電機控制系統(tǒng)設(shè)計分析范文

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《天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報》2016年第二期

摘要：

針對傳統(tǒng)電機的模擬信號輸出和PWM信號輸出分辨率不高、抗電磁干擾能力差的問題，開發(fā)了一套電機控制系統(tǒng).該系統(tǒng)兼容模擬信號輸出和多種SENT協(xié)議的信號解析方式，以32位的STM32F103VCT6單片機為核心處理器，接收三軸霍爾傳感器的角度信息，并根據(jù)上位機下發(fā)的目標(biāo)角度對電機進行PID閉環(huán)驅(qū)動.經(jīng)實驗測試驗證，該系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)地控制電機的旋轉(zhuǎn)位置，能夠?qū)崿F(xiàn)多種協(xié)議的兼容.在SENT協(xié)議模式下，電機旋轉(zhuǎn)的角度誤差均在0.12%以內(nèi)，誤差低于傳統(tǒng)的模擬信號輸出方式.

關(guān)鍵詞：

STM32F103VCT6；自適應(yīng)SENT協(xié)議；電機控制系統(tǒng)；三軸霍爾傳感器

電動機是發(fā)明和使用最早的電機之一，可以實現(xiàn)平滑而經(jīng)濟地調(diào)速，不需要其他設(shè)備配合，只要改變輸入或勵磁電壓電流就可實現(xiàn)調(diào)速，故在現(xiàn)代生產(chǎn)生活中得到廣泛應(yīng)用[1].相比于傳統(tǒng)的電機控制系統(tǒng)，基于三軸霍爾位置傳感器的精確電機控制系統(tǒng)在一些要求比較高的電機控制領(lǐng)域逐步得到了應(yīng)用[2].但是一般是基于模擬和PWM的輸出方式.這2種信號輸出方式抗電磁干擾能力弱，精度不夠高，成本較高.美國汽車工程師學(xué)會（SAE）于2008年制定了SENT2008（SAEJ2716-2008）協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，2010年又制定了新的SENT2010（SAEJ2716-2010）協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，旨在于提供更精確有效并且低成本的電機控制解決方案.SENT為汽車傳感器新型接口標(biāo)準(zhǔn).相比于模擬信號輸出和PWM輸出方式，基于SENT協(xié)議的電機控制是一種可以有效降低成本、節(jié)省線束、節(jié)省插針結(jié)頭的低成本方案，具有很好的EMC特性，并且能傳輸故障代碼從而使傳感器系統(tǒng)具有很強的故障診斷能力.它有助于取代傳感器和微控制器之間的模擬信號傳輸.本文正是采用了基于這種協(xié)議的電機系統(tǒng)控制方式，并設(shè)計了整套的電機控制系統(tǒng).本文中用到的霍爾位置傳感器為MLX90324和MLX90367，它們是CMOSTriaxis霍爾傳感器，給出了一個平行于芯片表面磁場的角位置，是專為非接觸式旋轉(zhuǎn)位置傳感器設(shè)計的.CMOSTriaxis霍爾傳感器檢測出定位和轉(zhuǎn)動在設(shè)備表面上的一塊小磁鐵的絕對角位置.MLX90324既能支持模擬輸出，也支持2008版協(xié)議的SENT信號輸出，而MLX90367只支持2010版協(xié)議的SENT信號輸出.對于一個未知信號輸出的電機模塊，MCU如何去自適應(yīng)它將是今后面臨的一個問題.本文將討論這3種信號輸出方式以及解析方法，并設(shè)計一套自適應(yīng)SENT協(xié)議的電機控制系統(tǒng).

1SENT2008和SENT2010協(xié)議分析

SENT協(xié)議的全稱為單邊半字節(jié)傳輸協(xié)議，是一種單線異步串行通信協(xié)議，是一種類PWM的信號輸出方式.2008版協(xié)議一幀數(shù)據(jù)的長度包含8個Nibble和1個校驗位（1個Nib－ble由4個Bit組成，Nibble值的范圍是0~15，由12~27個Tick表示，1個Tick的范圍是3~10μs，一般是3μs左右），如圖1所示.SENT是一種點對點的單方向從傳感器到控制端的協(xié)議，每一個Nibble數(shù)據(jù)被編碼成PWM方式.先輸出5個Tick的低電平，然后輸出7+n（n的范圍是0~15）個Tick的高電平.傳感器信號以一串方波來傳送，方波下降沿之間時間的長短表示信號的大小.傳感器上電后會立即發(fā)送數(shù)據(jù)，接收機不需要任何同步校驗信號.設(shè)計這種協(xié)議的目的是用在與汽車ECU快速交互信息的傳感器上，以此來取代低精確度的12bitAD和PWM.

