冷库门无线远程控制实验研究

冷库门是冷藏货物进出冷藏库的通道。冷库门的使用环境比较恶劣,需经常开启和关闭[1],再加之外界因素的干扰,驱动电机的运行状态会受到一定程度的影响,复杂的布线也会产生安全隐患[2],进而会导致发生安全事故,因此实时检测电机的运行状态十分必要[3]。

为此,设计了基于Wi-Fi的冷库门无线远程控制系统。该系统不仅能对电机转速和相电流值进行检测,还能以Wi-Fi通信替代传统的有线通信,减少了现场的布线操作,并且能根据监测到的电机相电流对冷库门进行控制,实现防夹功能。

1 系统实验总体结构

系统主要由控制芯片STM32F103C8T6、供电模块、Wi-Fi串行通信模块、电机驱动模块、电流检测模块、欠压保护电路和转速测量模块组成。STM32F103C8T6是主控芯片,通过I/O口产生PWM波驱动电机,将传感器测得的电机的转速值和电流值送入A/D模块进行数模转换,得到准确的数值[4]。冷库门在开启或者关闭的过程中,电机始终处于低速运转状态,通过设计欠压保护电路,避免因短路和其他原因对电机和控制板造成的损害。通过Wi-Fi模块实现主控芯片和上位机监控系统之间的通信,通过上位机可以控制电机的运行状态,实现开门和关门、加速和减速的功能。主控芯片将测得的电机的数据发送到上位机,实现对电机各参数的实时监测。系统总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构框图

2 实验硬件电路设计

2.1 主控芯片

冷库门的驱动电机为无刷直流电机,无刷直流电机是一个多变量、强耦合的非线性系统,对控制系统的精度有很高的要求。主控芯片STM32F103C8T6基于ARM Cortex-M3内核,是一款低功耗、高性能的微处理器[5]。芯片内部含有2个16位高级控制定时器,可输出多达6路PWM波驱动无刷直流电机；3个12位数模转换器可以在1 μs时间内进行数模转换[6]。STM32F103C8T6能够运行多种矢量算法,非常适合于控制精度要求高的工业控制领域。

2.2 Wi-Fi通信电路

采用Wi-Fi转串口模块实现控制核心和上位机监控系统之间的通信,Wi-Fi模块电路图如图2所示。Wi-Fi模块USR-WIFI232采用3.3 V直流电源供电。若拉低RELOAD引脚1～3 s,启动simple link设置；将RESET引脚配置为低电平,进行复位操作。数据发送端TX和接收端RX分别与控制芯片的串行接口相连,实现数据的传输。

Wi-Fi模块需要连接无线路由器才能实现无线通信。系统采用VB.NET开发上位机监控系统，采用.NET控件中的Winsock实现TCP连接[7]。主控芯片STM32F103C8T6采用3.3 V电源供电,可与Wi-Fi模块USR-WIFI232直接相连,无需电平转换,在执行无线通信时,数据失真率较低,适合于Wi-Fi无线通信。

图2 Wi-Fi模块电路

2.3 转速测量电路

检测无刷直流电机内部转子的位置信号,为电机驱动电路提供逻辑换向信号,驱动电机运转。电机的转速也可以根据转子的位置信号测得,电机转速测量电路如图3所示。

图3 转速测量电路

霍尔位置传感器采用5 V供电,输出的三相霍尔信号电压范围是0～5 V。该信号电压不可直接接入STM32F103C8T6的I/O口,而是采用光耦TLP521-4将高电压进行隔离,防止损坏控制芯片[8]。当光耦左侧有霍尔信号输出时,右侧3.3 V电压将加到控制芯片的I/O,通过STM32F103C8T6定时器的捕获功能捕捉霍尔信号,通过计算测得电机的实时转速。

冷库门在开关的过程中,基本处于低速运行状态,采取T测速法测速具有更高的精度。通过相邻霍尔位置传感器发出的脉冲之间的时间差计算电机转速,通过控制器的定时器的计数功能对频率为f的脉冲进行计数,每输出一个脉冲就产生一次中断,CPU响应中断,从计数器中读出记录的数值M,然后将计数器清零。电机转速N的计算公式为：

(1)

式(1)中,N为电机转速(r/min),P为每转输出的信号数。

测速分辨率为：

(2)

式(2)中,Q为T测速法的分辨率。可以看出,电机转速越低,T测速法的精度越高。

2.4 电流检测电路及防夹策略

冷库门驱动电机为低转速、大扭矩的无刷直流电机,电机在运行的过程中,三相电流的值非常大。系统采用测量范围为±30 A的线性霍尔电流传感器ACS712检测电机的相电流,通过监测电机相电流的变化,判断冷库门在关闭的过程中,是否还有人员或者物体经过,实现冷库门的防夹功能。电流检测电路如图4所示[9]。

