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一硬件設(shè)計(jì)

1電動(dòng)機(jī)控制電路控制

芯片STM32F103RB是一款基于ARMCortex－M3內(nèi)核的32位單片機(jī)，價(jià)格便宜、使用簡(jiǎn)單、開(kāi)發(fā)方便．其片內(nèi)資源豐富，含有128kB內(nèi)部存儲(chǔ)器（flash）、串行總線IIC（inter－integratedcir－cuit）、定時(shí)器TIMER、串口USART、實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC、直接存儲(chǔ)器DMA以及12位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器ADC等模塊．定時(shí)器TIMx的輸出比較功能可產(chǎn)生PWM信號(hào)，輸入捕獲功能可采集測(cè)量傳感器位置信號(hào)．12位的ADC模塊可以直接用來(lái)采樣測(cè)量外部電壓值（＜5V）．IIC模塊可以對(duì)日歷／時(shí)鐘芯片進(jìn)行信息寫(xiě)入和讀?。甋TM32芯片的這些模塊和功能都較大方便了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)．控制芯片電路圖．控制芯片STM32實(shí)時(shí)測(cè)量6路霍爾位置信號(hào)，按照預(yù)先設(shè)定的程序，輸出相應(yīng)的6路PWM（pulsewidthmodulation）波和6路控制信號(hào)給功率開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路芯片IR2103，通過(guò)控制功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通順序，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反向轉(zhuǎn)動(dòng)和制動(dòng)．芯片的PC1，PC2，PC3，PB5，PB6，PB7等6個(gè)端口分別采集上、下電機(jī)的位置傳感器信號(hào)．通過(guò)激活設(shè)置這些端口相應(yīng)的定時(shí)器計(jì)數(shù)模塊，來(lái)計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)長(zhǎng)度．PB13，PB14，PB15，PA8，PA9，PA10等6個(gè)端口輸出PWM波．調(diào)整PWM寄存器的計(jì)數(shù)頻率，就可改變PWM的占空比．PA1，PA2，PA3，PC7，PB0，PB1等6個(gè)端口輸出驅(qū)動(dòng)管開(kāi)關(guān)電路控制信號(hào)，控制MOS開(kāi)關(guān)管通斷．NRST，JTRST，JTDO，JTCK，JTMS，JTDI等6個(gè)端口為JTAG接口，用來(lái)下載調(diào)試程序．PB10，PB11復(fù)用USART3＿TX和USART3＿RX串口，PC11和PC12復(fù)用IIC＿SDA和IIC＿SCL端口，分別與外接控制器和PCF8563時(shí)鐘芯片進(jìn)行指令、數(shù)據(jù)傳遞和讀?。甈C0，PC4，PC5，PA4啟用ADC模塊，檢測(cè)電路電壓和電流．兩個(gè)晶振Y1和Y2分別為8MHz和3768kHz，提供外接晶振時(shí)鐘源．

2功率開(kāi)關(guān)管

驅(qū)動(dòng)電路功率開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路由上、下2組3個(gè)驅(qū)動(dòng)控制芯片IR2103和6個(gè)功率開(kāi)關(guān)管P75NF75組成．1個(gè)IR2103連接2個(gè)功率開(kāi)關(guān)管，通過(guò)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管開(kāi)閉，控制電機(jī)相電流通斷及流向，使電機(jī)內(nèi)定子電流不斷變向，從而生成變化磁場(chǎng)，推動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)．IR2103依單片機(jī)發(fā)出信號(hào)控制上下MOS管通斷，通過(guò)調(diào)整和控制MOS管開(kāi)關(guān)頻率，調(diào)節(jié)電機(jī)輸入電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度調(diào)節(jié)．IR2103驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)有對(duì)輸入信號(hào)的死區(qū)時(shí)間保護(hù)，有效保證同一驅(qū)動(dòng)電路中兩個(gè)MOS管不同時(shí)導(dǎo)通而發(fā)生短路．圖3為電動(dòng)機(jī)的一相驅(qū)動(dòng)電路，其余兩相電路相同．當(dāng)輸入信號(hào)PWM和COM為高電平時(shí)，Ho輸出高電平，上MOS管導(dǎo)通，＋24V直流電壓經(jīng)AU給電機(jī)供電；當(dāng)PWM和COM為低電平時(shí)，Lo輸出高電平，下MOS管導(dǎo)通，相電流從電機(jī)經(jīng)AU接電源地．

