CN103956945A - 通用型低速电机精确转速与转角控制装置与方法 - Google Patents

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李艳
刘俊杰
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Abstract

通用型低速电机精确转速与转角控制装置与方法，采用传感器与控制器的闭环控制系统结构，包括：陀螺仪传感器电路，用于获取电机的角速度；红外接收电路；用于获取接收红外遥控器发出的指令；电机驱动电路，用于驱动电机启停与加减速；接口与指示电路，用于外接直流电机、步进电机和舵机，并发出指示信号；微控制器电路，接收所述陀螺仪传感器电路、红外接收电路所获取的数据，向直流电动机驱动电路发出控制信号，并控制指示电路发出指示信号；通过角速度闭环可精确控制角速度，通过角速度对时间积分成角度的闭环能精确控制转角。

Description

通用型低速电机精确转速与转角控制装置与方法
技术领域
本发明属于自动化技术领域，特别涉及一种通用型低速电机精确转速与转角控制装置与方法。
背景技术
近年来，工业传动系统、机器人和机械臂的大量使用使得大扭矩、低转速的电机应用越来越广泛，传统的旋转编码器测量直流电机转速的方法在低速电机中的优势并不明显，编码器的价格相当高、需要光耦隔离，所以接线较复杂；步进电机和舵机虽然能通过步数或脉冲数计算转角，但在复杂环境中，会出现失步现象，导致控制不精确；精确控制中的伺服电机虽可以减少此类情况发生，但价格仍居高不下；
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种通用型低速电机精确转速与转角控制装置与方法，采用传感器与控制器的闭环控制系统结构，适宜在机械臂、低速电机转角控制上使用。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
通用型低速电机精确转速与转角控制装置，采用传感器与控制器的闭环控制系统结构，包括：
陀螺仪传感器电路1，用于获取电机的角速度；
红外接收电路2，用于接收红外遥控器发出的指令；
电机驱动电路3，用于驱动电机启停与加减速；
接口与指示电路4，用于接直流电机、步进电机或舵机，发出指示信号；
微控制器电路5，接收所述陀螺仪传感器电路1、红外接收电路2所获取的数据，向电动机驱动电路3发出控制信号，并控制指示电路4发出指示信号；通过得到的角速度闭环精确控制转速，通过角速度对时间积分成角度的闭环精确控制转角。
所述的微控制器电路5中的微控制器采用ST公司型号为STMF030F4的32位微控制器，附有电源电路，使用两节5号干电池，总电压为3V；所述的陀螺仪传感器电路1采用ST公司的型号为LPY530AL的陀螺仪；所述的红外接收电路2中，所使用的红外接收头型号为HS0038B；所述的电机驱动电路3采用ULN2003芯片。
本发明同时提供了一种通用型低速电机精确转速与转角控制方法，获取电机的角速度，当与预设的角速度不一致时，通过驱动电路控制电机转动速度，并通过获取的角速度与采集周期时间进行积分成角度，当得出的结果与预设不一致时，通过PID算法控制电机转角。
与现有技术相比，本发明能实现低转速电机的精确转速与转角的控制，转速控制精度可达1°/秒，转角控制精度可达0.5°；在低转速下可替代高成本的编码器测速，成本较现有位置式编码器降低90%，还能简化电路，从而降低干扰，增强可靠性；红外遥控的加入，可任意设置角速度与角度，使得诸如机械臂等设备的操作变得简单；能够能为企业降低成本，应用前景覆盖工业现场，救灾现场的机械臂；还能扩展到更多设备，如精确转速与转角座椅，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明的系统原理图。
图2为陀螺仪传感器电路。
图3为红外接收电路。
图4为电动机驱动电路。
图5为接口与指示电路。
图6为微控制器电路。
图7为控制算法流程图。
图8为红外遥控示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
参考图1，本发明通用型低速电机精确转速与转角控制装置与方法，包括陀螺仪传感器电路1，红外接收电路2，电机驱动电路3，接口与指示电路4和微控制器电路5。在硬件连接关系上，陀螺仪传感器电路1的输出端与微控制器电路5的输入端相连接；红外接收电路2的输出端与微控制器电路5的输入端相连接；电机驱动电路3的输入端与微控制器电路5的输出端相连接，接口与指示电路中4的输入端与微控制器电路5的输出端相连接。
参考图2，陀螺仪传感器电路1采用ST公司的LPY530AL陀螺仪传感器，其轴旋转的角速度与输出电压成正比关系；Z轴输出端OUTZ输出电压对应的角度范围为-300°/秒～+300°/秒，电容C2和C5，电阻R2、R4与OUTZ、4xINZ和Vref管脚相连接后再与内部的运算放大器构成放大电路，放大倍数为4，对应的放大输出端为4xOUTZ，最大输出电压为2.46V，对应+1200°/秒，最小值为0V，对应-1200°/秒，静止时为1.23V；电容C1、C3与电阻R3组成振荡器，为LPY530AL提供外部时钟信号。
