使用STM32代替PLC开发负压隔离舱

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其中:
Nz ef表示体系中的输入量也就是给定压差值;
n表示系统中的反馈量也就是当前压差值。
与无刷电机常用的双闭环调速结构(电流反馈和速度反馈)不同，前者是以电机转
速为目标值的，而在负压隔离舱调速体系中，目标值为气体压差值，因此采用气压值反
馈调节的单闭环反馈方式。该反馈方式的优点是电路结构简单、可靠性高、寿命长，但
也具有一些缺点，如单闭环反馈调压不够精确等。因此需要采用合适的算法来弥补这方
面的不足，具体方法请看第四章。

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无刷直流电机工作环节中，启动过程至关重要，他直接影响电机后续的控制方法和
策略，因此对无刷直流电机启动方式进行简单介绍。目前，无刷直流电机最常用的启动
方法为三段式启动法，该方法具有控制策略简单，可靠性高等优点。从启动过程上可分
为以下三个阶段:转子预定位、开环加速控制和闭环控制切换。以下是这个方法的详细
过程描述。
   (1)转子预定位
电机转子在停机时具有的不确定性，导致了起始功率管的导通相是无法提前知道
的，因此，需要人为的控制转子的起始位置。通常做法是给定一个合成磁场，当启动程
序开始运行的时候，应先将AB相的功率管维持足够长导通时间。转子磁极和合成磁场
相重合时即可定位转子。通过上述操作可以判定接下来需要导通的功率管是AC相。
理论上来讲，在无外界干扰的环境下，转子不通电时会产生磁极方向和合成磁场的
轴线成180度的情况，这种情况就是锁死点。但在实际上，外界会存在振动等干扰，经
常会破坏这种不稳定的状态。所以，通过这种方法实现定位是行的。并且，在轴线重合
时，转子会处于摆动的情况。必须将这些特殊的极限情况考虑在内，然后通过电机的机
械特征来确定初始状态下需要加载的电压幅值和时间等情况。转子预定位是电机启动的
前提，只有成功定位，功率管才能参照功率开关逻辑表来控制电机的加速。
   (2)开环加速控制
电机完成转子预定位之后，对功率开关逻辑表进行查询，按照逻辑表来依次导通功
率管开关。并且通过提高电平压值和减小切换周期来完成转子加速旋转过程，其中，增
加电压值是通过增加PWM的占空比来实现。一直加速至反电动势过零点，即完成了基本
检测条件和进行闭环控制的准备。在开环加速的过程中，主要是要控制电压的增量。同
时机械特性能够最大程度的满足负载情况，在最佳换相点进行换相。为了防止电机失步，
需要使电机转子的运转能够和开环信号同步进行。
   (3)闭环控制切换
闭环控制切换的成功与否与电机是否能正常启动密切相关。通过控制变量T设定开
环加速整个过程用的时间，开环控制过程中经过设定的周期加速之后，表明此时的信号
转速不小于预设的参考转速。因此，程序会转入到三相电压的检测，以及对反电动势的
过零点信息进行检测。
经过微处理器计算就可以得知现在的转速;根据转子的转速情况以及控制策略调节
PWM的占空比，将检测到的过零点信号与开关功率表中的信息进行对比。如果过零点信
号有连续三次正确的情况，那么就认为电机已经满足了所要求的最佳换相的逻辑情况，
也就是说此时能够切换到闭环控制而不出现振荡。而如果转子转速已经达到了参考转
速，假定当前处于上升沿换相。这时检测到的信息显示开环控制信号滞后于反电动势的
换相信号，这时候应该减小占空比，使电机能够减慢转速以匹配外部的同步信号;
在相反的情况下，也进行同样的操作，一直到满足电机最佳换相逻辑情况，即三次
连续正确过零点信号。

