基于AS5600直流减速电机闭环控制系统的研究

基于AS5600直流减速电机闭环控制系统的研究摘要：对直流减速电机的闭环控制的实现和研究存在的实用价值。本文设计了一种基于AS5600直流减速闭环电机，硬件上包含STM32_MCU作主控芯片，AS5600_IC实现电机角度反馈,TB6612实现的电机转动，使用MP1584和AMS1117这两款IC实现系统供电，串口屏实现人机互动；软件上，使用C语言开发。整个系统可精准控制电机，持续运行并且稳定。关键词：AS5600直流减速电机；闭环控制系统；嵌入式1引言随着现代化的前进发展，市场上更多要求智能化、信息化，电机的复杂控制逐渐取代简单控制成为主流。本设计中主要包含软硬件设计，主要使用嵌入式单片机开发技术各种模块底层实现代码，辅以相应算法完成整一个闭环电机系统设计。2.系统核心硬件介绍2.1系统硬件设计方案硬件方面，为了保证控制器的可靠性，本课题将各个硬件功能进行模块构件化设计，本设计的硬件系统主要包括：电源模块设计：MP1584EN开关芯片做5V供电，AS1117做MCU供电；主控制电路模块设计：使用STM32F103VET6单片机做主控芯片，电机驱动设计：性能优秀的TB6612FNG电机驱动；反馈模块设计：选择AS5600做电机反馈等。其系统正常上电之后，STM32_MCU通过采集磁编码器反馈数据来判断电机的位置，通过磁编码器单位时间内的位置信息差值来计算电机的速度，通过磁性编码器信号相序来判断电机的方向。STM32_MCU同时将采集到电机反馈数值通过串口的输出信号到串口屏上显示正转，反转，停止，电机速度和扭矩等信息。系统硬件架构见图1。图1系统硬件结构框图2.2STM32微控制器直流减速闭环反馈电机的MCU模块在该系统中起到处理数据，发送控制指令的作用。主控芯片使用的Cortex-M3系列的STM32VET6。芯片内部集成了定时器，数模转换，串口通信，IIC等多种外设功能，具有丰富的外设，性能高。2.3电机驱动电机驱动采用集成驱动芯片TB6612FNG的方案来实现电机的控制，IC集成在主控板上，更加简结美观，工作电压5~12V，由12V电池提供，M1+和M1-为一个电机控制输出，M2+和M2-为另一个电机控制输出。AIN1、2是使能信号，负责电机正反转功能实现。BIN1、2同理。PWM输入有两路A、B。2.4磁编码反馈磁编码AS5600是闭环电机的关键所在，其正常工作电压+5V由主控板提供，编码器与MCU通过IIC接口通信，通过排线连接数据线（SDA）时钟线（SCL）与STM32_MCU的硬件IIC接口相连，建立连接关系。其中两个电阻为IIC上拉电阻。2.5系统电源电路使用12V供电电源，接入电路板使用大电容滤波，降低纹波，提高稳定性。+５Ｖ电源模块用开关电源芯片MP1584将＋12V转换成＋5V电源。+3.3V电源模块用LDO芯片路和AMS1117将+5Ｖ转换成+3.3V电源。2.6蜂鸣器提示电路蜂鸣器选择有源蜂鸣器，单片机控制I/O下拉三极管导通，蜂鸣器接通电源，蜂鸣器就能发出声音，选用NPN三极管来提升对蜂鸣器的驱动电流。2.7液晶屏模块本研究选择淘晶驰公司TJC4827X543_011C串口屏。串口屏和STM32之间使用了串口通信方式，只需要将STM32单片机的USART4引脚和串口屏对应引脚相互连接，就能实现数据之间的交换，使用STM32的外设资源，既能保证串口通信的数据的准确性，又节约单片机引脚资源。3.系统软件设计3.1主程序模块设计如图2所示为直流减速电机闭环系统的主程序软件流程图，系统启动后，各模块进行初始化配置，进入循环检测，STM32_MCU一直循环读取AS5600数据。初始化电机，启动电机驱动，为电机供电，并保持当前角度。设定角度发送到单片机，单片机处理数据发送到电机驱动模块中，电机驱动模块根据电机的设定角度指定位置。图2主程序软件流程图3.2系统配置模块程序设计时钟配置程序设计。采用8mhz外接晶体振荡器，MCU系统主频72Mhz。PWM配置程序设计。PWM是由定时器扩展的功能。配置过程是选择使用的定时器、打开GPIO复用、选择定时器通道、启用系统时钟、设置预分频、电平极性、计数周期、PWM模式等。通用定时器可以使用GPIO引脚进行脉冲输出，当配置为比较输出、PWM输出功能时，使用比较寄存器。3.3串口屏界面的设计在该直流减速电机闭环系统中，首先在智慧串口屏上位机软件里制作好界面，并对多个控件设置好，然后再将生成的文件以TF卡的方式下载到智慧串口屏中，3.4中断服务程序软件设计STM32_MCU中断配置简单，这里主要对UART接收中断值、PWM定时器中断值注册相应的中断服务程序。10ms定时中断服务程序设计。对于磁编码的数据输出，系统需要一个10ms的定时中断来定时读取电机的实时位置进行采样。串口读取中断服务子程序设计。串口通信（UART）中接收数据的中断，简单清晰的信息传输，实时向串口屏幕显示电机转速和位置的反馈值。3.5磁编码采样模块软件设计设计是靠磁性编码器转换成电机速度，磁性编码器输出值用STM32_MCU的IIC接口传输数据，软件设计中采用10ｍs的扫描周期去读取反馈回来的数据，并且与上一次采样的数值进行比较，以此来确定电机瞬时的速度值和速度方向，同时根据计算值算出电机的位置。3.6电机驱动模块软件设计电机驱动模块主要实现对电机速度和电流的控制，通过速度环和位置环双闭环PI算法实现，分为两个步骤：一是角度环：实现方法是输入目标角度到角度环控制器中，获取角度环输出，二是速度环：将获取到角度环输出数据传输到给速度环控制器中，获得速度环输出，最后速度环输出传输到电机驱动模块即可。4结语本研究为电机设计了一种基于AS5600磁性编码器的角度速度双环串级PID闭环控制环，设计了基于ST公司的STM32F103VET6MCU单片机平台开发，达到了直流减速电机闭环控制的实现。参考文献[1]耿兴华,王克欣,钱希兴,杜巍.基于STM32的电机控制实验平