CN220137326U - 基于stm32的开关磁阻电机调速实验系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于STM32的开关磁阻电机调速实验系统，包括PC上位机、STM32、光耦隔离驱动电路、功率变换器、开关磁阻电机、位置检测电路、电流检测电路、温度检测电路、过流过温保护电路、PWM风扇；PC上位机与STM32连接，STM32分别与光耦隔离驱动电路、开关磁阻电机、位置检测电路、电流检测电路、温度检测电路、过流过温保护电路以及PWM风扇连接，用于执行PC上位机下发的控制指令，以及采集相应的信息并上传至PC上位机。本实用新型的基于STM32的开关磁阻电机调速实验系统，有利于从业者以较低的成本作为开关磁阻电机控制器开发前的学习、实验，可广泛应用于开关磁阻电机调速实验系统。

Description

基于STM32的开关磁阻电机调速实验系统

技术领域

本实用新型涉及开关磁阻电机调速实验系统，尤其涉及一种基于STM32的开关磁阻电机调速实验系统。

背景技术

开关磁阻电机调速系统是继变频调速系统、无换向器电机调速系统之后发展的一种新型电机调速系统，具有结构简单、调速范围宽、可靠性高、控制变量多、高效率等一系列优点。其优良的技术性能和较高的经济指标使其逐渐成为直流电机调速和普通交流电机调速的有力竞争者，并引起业内学者的广泛重视。随着其推广应用，已经迅速在航空工业、家用电器、纺织机械、电动车驱动、伺服系统等各领域占据广泛市场。但是，目前开关磁阻电机调速应用控制器都已经在设计之初就优化并确定了各应用参数，控制器也进行了整体封装，对系统运行时的各项参数无法进行直观地观测，而且不能对其参数进行改变，因此迫切需要一种实验调速控制器，便于学习者能够任意选择控制方式及设置需要的各种控制参数，从而比较在不同参数下开关磁阻电机的运行性能，能够更深入、更直观地了解开关磁阻电机的调速系统。

现有技术公开了一种基于DSP处理器的开关磁阻电机教学实验系统，将PC机作为上位机实现虚拟仪器功能和控制平台，DSP作为下位机实现开关磁阻电机系统全数字控制，上位机通过串行通讯接口和下位机通讯，控制下位机系统运行。此实验系统可以有效解决上述问题，但是该系统主要适用于学校教学和研究，而对于企业，基于DSP处理器调速系统成本较高，而且DSP国产化替代方案较少，会给程序移植带来很大不便。因此，对于从业者，选择一款经济实用的MCU芯片设计开关磁阻电机调速实验系统作为控制器开发前的实验学习十分必要。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型的目的是提出一种基于STM32的开关磁阻电机调速实验系统。

本实用新型所采用的技术方案是：

一种基于STM32的开关磁阻电机调速实验系统，包括PC上位机、STM32、光耦隔离驱动电路、功率变换器、开关磁阻电机、位置检测电路、电流检测电路、温度检测电路、过流过温保护电路、PWM风扇；

PC上位机与STM32连接，STM32的输出端分别与光耦隔离驱动电路和PWM风扇连接，光耦隔离驱动电路的输出端连接功率变换器，PWM风扇作用于功率变换器，功率变换器的输出端分别连接开关磁阻电机和温度检测电路，开关磁阻电机的输出端分别与位置检测电路和电流检测电路相连，位置检测电路的输出端与STM32相连，电流检测电路和温度检测电路的输出端均与过流过温保护电路和STM32连接，过流过温保护电路的保护信号输送至光耦隔离驱动电路和STM32。