参考图2和图6，陀螺仪传感器电路1中，陀螺仪LPY530AL的Z轴输出端4xOUTZ与STMF030F4的PA4端相连接；LPY530AL的PD端为睡眠模式选择端，当系统工作时应避免睡眠模式，需将PD端接地；LPY530AL的ST端为自检功能端，系统工作时不进行自检，需将ST端接地；LPY530AL的HP端为高通滤波器复位选择端，当HP为高电平时，使高通滤波器复位，与STMF030F4的PA6端相连接。
参考图3，红外接收电路2中，红外接收芯片为HS0038B，在其输出端接一个发光二极管，用于指示接收信号，并通过上拉电阻接到3V电源。
参考图3和图6，所述的红外接收电路，HS0038B的输出端OUT与STMF030F4的PB1脚相连接；HS0038B接收红外信号频率为38kHz，当STMF030F4接收到信号后通过PB1管脚对应的定时器进行软件解码，即可确定红外遥控的按键键值，从而做出输出相应指令向微控制器。
参考图4，电动机驱动电路3中，使用的驱动芯片为ULN2003，其为高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN达林顿管组成，工作电压最高可达50V，最大灌电流可达500mA，可驱动直流电机，二相步进电机和舵机；本发明中使用了IN1～IN5，对应的输出端是OUT1～OUT5，OUT1接到直流电机的电枢一端，也与步进电机的A相相连接，OUT2与步进电机的B相连接，OUT3与步进电机的相连接，OUT4与步进电机的相连接，OUT5与蜂鸣器的负极相连接，用于驱动蜂鸣器，驱动电路的电源VCC端可外接电压，最大电压可达50V，可用于驱动不同功率的电机。
参考图4和图6，电机驱动电路3中，ULN2003的IN1～IN5端分别与STM32F030x4的PA0、PA1、PA2、PA3和PA6相连接，当外接直流电机时，只需通过PA0向驱动芯片输出与转速相关占空比的PWM即可；当外接二相步进电机时，应通过PA0～PA3输出控制信号控制步进电机启停与加减速；当外接舵机时，可通过PA3控制高电平输出的时间来控制舵机的转角。
参考图5和图6，接口与指示电路4中，接口P2中DC_Motor端可外接直流电动机的电枢一端，另一端接电源正极；接口P3中A、、B和可外接二相步进电机；接口P4中可外接舵机；LED4、LED3和LED2为指示信号，当通过遥控器选择直流电机、步进电机或舵机接入时，软件内将对应LED闪烁指示；蜂鸣器BUZZER在转角达到预设值时发出声音指示。
参考图6，微控制器电路5包含其外围电路包括晶振电路，为微控制器提供外部时钟信号，晶振为无源晶振Y1为8MHz,电容C4，C6容值均为10pF，P1接口为仿真下载电路用于连接ST-LINK仿真器、只需4根线即可；复位电路由按键B1和100nF的电容C7、10KΩ电阻R5和1K电阻R6组成；微控制器采用STMF030F4，Cortex-M0内核的32位微控制器，其主频为48MHz，能满足实时控制的要求，并包含4Kbyte的SRAM，16Kbyte的Flash，4个16位的定时器，可配置成PWM模式，用来为电机提供驱动信号、输入捕捉模式可接收HS0038B的数据；本发明使用了该微控制器的定时器TIMER模块，用于向电机驱动电路发出PWM信号控制电机转动角速度和角度；ADC模块用于转换陀螺仪传感器的模拟量，外部中断模块用于接收红外遥控发出的数据，普通GPIO模块用来控制LED、蜂鸣器发出指示信号；
参考图7、图2和图6，通过STMF030F4的ADC采集到的陀螺仪电压值，转换为角速度，形成闭环可精确控制角速度，通过角速度对时间积分成角度的闭环能实现转角的精确控制。例如，若通过红外遥控设置电机转动角速度为500°/秒，角度为45°，具体过程如图7所示：STMF030F4的定时器每隔0.01秒采集一次电压值Voltage；根据图2的分析可计算角速度关系，可计算出本周期角速度为Cur_Rate=976*Voltage-1200，积分角度Cur_Deg=Cur_Deg+0.01*Cur_Rate；本周期角速度偏差E0_Rate=500-Cur_Rate，角度偏差为E0_Deg=45-Cur_Deg；判断角速度偏差|E0_Rate|若满足小于1°/秒的条件，角速度控制量输出为0，否则角速度控制量输出为Un_Rate=Rate_Kp*E0_Rate+Rate_KI*E1_Rate+Rate_Kd*E2_Rate，其中，E1_Rate和E2_Rate分别为角速度上一周期的偏差和上上一周期的偏差；同理，判断角度偏差|E0_Deg|若满足小于0.1°的条件，角度控制量输出为0，否则角度控制输出为Un_Deg=Deg_Kp*E0_Deg+Deg_KI*E1_Deg+Deg_Kd*E2_Deg，其中，E1_Deg和E2_Deg分别为角度上一周期的偏差和上上一周期的偏差；计算总控制量Un=Un_Rate+Un_Deg；根据本次总控制量更新占空比输出；将本次的偏差作为上一周期偏差使用E0_Rate=E1_Rate，E0_Deg=E1_Deg，将上一周期偏差作为上上一周期偏差使用E1_Rate=E2_Rate，E1_Deg=E2_Deg；软件上循环以上步骤即可形成闭环控制系统，就能实现角速度与角度的精确控制。
参考图8，红外遥控示意图中，按键分为0～9阿拉伯数字，“P”为电源键，“Y”为确认键，”+””-”按键控制电机加减速，阿拉伯数字输入电机角速度，按“Y”确认，再输入电机转角按“Y”确认，再按“Y”确认，系统自动进入闭环程序，实现角速度与角度的精确控制。

