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1、基于STM32F103的深海远程电机控制系统 学号： 123401姓名： 邵尉 深海科学考察所用的调查设备其动力系统往往采用锂电池供02Jn有刷直流电机的方式，但锂电池供电存在较多弊端，且有刷直流电机机械换相部分容易因工作环境的恶劣出现故障，针对这种情况设计了一种基于STM32F103微控制器的远程永磁同步电机控制系统。采用同轴电缆供电，使系统的运行更加高效更加可靠，有效延长了作业时间。背景：STM32F103简介总体评价总体评价：中等容量增强型，32位基于ARM核心的带64或128K字节闪存的微控制器 USB、CAN、7个定时器、2个ADC 、9个通信接口 使用场合：使用场合： 电机驱动和应
2、用控制 医疗和手持设备 PC游戏外设和GPS平台 工业应用：可编程控制器(PLC) 、变频器、打印机和扫描仪 警报系统、视频对讲、和暖气通风空调系统一、系统控制原理一、系统控制原理能源与数据混合传输同轴电缆既给整个水下系统供电同时又提供了上位机和控制系统通信的线路，供电电压为lkV。数据耦合通信模块负责在同轴电缆上分离或叠加经调制过的信号，而DCDC电源负责把同轴缆上的1kV高压降为电机的300V工作电压并产生供控制系统使用的15V电压。STM32F103微控制器通过光耦隔离的RS232与数据耦合通信模块进行数据交换，即接收指令或反馈电机工作状态。二、系统设计二、系统设计21 能源与数据混合传
3、输同轴电缆能源与数据混合传输同轴电缆是实现远程控制的关键部分。混合传输原理就是在发送端将直流电源和数据信号进行叠加，然后通过同轴电缆实现耦合后的传输，在接收端再用滤波器将电源和数据分开，这样只用一根同轴电缆就实现了对控制系统的供电和控制。22数据耦合通信模块 数据耦合通信模块主要由数据耦合器和调制解调电路两部分构成。调制解调电路对数据信号进行调制和解调处理以实现信号的远距离传输。数据耦合器实质上就是滤波器，它是实现混合传输功能的主要部分。由于高压功率电源和数据信号均要在此通过，故要求滤波网络耐高压，且传输功率信号损耗要小、效率高。该滤波网络在同轴电缆的水上和水下两端各有一组，其结构完全相同。2
4、.3 PMSM电机电机 PMSM按永磁体在转子上安装的方式不同可分为面装式、内插式和内埋式。由于永磁体的磁导率十分接近空气，面装式的永磁体转子交、直轴电感基本相等，属于隐极式电机。由于其电感比较小，故可快速获得感应电流，且不会产生磁阻转矩，因此转矩的线性比较好。本设计所用的电机即采用了此结构。2.4 IPM功率驱动和电流采样模块功率驱动和电流采样模块 本设计的功率部分采用了FAIRCHILD公司的 FSBB20CH60IPM模块，该功率智能模块集成的MOS管最大工作电压为600V，最大工作电流20A，具有很强的自我保护电路，并带有一路故障输出。2 2. .5 5光耦隔离光耦隔离RS232RS2
5、32 为防止电机控制系统因高压击穿进而损坏数据耦合通信模块，在STM32F103微控制器和数据耦合通信模块之间采取了光耦隔离措施。光耦隔离RS232的原理图如图6所示。隔离芯片采用4N35，由于光耦器件的速度限制且所需传送的数据量较小，故RS232的通信速率设定为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内核，哈佛结构上实现125DMIPSMHz，3级流水线并带分支指令预测，采用Thumb-2指令集，最高工作频率可达72MHz。STM32F103片上集成了一个高级定时器TIM
6、l，能够输出六路互补带死区的PWM波，并且具有输入打断功能。当功率器件上出现过流时使用打断功能来关闭PWM输出，保护功率器件J。电机控制软件流程图如图7所示。2 2. .7 DC7 DCDCDC及电源管理模块及电源管理模块DCDC电源把同轴电缆上的1kV功率电压降为电机的300V工作电压并同时产生供FSBB20CH60功率模块使用的15V电压，该电压为其集成MOS管的门极驱动电平。电源管理模块则使用LM7805和LMlll7，把15V电压进一步降低，产生供ST粥2F103微控制器及控制系统中其它器件使用的33V电压。三、系统性能三、系统性能 水上部分的电源采用高性能的稳压直流电源。以减少纹波干
7、扰，输出电压为lkV。电机负载逐渐加大，实验数据如表1所示。其中以、L和P。分别为稳压直流电源的输出电压、电流及功率，U、，1和P。分别是DCDC模块的输出电压、电流及功率。实验结果表明，从空载到接近额定功率范围内，STM32F103通过光耦隔离的RS232能够正常的接收上位机发送的起停、加速减速指令，电机运行良好，可见电机运行时不影响同轴电缆上的正常通信，符合设计要求。四、总结四、总结 本文使用意法半导体公司的最ARMCortexM3微控制器STM32F103控制PMSM电机，STM32F103具有高速双AD、高级定时器等电机控制所必须的电路，且具有较高的工作频率。同时利用数据与能源混合传输技术，实现了既对深海动力设备供电又能进行远程控制，克服了使用锂电池供电的诸多弊病。