3霍爾信號(hào)采集

電路霍爾信號(hào)采集電路用來(lái)測(cè)量電機(jī)的霍爾信號(hào)．其采用一個(gè)上拉電路、RC濾波電路和二極管鉗位，保證測(cè)量信號(hào)在0～5V．端口TIMx定時(shí)器模塊啟用，在每次任一路霍爾信號(hào)輸入發(fā)生變化后開(kāi)始計(jì)數(shù)．利用霍爾信號(hào)的周期性，可計(jì)算電機(jī)速度，通過(guò)計(jì)算T時(shí)間內(nèi)時(shí)鐘脈沖λ個(gè)數(shù)k，得到f＝1／T＝1／kλ．根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一周的霍爾信號(hào)的周期數(shù)，就可計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速．

4檢測(cè)電路對(duì)三相星型六狀態(tài)

永磁無(wú)刷直流電機(jī)，只要在任一相電流和電源之間串接一個(gè)阻值為0．01Ω的電阻RT1作為檢測(cè)電阻，經(jīng)采樣電路轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)DCT，就可測(cè)出電流值．當(dāng)測(cè)量值大于預(yù)設(shè)值時(shí)，控制芯片發(fā)出信號(hào)封鎖MOSFET管，電機(jī)停轉(zhuǎn)．電壓檢測(cè)電路采用LM358雙極性放大器，通過(guò)比較3．3V電源電壓、3．3V備用電池電壓和地之間的電位，可檢測(cè)電源電壓的狀態(tài)．對(duì)＋24V電源的檢測(cè)，采用電阻分壓方法，并聯(lián)100nF電容濾除雜波．

二系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件編程在Keil的RVMDK4．70上用C語(yǔ)言完成．電機(jī)控制板程序由串口中斷及參數(shù)設(shè)置程序、時(shí)間掃描及電機(jī)工作程序兩部分組成．串口中斷程序用來(lái)接收串口信號(hào)，進(jìn)行握手判斷，進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置子程序；否則，進(jìn)入時(shí)間掃描程序．時(shí)間掃描程序用來(lái)定期讀取日歷芯片的時(shí)間參數(shù)，判斷是否運(yùn)行或結(jié)束電機(jī)工作程序．電機(jī)工作程序用來(lái)控制電動(dòng)機(jī)工作．首先，電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)長(zhǎng)度，當(dāng)?shù)竭_(dá)一個(gè)廣告畫(huà)面的長(zhǎng)度時(shí)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，靜止時(shí)間即為設(shè)定的廣告畫(huà)面的展示時(shí)間；電機(jī)繼續(xù)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)翻頁(yè)、靜止展示，直至最后一張畫(huà)面展示完畢．電動(dòng)機(jī)開(kāi)始逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)重復(fù)以上過(guò)程，轉(zhuǎn)動(dòng)翻頁(yè)—停止展示—轉(zhuǎn)動(dòng)翻頁(yè)，循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)直到系統(tǒng)判斷結(jié)束時(shí)間停止轉(zhuǎn)動(dòng)．圖4為電機(jī)控制板程序的流程圖．

三結(jié)論

本系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)借鑒無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)，使用STM32F103RB單片機(jī)為控制核心，充分利用其豐富的片內(nèi)資源．通用定時(shí)器TIMx模塊的串口、IIC通訊模塊的運(yùn)用，使電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單方便．IR2103驅(qū)動(dòng)芯片的死區(qū)時(shí)間保護(hù)，電壓、電流檢測(cè)電路，提高了整個(gè)電路安全性．比較其他形式戶(hù)外廣告技術(shù)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)方便、使用可靠，對(duì)電機(jī)控制領(lǐng)域的產(chǎn)品設(shè)計(jì)有參考借鑒意義．

作者：張弛李翔王亞亞張興敢單位：南京大學(xué)