基于STM32F103的深海遠(yuǎn)程電機(jī)控制系統(tǒng)

1、基于STM32F103的深海遠(yuǎn)程電機(jī)控制系統(tǒng) 學(xué)號： 123401姓名： 邵尉 深?？茖W(xué)考察所用的調(diào)查設(shè)備其動力系統(tǒng)往往采用鋰電池供02Jn有刷直流電機(jī)的方式，但鋰電池供電存在較多弊端，且有刷直流電機(jī)機(jī)械換相部分容易因工作環(huán)境的惡劣出現(xiàn)故障，針對這種情況設(shè)計了一種基于STM32F103微控制器的遠(yuǎn)程永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)。采用同軸電纜供電，使系統(tǒng)的運(yùn)行更加高效更加可靠，有效延長了作業(yè)時間。背景：STM32F103簡介總體評價總體評價：中等容量增強(qiáng)型，32位基于ARM核心的帶64或128K字節(jié)閃存的微控制器 USB、CAN、7個定時器、2個ADC 、9個通信接口 使用場合：使用場合： 電機(jī)驅(qū)動和應(yīng)

2、用控制 醫(yī)療和手持設(shè)備 PC游戲外設(shè)和GPS平臺 工業(yè)應(yīng)用：可編程控制器(PLC) 、變頻器、打印機(jī)和掃描儀 警報系統(tǒng)、視頻對講、和暖氣通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)一、系統(tǒng)控制原理一、系統(tǒng)控制原理能源與數(shù)據(jù)混合傳輸同軸電纜既給整個水下系統(tǒng)供電同時又提供了上位機(jī)和控制系統(tǒng)通信的線路，供電電壓為lkV。數(shù)據(jù)耦合通信模塊負(fù)責(zé)在同軸電纜上分離或疊加經(jīng)調(diào)制過的信號，而DCDC電源負(fù)責(zé)把同軸纜上的1kV高壓降為電機(jī)的300V工作電壓并產(chǎn)生供控制系統(tǒng)使用的15V電壓。STM32F103微控制器通過光耦隔離的RS232與數(shù)據(jù)耦合通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，即接收指令或反饋電機(jī)工作狀態(tài)。二、系統(tǒng)設(shè)計二、系統(tǒng)設(shè)計21 能源與數(shù)據(jù)混合傳

3、輸同軸電纜能源與數(shù)據(jù)混合傳輸同軸電纜是實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的關(guān)鍵部分?；旌蟼鬏斣砭褪窃诎l(fā)送端將直流電源和數(shù)據(jù)信號進(jìn)行疊加，然后通過同軸電纜實現(xiàn)耦合后的傳輸，在接收端再用濾波器將電源和數(shù)據(jù)分開，這樣只用一根同軸電纜就實現(xiàn)了對控制系統(tǒng)的供電和控制。22數(shù)據(jù)耦合通信模塊 數(shù)據(jù)耦合通信模塊主要由數(shù)據(jù)耦合器和調(diào)制解調(diào)電路兩部分構(gòu)成。調(diào)制解調(diào)電路對數(shù)據(jù)信號進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)處理以實現(xiàn)信號的遠(yuǎn)距離傳輸。數(shù)據(jù)耦合器實質(zhì)上就是濾波器，它是實現(xiàn)混合傳輸功能的主要部分。由于高壓功率電源和數(shù)據(jù)信號均要在此通過，故要求濾波網(wǎng)絡(luò)耐高壓，且傳輸功率信號損耗要小、效率高。該濾波網(wǎng)絡(luò)在同軸電纜的水上和水下兩端各有一組，其結(jié)構(gòu)完全相同。2

4、.3 PMSM電機(jī)電機(jī) PMSM按永磁體在轉(zhuǎn)子上安裝的方式不同可分為面裝式、內(nèi)插式和內(nèi)埋式。由于永磁體的磁導(dǎo)率十分接近空氣，面裝式的永磁體轉(zhuǎn)子交、直軸電感基本相等，屬于隱極式電機(jī)。由于其電感比較小，故可快速獲得感應(yīng)電流，且不會產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，因此轉(zhuǎn)矩的線性比較好。本設(shè)計所用的電機(jī)即采用了此結(jié)構(gòu)。2.4 IPM功率驅(qū)動和電流采樣模塊功率驅(qū)動和電流采樣模塊 本設(shè)計的功率部分采用了FAIRCHILD公司的 FSBB20CH60IPM模塊，該功率智能模塊集成的MOS管最大工作電壓為600V，最大工作電流20A，具有很強(qiáng)的自我保護(hù)電路，并帶有一路故障輸出。2 2. .5 5光耦隔離光耦隔離RS232RS2

5、32 為防止電機(jī)控制系統(tǒng)因高壓擊穿進(jìn)而損壞數(shù)據(jù)耦合通信模塊，在STM32F103微控制器和數(shù)據(jù)耦合通信模塊之間采取了光耦隔離措施。光耦隔離RS232的原理圖如圖6所示。隔離芯片采用4N35，由于光耦器件的速度限制且所需傳送的數(shù)據(jù)量較小，故RS232的通信速率設(shè)定為9600波特率。2 2. .6 STM32F1036 STM32F103微控制器微控制器 ST公司的STM32F103控制器采用了ARM公司最新的CortexM3內(nèi)核，哈佛結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)125DMIPSMHz，3級流水線并帶分支指令預(yù)測，采用Thumb-2指令集，最高工作頻率可達(dá)72MHz。STM32F103片上集成了一個高級定時器TIM

6、l，能夠輸出六路互補(bǔ)帶死區(qū)的PWM波，并且具有輸入打斷功能。當(dāng)功率器件上出現(xiàn)過流時使用打斷功能來關(guān)閉PWM輸出，保護(hù)功率器件J。電機(jī)控制軟件流程圖如圖7所示。2 2. .7 DC7 DCDCDC及電源管理模塊及電源管理模塊DCDC電源把同軸電纜上的1kV功率電壓降為電機(jī)的300V工作電壓并同時產(chǎn)生供FSBB20CH60功率模塊使用的15V電壓，該電壓為其集成MOS管的門極驅(qū)動電平。電源管理模塊則使用LM7805和LMlll7，把15V電壓進(jìn)一步降低，產(chǎn)生供ST粥2F103微控制器及控制系統(tǒng)中其它器件使用的33V電壓。三、系統(tǒng)性能三、系統(tǒng)性能 水上部分的電源采用高性能的穩(wěn)壓直流電源。以減少紋波干擾，輸出電壓為lkV。電機(jī)負(fù)載逐漸加大，實驗數(shù)據(jù)如表1所示。其中以、L和P。分別為穩(wěn)壓直流電源的輸出電壓、電流及功率，U、，1和P。分別是DCDC模塊的輸出電壓、電流及功率。實驗結(jié)果表明，從空載到接近額定功率范圍內(nèi)，STM32F103通過光耦隔離的RS232能夠正常的接收上位機(jī)發(fā)送的起停、加速減速指令，電機(jī)運(yùn)行良好，可見電機(jī)運(yùn)行時不影響同軸電纜上的正常通信，符合設(shè)計要求。四、總結(jié)四、總結(jié) 本文使用意法半導(dǎo)體公司的最A(yù)RMCortexM3微控制器STM32F103控