基于单片机与组态的智能电机控制系统研究

戴文滔，佟胜伟，张利来

（吉林建筑大学 电气与计算机学院，吉林 长春 130118）

0 引 言

电力系统是通过信息的传输与交换，实现对系统发电、供电的合理分配，但是电力系统中电能的产生是由变电站及发电厂的大型电机实现的，而电力系统本身的运行必须要具有很高的可靠性，以避免给社会带来经济损失。因此，传统的电机控制模式已经无法满足要求，基于单片机和组态的智能电机控制系统应运而生。该系统能够对电机的工作状态进行监控，而且在出现故障时能够及时通过通信系统将故障信号上传到平台，进而确保电机的正常运行[1]。

1 智能电机控制系统总体的设计方案及原理

该控制系统的组成部分主要有组态软件模块、单片机控制系统、电机及驱动系统。电机通过三相移相调压电路对三相电机和三相定子的磁场进行驱动控制其旋转。单片机控制系统是利用STM32F103ZET 单片机作为系统的核心微处理器，又因为在搅拌系统中，被控对象本身的惯性和滞后性比较大，所以选择PI 算法的闭环控制系统，主要目的是改变智能电机系统的滞后性和动态特性。电机驱动电路是利用H 桥结构移相调压电路，能够接受单片机控制核心发出的指令，控制电机的转向、速度以及其他功能[2]。智能电机控制系统的整体设计如图1 所示。

图1 总体设计方案的框图

2 智能电机控制系统硬件电路的设计

2.1 单片机控制系统

该系统选择STM32F103ZET 单片机作为整个智能控制系统的核心[3]。因为该单片机和传统C51 单片机是相反的情况，所以采用低电平复位。为了保证晶振能够更高地发挥振动效果，将8 MHz 的晶振与两片陶瓷电容有效的连接到一起。采取外部晶振的目的是保证智能电机系统运行过程中系统的稳定性。

2.2 直流电机驱动电路

单片机发送出的控制信号经过高速光耦传递到或非门，控制信号与PMW 的输出信号经过系统的硬件形成逻辑输出，然后将信号传输到驱动控制芯片，实现对电机运转方向的控制。控制电机运转方向的信号和PWM 输出信号经过硬件形成一定的逻辑输出。

2.3 电机的三相交流调压原理

在该智能电机控制系统的设计过程中，采用三相移相调压电路对三相电机的运转进行控制。对电位器的电压输出值进行控制来控制电机的移相角，电位器的输出电压在0 ～5 V 时，其输出的电压对应是0 ～380 V。利用无中星形连接三相交流调压电路，无论是哪一相在导通的过程中都需要与另外的一相之间构成回路，所以在电流流通路径中存在两个晶闸管，因此脉冲方式应该选择双脉冲或者宽脉冲。

2.4 电机系统的测速与压流检测

系统中主要是利用KM15/16 反射光电传感器来检测电机的速度，在其精准的定位下，在需要测量的部件上对称安装反光贴纸或者反光片，以取得很好的测量效果。旋转部件上的反光贴纸每次经过光电传感器时，光电传感器的输出就会发生一次跳变，通过对跳变频率的测量可知电机的转速N。在经过放大电路放大后，通过功放LMD93 把测量值输出。压流的检测设计需要用到双向、高精度的电流型传感器ACS712，ACS712 中具有精度很高的线性霍尔传感器电路，流经该线路的电流和其输出之间的电压是线性关系，电路的响应速度十分快。

3 电机智能控制系统软件部分的研究

3.1 主程序的设计

编写的程序是通过梯形图实现，在该设计中采用STEP7－Micro/WIN32 编程软件对系统进行编程。在系统实现上电后，通过SB1 和SB4 能够对搅拌过程中的电机进行启动控制，SB2 和SB3 能够对电机的转向进行控制，SB5、SB6、SB7 这3 种工作模式可以对电机进行单独控制；SB8 和SB9 能够控制电机的速度，一个是一级速度，另一个是二级速度。在单片机中把这些设定好的值导入后，在运算后会产生脉冲信号、方向信号，进而对电机的驱动器进行控制，实现对电机速度、运转方向以及运转方式的控制，如图2 所示。

3.2 组态监控界面的设计

组态王软件本身就是专门采集数据、分析管理数据以及显示动态画面的软件，同时该软件还具备自动报警功能。将组态王软件应用到对电机运行的监控中，实现PC 机和PLC 之间数据的交换，进而提升系统对电力系统中所有电机的控制能力。在该过程中，利用组态王软件采集设备中的数据，通过浏览器的动画设计转化成动态画面，可以更直观地刻画出电机的运行过程，便于实现人机交互的操作。组态王软件的通信参数要保持与单片机之间一致，同时通过对界面对应按钮的控制，将对应的控制信息传输出来，进而通过系统的串口把信息传给单片机，单片机系统根据接收到的指令完成对电机的相关控制。

图2 接线图

3.3 单片机的软件部分

接通电源后，将单片机各个模块初始化。然后点击进入大循环系统，在该循环过程中，让电机按照其初始方向和速度运行，需判断电机的运转速度是否达到了预定值，通过PI 算法对电机进行闭环控制实现恒定速度，再利用各个子程序对电流的额定值进行判断，对电机与电路起到保护作用。首先是对I/O 进行初始化和模块配置操作，然后间隔一段时间主程序就能够调用速度对子程序进行检测。可以利用多次测量取平均值的办法来取得较高的精度。

4 实验结果

设计的智能电机输出电压要求在24 V 左右，经过测量发现，无论是否在输出端接负载，其输出电压都能够稳定在24 V，因此满足设计要求。

5 结 论

采用智能电机控制系统能够实现对电力系统中电机的全面监控，组态监控界面可以将电机的转速、发电的电流等情况显示出来。组态监控界面、单片机控制系统以及电机驱动电路三者之间相互协调，能够实现对电机旋转速度的精准控制。