2系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)以意法半導(dǎo)體公司的STM32F103VCT6為控制核心.驅(qū)動器使用的是飛思卡爾的MC33886.控制器與上位機之間通過CAN-232轉(zhuǎn)換模塊進行通信.如圖3所示.圖3中，上位機通過CAN-232模塊向MCU發(fā)送目標(biāo)角度命令，控制電機旋轉(zhuǎn)到目標(biāo)位置，電機旋轉(zhuǎn)過程中磁鐵與霍爾傳感器的相對位置發(fā)生變化，MCU可檢測到電機當(dāng)前角度.MCU實時的將當(dāng)前角度和目標(biāo)角度兩個參數(shù)送入PID算法中計算出一個控制量PWM_OUT.這樣就組成了一個帶閉環(huán)PID算法的電機控制系統(tǒng).

2.1硬件設(shè)計本系統(tǒng)分別設(shè)計了基于MLX90324和MLX90367的3組電機信號輸出電路.信號處理單元采用單片機實現(xiàn).STM32F103VCT6是ARM公司的STM32增強型系列，內(nèi)部使用32位的Cortex-M3內(nèi)核，工作頻率為72MHz，內(nèi)置高達128kB的閃存和20kB的SRAM，所有型號的器件均包含2個12位的ADC、3個通用16位定時器和一個PWM定時器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進的通信接口：多達2個I2C和SPI、3個USART、一個USB和一個CAN.工作溫度范圍為-40~105℃，供電電壓為2.0~3.6V.該內(nèi)核是專門設(shè)計用于滿足集高性能、低功耗、實時應(yīng)用、具有競爭性價格于一體的嵌入式領(lǐng)域的要求[3-4].

2.1.1傳感器設(shè)計位置傳感器采用的是Melexis公司的MLX90324和MLX90367，MLX90324和MLX90367的優(yōu)點如下：（1）絕對旋轉(zhuǎn)位置傳感器IC；（2）Trixis霍爾技術(shù)-非接觸式；（3）完整的360°角或有限角度的應(yīng)用；（4）-40~150℃環(huán)境溫度范圍.3組電機控制系統(tǒng)如圖4—圖6所示.

2.1.2電機驅(qū)動模塊設(shè)計直流電機驅(qū)動采用飛思卡爾公司的5A集成H橋芯片MC33886.MC33886芯片內(nèi)置了控制邏輯、電荷泵、門驅(qū)動電路以及低導(dǎo)通電阻的MOSFET輸出電路，適合用來控制感性直流負(fù)載，可以提供連續(xù)的5A電流，并且集成了過流保護、過熱保護、欠壓保護.通過控制MC33886的四根輸入線可以方便地實現(xiàn)電機正轉(zhuǎn)、能耗制動及反接制動.使用2片MC33886并聯(lián)，一方面減小導(dǎo)通電阻對電機特性的影響，另一方面減小MC33886內(nèi)部的過流保護電路對電機啟動及制動時的影響[5-6]，如圖7所示.

2.1.3CAN收發(fā)模塊設(shè)計本設(shè)計采用的CAN總線驅(qū)動器是由Philips公司生產(chǎn)的TJA1040，該器件設(shè)計的目的是用以替代82C250的高速CAN總線驅(qū)動器.TJA1040提供了CAN控制器與物理總線之間的接口以及對CAN總線的差動發(fā)送和接收功能，同時還具有極低功耗的待機模式，以及通過總線喚醒能力.當(dāng)TJA1040斷電時，總線反向電流為零，這樣，沒有接通電源的節(jié)點不會對網(wǎng)絡(luò)其他部分造成影響[7-12]，實際上它們此刻是不可見的.這種特性使得TJA1040非常適用于局部網(wǎng)絡(luò)中的供電與點火開關(guān)相連的節(jié)點.設(shè)計電路如圖8所示.

