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在國家教育部高等教育司的指導下，MPS 公司開展的“產學合作協(xié)同育人項目” 已進行了四年。四年來，MPS 公司匯聚行業(yè)資源，圍繞產業(yè)的最新技術和解決方案，支持全國高校人才培養(yǎng)和專業(yè)綜合改革，深化產教融合、產學合作、協(xié)同育人，共同推進科技前沿創(chuàng)新，聯(lián)合培養(yǎng)了一流創(chuàng)新型和實踐型的人才，產出了一系列優(yōu)秀的項目成果。

本篇為大家展示的是上海大學楊影老師的項目成果。

1. 項目背景

《運動控制系統(tǒng)》是電氣工程及其自動化專業(yè)的核心課程，是學生培養(yǎng)體系中“理論到實踐”的探究型橋梁課程，因此實踐是該課程的重要教學環(huán)節(jié)，可以加強學生的對基本理論的認識，培養(yǎng)學生的實踐操作與研究能力。現(xiàn)有實驗教學基于模擬控制的標準化實驗臺完成，與數(shù)字控制融合不足，且無法滿足學生探究型學習需要。

通過引入 MPS 電機驅動和磁編碼器產品，搭建直流調速系統(tǒng)小型化數(shù)字控制實驗平臺，使學生更好掌握數(shù)字控制調速系統(tǒng)的構成和設計方法，并通過代碼自動生成與仿真實踐有機融合，開展探究型學習，培養(yǎng)學生高階學習能力。

2. 項目內容

建立以 MP1584作為DCDC降壓芯片、MP6515作為驅動芯片、磁編碼器MA732 作為測速元件的直流電動機調速系統(tǒng)硬件實驗平臺；控制器為TI TMS320F2833，基于模型設計（Model-Based Design）自動生成控制代碼，與直流電動機仿真實踐平臺實現(xiàn)有機融合。同時設計相應上位機，能夠實時觀察電機轉速和電流、發(fā)送控制指令和在線調試PID參數(shù)。系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構圖

功率驅動板采用24V開關電源供電， MP1584將24V電壓降為3.3V給控制板和MA732供電。MP1584為高頻降壓變換器，4.5-28V的寬電壓輸入范圍，1.5MHz的開關頻率可有效降低EMI噪聲問題。

圖2 MP1584用于電壓轉換

直流電機驅動芯片采用MP6515，其內部集成H橋驅動和電流檢測電路。安全功能包括過流過壓、欠壓和過熱保護。MP6515作為24V直流電機的驅動芯片，同時能夠實現(xiàn)電流檢測，通過檢測VISEN端口電壓，經控制器ADC采樣處理后得到電流，用作電流閉環(huán)反饋。邏輯控制簡單，對PHASE端口附高低電平，實現(xiàn)H橋開關器件的控制。

圖3 MP6515用于直流電機驅動和電流檢測

MA732通過對電機軸永磁體相位檢測獲取轉子位置，進而計算出轉速，具有SPI、ABZ和PWM三種信號獲取方式。本項目使用ABZ正交編碼功能，測量AB兩相脈沖邊沿個數(shù)，采用M法計算電機轉速。

圖4 MA732用于轉速計算

圖5 直流電機驅動板PCBA

學生使用Simulink對直流電機閉環(huán)控制做精確建模仿真，通過仿真學習直流電機閉環(huán)控制，觀測不同控制器參數(shù)下電機的動態(tài)響應性能，后根據(jù)仿真模型生成控制代碼用于直流電機控制實驗。通過仿真與實驗的有機結合，提高學生探究型實驗能力。

圖6為直流電機控制自動代碼模型，分為控制部分，感測計算和通信。控制部分主要包括轉速電流閉環(huán)PID控制器和輸出PWM信號的配置。感測計算為電流和轉速的采樣和計算，對驅動芯片MP6515的VISEN端口ADC采樣計算后得到電機電流，對MA732的ABZ輸出脈沖進行邊沿檢測，獲取電機轉子位置，微分濾波后得到電機轉速。通信為SCI異步串行通信，配置與上位機模型的通信波特率和中斷，發(fā)送轉速電流等電機運行參數(shù)，同時接收上位機模型的各種指令信號。

圖6 直流電機控制自動代碼模型

圖7為上位機模型，與直流調速實驗系統(tǒng)進行交互。左側為電機轉速交互模塊，數(shù)據(jù)接收部分為轉速、電壓和電流的實時顯示，數(shù)據(jù)發(fā)送部分可控制電機的啟停和PID參數(shù)的在線調試，右側為根據(jù)接收到的轉速和電流數(shù)據(jù)繪制波形窗口。

圖7 直流電機控制上位機模型

圖8為轉速和電流實驗波形圖。

3. 項目總結

利用此項目成果，在直流電機數(shù)字控制實驗中，可以規(guī)避手寫控制算法代碼和配置底層代碼。利用Simulink模型生成控制代碼，使得實驗流程簡單化，圖形化，學生可以專注于算法設計，而不過分關注底層配置。利用代碼生成實驗平臺進行直流電機數(shù)字控制實驗，有效提高學生的實踐能力綜合應用能力。

歡迎各大高校師生加入MPS產學合作協(xié)同育人項目，校企共發(fā)展、協(xié)作育新人！

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