基于触摸屏的直流电机控制系统

李 伟 谢兴琅 马景兰 万京生

(北京石油化工学院电气工程系，北京 102617)

直流电机具有良好的线性特性、优异的控制性能以及较强的过载能力，广泛应用于工业过程和设备控制系统中。尽管其他种类电动机发展迅速，但直流电机在电气传动领域仍然占据着十分重要的地位。近年来，由于生产技术的发展，对电气传动领域直流电机控制系统在调速精度、动态响应以及操作灵活性方面都提出了更高的要求。

传统的直流电机调速方法存在着调速响应慢、精度差以及调速装置复杂等缺点。随着新型电子器件的出现,以开关频率高的全控型晶体管作为开关器件的直流脉宽调制(PWM)调速系统也应运而生，该调速方法可显著降低系统功耗,提高系统的响应速度并且降低运行噪声，已成为直流调速系统的主要发展方向。与此同时，由于计算机技术和微电子技术的高速发展，电动机的控制策略也发生了巨大的变化，同模拟控制方式相比，数字控制方式可以采用更加灵活多样的控制算法来对电机系统进行控制，不仅可以降低控制电路的复杂程度,提高设计和制造的灵活性，在控制精度、稳定性及一致性等方面也较模拟控制方式有显著优势，因此传统的模拟控制方法已逐渐被以微处理器为核心的数字控制方法所取代。此外，随着自动化程度的不断提高，很多工作环境中不仅要求电机控制系统具有优异的控制性能，还要求系统具有良好的人机交互特性，便于操作人员在系统运行过程中直观地了解设备的运行状况，方便地进行参数设定与修改。因此，数字化的人机交互功能的实现对提高电机控制系统的性能起着不可忽视的作用。

笔者设计的直流电机控制系统以带DSP引擎的16位微处理器为控制核心，采用PWM直流脉宽调制方式和数字化PID技术实现直流电机闭环速度控制。为便于参数设定和状态显示，选用触摸屏进行人机交互，提高了整个控制系统的灵活性。

1 控制系统方案简介①

采用触摸屏实现人机交互的直流电机控制系统方案如图1所示。该系统主要完成转速测量与控制、过流保护以及人机交互等功能。系统中主控制器选用Microchip公司为嵌入式电机控制应用而设计的16位微处理器dsPIC30F6010A，具有8个独立或4对互补的电机控制专用PWM输出，可以很方便地对电机进行PWM控制。此外，其自带的DSP引擎可实现控制环的快速响应。

系统中控制对象为48V/20A直流电动机，在实际运行过程中，操作人员通过触摸屏的人机交互界面设定好电机的目标速度后，微处理器输出PWM信号至MOSFET驱动电路，驱动直流电机旋转。为实现电机的可逆调速，驱动部分采用H型双极性可逆PWM结构。直流电机运行速度通过增量式光电编码器进行检测，由于dsPIC30F6010A微处理器本身自带正交编码器模块，故编码器送出的A/B/Z三相信号无需经过相位判别电路，即可直接送入控制器进行速度测量，简化了系统硬件设计。系统检测出电机实际运行速度后，根据相应控制算法调节PWM输出，从而对电机速度进行控制。另外，为保护电机，系统采用霍尔电流传感器检测电机电流，并在电机过流时关闭PWM输出，从而达到保护电机的目的。

图1 控制系统框图

2 系统硬件组成

该系统硬件部分主要由MOSFET驱动电路、触摸屏电平转换电路、电机速度测量电路、电流检测以及过流保护电路等组成。

2.1 MOSFET驱动电路

为实现直流电机可逆调速，系统采用如图2所示的H型双极性可逆PWM驱动方式驱动直流电机[1]。该全桥电路由4个N沟道MOSFET功率场效应晶体管75NF和4片功率二极管构成，其中二极管在场效应管关断时为电枢回路提供释放电感储能的续流回路。系统有两组开关管，Q1和Q3为一组，Q2和Q4为另一组。同组的开关管同步导通或关断，不同组的开关管的导通与关断则恰好相反。在每个PWM周期里，当控制信号Ug1为高电平时，开关管Q1和Q3导通，此时Ug2为低电平，因此Q2和Q4截止，电枢绕组承受从A到B的正向电压;当控制信号Ug1为低电平时，开关管Q1和Q3截止，此时Ug2为高电平，因此Q2和Q4导通，电枢绕组承受从B到A的反向电压，在一个PWM周期里电枢电压经历了正、反两次变化。双极性可逆PWM驱动时，电枢绕组所受的平均电压取决于占空比D的大小：当D=0时，Ua=-48V，电动机反转，且转速最大；当D=1时，Ua=48V，电动机正转，转速最大；当D=1/2时，Ua=0，电动机不转。虽然此时电动机不转，但电枢绕组中仍然有交变电流通过，使电动机产生高频振荡，这种振荡有利于克服电动机负载的静摩擦，提高动态性能。该驱动电路工作时，需要将控制电路的输出脉冲放大到足以激励MOSFET管导通，在此选用IR公司的IR2110作为栅极驱动器[2]。