2.2軟件設(shè)計由于2010版SENT協(xié)議比2008版SENT協(xié)議多出一個可變的暫停位，這個暫停位的變化范圍為12~768個Tick.該暫停位可能與幀頭56個Tick相等，所以就不能用56個Tick的同步位來判斷幀頭了.SENT協(xié)議的解析是使用定時器來采集2次下降沿之間時間的長短來解析數(shù)據(jù)大小的，SENT信號的下降沿觸發(fā)定時器中斷.當(dāng)采集到56個Tick的數(shù)據(jù)時，先暫時認(rèn)為這是幀頭，當(dāng)再次采集到56個Tick長度的數(shù)據(jù)時，判斷在這期間觸發(fā)了幾次中斷，若一次，說明上次采集到的值是暫定位，這次才是真正的幀頭，并且可以判定連接的是MLX90367.若觸發(fā)了10次，則說明上次采集的就是幀頭，而這次采集的是第二幀的開始，并且可以判斷出連接的芯片是MLX90367.若觸發(fā)了9次，則說明這2次采集的都是幀頭，而且通過一幀數(shù)據(jù)的長度可以判定出連接的芯片是MLX90324.只要能判定出連接的是哪種芯片，就可以做到2種協(xié)議的兼容.系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖如圖9和圖10所示.圖9為主函數(shù)流程圖和目標(biāo)角度接收流程圖.通過CAN中斷接收上位機發(fā)送的目標(biāo)角度命令.主函數(shù)對當(dāng)前角度與目標(biāo)角度進行實時處理，若當(dāng)前角度與目標(biāo)角度不相等，則PID算法不斷的改變輸出量來驅(qū)動電機向目標(biāo)位置旋轉(zhuǎn).當(dāng)前角度與目標(biāo)角度相減滿足一定的誤差范圍便停止輸出，使電機停止轉(zhuǎn)動.圖10為SENT解析流程圖.SENT的解析是通過定時器的輸入捕捉中斷功能實現(xiàn)的，捕捉2次下降沿之間的時間大小來解析代表的數(shù)值.進入中斷后先判斷幀頭，然后判斷出所選的芯片是基于哪個版本的SENT協(xié)議，進而可以判斷出需要接收多少個Nibble的數(shù)據(jù).如果是基于SENT2008協(xié)議，則需要接收8個Nibble的信息，如果是基于SENT2010協(xié)議，則需要接收9個Nibble的信息.這樣就完成了一幀數(shù)據(jù)的接收.完成一幀數(shù)據(jù)接收后，開始CRC驗證，驗證通過后解析SENT信息中的角度.

3測試結(jié)果與分析

圖11為上位機控制電機旋轉(zhuǎn)的上位機界面，圖中的曲線1為目標(biāo)角度的時間-角度曲線圖，曲線2為實際角度的時間-角度曲線圖.電機按照預(yù)先設(shè)定好的時間-角度旋轉(zhuǎn).圖12、圖13和圖14為電機旋轉(zhuǎn)主控軟件界面，可設(shè)定電機旋轉(zhuǎn)的目標(biāo)角度，按ENTER鍵電機就會旋轉(zhuǎn)到相應(yīng)的角度，并且自動設(shè)別出接口類型.圖14為捕捉到的處于旋轉(zhuǎn)路徑上的電機主控軟件界面圖.分別實測了3種信號輸出方式下目標(biāo)角度與實際角度的數(shù)值，每組重復(fù)測試了50次，分析實驗數(shù)據(jù)得到，SENT2008協(xié)議下的角度誤差約為0.116%，SENT2010協(xié)議下的角度誤差約為0.103%，而模擬信號輸出方式下的角度誤差約為0.977%，2種SENT協(xié)議下的電機旋轉(zhuǎn)控制精度明顯高于傳統(tǒng)的模擬信號輸出方式。

4結(jié)語

本文在傳統(tǒng)電機控制模擬信號輸出和PWM的基礎(chǔ)上，結(jié)合了近年提出的基于SENT協(xié)議的電機控制方法，設(shè)計了一套電機控制系統(tǒng)，并給出了一種判別電機模擬信號輸出和基于SENT協(xié)議信號輸出的自適應(yīng)方法.經(jīng)過實驗驗證，該套系統(tǒng)能做到信號輸出模式自適應(yīng).上位機通過向MCU發(fā)送目標(biāo)角度，MCU根據(jù)當(dāng)前角度輸出控制量驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)，然后實時將當(dāng)前角度上傳到上位機進行顯示.測試結(jié)果表明電機的旋轉(zhuǎn)角度誤差均在0.12%以內(nèi)，得到了精確控制.

作者：黃鵬 杜克奎 榮鋒 魯勇 單位：天津工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院