云台之家-基于STM32的云台控制-技术论文

第3章 直流电机控制模块

3.1 直流电机驱动电路

无刷直流电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数的影响，在转子极数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。无刷直流电机控制器包括电源部分和控制部分，如图2.1所示。电源部分提供三相电源给电机，控制部分则按照需求转换电源频率。电源部分可以直接以直流电输入或者以交流电输入，如果是以交流电输入就需先经转换器(converter)转成直流电。不论是直流电输入或是交流电输入，送入电机线圈前须先将直流电压由逆变器(inverter)转成三相电压来驱动电机。逆变器一般由六个功率晶体管，分为上桥臂和下桥臂，连接电机作为控制流经电机线圈的开关。控制部分则提供PWM脉冲宽度调制信号决定功率晶体管开关频率及逆变器换相的时机。对于无刷直流电机，当负载变动时，一般希望速度可以稳定于设定值而不会有太大的变动，所以电机内部装有霍尔传感器(hall-sensor)，作为速度的闭回路控制，同时也作为相序控制的依据。

3.1.1 直流电机驱动芯片L293D

我们的无刷直流电机驱动电路使用的是L293D集成芯片，芯片的引脚图如下：

2-3 芯片引脚图

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L293D主要是用于电流小于600mA电压范围在4.5V到36V的双向转动电机，它可以驱动电感负载，比如继电器、螺线管、直流和双相步进电动机, 以及其它的大电流/高压负载等等。它的所有的输入都与TTL电平兼容。当相应的是能引脚使能时，相应的输出引脚和输入引脚的电平保持一致。在输出引脚上的钳位二极管是对感应瞬变的抑制，当输入使能引脚是低电平时，相应的引脚就呈现高阻态。电源Vcc1和Vcc2分开供电有利于降低器件的损耗。

3.2 直流电机转速PWM控制

直流调速系统中应用最广泛的一种调速方法就是调节电枢电压。改变电枢电压调速的方法有稳定性较好、调速范围大的优点。为了获得可调的直流电压，利用电力电子器件的完全可控性，采用脉宽调制PWM技术，直接将恒定的直流电压调制成可变大小和极性的直流电压作为电动机的电枢端电压，实现系统的平滑调速，这种调速系统就称为直流脉宽调速系统。它被越来越广泛的应用在各种功率的调速系统中。

本系统利用开关驱动方式使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制(PWM)来控制电动机电枢电压，实现调速。图2.3是对电机进行PWM调速控制时的电枢绕组两端的电压波形。当开关管的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压

秒后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动

机电枢两端电压为0, tz秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。

U1

0 U0

Us

0 图2.3 输入输出电压波形

电动机电枢绕组两端的电压平均值

T t1 t2 。为:

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U0?tUt?t11S2?t1U1?aU1 T式中占空比a表示在一个周期T里，开关管导通的时间与周期的比值，a变化范围为0-1之间。所以当电源电压Us不变时，电枢的端电压的平均值U。取决于占空比的大小，改变a值就可改变端电压的平均值，从而达到调速的目的。理想空载转速与占空比a成正比。

3.3 直流电机闭环控制

3.3.1 PID控制算法

在模拟系统中，PID算法的表达式为：

P(t)?KP[e(t)?1Tl?e(t)dt?TDde(t) （3-2） dt式中，P(t)调节器的输出信号;e(t)调节器的偏差信号，它等于测量值与给定值之差:Kp为调节器的比例系数;Tt为调节器的积分时间;TD为调节器的微分时间。

由于用单片机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值来计算控制量。因此，在单片机控制系统中，必须首先对式3-2进行离散化处理，用数字形式的差分方程代替连续系统微分方程，此时积分项和微分项可用求和及增量式表示:

?e(t)dt??E(j)?t?T?E(j) (3-3)

nj?0j?00nnde(t)??k??E(k?1)E(k)?E(k?1)?? (3-4) dt?tT将式3-3、式3-4代入式3-2，则可得离散的PID表达式:

P(k)?Kp{E(k)?式中，

TTlj?0?E(j)?TTkD[E(k)]?E(k?1)]} (3-5)

采样周期，必须使T足够小，才能保证系统有一定的精度;E(k)

第k次采样时的偏差值;E(k-1)第(k-1)次采样时的偏差值;k采样序号，k=O, 1, 2??；P(k)第k次采样时调节器的输出。

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根据递推原理，可写出(k-1)次的PID输出表达式:

P(k?1)?Kp{E(k?1)?用式3-5减去式3-6，可得:

TTlj?0?E(j)?TTk?1D[E(k?1)]?E(k?2)]} (3-6)

P(k)?P(k?1)?KP[E(k)?E(k?1)]?KlE(k)?KD[E(k)?2E(k?1)?E(k?2)](

3-7)

式中，Kl?KPTTl为积分系数；KD?KpTD 为微分系数。

T由式3-7可知，要计算第k次输出值P(k)，只要知道P(k-1)，E(k)，E(k-1)，E(k-2)即可，比式3-5计算要简单得多。

由式3-5可写出第k次采样时PID的输出表达式:

P(k)?KPE(k)?Kl?E(j)?KD[E(k)?E(k?1)] (3-8)

j?0k?1设比例项输出:

Pp(k)=KpE(k)

积分项输出:

P(k)?K?E(j)?KE(k)?K?E(j)?KE(k)?P(k?1)

llj?0llj?0llk?1k?1微分项输出:

P所以式3-8可改写为:

D(k)?KD[E(k)?E(k?1)]

P(k)?Pp(k)?Pl(k)?PD(k) (3-9)

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