孔佳仪++程红
摘要：针对以PC机为上位机，DSP为下位机控制器的小型直流电机调速系统，给出了硬件系统设计方案、驱动电机选型，详细介绍了功率驱动电路设计。在此基础上，实现了上位机监控平台开发和下位机软件的设计。通过电机调速特性实验验证了系统硬件和软件设计的可行性，达到了控制系统稳态和动态性能要求，系统人机对话友好，该方案可推广应用于机器人运动控制系统的设计。
关键词：直流电机调速 DSP 驱动电路 串口通信
中图分类号：TM33 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）11（a）-0006-04
用DSP替代传统的单片机进行电机控制已成为一种潮流。该文将高速、高性能、满足实时性要求的TMS320F2812用于直流电机调速系统，设计驱动电路，满足低成本大功率直流电机驱动控制，采用增量式PI算法闭环反馈，通过改变PWM信号达到调速控制目的，TMS320F2812通过串行通信数据接口与上位机进行信息交互，使得系统更加智能化，人机对话友好，该方案可推广应用于机器人运动控制系统的设计。
1 系统硬件设计
1.1 总体控制方案
该文选取额定电压为12 V的37GB-520大扭矩直流减速电机，同时电机尾部装备了一个增量式霍尔旋转编码器，简化了硬件结构。控制系统的主要任务是接收上位机的控制命令，采集直流电机速度反馈信息，通过闭环控制算法控制直流电机完成相应动作[1]，总体控制方案如图1所示。DSP用于产生PWM驱动信号，经功率驱动电路，实现电机启动、制动、正反转控制。通信模块用于实现DSP和上位机之间的信息交互，上位机发送控制命令给下位机，同时，下位机能够实时地将速度信息反馈给上位机，方便上位机监控[2]。
1.2 功率驱动电路设计
功率驱动电路如图2所示，由于功率半导体器件并非理想开关，斩波器桥路同侧两元件切换时必须要等到导通元件确实关断之后才能开通另一元件，否则势必造成同侧对应管直通，将电源短路[3]。为了避免直通短路，必须引入开通延时死区，延时时间必须大于MOSFET管的存储时间[4]。该文选用IR公司的IR2104半桥驱动芯片作为栅极驱动器，IR2104能提供较大的栅极驱动电流，死区电压小，并且具有硬件防同臂导通等功能。
1.3 通信电路设计
为实时直流电机的速度信息，该文建立了上位机与下位机通信的电路模块。串行通信采用符合RS-232标准的SP3232E芯片进行驱动，具有两个接收和发送通道，因其集成度高，与TMS320F2812一样采用3.3V供电，所以可以直接进行连接[5]。串行通信接口电路如图3所示。
2 系统软件设计
2.1 上位机软件设计
该文采用TMS320F2812的串行SCIA模块外扩为RS-232接口与上位机进行通讯，SCIA模块通过中断模式接收上位机的控制数据，并将其转换为控制命令放入控制命令变量中[6]。为保证下位机能够正確接收上位机发送的控制命令，需要设置通讯协议[7]。上位机到DSP的控制命令字定义如表1所示。
上位机通过串口发送命令给TMS320F2812，TMS320F2812端的串口中断程序rs232_rx（ ）被触发。rs232_rx（ ）清总中断后读取缓冲寄存器接收到的数据sci_rx[0]。如果sci_rx[0]不在字符‘0-‘5中，则接收到错误数据，开总中断，退出中断程序。如果sci_rx[0]接收的数据在字符‘0-‘5中，则说明接收到有效数据，进入有效数据接收循环。
实际中同样也需要将DSP采集到的数据反馈给上位机，因DSP传到上位机进行显示的数据较多，为避免误操作，在定义DSP对上位机的通讯协议时设置了开始位和结束位，将数据发送格式定义为"S"+0000+"F"（S代表D，E），上位机接收指令定义如表2所示。
2.2 下位机软件设计
下位机程序首先完成函数的声明，包括中断函数的声明，各个子函数的声明以及系统用到的所有变量的定义。然后对各个外设模块进行初始化。最后程序进入主循环体，等待中断触发。中断子程序由定时器中断、捕获中断和SCI中断子程序构成。程序总体结构图如图4所示。
PI控制器参数的整定采用的是实验凑试法，通过不断的调整Kp、Ki参数，观察上位机转速曲线，然后根据各参数对系统的影响，反复凑试参数，直至出现满意的响应，从而确定PI控制器的参数。通过不断的调整，最终确定了一对比较理想的数值KP=0.042，Ki=0.65。
3 系统调试
该文上位机控制软件中通信设置如下：串口号设置为COM1，波特率配置为19 200，数据位为8，检验位设定为无，停止位为1，电机额定电压为12 V。上位机设定电机转速366 rpm，电机从停机状态启动，如图5所示，在电机速度维持一段时间后，通过上位机控制电机减速到330 rpm，如图6所示，图7为PC机控制电机停转过程所发生的动态响应情况。从整个响应曲线图可以得出，该系统控制直流电机调速响应时间短、控制准确，能达到系统要求。
4 结论
该文已成功达到了直流电机调速稳定性和快速性的要求，与同类设计相比，成本低、功耗低、人机对话界面友好，使用方便，上位机能实时监控直流电机的工作情况，利用本方案来改造现有的直流电机，易于实现监控的自动化，该方案可推广应用于机器人运动控制系统的设计。
参考文献
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