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负压隔离舱控制系统主要由电源模块、上位机监控模块、下位机控制模块、气压采
集模块、险情报警模块、电机驱动模块、电量采集模块等几部分组成。
该系统采用STM32F103VBT6作为电路主控芯片，采用MC33035芯片作为直流无刷电
机控制芯片。电机转速控制的实现是通过STM32自身定时器输出PWM波到专用的直流无
刷电机控制芯片MC33035中，控制mos管的开关状态以及导通时间，实现电机的运转。
同时，气压差采集模块将当前压差值，转换成电压的形式传递给STM32芯片。STM32芯
片将该信号与目标值做差，然后通过PWM波的形式输入到MC33035芯片11管脚，通过
对误差信号进行放大，从而实现负压隔离舱压差值的反馈控制。
电机转子定位是通过霍尔传感器将电机转子位置信息分别反馈到MC33035芯片的
4, 5, 6管脚，这三个管脚为电机管脚位子输入端，从而实现电机转子定位。MC33035
通过参考电机换相逻辑表结合当前转子位子，控制功率管的开关时间，完成直流无刷电
机的转子换相，采用霍尔传感器来控制电机换相是一种机械换相的方式，这种方式能够
减轻软件部分的复杂程度，同时提高了换相的可靠性。
当舱体气压出现异常或控制系统电量过低时，启动报警功能。整个系统采用12V直
流供电，负压隔离舱的当前气压可以通过液晶屏显示。当完成zigbee无线组网后，舱
内当前气压值会通过无线传输的方式实时传送到上位机，实现负压隔离舱的集中监控和
数据保存。

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由图3-2可知芯片具有以下特点:
.工作主频72MHz，运算速度可以每秒处理125万条指令，其大的计算能力可以胜任
复杂的矢量算法;
.该芯片内核所以采用的是Cortex-M3，代码采用16位二进制字符串实现，却使得该
处理器具有32位的性能;
.低能耗，相对节能;
.具有丰富的GP工0，为后期功能的拓展提供了方便;
.众多的通信接口:2个USART, CAN2.OB, USB2.0，工'C, SP工等;
.强劲的外设:两个A/D，两个高级T工Mo
由以上特点可以看出，STM32F103CBT6不仅具有小巧轻便的特点，而且内置丰富，
外设强大，存储容量也完全能够满足负压隔离舱控制系统的性能要求。可以使该处理器
轻松实现信息的采集和存储、中断信号的快速处理功能、负压隔离舱内气压实现稳压控
制的功能。

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图3-3所示为负压隔离舱电压转换电路，该电路选用LM1117MPX-5芯片作为电压转
换芯片，该芯片的主要功能是将外电路12V电压减小为5V电压。常规情况下LM1117MPX-5
芯片输出的电流大小为1A，且可以同时输出多个不同等级的电压，具有降低电压多路输
出的优点。上图中电容C1, C2和电容C4, C5为旁路去藕电容，通过在输入端并联两
个电解电容，保证了电压的稳定输入。同理，LM1117MPX-3.3是一种DC-DC的电压转换
芯片，将5V电压转换为3. 3V电压，为各个模块提供3. 3V的电源输入。
LM1117采用的是斩波变压的方式，这种方法通过电路中电解电容C1, C2的作用可
以有效的过滤高频干扰信号。电容C4, C5可以滤除低频干扰信号，这样的设计使输入
电压集中在一定的频率，避免了干扰信号的影响，为电机转速的调节提供了保障。
由于电路中存在多个隔离电路，因此需要对供电电路进行隔离。系统采用现成的电
源隔离模块，经过对众多产品的筛选，最终选择金升阳公司生产的B0505S-1W系列DC/DC
电源隔离模块。
该产品具有以下特点:
.效率高达75%;
.工作温度范围:-40一+850C ;
内部贴片化设计;
无需外加元件;
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外壳采用阻燃耐热塑料;
工作频率:60KHZ;
输入电压5VDC;
输出电压5VDC;
最大电流1A;
最小电流40mAo
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