Claims (3)

1.通用型低速电机精确转速与转角控制装置，其特征在于，采用传感器与控制器的闭环控制系统结构，包括：
陀螺仪传感器电路（1），用于获取电机的角速度；
红外接收电路（2），用于接收红外遥控器发出的指令；
电机驱动电路（3），用于驱动电机启停与加减速；
接口与指示电路（4），用于接直流电机、步进电机或舵机，发出指示信号；
微控制器电路（5），接收所述陀螺仪传感器电路（1）、红外接收电路（2）所获取的数据，向电动机驱动电路（3）发出控制信号，并控制指示电路（4）发出指示信号；通过得到的角速度闭环精确控制转速，通过角速度对时间积分成角度的闭环精确控制转角。
2.根据权利要求1所述的通用型低速电机精确转速与转角控制装置，其特征在于，所述的微控制器电路（5）中的微控制器采用ST公司型号为STMF030F4的32位微控制器，附有电源电路，使用两节5号干电池，总电压为3V；所述的陀螺仪传感器电路（1）采用ST公司的型号为LPY530AL的陀螺仪；所述的红外接收电路（2）中，所使用的红外接收头型号为HS0038B；所述的电机驱动电路（3）采用ULN2003芯片。
3.通用型低速电机精确转速与转角控制方法，其特征在于，获取电机的角速度，当与预设的角速度不一致时，通过驱动电路控制电机转动速度，并通过获取的角速度与采集周期时间进行积分成角度，当得出的结果与预设不一致时，通过PID算法控制电机转角。
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