基于单片机的直流电动机控制系统
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【摘 要】针对新能源汽车驱动系统，采用KEA128单片机，研究出一种直流电动机变向、变速的控制系统。采用电流闭环控制的PID算法，大幅提高系统的实时性，保证系统具有较高的鲁棒性。论文通过仿真和实验对提出的转矩控制策略进行测试和验证。
【Abstract】Aiming at the drive system of new energy vehicle， a control system of changing direction and changing speed of DC motor is developed by using KEA128 single chip microcomputer. The PID algorithm of current closed-loop control is used to improve the real-time performance of the system and ensure the system has high robustness. The proposed torque control strategy is tested and verified by simulation and experiment.
【关键词】新能源;控制系统;直流电动机
【Keywords】new energy; control system; DC motor
【中图分类号】TM33 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2020）06-0181-02
1 引言
随着环境污染的不断加剧和能源供应的日益紧缺，以直流电动机为动力源的电动汽车，以其环境污染小、噪声污染低、功率密度高、输出转矩大等优点逐渐出现在人们的视野中，但由于其技术要求高、价格昂贵等原因并未普及开来。本次基于单片机的直流电动机控制系统的研究，使用32位KEA128单片机，工作频率高，易于胜任复杂的控制算法和滤波算法，且相较于以DSP为核心的驱动系统，此设计控制电路PCB板的布线难度更小，驱动系统的生产成本更低。
2 直流电动机转速控制系统
直流电动机转速控制系统由软件设计和硬件电路设计两大部分构成。硬件部分主要由KEA128单片机，多个传感器，预驱A3941，4个MOSFET管组成的逆变器和一个直流電动机组成。软件部分利用C语言，实现数字信号的采集以及对电动机速度的调节，即脉冲宽度调制。通过控制电路、功率驱动电路、电源电路等电路模块的设计，实现电动机的速度控制以及过流保护等保护功能，确保电动机根据给定的脉冲工作。
3 软件设计
3.1 PID 算法设计
众所周知，按偏差的比例、积分、微分进行控制的调节器简称为PID调节器。因其构成明白易懂，实验人员可随时调整参数而应用广泛，且本设计采用KEA128单片机系统来实现 PID控制时，其软件系统灵活易修改的优点得以发挥。所以，PID数字控制器在本设计中得到了广泛的应用。
3.2 算法工作过程
系统工作后，首先进行初始化，设置工作参数，而后采集电动机、各个传感器的模拟信号，将之转换为数字信号，并对其进行处理判断，若一切正常，则按程序要求，控制输出大小适宜的电流，经过功率晶体管驱动电路的处理，控制直流电动机的转速和转向。若出现故障，则系统在故障诊断后，在显示屏上显示对应的故障码，经人为干预，故障排除后方可进行正常工作。具体算法工作过程如图1所示。
4 硬件设计
4.1 KEA128单片机控制系统
KEA128系列微控制器是Kinetis EA系列32位ARM Cortex MCU控制器，广泛适用于高可靠性工业和运输应用，能够面向汽车环境提供最高等级的质量和长期供货支持。EA系列是广泛的ARM生态体系的入门级产品，提供低功耗的M0+内核和8-128kB的嵌入式闪存，支持5V电源，具备出色的EMC/ESD兼容性，能够适应高温环境，辐射排放较低，且其内部设计了过流保护、过压保护等功能，不易烧，性能稳定，安全级别高，是出色的汽车芯片。
4.2 功率晶体管驱动电路
功率晶体管是双极性大功率器件，具有控制方便、开关时间短、通态压降低、高频特性好、安全工作区宽等优点，特别适合在集成电路中作功率器件，广泛应用在电动机控制系统中。当BE结正偏、CB结反偏时，功率晶体管处于放大模式，作为放大器，其应用在电源串联调压电路，用较小的基极电流便可以控制较大的集电极电流，将较小的功率按比例放大为较大的功率。当BE结零偏或反偏、CB结反偏时，功率晶体管处于截止模式，起大功率半导体开关的作用。综上，控制系统通过控制各个晶体管电流的大小，便可进一步控制电动机的运动。
4.3 系统工作过程
控制器根据输入的信号，输出相应PWM波，驱动电路将脉冲宽度的变化PWM信号输送给电动机，并通过调节电压的高低控制电动机的转速。主控制芯片根据输入信号，控制功率开关管的开通或关断，以实现对电动机的电子换向。通过输入不同的脉冲的宽度来决定功率开关管的导通顺序及换相的时间，同时计算出电动机的转速，并与给定的转速信号进行比较，调节脉冲宽度的占空比，实现直流电动机速度及转向的控制。
从图2可以看出，整个直流电动机的速度控制系统具有结构简单、体积小等诸多优点。
5 结语
本设计是一种基于KEA128单片机的直流电动机的变向转、变速转控制系统。采用PWM调制，减小电流及换相转矩脉动，具有稳态误差小，控制精度高，响应速度快等优点。通过信号发生器和示波器等对软硬件参数进行了严格测试，设计符合预期要求。
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