無(wú)線電遙控式直流電機(jī)控制系統(tǒng)

余翔翔，陳德傳，鄭忠杰

(杭州電子科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，浙江杭州310018)

0 引言

在惡劣環(huán)境和不便于信號(hào)有線連接的各類工礦生產(chǎn)場(chǎng)合，以及家居設(shè)備的應(yīng)用中，對(duì)無(wú)線遙控式電機(jī)執(zhí)行裝置的需求越來(lái)越多，對(duì)提高此類系統(tǒng)的功能與對(duì)無(wú)線通信的可靠性等性能的要求也越來(lái)越高。目前常用的無(wú)線遙控方案有紅外遙控模式和無(wú)線電遙控模式兩種，其中，紅外遙控模式的遙控距離短、范圍小、穿透能力弱，故不適合工業(yè)場(chǎng)合;而無(wú)線電遙控式的遙控距離遠(yuǎn)、范圍大、能夠?qū)崿F(xiàn)雙向通信，故適合工業(yè)場(chǎng)合。盡管目前基于無(wú)線電遙控芯片與單片機(jī)結(jié)合的方案有很多，但是大部分采用的是普通單片機(jī)，功能及靈活性欠佳［1］，此外，現(xiàn)有的遙控式電機(jī)控制裝置的功能也較單一。為此，本文采用基于無(wú)線電遙控模式，并以高性能嵌入式微處理器STM32F103VCT6［2］、超低功耗MSP430系列［3］單片機(jī)分別作為無(wú)線電機(jī)控制器、手持遙控器中的控制核心，且兩者間的無(wú)線通信均采用以工業(yè)級(jí)強(qiáng)抗擾的射頻收發(fā)器CC1101［4］為核心，基于此構(gòu)成的無(wú)線電遙控式直流電機(jī)控制系統(tǒng)具有無(wú)線通信可靠、電機(jī)控制功能多、系統(tǒng)性價(jià)比高等特點(diǎn)。

1 直流電機(jī)遙控系統(tǒng)的組成原理

無(wú)線電遙控式直流電機(jī)控制系統(tǒng)組成框圖如圖1所示，圖1中手持遙控器由電池供電，以超低功耗MSP430F2274單片機(jī)、工業(yè)級(jí)強(qiáng)抗擾射頻收發(fā)器CC1101、液晶顯示器LCD1602等為核心，遙控指令經(jīng)MSP430F2274單片機(jī)與工業(yè)級(jí)強(qiáng)抗擾射頻收發(fā)器CC1101，將信號(hào)發(fā)送給電機(jī)控制系統(tǒng)中的工業(yè)級(jí)強(qiáng)抗擾射頻收發(fā)器CC1101與嵌入式微處理器STM32F103VCT6;而直流電機(jī)控制系統(tǒng)則以工業(yè)級(jí)強(qiáng)抗擾射頻收發(fā)器CC1101、嵌入式微處理器STM32F103－VCT6、電機(jī)驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)電路等組成，根據(jù)指令進(jìn)而通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)與調(diào)速，同時(shí)，檢測(cè)電樞回路的電流信號(hào)和電壓信號(hào)，形成調(diào)壓調(diào)速的閉環(huán)控制回路，并實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)等。電機(jī)運(yùn)動(dòng)信息通過(guò)手持遙控器與電機(jī)控制系統(tǒng)間的無(wú)線射頻芯片進(jìn)行交互，并在手持遙控器上液晶顯示器中顯示。

圖1 無(wú)線電遙控式直流電機(jī)控制系統(tǒng)組成框圖

2 無(wú)線電遙控式直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 無(wú)線電遙控式直流電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

圖1中無(wú)線電遙控式直流電機(jī)控制電路如圖2所示，圖2中M為永磁直流電動(dòng)機(jī);CS1為霍爾電流傳感器用以檢測(cè)電機(jī)電樞電流;以運(yùn)放U3為主的電路單元用于檢測(cè)電樞電壓;繼電器K1用于正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)的切換控制;MOSFET(VT1)用于實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)壓調(diào)速。通過(guò)工業(yè)級(jí)強(qiáng)抗擾射頻收發(fā)器CC1101(U1)與手持遙控器間進(jìn)行運(yùn)行指令與電機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)信息的無(wú)線收發(fā)交互，嵌入式微處理器STM32F103VCT6(U2)根據(jù)收到的電機(jī)運(yùn)行控制指令，首先根據(jù)正反轉(zhuǎn)方向指令控制繼電器K1線圈的通/斷電，進(jìn)而改變由PA0口輸出PWM信號(hào)中的占空比，經(jīng)以VT2為主的MOSFET驅(qū)動(dòng)電路使MOSFET管(VT1)處于PWM工作狀態(tài)，同時(shí)將電機(jī)電樞電壓、電流的檢測(cè)信號(hào)經(jīng)ADC0、ADC1輸入到STM32F103VCT6(U2)，經(jīng)調(diào)壓調(diào)速的閉環(huán)控制程序?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的調(diào)速控制及過(guò)載保護(hù)。此外，快恢復(fù)二極管D1作為電機(jī)續(xù)流回路，繼電器K1必須在電機(jī)電樞電流為零時(shí)進(jìn)行切換控制。

圖2 無(wú)線電遙控式直流電機(jī)控制電路

2.2 直流電機(jī)的調(diào)速與保護(hù)方法

在本文設(shè)計(jì)方案中，采用在電機(jī)電樞電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上迭加電樞電流截止負(fù)反饋的控制方法，其中的電壓調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)算法。當(dāng)出現(xiàn)過(guò)載故障時(shí)，上述控制方法可使電機(jī)停轉(zhuǎn)并將電機(jī)電樞電流限制在允許值以實(shí)現(xiàn)保護(hù)控制。其基本思想類似于基于電流截止負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)［5］，因具體控制算法需占較多篇幅，故不贅述。

