基于ARM的直流电机数字式电子调速器设计

近年来，随着数字电子技术的发展，电机的调速技术也得以迅速发展。数字式电子调速器以其控制精度高、响应速度快，能够有效地提高发动机的调速性能，延长发动机的使用寿命的优点得以广泛应用。在此基础上，本文设计了一种基于ARM的实时精确控制直流电机转速的数字式电子调速器。

1 直流电机调速原理

1.1 直流电机的工作原理

依据直流电机的机械特性知，直流电机的调速方案有三种：改变电源电压;改变电枢电阻;弱磁调速(即改变励磁磁通)。改变电枢电阻的方法会引起电机机械特性变软，使转速的稳定性变差。弱磁调速在低速时受到磁极饱和的限制，在高速时受换向火花和换向器结构强度的限制，并且励磁线圈电感较大，动态响应较差。所以在本设计中采用改变电源电压的调速方案。

1.2 PWM控速原理

图1是利用开关管对直流电动机进行PWM调速控制的原理图和输入输出电压波形。在图1(a)中，当开关栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压Us。t1秒后，栅极输入变为低电平，开关管截至，电动机电枢两端电压为0。t2秒后，栅极输入重新变为高电平。开关管重复前面的动作。这样，对应着输入电平的高低。直流电动机绕组两端的电压波形如图1(b)所示。电动机绕组两端的电压平均值为：

通过改变α的值可以改变电枢绕组两端电压的平均值，从而达到调速的目的，这是PWM调速原理。

2 数字式电子调速器设计

数字式电子调速器由控制器、执行器驱动机构、执行器和传感器四部分组成。

本设计采用飞思卡尔基于ARM@Cortex@-M4内核的32位微控制器Kinetis。K60系列的MK60DN512ZVLQ10(以下简称K60)控制器，其工作电压2.7 V-5.5 V，总线频率可达100 MHz，其拥有512 kB的FLASH和128 kB的SRAM。它能完成电击调速、控制运算、检测调速器工作状态以及与外部设备通信联络等功能。执行器驱动机构由H桥驱动电路构成。执行器为伺服直流电机。传感器选用欧姆龙集团的E6A2-CW3E光电编码器。此外为了调试方便，采用蓝牙串口通信模块作为与上位机通信模块。

2.1 调速器结构

本设计由K60作为控制器，完成与上位机之间的通信，同时通过采集车轮转速与设定值进行比较，然后采用PWM对电机转速进行调控。

2.2 ARM接口电路的设计

K60内部集成了正交解码，PWM输出以及串口通信外设。光电编码器可以对电机的转速进行测量，该光电编码器通过齿轮与电机齿轮相啮合，电机转动时编码器会产生A、B相脉冲，两相脉冲信号相位相差90°。编码器产生信号后，K60对应的GPT0口将采集PWM信号，此时A相信号作为方向判断信号，即当A相超前B相90°时，电机正转;A相滞后B相90°时，电机反转。B相信号作为电机转速信号使用。图2为K60接口电路的设计。

2.3 电机驱动电路

电机驱动电路使用74HC08与门、HIP4082芯片作为K60与H桥之间的桥梁。74HC08接收K60产生的PWM信号，经过与运算产生PWM信号。HIP4 082芯片具有隔离功能，对K60起到保护作用，另一方面HIP4082为NMOS提供合适的漏、源电压使H桥相应桥臂导通进而对电机进行驱动。图3为电机驱动电路。

2.4 串口通信模块

由于蓝牙具有串口通信功能，且蓝牙传输轻巧方便，通信简单，故采用蓝牙模块与上位机进行通信。

3 调速器软件设计

本设计采用转速负反馈和PI调节器的单闭环负反馈进行调速，该调速器可以保证在系统稳定的条件下实现无转速静态误差。

本设计由K60通过光电编码器测得电机转速的实际值与目标值进行对比产生误差值。误差值经过PI调节器后产生PWM输出值，由K60输出PWM到电机驱动电路对电机转速进行调节。软件流程图如图4所示。

4 调试

上位机通过串口通信给K60传递调速器的参数和电机速度的没定值。K60通过比较分析实际值与设定值之差，经由调节器计算得出控制电机的PWM输出值。例如：上位机设定电机转速为1.5 m/s，设定值经串口通信传递给下位机。同时下位机将测得数据反馈到上位机，数据有0.084 s的上升时间，峰值为1.55 m/s，超调量为3.3%，调整时间为0.208 s。如图5所示。

通过数次实验得出如下数据见表1。

表1中的数据说明，所设计的调速器可以实时精确控制电机转速，具有超调量小，调整时间短的特点。

5 总结

本文设计的基于ARM的直流电机数字式电子调速器，充分利用了飞思卡尔K60处理器中的资源，降低了调速器系统的复杂性，而且系统所具有的实时调控、超调小、调整时间短、无转速静态误差等特点可以促进该系统在各方面的广泛应用。