图2 H型双极可逆PWM驱动系统

2.2 触摸屏电平转换电路

系统选用威纶通科技有限公司生产的MT6100I触摸屏完成人机交互，该触摸屏具有强大的图形显示功能和数据处理功能，并支持RS-232和RS-485两种通信接口，广泛应用于各种工业场合。

由于RS-485采用平衡发送和差分接收的方式传递数据，因而抑制共模干扰的能力较强，传输距离也较远。考虑到电机所处的工业环境较为复杂，为提高系统抗干扰能力，增强通信可靠性，选用RS-485接口完成单片机与触摸屏的通信。

由于单片机串行通信端口为TTL电平，因此必须进行电平转换方可正确通信。电平转换电路如图3所示，SCIRXD和SCITXD为微控制器的串行收、发引脚，由于RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一个点处于发送状态，因此发送电路必须由使能信号SCIEN加以控制。收发信号以及使能信号均通过6N137光耦隔离后，送至电平转换芯片。RS485A和RS485B为RS-485总线的输出，利用电阻将输出上拉和下拉，可在电路驱动器关闭时使输出处于固定电平，3个瞬态抑制二极管起保护RS-485总线的作用[3]。

图3 电平转换电路

3 系统软件

系统软件设计部分主要包括HMI人机交互界面设计、触摸屏与微处理器通信的Modbus协议实现、数字化速度和电流调节、电机PWM输出、霍尔电流传感器电流信号的AD采样以及正交编码器模块速度测量等部分。

3.1 HMI人机界面

选用的威纶通触摸屏MT6100I配备图形功能强大且简单易用的组态软件Easy Builder 8000，可根据不同客户需求，方便、快速的生成个性化的人机界面，用户可以自由组合文字、按钮、图形及数字等功能元件，创建出直观的屏幕画面，完成人机交互界面的设计。

组态软件Easy Builder 8000可以提供12个用户、6个等级密码的保护，有利于对某些特定参数进行限定，保护了用户的利益。此外，触摸屏具有超大的128MByte内存，给程序提供了足够的画面存储空间。基于触摸屏的直流电机控制系统的人机界面主要由系统主画面、参数设定与数据显示及故障报警等界面构成。

当MT6100I触摸屏连接到控制系统以后，触摸屏采用主从通信模式与微处理器交换数据，在本系统中，将触摸屏设为从站，微处理器作为主站，设计人机界面时需要在组态软件中把HMI设置为Modbus Server模式。

3.2 Modbus协议的软件实现

触摸屏与微处理器按照RS-485总线方式交换数据时，需要根据触摸屏采用的通信协议为微处理器编写相应的通信程序。Modbus协议是美国Modicon公司推出的一种有效支持控制器之间以及控制器经由网络(如以太网)与其他设备之间进行通信的协议[4]。笔者使用的Modbus通信协议以RTU通信数据传输模式完成微处理器和触摸屏之间的主从通信。图4为微处理器作为主站对触摸屏从站进行读、写操作的程序流程图。

在Modbus RTU模式下，为避免误码保证通信的可靠性，采用通信领域常用的CRC-16校验法对数据进行校验。在触摸屏与单片机进行通信时，若校验错误，则程序直接返回。由于微处理器对CRC校验码的计算速度要求比较高，采用基于查表的CRC校验算法，可满足高速通信的需要。

图4 主机读、写从机数据的工作流程

3.3 控制方案的软件实现

为使系统具有良好的调速性能，采用由电流内环和速度外环组成的双闭环控制方案实现闭环调速，具体调速方案如图5所示。速度调节器的作用是对给定速度与反馈速度之偏差按一定规律进行运算，并通过运算结果对电动机进行调速控制；由于电动机轴的转动惯量和负载轴的存在，速度时间常数较大，系统的响应较慢，而电流调节器的引入则能改善系统的快速性和稳定性，增强系统的抗电源扰动和抗负载扰动能力。

双闭环调速方案中包含的控制模块有速度PI调节模块、电流PI调节模块和PWM控制模块，均是通过软件来实现的。具体实现方法为：在每个PWM周期(50μs)均完成一次电流采样和电流调节。程序中先通过微处理器AD采样模块测量霍尔电流传感器的输出电压，获得直流电动机电枢的实际电流;速度采样子程序则通过微处理器正交编码器模块计算光电编码器输出脉冲数获得当前速度。速度调节子程序以速度给定值和速度采样子程序得到的速度反馈值的偏差作为输入，通过调用PI控制算法，得到电流的给定输出值。电流调节子程序则以速度调节器的输出电流给定值和电流采样子程序得到的电流反馈值之间的偏差为输入量，通过调用电流调节器的PI算法，给出目前功率模块PWM的占空比，实现电机速度的控制。

4 结束语

基于Modbus协议的直流电机控制系统，以专用控制芯片dsPIC30F6010A为主控制器，充分利用其高效的运算处理能力、便捷的PWM输出功能和实用的正交编码器模块功能，实现了数字化双闭环调速方案，并且基于Modbus通信协议实现了控制系统与触摸屏的可靠通信。该控制系统已在TIG焊接设备中实现了送丝电机的速度调节，能满足焊接过程中送丝的要求。经实践检验，该控制系统具有良好的调速性能和人机交互性能，且硬件设计简单，适用于对直流电机的调速性能和人机交互性能有较高要求的应用场合。