基于AS5600直流減速電機閉環(huán)控制系統(tǒng)的研究

基于AS5600直流減速電機閉環(huán)控制系統(tǒng)的研究摘要：對直流減速電機的閉環(huán)控制的實現和研究存在的實用價值。本文設計了一種基于AS5600直流減速閉環(huán)電機，硬件上包含STM32_MCU作主控芯片，AS5600_IC實現電機角度反饋,TB6612實現的電機轉動，使用MP1584和AMS1117這兩款IC實現系統(tǒng)供電，串口屏實現人機互動；軟件上，使用C語言開發(fā)。整個系統(tǒng)可精準控制電機，持續(xù)運行并且穩(wěn)定。關鍵詞：AS5600直流減速電機；閉環(huán)控制系統(tǒng)；嵌入式1引言隨著現代化的前進發(fā)展，市場上更多要求智能化、信息化，電機的復雜控制逐漸取代簡單控制成為主流。本設計中主要包含軟硬件設計，主要使用嵌入式單片機開發(fā)技術各種模塊底層實現代碼，輔以相應算法完成整一個閉環(huán)電機系統(tǒng)設計。2.系統(tǒng)核心硬件介紹2.1系統(tǒng)硬件設計方案硬件方面，為了保證控制器的可靠性，本課題將各個硬件功能進行模塊構件化設計，本設計的硬件系統(tǒng)主要包括：電源模塊設計：MP1584EN開關芯片做5V供電，AS1117做MCU供電；主控制電路模塊設計：使用STM32F103VET6單片機做主控芯片，電機驅動設計：性能優(yōu)秀的TB6612FNG電機驅動；反饋模塊設計：選擇AS5600做電機反饋等。其系統(tǒng)正常上電之后，STM32_MCU通過采集磁編碼器反饋數據來判斷電機的位置，通過磁編碼器單位時間內的位置信息差值來計算電機的速度，通過磁性編碼器信號相序來判斷電機的方向。STM32_MCU同時將采集到電機反饋數值通過串口的輸出信號到串口屏上顯示正轉，反轉，停止，電機速度和扭矩等信息。系統(tǒng)硬件架構見圖1。圖1系統(tǒng)硬件結構框圖2.2STM32微控制器直流減速閉環(huán)反饋電機的MCU模塊在該系統(tǒng)中起到處理數據，發(fā)送控制指令的作用。主控芯片使用的Cortex-M3系列的STM32VET6。芯片內部集成了定時器，數模轉換，串口通信，IIC等多種外設功能，具有豐富的外設，性能高。2.3電機驅動電機驅動采用集成驅動芯片TB6612FNG的方案來實現電機的控制，IC集成在主控板上，更加簡結美觀，工作電壓5~12V，由12V電池提供，M1+和M1-為一個電機控制輸出，M2+和M2-為另一個電機控制輸出。AIN1、2是使能信號，負責電機正反轉功能實現。BIN1、2同理。PWM輸入有兩路A、B。2.4磁編碼反饋磁編碼AS5600是閉環(huán)電機的關鍵所在，其正常工作電壓+5V由主控板提供，編碼器與MCU通過IIC接口通信，通過排線連接數據線（SDA）時鐘線（SCL）與STM32_MCU的硬件IIC接口相連，建立連接關系。其中兩個電阻為IIC上拉電阻。2.5系統(tǒng)電源電路使用12V供電電源，接入電路板使用大電容濾波，降低紋波，提高穩(wěn)定性。+５Ｖ電源模塊用開關電源芯片MP1584將＋12V轉換成＋5V電源。+3.3V電源模塊用LDO芯片路和AMS1117將+5Ｖ轉換成+3.3V電源。2.6蜂鳴器提示電路蜂鳴器選擇有源蜂鳴器，單片機控制I/O下拉三極管導通，蜂鳴器接通電源，蜂鳴器就能發(fā)出聲音，選用NPN三極管來提升對蜂鳴器的驅動電流。2.7液晶屏模塊本研究選擇淘晶馳公司TJC4827X543_011C串口屏。串口屏和STM32之間使用了串口通信方式，只需要將STM32單片機的USART4引腳和串口屏對應引腳相互連接，就能實現數據之間的交換，使用STM32的外設資源，既能保證串口通信的數據的準確性，又節(jié)約單片機引腳資源。3.系統(tǒng)軟件設計3.1主程序模塊設計如圖2所示為直流減速電機閉環(huán)系統(tǒng)的主程序軟件流程圖，系統(tǒng)啟動后，各模塊進行初始化配置，進入循環(huán)檢測，STM32_MCU一直循環(huán)讀取AS5600數據。初始化電機，啟動電機驅動，為電機供電，并保持當前角度。設定角度發(fā)送到單片機，單片機處理數據發(fā)送到電機驅動模塊中，電機驅動模塊根據電機的設定角度指定位置。圖2主程序軟件流程圖3.2系統(tǒng)配置模塊程序設計時鐘配置程序設計。采用8mhz外接晶體振蕩器，MCU系統(tǒng)主頻72Mhz。PWM配置程序設計。PWM是由定時器擴展的功能。配置過程是選擇使用的定時器、打開GPIO復用、選擇定時器通道、啟用系統(tǒng)時鐘、設置預分頻、電平極性、計數周期、PWM模式等。通用定時器可以使用GPIO引腳進行脈沖輸出，當配置為比較輸出、PWM輸出功能時，使用比較寄存器。3.3串口屏界面的設計在該直流減速電機閉環(huán)系統(tǒng)中，首先在智慧串口屏上位機軟件里制作好界面，并對多個控件設置好，然后再將生成的文件以TF卡的方式下載到智慧串口屏中，3.4中斷服務程序軟件設計STM32_MCU中斷配置簡單，這里主要對UART接收中斷值、PWM定時器中斷值注冊相應的中斷服務程序。10ms定時中斷服務程序設計。對于磁編碼的數據輸出，系統(tǒng)需要一個10ms的定時中斷來定時讀取電機的實時位置進行采樣。串口讀取中斷服務子程序設計。串口通信（UART）中接收數據的中斷，簡單清晰的信息傳輸，實時向串口屏幕顯示電機轉速和位置的反饋值。3.5磁編碼采樣模塊軟件設計設計是靠磁性編碼器轉換成電機速度，磁性編碼器輸出值用STM32_MCU的IIC接口傳輸數據，軟件設計中采用10ｍs的掃描周期去讀取反饋回來的數據，并且與上一次采樣的數值進行比較，以此來確定電機瞬時的速度值和速度方向，同時根據計算值算出電機的位置。3.6電機驅動模塊軟件設計電機驅動模塊主要實現對電機速度和電流的控制，通過速度環(huán)和位置環(huán)雙閉環(huán)PI算法實現，分為兩個步驟：一是角度環(huán)：實現方法是輸入目標角度到角度環(huán)控制器中，獲取角度環(huán)輸出，二是速度環(huán)：將獲取到角度環(huán)輸出數據傳輸到給速度環(huán)控制器中，獲得速度環(huán)輸出，最后速度環(huán)輸出傳輸到電機驅動模塊即可。4結語本研究為電機設計了一種基于AS5600磁性編碼器的角度速度雙環(huán)串級PID閉環(huán)控制環(huán)，設計了基于ST公司的STM32F103VET6MCU單片機平臺開發(fā)，達到了直流減速電機閉環(huán)控制的實現。參考文獻[1]耿興華,王克欣,錢希興,杜巍.基于STM32的電機控制實驗平