图4 电流检测电路

ACS712输出端的电压值和被测电流之间成一定的线性关系,输出灵敏度为100 mV/A,在工业应用中具有良好的抗干扰能力[10]。由于ACS712的输出电压范围是0～5 V,而STM32是3.3 V供电,系统通过电阻R4和R7实现分压,使输出端的电压不超过3.3 V,然后将输出端接入控制芯片的A/D模块,对检测的电流值进行数模转换,计算出电机的电流值。

采用灵敏度为100 mV/A、检测范围为30 A的霍尔电流传感器,其输出电压和感应电流之间的关系为：

Vout=2.0+0.1×Ia

(3)

式(3)中,Vout是输出端电压,Ia为被测电流。

冷库门在运动的过程中,如果遇到阻力,电机的相电流会从正常值发生突变,因此采用监控电机的相电流幅值来判断是否有障碍物[11]。如果碰到障碍物,控制核心发出指令让电机反转,则冷库门停止关闭重新打开。由于电机的瞬时电流变化可能达到峰值,因此电流幅值只能选择特定时间段内的电流平均值。当电流平均值I≥Ip(I为电流平均值,Ip为电流正常值)时,则可以判定冷库门在运动的过程中遇到障碍物。

2.5 欠压保护电路

电机处于低速运行状态时,绕组电压过低会影响电机的正常运行,严重时造成电机发生堵转而无法正常启动。因此,检测绕组电压十分必要。在系统中设计了以比较器LM358位核心的欠压保护电路(见图5)。

图5 欠压保护电路

通过比较器LM358设定电机运行的最低电压阈值,然后将主回路的电压信号进行分压,与最低电压阈值进行比较。如果该电压低于最低电压阈值,比较器内部会产生一个电平信号,将输出信号送入控制芯片的外部中断引脚,控制芯片关断PWM输出,进而保护驱动板[12]。

LM358是一个比较器,系统设定允许最小电压为5 V,若输入实际电压小于5 V,比较器输出高电压信号,产生欠压保护中断；控制芯片检测到高电平信号后会关断PWM输出信号,直到电压恢复到5 V以上。

3 实验软件设计

系统软件开发环境是KEIL,STM32的函数库提供了大量的程序源码,使用固件函数可以减少对控制芯片寄存器的操作,提高编程效率。软件系统程序设计部分包括冷库门电机驱动程序、电流和转速测量程序。

主程序主要是对各个模块的初始化,对主控芯片的I/O口进行初始化、串口初始化、A/D转换初始化、中断函数初始化和定时器初始化,主程序流程如图6所示。

图6 程序流程图

系统上电后,执行初始化程序,控制器采集电机位置信号,然后通过I/O口产生驱动电机的PWM波；电机运转后,STM32启动定时器TIM6的捕获的功能,采集电机反馈的脉冲以求得电机转速；通过霍尔电流传感器ACS712检测电机的相电流,对传感器输出的电压信号进行A/D转换,获得电流值。如果电机回路电压小于设定电压值,欠压保护电路产生欠压中断请求,主控制器关闭PWM输出,停止电机运转。

将测得的电机的转速和电流通过Wi-Fi通信上传到上位机监控系统,根据电流值的变化判断冷库门通道是否有物体,如果电流值发生急剧变化, 则电机反转,打开冷库门。

4 系统调试及运行结果

冷库门无线远程控制系统包括上位机监控系统和硬件电路。

冷库门驱动电机选择低速大扭矩电机,电机的额定参数如下：

额定电压：48 V

额定功率：500 W

额定转速：180 r/min

电机绕组：1.2 Ω

额定扭矩：26 N·m

在PC端对Wi-Fi模块USR-WIFI232进行设置,将Wi-Fi模块加入本地网络连接,通过路由器实现主控制板和上位机监控系统之间的无线连接。主控芯片将测得电机的各项参数值发送到上位机监控系统。经过不断调试,对检测到的电机的转速和电流值进行拟合处理,得到转速曲线和电流值曲线。

图7为冷库门正常运动时电机的转速曲线,根据转速曲线可知电机平稳运行,说明控制系统较为稳定。图8是冷库门在正常运动和遇到障碍物时的电流曲线。通过对比两种状态下电机的电流曲线,可以明显地看出冷库门在遇到障碍物时,电机电流发生了明显的变化。

图7 电机转速曲线

图8 冷库门电机正常和异常电流曲线

5 结语

通过建立以微处理器STM32F103C8T6和USR-WIFI232构成的冷库门电机在线监控系统实验平台,可以实时在线采集冷库门电机处于运行状态时的转速和相电流值,通过防夹功能保证了进/出冷库人员、货物的安全。主控芯片通过Wi-Fi串行通信与上位机之间进行数据传输,通过上位机监控系统实时监测电机的运行状态,从而实现对冷库门的在线控制。经过试验分析,本系统稳定可靠,具有很高的安全性,在冷库门自动控制中得到很好的应用。