基于STM32的矿用电机车速度控制系统设计
0 引言
矿用电机车具有成本低、低速动力性能好以及承载重量大等优点，在煤矿井下运输中应用广泛。矿用电机车的应用既可提高煤矿井下的运输效率，又节约了能源消耗，且成本低，还能有效地减少事故的发生概率。由于该电机车采用常用的矿用直流电动机为牵引动力，其速度控制系统的性能直接影响着矿用电机车的整体性能,故为了提高调速性能，设计了一种基于STM32矿用电机车速度控制系统。
1 调速控制系统结构
整个调速系统以STM32为控制核心，是由速度环和电流环构成的双闭环控制系统，如图1所示。速度环根据编码器微分后获取的实际速度与给定速度的偏差信号，经速度调节器后输出参考电流，再与实际反馈得到的相电流信号比较，形成电流偏差信号，经电流调节后输出相应占空比的PWM信号，实现直流电动机速度的调节与控制。电流调节器作为控制内环，起稳定电流和抗电网电压波动的功能。通过电流紧随速度控制器输出变化，既保证电动机获得最大电流，又加快了整个控制过程；速度调节器作为控制外环，是双闭环控制系统的核心，起稳定转速和抗负载扰动的作用。
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软件部分采用PID控制算法优化调速控制系统。
图1 矿用电机车速度控制系统结构框图
2 系统硬件设计
矿用电机车速度控制系统的硬件主要包括主控电路、驱动电路、电流检测电路以及编码器测速电路等。
2.1 主控电路设计
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图2 主控电路图
2.2 驱动电路设计
电流检测电路如图4所示。在控制系统中，直流电动机的电流是通过功率驱动电路母线上的测量电阻进行采样检测的。测量电阻为两个并联的0.01 Ω的功率电阻，采样电阻将电流信号转换为电压信号，电压信号进过电流检测电路放大之后，再经过有源滤波电路的滤波，进而获得电流反馈信号，送入到主控芯片。
图3 驱动电路图
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从图3中看出，IRS21867S管的HIN与主控电路的PWM输入相连接，LIN与主控制器的I/O口相连接。当输出结果为高时，PA9输出PWM控制信号，PA8为低电平，PA10为高电平,此时Q2与Q7导通，电流经过Q2→直流电动机→Q7。当输出结果为高时，PA11输出PWM控制信号，PA8为高电平，PA10为低电平,此时，Q2与Q7导通，电流经过Q6→直流电动机→Q3。
2.3 电流采样检测电路设计
综合考虑功率管的开启电压、最大漏极电流、漏源击穿电压、功耗等因素，驱动电路选用IRS21867S电桥驱动器驱动H桥上的MOSFET，驱动电路原理如图3所示。IRS21867S是一种高电压、高速功率MOSFET驱动器，带有独立的高、低侧参考输出通道。
为提高运行速度和稳定性，故主控电路采用高性能、低成本与低功耗的STM32F103C8T6作为主控芯片，完成矿用电动机车控制指令的接收、反馈信号的处理和PWM控制信号的输出。主控电路的设计如图2所示。
3 系统软件设计
主要由主程序和中断服务程序构成。主程序主要是定义系统变量，初始化系统的各个子模块。系统的子模块初始化之后进入死循环，循环中通过中断程序控制PWM的占空比，来实现直流电动机PID的调速控制。程序流程控制如图5所示。
4 结论
为了满足矿用电动机车速度控制的需求，设计了一种基于STM32的矿用电动机车速度控制系统。
图4 电流检测电路图
图5 系统程序流程图
该系统采用STM32作为主控制器，其IRS21867S芯片作为电动机驱动器，光电编码器实现速度反馈，电流检测电路实现电流反馈，并通过PID算法调整PWM的占空比来完成矿用电动机车的调速控制。该系统应用在矿用电机车上，可增强系统的稳定性和安全性，保证了煤矿的安全开采。
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作者简介：冯冬生(1970—)，男，工程师。主要从事矿山机电控制技术。
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