使用STM32代替PLC开发负压隔离舱

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选用型号为PT201的国产压差传感器，
0-200Pa，采用12V直流供电，输出为4-20mA
该传感器测形式为气压差，测量范围为
电流环信号，精度为0. 5Pa。由于STM2
的AD只能接受0-3. 3V的电压输入，因此在传感器信号输入到STM32之前，需要先将该
信号转换成为电压信号。考虑到负压隔离舱控制系统对传感器反馈信号的保真度要求极
高，普通工/V电路可能会有电磁干扰、高频信号干扰等情况出现，因此需要对输入信号
进行放大和隔离，来减小传感器信号失真。选用型号为IPO OC-U4-P2-A4的UV转换器，
该集成元器件可以直接将4-20mA的电流环信号转换为0-2._5 V的电压信号，直接输入
STM32的IO引脚。下图3-9为IPO OC-U4-P2-A4集成元件的内部结构图及实物图。

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通过MC33035芯片与三相逆变电路实现无刷直流电机的驱动控制，由霍尔传感器将
当前转速信息反馈到STM32中，与预定转速对比，然后输出控制信号到芯片MC33035中，
调节电机转速，最终实现负压隔离舱稳压运行的目的。
MC33035芯片是由安森美公司研发生产的无刷直流电机控制专用芯片，该芯片由转
子位置传感器译码电路、带温度补偿的内部基准电源、频率可设定的锯齿波振荡器、误
差放大器、脉宽调制(PWM)比较器、输出驱动电路、欠压封锁保护、芯片过热保护等
故障输出电路和限流电路等几部分组成。MC33035芯片具有丰富的电机控制功能，常用
的控制功能包括PWM速度控制、启停控制、正反转控制、相位选择等。出于负压隔离舱
用途考虑，本文主要涉及到PWM速度控制和启停控制。由于负压隔离舱电机转向已经固
定，因此不涉及正反转控制。MC33035芯片内部自带转子位置传感器译码电路，该电路
能够有效实现直流无刷电机换相控制功能，使电机转子换相从传统的软件实现变成了硬
件实现。因此负压隔离舱控制系统选用该芯片来控制直流无刷电机，不仅能够有效的简
化传统的电机驱动电路，也大大减小了软件编程的复杂程度，更能为STM32芯片分担很
大的工作量，使系统性能更加稳定，可靠性更高。芯片还可以为无刷直流电机中的霍尔
传感器提供工作电压，其直为6. 25V。因此在对电机驱动控制讲解之前，需要先对直流
无刷控制芯片MC33035做一下介绍。

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由图3-11可知，MC33035通过AT, BT, CT端口来控制三相逆变电路上桥臂，AB,
BB, CB端口来控制下桥臂。芯片内部端口SA, SB, SC自带20KS2的上拉电阻，可以直接
外接霍尔传感器，实现电机转子定位。MC33035芯片通过8引脚输出6. 25V电压，为电
机内部的霍尔传感器供电。
STM32将当前压差值与目标压差值做差后以PWM的形式输出到MC33035芯片的11
引脚，该引脚功能为误差信号放大，根据当前误差值的大小，来调控电机转速的快慢，
实现反馈调节。

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光电隔离电路其目的在于从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离开来，而不直接
发生电的联系。隔离的实质是把引进的干扰通道切断，从而达到隔离现场干扰的目的。
由于负压隔离舱控制电路对STM32发送到MC33035芯片的PWM波保真度「34]要求比较高，
因此需要对STM32输出信号进行隔离，从而能够精准调控负压隔离舱内部气压。
电路控制主芯片STM32F103VBT6和无刷直流电机控制芯片MC33035的光电隔离电
路。该电路包含两部分，首先是以LM358运算放大器为核心组成了一个放大倍数为两倍
的放大电路，将STM32输出的PWM波进行放大;其次是以6N137光藕芯片为核心组成的
光电隔离电路，该电路可以有效的隔离干扰源和受干扰部分，使两者不产生直接的电的
联系;同时光电隔离芯片6N137输入端电压和输出端电压也通过加入电感的方式进行简
单的隔离。图3-12为STM32输出信号隔离电路图。

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STM32输出信号通过放大电路放大后，再经过光藕隔离，输入到电机控制芯片
MC33035中，最终通过负压隔离舱当前气压值和目标值的对比，实现电机转速调控。运
算放大器选用LM358芯片。光电隔离芯片选用的是一款单通道的高速光藕合器6N137,
该芯片以光为煤介传送信号，对输入和输出电路可以进行隔离.从而能有效地抑制系统
噪声，消除接地回路的干扰。

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负压隔离舱从开机到内外压差稳定必须小于30s。在5Pa以内的扰动情况下，负压
隔离舱需在20s时间内达到稳定状态。由以上两个条件导致，负压隔离舱控制系统在遇
到外界干扰的情况下，调制时间应不大于20s，稳态压差精确度为3Pao
要建立负压隔离舱系统精确的数学模型还有很长的路要走，首先，在内外压差变化
的情况下，负压舱中的空气过滤器、滤尘设备等装置很难用对应的数学公式来表达;其
次，新型负压舱通过PVC薄膜进行封闭处理，舱体内外压差值以及密封后的舱体内部空
间都在持续不断地改变，故数学语言较难表述。通过对比负压舱控制系统的输入量和输
出量，最终确定采用系统辨识的方法对负压隔离舱建立系统模型「5」。在系统辨识中以无
刷直流电机的控制电压U为输入「13]，同时将系统中负压舱内气压值p作为输出，其数值
的大小随着时间发生变化。当T=0时刻，给负压舱系统电机施加1. 8V的控制电压，从而
得到负压隔离舱系统的开环阶跃响应曲线(图4-1)。将试验过程中的时间变化t记录为
图中的横坐标，单位为s，将系统中舱体内外压差值p设定为为图中的纵坐标，单位是
Pa。

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