进一步地，所述开关磁阻电机调速实验系统还包括电源管理电路；

所述STM32、光耦隔离驱动电路、位置检测电路、电流检测电路、温度检测电路、过流过温保护电路组成控制驱动模块；

所述电源管理电路分别与功率变换器、PWM风扇和控制驱动模快连接。

进一步地，所述PC上位机包括通信设置模块和显示模块；其中所述通信设置模块用于设置PC上位机与STM32之间的通信参数。

进一步地，所述STM32采用的芯片型号为STM32H743VIT6。

进一步地，所述PC上位机与STM32之间采用USB转串口的方式进行通信。

进一步地，通过CH340T芯片实现PC上位机的USB接口转换为与STM32相连接的UART接口。

进一步地，所述功率变换器采用不对称半桥电路进行搭建。

进一步地，所述功率变换器中使用的开关器件分别是MOSFET器件和开关二极管。

进一步地，所述MOSFET器件的型号为2SK3878，开关二极管的型号为MURF1560。

进一步地，所述的过温过流保护电路使用运算放大器作为比较器进行搭建，其中运算放大器的型号为LM393。

本实用新型的有益效果是：本实用新型的基于STM32的开关磁阻电机调速实验系统有利于从业者以较低的成本作为开关磁阻电机控制器开发前的学习、实验，同时也适用于高校的学习者更深入、更直观地了解开关磁阻电机调速系统，为课程设计、毕业设计和相关研究提供实验条件。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本实用新型实施例中一种基于STM32的开关磁阻电机调速实验系统的结构框图；

图2是本实用新型实施例中STM32与PC上位机通信接口硬件电路图；

图3是本实用新型实施例中功率变换器的电路图；

图4是本实用新型实施例中过流过温保护电路的示意图。

具体实施方式

本部分将详细描述本实用新型的具体实施例，本实用新型之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本实用新型的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本实用新型保护范围的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本实用新型的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本实用新型中的具体含义。

如图1所示，本实施例提供一种基于STM32的开关磁阻电机调速实验系统，该实验系统便于从业者开发开关磁阻电机控制器的开发实验，而且实验后的程序也能方便移植到STM32系列MCU中，并且国内很多MCU与STM32兼容，控制器国产化可替代方案较多，程序移植方便。该实验系统同时也能用于高校教学和研究，加深学习者对开关磁阻电机调速系统更深入、更直观地了解。该实验系统具体包括：PC上位机、STM32、光耦隔离驱动电路、功率变换器、开关磁阻电机、位置检测电路、电流检测检测电路、温度检测电路、过流过温保护电路、PWM风扇、电源管理电路。其中将STM32、光耦隔离驱动电路、位置检测电路、电流检测电路、温度检测电路、过流过温保护电路合称为控制驱动模块。

PC上位机与STM32连接，STM32的输出端分别与光耦隔离驱动电路和PWM风扇连接，光耦隔离驱动电路的输出端与功率变换器连接，PWM风扇作用于功率变换器，功率变换器的输出端分别接开关磁阻电机和温度检测电路，开关磁阻电机的输出端分别与位置检测电路和电流检测电路相连，位置检测电路输出端与STM32相连，电流检测电路和温度检测电路的输出端均与过流过温保护电路和STM32连接，过流过温保护电路的保护信号分别与光耦隔离驱动电路和STM32连接、电源管理电路分别与功率变换器、PWM风扇和控制驱动模快连接。

在本实施例中，PC上位机与STM32下位机通过USB转串口实现串口双向通信，PC上位机向STM32发送控制指令，包括控制方式指令、控制参数指令、电机运行指令，STM32按照接收到的指令控制开关磁阻电机。同时STM32将采集到的转子位置、相电流、温度数据、过流过温保护电路的故障信号以及STM32估算的速度、转矩和电机的运行状态传送给PC上位机完成数据的显示和数据的存储。STM32作为控制器，主要完成控制策略的实现，完成转子位置、相电流、功率变换器温度数据采集，故障信息采集，PWM风扇控制。通过在PC上位机发送的控制指令，使开关磁阻电机在某种控制策略下能够得到平稳运行的结果。

作为一种可选的实施方式，参见图2，本实施例采用USB转串口方案实现PC上位机和STM32的串行双向通信，计算机USB接口的电气特性规定的电压是5V，STM32支持的电压是3V，两者之间数据传输的电平并不兼容，因此需要在STM32的电平和USB电平之间进行转换，本实施例使用CH340T芯片完成计算机的USB接口转换成STM32的UART接口。图2中增加了Type-C接口，便于计算机使用USB Type-C数据线与实验板连接，Type-C接口和CH340T芯片连接，二者供电一致，由USB接口总线进行5V供电，STM32由3V供电，CH340T的TXD引脚接STM32的RX引脚连接，CH340T的RXD引脚接STM32的TX引脚，CH340T将USB数据传输电平和STM32的数据传输电平进行了统一。

