一个电容接地，用于电源滤波。 2.3.2 ME6206降压电路 ME6206是一种高精度、低功耗、高电压、正电压调节器，采用CMOS和激光微调技术制造。该系列提供大电流和极小的压降。该系列与低ESR陶瓷电容兼容。限流器的折返电路也作为输出限流器和输出引脚的短路保护。 本设计采用的ME6206型号是ME6206A33XG，其固定输出电压3.3V，源电流为8μA，SOT23封装。BL1117降压电路设计如图3所示，在输入、输出端均通过一个电容接地，用于电源滤波。 辅助电源电路原理图如图4所示。  图4 辅助电源电路原理图 ## 2.4 电机驱动电路 电机驱动电路由隔离电路、电机电路、升压电路和滤波电路四部分组成。 2.4.1 隔离电路 74HC244是一款常见的驱动信号芯片，具有三态输出的八路缓冲器和线路驱动器，74HC244可用于隔离，防止电路板故障烧毁单片机和I/O口。  图5 隔离电路 2.4.2 电机电路 电机电路采用4个NMOS组成H桥开关电路，要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。通过半桥激励器IR2184S完成逻辑转换，使得对角线上的两三极管导通。H桥可以实现电机正反转，电机PWM调速，电机刹车等控制功能。  图6 电机部分原理图 2.4.3 升压电路 采用B0512S芯片，将5V电压升到12V，为IR2184S供电。  图7 升压电路原理图 2.4.4 滤波电路 滤波电路可以抑制电机电源噪声，同时抵抗电磁干扰。  图8 滤波电路原理图 ## 2.5 电流检测电路 电流检测电路主要依赖于ACS712芯片，ACS712利用霍尔效应将通过芯片的电流线性转化为霍尔电压输出。  图9 ACS71205B特性曲线 此图为ACS71205B的特性曲线。曲线的斜率为电流灵敏度。ACS712芯片的零电流基准点为VCC/2，通过测量输出端的电压值，利用电流灵敏度便可计算出输入电流的值。ACS712家族共有三种不同量程的芯片，分别是05B，20A和30A，，对应量程±5A，±20A，±30A，量程越高，电流灵敏度越低。考虑到本次设计电流输出范围不会超出±5A，所以采用05B型芯片，电流灵敏度为185mV/A。  图10 ACS712典型应用 该图ACS712数据手册给出的典型应用，CF用于设置ACS712的带宽，CBYP是给电源滤波。本次设计的电流检测电路就是基于此应用电路。Vout外接单片机的ADC，并且并联上一个大电容和一个3.3v稳压二极管，大电容的目的是尽可能的消除输出信号的高频噪声，稳压二极管是为了保护单片机的IO接口。 # 3、软件程序设计 ## 3.1软件系统程序框图  图11 软件系统程序框图 ## 3.2 编码器反馈电机控制 STM32F103C8T6作为本系统主控芯片，主要完成电机闭环控制、参数显示、上位机通信等功能。 （1）电机闭环控制：STM32通过定时器输出频率为6KHz的PWM脉冲波来控制电机，通过增量编码器输入来读取电机的状态，再通过PID算法更新PWM，实现闭环控制。 （2）参数及状态显示：参数显示界面中显示了电机转速，电机位置和当前PWM值。 （3）上位机通信：通过串口实现将电机状态发送给上位机，同时接收上位机对目标转速，目标角度和PID调节的指令。 3.2.1 PID控制部分代码 该部分采用增量式PID对速度进行控制，根据编码器反馈的速度值自动调节PWM实现对速度的反馈控制。代码如下：  图12 PID控制部分代码 3.2.2 运动控制及报警代码 运动控制通过对目标速度Speed_Aim进行修改，单片机通过PID自动对电机速度进行准确控制达到调速目的，当进入匀速阶段，多次检测得到匀速运动电流，加重物后单片机对电流进行实时监测，若达到报警条件则启动蜂鸣器报警。 上升代码如下图所示：  下降代码如下图所示：  ## 3.3 电流反馈电机控制 电流反馈控制电机核心实现思路为电流PID，电机内部磁场和线圈匝数是不变的，当电机内部线圈电流一定时，将产生恒定的扭力。当扭力1和拉力二力平衡时，负载物体保持静止或者在阻力作用下减速至静止；当扭力2-拉力-阻力=Fa，负载物体将以Fa/m的加速度加速向上运动，当Fa=0,将保持原速；当扭力3+拉力-阻力=Fb，负载物体将以Fb/m的加速度加速向下运动，当Fb=0,将保持原速； 如果能找到这五种状态对应的电流值，结合电流PID使电流达到预设值，便可使负载物体匀加速、匀速、在阻力作用下减速至静止这三种运动状态。 代码如下：  ## 3.4 转速检测 电压测量部分采用STM32内部12位ADC测量输出电压值，检测分辨率为3300/4096mV。输入电流的计算公式: I=（ADC计数值\-no\_current\_cnt）\*3300mV/4096/185mV/A\,单位为安培，其中no\_current\_cnt是电流为0时ADC的计数值。具体获取电流值代码请参见源码get\_Current\.c 速度、距离测量显示系统主要基于高精度AB相光电编码器，结合STM32的encoder模式可准确计算出电机转动圈数，得到准确转速  将定时器的重载值设为65535，一个计数周期便为65536。如上图所示，此段代码内嵌于100hz的定时器中断中，使用now记录当前计数值，使用before记录前一次的计数值，当now-before的值过大或过小时，判断这两次记录跨过了计数器的一个计数周期，此时可通过一个周期Counter记录电机跨过了多少个计数周期。  上图为距离的计算方法，其中Period\_destance为一个计数周期电机转过的距离，是一个定值。Read\_Encoder\(\)返回计数器当前计数值。  上图为速度的计算方法，CNT_SPEED为0.01s内两次计数值的差值。 # 4、测试方案与测试结果 ## 4.1 上位机PID调节 通过上位机的监测和远程调节PID功能，调节难度较大的KP、KI、KD三个参数。通过反复调试，实现了**加速快、无过冲、无抖动、高精度**的电机转速控制。调节过程部分截图如下：  图13 调试过程部分截图 经分析速度调节时间在0.3s以内，精度达到0.005m/s ## 4.2 运动测试 4.2.1 静止-加速-匀速测试 控制电机实现静止-加速-匀速运动。实现了静止加速到100cm/s后保持100cm/s匀速运动，图中左侧两波形为不带负载波形，右边四个波形为带1KG负载的波形，紫色波形为路程（cm），绿色波形为速度（cm/s）  图14 静止-加速-匀速测试结果截图 结果分析：带负载时速度有较大波动 原因分析： （1）负载在被拉动时有摇晃、抖动的现象，并非严格的垂直运动； （2）电机在1KG负载时工作不稳定没有空载稳定； （3）PID参数是在空载时调节的，不能很好地工作在带载情况。 4.2.2 加速0.3m测试 控制电机实现静止-加速-匀速运动，实现了0.3m/s加速，加速距离0.3m。图中紫色波形为路程（cm），绿色波形为速度（cm/s）  图15 加速0.3m测试结果截图