近年來，隨著數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，電機的調(diào)速技術(shù)也得以迅速發(fā)展。數(shù)字式電子調(diào)速器以其控制精度高、響應速度快，能夠有效地提高發(fā)動機的調(diào)速性能，延長發(fā)動機的使用壽命的優(yōu)點得以廣泛應用。在此基礎(chǔ)上，本文設計了一種基于ARM的實時精確控制直流電機轉(zhuǎn)速的數(shù)字式電子調(diào)速器。

1 直流電機調(diào)速原理

1.1 直流電機的工作原理

依據(jù)直流電機的機械特性知，直流電機的調(diào)速方案有三種：改變電源電壓;改變電樞電阻;弱磁調(diào)速(即改變勵磁磁通)。改變電樞電阻的方法會引起電機機械特性變軟，使轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性變差。弱磁調(diào)速在低速時受到磁極飽和的限制，在高速時受換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強度的限制，并且勵磁線圈電感較大，動態(tài)響應較差。所以在本設計中采用改變電源電壓的調(diào)速方案。

1.2 PWM控速原理

圖1是利用開關(guān)管對直流電動機進行PWM調(diào)速控制的原理圖和輸入輸出電壓波形。在圖1(a)中，當開關(guān)柵極輸入高電平時，開關(guān)管導通，直流電動機電樞繞組兩端有電壓Us。t1秒后，柵極輸入變?yōu)榈碗娖剑_關(guān)管截至，電動機電樞兩端電壓為0。t2秒后，柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖?。開關(guān)管重復前面的動作。這樣，對應著輸入電平的高低。直流電動機繞組兩端的電壓波形如圖1(b)所示。電動機繞組兩端的電壓平均值為：

通過改變α的值可以改變電樞繞組兩端電壓的平均值，從而達到調(diào)速的目的，這是PWM調(diào)速原理。

2 數(shù)字式電子調(diào)速器設計

數(shù)字式電子調(diào)速器由控制器、執(zhí)行器驅(qū)動機構(gòu)、執(zhí)行器和傳感器四部分組成。

本設計采用飛思卡爾基于ARM@Cortex@-M4內(nèi)核的32位微控制器Kinetis。K60系列的MK60DN512ZVLQ10(以下簡稱K60)控制器，其工作電壓2.7 V-5.5 V，總線頻率可達100 MHz，其擁有512 kB的FLASH和128 kB的SRAM。它能完成電擊調(diào)速、控制運算、檢測調(diào)速器工作狀態(tài)以及與外部設備通信聯(lián)絡等功能。執(zhí)行器驅(qū)動機構(gòu)由H橋驅(qū)動電路構(gòu)成。執(zhí)行器為伺服直流電機。傳感器選用歐姆龍集團的E6A2-CW3E光電編碼器。此外為了調(diào)試方便，采用藍牙串口通信模塊作為與上位機通信模塊。

2.1 調(diào)速器結(jié)構(gòu)

本設計由K60作為控制器，完成與上位機之間的通信，同時通過采集車輪轉(zhuǎn)速與設定值進行比較，然后采用PWM對電機轉(zhuǎn)速進行調(diào)控。

2.2 ARM接口電路的設計

K60內(nèi)部集成了正交解碼，PWM輸出以及串口通信外設。光電編碼器可以對電機的轉(zhuǎn)速進行測量，該光電編碼器通過齒輪與電機齒輪相嚙合，電機轉(zhuǎn)動時編碼器會產(chǎn)生A、B相脈沖，兩相脈沖信號相位相差90°。編碼器產(chǎn)生信號后，K60對應的GPT0口將采集PWM信號，此時A相信號作為方向判斷信號，即當A相超前B相90°時，電機正轉(zhuǎn);A相滯后B相90°時，電機反轉(zhuǎn)。B相信號作為電機轉(zhuǎn)速信號使用。圖2為K60接口電路的設計。

2.3 電機驅(qū)動電路

電機驅(qū)動電路使用74HC08與門、HIP4082芯片作為K60與H橋之間的橋梁。74HC08接收K60產(chǎn)生的PWM信號，經(jīng)過與運算產(chǎn)生PWM信號。HIP4 082芯片具有隔離功能，對K60起到保護作用，另一方面HIP4082為NMOS提供合適的漏、源電壓使H橋相應橋臂導通進而對電機進行驅(qū)動。圖3為電機驅(qū)動電路。

2.4 串口通信模塊

由于藍牙具有串口通信功能，且藍牙傳輸輕巧方便，通信簡單，故采用藍牙模塊與上位機進行通信。

3 調(diào)速器軟件設計

本設計采用轉(zhuǎn)速負反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)負反饋進行調(diào)速，該調(diào)速器可以保證在系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)無轉(zhuǎn)速靜態(tài)誤差。

本設計由K60通過光電編碼器測得電機轉(zhuǎn)速的實際值與目標值進行對比產(chǎn)生誤差值。誤差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后產(chǎn)生PWM輸出值，由K60輸出PWM到電機驅(qū)動電路對電機轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)。軟件流程圖如圖4所示。

4 調(diào)試

上位機通過串口通信給K60傳遞調(diào)速器的參數(shù)和電機速度的沒定值。K60通過比較分析實際值與設定值之差，經(jīng)由調(diào)節(jié)器計算得出控制電機的PWM輸出值。例如：上位機設定電機轉(zhuǎn)速為1.5 m/s，設定值經(jīng)串口通信傳遞給下位機。同時下位機將測得數(shù)據(jù)反饋到上位機，數(shù)據(jù)有0.084 s的上升時間，峰值為1.55 m/s，超調(diào)量為3.3%，調(diào)整時間為0.208 s。如圖5所示。

通過數(shù)次實驗得出如下數(shù)據(jù)見表1。

表1中的數(shù)據(jù)說明，所設計的調(diào)速器可以實時精確控制電機轉(zhuǎn)速，具有超調(diào)量小，調(diào)整時間短的特點。

5 總結(jié)

本文設計的基于ARM的直流電機數(shù)字式電子調(diào)速器，充分利用了飛思卡爾K60處理器中的資源，降低了調(diào)速器系統(tǒng)的復雜性，而且系統(tǒng)所具有的實時調(diào)控、超調(diào)小、調(diào)整時間短、無轉(zhuǎn)速靜態(tài)誤差等特點可以促進該系統(tǒng)在各方面的廣泛應用。