作为一种可选的实施方式，参见图3，图3为本实用新型功率变换器采用的不对称半桥电路图，其中电源由电源管理模块进行供电，A、B、C为开关磁阻电机的各相绕组的接线端子，开关器件使用MOSFET器件和开关二极管。以A相为例说明功率变换器的工作过程，功变换器接收光耦隔离驱动的PWMA1和PWMA2信号，当K1和K4导通时，电源给Us给电机A相绕组供电励磁，当K1和K4关断时，开关二极管D1和D4导通，给电机A相绕组续流，将磁能转化为电能回馈给电源，当各相交替轮流导通时，开关磁阻电机开始旋转。选用该电路的优点是电机各相绕组连接于桥臂上下两主开关器件，不存在直通问题，各相电路独立工作，可靠性高，控制灵活，此外该电路电源利用率高，适用于任意相数的电机。

作为一种可选的实施方式，参见图4，本实施例采用运算放大器搭建过温过流比较电路，运放放大器选用的是LM393芯片。运放的反向输入端接入电流上限或温度上限对应的基准电压值Vref，运放正向输入端接入电流或温度检测电路传送过来的电压值Vin，两个电压值进行比较，当Vin大于Vref时运放的Vout输出高电平信号，当Vin小于等于Vref时Vout输出低电平信号，此信号为光耦隔离驱动的制动信号，同时将该信号进行调理后作为过流过温信号传给STM32。

作为一种可选的实施方式，PC上位机上设有显示模块，通过显示界面显示由STM32采集并上传的信息，方便用户及时且直观地获得当前实验系统的运行状况。

以上是对本实用新型的较佳实施进行了具体说明，但本实用新型并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种基于STM32的开关磁阻电机调速实验系统，其特征在于，包括PC上位机、STM32、光耦隔离驱动电路、功率变换器、开关磁阻电机、位置检测电路、电流检测电路、温度检测电路、过流过温保护电路、PWM风扇；

PC上位机与STM32连接，STM32的输出端分别与光耦隔离驱动电路和PWM风扇连接，光耦隔离驱动电路的输出端连接功率变换器，PWM风扇作用于功率变换器，功率变换器的输出端分别连接开关磁阻电机和温度检测电路，开关磁阻电机的输出端分别与位置检测电路和电流检测电路相连，位置检测电路的输出端与STM32相连，电流检测电路和温度检测电路的输出端均与过流过温保护电路和STM32连接，过流过温保护电路的保护信号输送至光耦隔离驱动电路和STM32。

2.根据权利要求1所述的一种基于STM32的开关磁阻电机调速实验系统，其特征在于，所述开关磁阻电机调速实验系统还包括电源管理电路；

所述STM32、光耦隔离驱动电路、位置检测电路、电流检测电路、温度检测电路、过流过温保护电路组成控制驱动模块；

所述电源管理电路分别与功率变换器、PWM风扇和控制驱动模快连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于STM32的开关磁阻电机调速实验系统，其特征在于，所述PC上位机包括通信设置模块和显示模块；其中所述通信设置模块用于设置PC上位机与STM32之间的通信参数。

4.根据权利要求1所述的一种基于STM32的开关磁阻电机调速实验系统，其特征在于，所述STM32采用的芯片型号为STM32H743VIT6。

5.根据权利要求1所述的一种基于STM32的开关磁阻电机调速实验系统，其特征在于，所述PC上位机与STM32之间采用USB转串口的方式进行通信。

6.根据权利要求5所述的一种基于STM32的开关磁阻电机调速实验系统，其特征在于，通过CH340T芯片实现PC上位机的USB接口转换为与STM32相连接的UART接口。

7.根据权利要求1所述的一种基于STM32的开关磁阻电机调速实验系统，其特征在于，所述功率变换器采用不对称半桥电路进行搭建。

8.根据权利要求1或7所述的一种基于STM32的开关磁阻电机调速实验系统，其特征在于，所述功率变换器中使用的开关器件分别是MOSFET器件和开关二极管。

9.根据权利要求8所述的一种基于STM32的开关磁阻电机调速实验系统，其特征在于，所述MOSFET器件的型号为2SK3878，开关二极管的型号为MURF1560。

10.根据权利要求1所述的一种基于STM32的开关磁阻电机调速实验系统，其特征在于，所述的过流过温保护电路使用运算放大器作为比较器进行搭建，其中运算放大器的型号为LM393。