一种化工驱动系统多直流减速电机的设计

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Wed, 02 Aug 2023 08:51:43 +0000
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针对在化工驱动系统中运动部件的精确控制，提出了一种基于DSP的多直流减速电机协调控制系统，该控制系统由通信？、电机驱动？、控制？、显示？楹筒馑倌？樽槌。给出了相关的硬件电路图和电机调速方案，可实现对电机转速实时控制。通过实验测试，转速相对偏差在5%范围以内，具有工程应用价值。

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直流减速电机是减速机和直流电机的组合。直流减速电机具有输出功率大，控制精度高的特点。在工程应用中，直流减速电机可精确控制运动部件，因此在石化、化工、冶金、电力、工程机械方面应用广泛[1]。在化工驱动系统中，根据工艺要求经常需要多电机的协调配合，因此对于多直流减速电机的研究对化工机械设备的发展具有重要意义。本文提出了一种基于多直流减速电机的协调控制系统，该控制系统由控制？、电机驱动？、通信？、测速？楹拖允灸？5部分组成，控制器选择TI公司的TMS320F2812 DSP，驱动？檠≡ L298N 驱动芯片，光电编码器对电机转速进行实时采集，运用PID控制算法实时调整PWM占空比，实现对电机转速的精准控制，并且在LCD12864上对电机转速进行显示。

1 控制系统设计

控制系统的原理结构框图如图1所示，PC机通过RS232串口向DSP控制器发送速度和转向指令，DSP发出的控制指令经过TLP521芯片进行光电隔离，驱动电路选择L298N驱动芯片，该芯片能够12V供电满足电机的驱动要求并且设置相关引脚电机实现电机正反转；控制系统中有2个直流减速电动机，他们的转速满足一定的比例关系，因此需要设计两路占空比可调的PWM信号；使用光电编码器对两个电机转速实时测量，LCD显示屏主要是对电机转速的实时显示。控制流程：通过PC机设定转速值，DSP把设定值和测速装置返回值的偏差作为输入量去解算新的PWM的占空比，改变电机的端电压，实现电机转速的闭环控制。

图1 多电机控制系统框图

2 驱动电路设计

在运行过程中，根据工程需要电机加速、减速、正转、反转、制动多种工作状态，因此需要设计电机驱动电路来满足驱动要求。本系统需要控制2个直流减速电机，使用TLP521芯片对DSP输出的控制单元和驱动单元进行光电隔离，增强系统的稳定性；DSP控制器的I/O口电压为3.8 V不能保证电机输出扭矩，采用L298N芯片驱动减速电机。硬件连接如图2所示。电机的控制需要三路信号，INA和INB能够决定电机的旋转方向，当INA输入为高电平，INB输入为低电平时电机正转，当INA输入为低电平，INB输入为高电平时电机饭反转，其他情况电机均处于制动状态。

图2 电机驱动电路

3 电机调速方案设计

多直流减速电机协调控制通过PC机发送指令给DSP，DSP根据光电编码器采集到的速度值与设定值的偏差去调整PWM占空比，以此来控制电机转速，调速方案主要包括电机速度的检测和PWM占空比的动态调节。通过调节PWM的占空比，实现对电机速度的调整。PWM调速方法简单，调速范围宽，调速平滑与DSP控制器能够实现对占空比的精确调整，电机两端的端电压与占空比的关系如公式（1）[2]：

式中：U 0为输出的端电压平均值，US为脉冲信号的最大值，T为PWM脉冲信号的周期，Ton为一个周期内电压为高的时间，α为占空比。

根据（1）式可知，通过调整PWM脉冲信号占空比进而改变端电压的值就实现调速。因为电机的转速与电压存在一定的关系，通过实验拟合出端电压与转速的关系，依此来实现电机转速的控制[3]。如果只有简单的开环控制，当电机转速出现偏差时，或需要改变电机速度时，速度的调整不能快速及时，在实际工程应用中可能会造成事故，因此引入PID调节，只要调整到合适的PID参数就可以实现电机转速的精确控制。直流减速电机PID控制原理框图如图3所示。r(t)是设定的电机转速值，c(t)是通过检速？榉祷氐牡缁导仕俣戎担琫(t)是实际转速值c(t)与设定值r(t)的偏差，e(t)作为控制器的输入参数，DSP根据偏差值e(t)经PID调节以后，计算输出u(t)，根据u(t)去调节PWM的占空比，将新得到的PWM控制信号传送给驱动电路，来驱动电机的旋转。

图3 直流电机PID控制原理框图

DSP控制器周期性的采集电机转速信号，属于离散控制系统，因此数字PID控制器的数学表达式为：

其中：u(k)是在第k次采样时，由此次偏差e(k)计算出来的控制器输出值；T为采样周期；k为采样序号，k=0,1,2…n。

由（2）式看出，积分环节需要一直累积偏差值，对控制器的资源消耗太大且会造成程序崩溃，考虑到数字信号处理器的性能和编程实际，简化了方法，采用增量型PID控制算法表达式为：

增量型PID控制算法，只需要根据前后三次采样定律所得的偏差，就可以确定系统的输出

4 实验验证

控制系统的实验开发平台如图4所示，使用CCS6.0软件开发平台进行程序编写，连接仿真器进行在线调试实验。

图4 实验开发平台

实验时通过PC端发送电机转速指令，设定电机1的转速为5 r/min，电机2的转速为10 r/min。通过该实验的平台最终的调速结果如表1所示，M1的转速为4.9 r/min，M2的转速为9.7 r/min，相对误差在5%以内，调速结果能够满足多直流减速电机协调工作的要求。

表1 转速数据表

5 结语

针对化工行业驱动系统的多电机控制需求，本文设计了基于TMS32F2812 DSP的多电机协调控制系统，能够实现多个电机满足一定的比例关系，文中给出了详细的系统硬件设计和电机调速方案。通过实际运行测试，结果表明，直流电机基本能够按照设定的转速运行，具有一定的使用价值。

参考文献：

[1] 马朝骥. 一种有刷直流电机驱动器的设计[J]. 微电机学,2019, 49(3): 351-355.

[2] 朱淑云, 黄灿英, 陈艳. 基于DSP的无刷直流电机系统软件设计[J]. 沈阳工业大学学报, 2020, 57(3): 253-258.

[3] 李素娟, 蒋维安. 直流电机PWM调速系统中控制电压非线性研究[J]. 现代电子技术, 2010, 33(22): 196-198, 202.