2.3 模塊化程序設(shè)計(jì)

電機(jī)控制程序框圖如圖3所示。單片機(jī)STM32F103VCT6每次收到的信息有3個(gè)指令，分別是工作/停止指令、正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)指令、轉(zhuǎn)速指令。收到信息后，先根據(jù)第1個(gè)指令判斷電機(jī)是否運(yùn)行，再根據(jù)電機(jī)正反轉(zhuǎn)指令以控制繼電器線圈通電與否，進(jìn)而根據(jù)轉(zhuǎn)速指令并結(jié)合電壓、電流檢測(cè)信號(hào)和基于電流截止負(fù)反饋的調(diào)壓調(diào)速控制算法［5］，經(jīng)改變PWM占空比，由MOSFET驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，及過(guò)載時(shí)的停機(jī)保護(hù)控制并發(fā)出報(bào)警，同時(shí)，將信號(hào)回傳給手持遙控器并在其顯示屏中顯示報(bào)警信息。

此外，無(wú)線通信幀中均含有CRC校驗(yàn)，若校驗(yàn)失敗，則幀數(shù)據(jù)被丟棄，并進(jìn)行重傳，結(jié)合所采用的工業(yè)級(jí)強(qiáng)抗擾射頻收發(fā)器CC1101，能很好地解決工業(yè)環(huán)境中無(wú)線通信的可靠性問(wèn)題。

圖3 控制電路程序框圖

3 手持無(wú)線電遙控器設(shè)計(jì)

手持無(wú)線電遙控器電路如圖4所示，主要由超低功耗單片機(jī)MSP430F2554、無(wú)線收發(fā)電路、液晶顯示器、電源電路等部分組成。圖4中，無(wú)線模塊采用工業(yè)級(jí)強(qiáng)抗擾射頻收發(fā)器CC1101芯片具有成本低，功耗極低的特點(diǎn);液晶顯示器采用LCD1602，LCD1602為8位并行連接方式，可顯示電機(jī)的電壓，電流，轉(zhuǎn)速信號(hào)及電池電量［6］，具有功耗低、體積小、超薄輕巧的特點(diǎn);遙控器采用4按鍵操作，S1、S2、S3、S4按鍵的功能分別為增加、減小、設(shè)置、退出并發(fā)送;電源采用電池供電，R1、R2采用超大阻值的電阻，通過(guò)分壓反饋以監(jiān)測(cè)電池電量。因限于篇幅，略去手持無(wú)線電遙控器程序框圖。

圖4 手持無(wú)線電遙控器電路圖

4 手持無(wú)線電遙控器與電機(jī)控制系統(tǒng)間的無(wú)線通信

手持無(wú)線電遙控器與無(wú)線電遙控式電機(jī)控制系統(tǒng)之間的信號(hào)傳遞交互方式如下:其無(wú)線通信幀遵從“前導(dǎo)+同步字+幀長(zhǎng)度+目的地址+數(shù)據(jù)包+CRC校驗(yàn)碼”的格式［7］，其中，數(shù)據(jù)包中含有命令和狀態(tài)等信息，如:電機(jī)運(yùn)行/停止、轉(zhuǎn)向、速度、報(bào)警信息。手持無(wú)線電遙控器發(fā)出一幀命令，在成功收到電機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)答幀后便進(jìn)入接收模式，并開(kāi)始實(shí)時(shí)接收電機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出的運(yùn)行狀態(tài)信息，直到改變命令幀時(shí)再進(jìn)入發(fā)送模式;相應(yīng)的，電機(jī)控制系統(tǒng)接收到命令幀后發(fā)出應(yīng)答幀并進(jìn)入發(fā)送模式，直到改變命令幀時(shí)再進(jìn)入接收模式。其中，每一幀的發(fā)送都含有超時(shí)檢測(cè)，一旦在規(guī)定時(shí)間內(nèi)收不到接收方的應(yīng)答幀，則發(fā)送方會(huì)發(fā)出報(bào)警信息。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的無(wú)線電遙控式直流電機(jī)控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)速控制與過(guò)載(過(guò)電流)保護(hù)功能齊全、操作便捷、遙控距離遠(yuǎn)、通用性好的特點(diǎn)，能形成一種無(wú)線電遙控的電機(jī)執(zhí)行器產(chǎn)品，具有廣泛的用途。

［1］ 任政諫，蘆利斌.利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的無(wú)線遙控技術(shù)［J］.山西電子技術(shù)，2008，6(8):23－24.

［2］ 孫書(shū)鷹，陳志佳，寇 超.新一代嵌入式微處理器STM32F103開(kāi)發(fā)與應(yīng)用［J］.微計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2010，31(12):59－63.

［3］ Wang Chauchang，Hsiao Yuhung，Huang Minchih.Development of MSP430-based ultra-low power expandable underwater acoustic recorder［J］.Ocean engineering，2009，36(5):446 － 455.

［4］ Zi Xinyun，Wang Yue，Zhao Ling.Design and Implementation of Wireless Communication System Based on CC1101［EB/OL］.http://www.scientific.net/AMR.684.596，2013 －04 －24.

［5］ 阮毅，陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)－運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)(第4版)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009:47－50.

［6］ Kwak Y，MacDonald L.Characterisation of a desktop LCD projector［J］.Displays，2000，21(2):179 －194.

［7］ 喬 挺.基于CC1101的大容量數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸方法［J］.數(shù)字化用戶，2013，(14):41.