基于STM32的冷轧管机电机监控器设计文献综述

1. 文献综述（或调研报告）：

目前来说，冷轧管由于其较好的机械性能和物理性能，在煤炭井下支架(支柱)，石油泵管，千斤顶等制造领域有着较为广泛的应用。同样的，随着工业企业对于冷轧管的需求不断提高，冷轧管机的生产质量和生产效益也就成为了钢厂较为关心的一个问题。冷轧管技术相比于其他技术而言存在的优势点在于冷轧管成型速度快、产量高、不损伤涂层且可以做成多种多样的截面形式，以适应多种条件的需要。

国内外有关专家一直在不断探索冷轧管的新方法并取得了丰硕的成果，与之相关的冷轧管机的主要机型有二辊式、多辊式和冷连轧式。我国目前正在广泛使用的是 LD 型多辊冷轧管机，也就是多辊冷轧管机。它按同时轧制管材的根数，可分为单线轧管机、 多线轧管机（同时可轧制2根或4根管材）和双排辊轧管机 ^[2]。新型冷轧管机的回转/送进装置采用独立的直流电机传动式,电机供电部分采用单相或三相全控整流电路,其驱动和制动控制元件则大都采用晶闸管^[1]。

在整套冷轧管生产设备中，较为关键的是回转送进电机，该电机的运行在很大程度上决定着一批钢管的好坏和长度，甚至有可能影响整套设备的磨损程度和安全性。因此也就带来了本项目所要做的检测单元，也就是将整个冷轧技术当中最为关键的三个电机的运行状态、电枢电压、电枢电流和励磁电压进行检测，将所得到的数据发送至电脑并进行信息处理，以便于实时监控电机的运行情况。

在基于stm32单片机做检测这方面，我国学者也做出了大量的尝试。由于stm32F103系列单片机结构简单，内存和运存容量低，因此在检测数据存储和处理上一直都会有许多问题。在我所查阅到的文献当中，有的是将采集到的信号进行快速傅里叶变化，采用的是A/D采样频率的控制采用定时器控制法。配置stm32通用定时器为pwm输出模式，产生周期为T的方波函数。通过修改通用定时器的预分配寄存器的装载值可改变周期T，从而控制采样频率^[3]。

同样的，在我查阅到的文献当中，也有在用FPGA做峰值检测的，不过相比而言，FPGA的功能更全，内存和运存容量也更大，或者说FPGA能操作的空间更大，因为它是一个可编程逻辑控制器，和芯片还是有较大的差别的。不过我也是从这里得知了一部分峰值检测的手段，也使我确认了我芯片在整个项目当中所承载的功能—中转站。

使用 Keil 工具编写 STM32 程序，并通过 J-Link 进行下载和调试，调试完成后程序可以达到预期的功能^[4]。同样的，这里软件方面我也准备采用Keil软件进行编写相关的核心板程序，最为关键的是采样的时序问题和检测时长、采样时间的问题。检测的难点主要是在检测回转送进电机的相位和峰值上，因为这个电机的运动状态很多，先去启动送进，然后减速送进，最后停止一段时间，在进行往复运动。那么同样的，采样程序必不可少的要去大量的调用中断函数，那么这些中断程序的运行顺序、运行的时序问题都要搞清楚。

通过以上的文献论证，首先确定了一个问题，就是我的硬件到底承载什么样的功能。假如我选用了比较高级的芯片去做硬件，那么它不仅仅只是检测，他同样也承担着计算峰值，计算其他数值的作用，更甚至是整个的核心。而如果我选用较为简单的芯片去实现硬件功能，相对的它就相当于是一个中转站的作用，它将采集到的数据直接通过485总线传输发送给电脑，让电脑上的程序去做数据处理和运算，甚至是画图、画表格之类的。这样也同样会有远程监控的作用，而且更加简单一些，最起码在成本和项目难度上更低。

1. 方案（设计方案、或研究方案、研制方案）论证：

本课题要求设计开发一套基于STM32的冷轧管机电机监控器，它能够对冷轧管机主电机、回转电机和送进电机的励磁电流、电枢电压、电枢电流以及联锁信号进行全面监控，完成冷轧管机电机运行状态判断，向主电机控制器和回转/送进控制器实时发布报警、停机信号，记录监控数据和报警信息，并能够通过数据通信接口将监控数据传输至上位PC机，实现远程监控、记录、查询和显示功能。项目总体架构图如下图4-1所示：

是否正常运行

图4-1 系统架构图

那么本次方案论证可以按照进展顺序分为以下几个方面：

1. 硬件实现

本方案的硬件设计总共包含几个大板块：核心板选型和核心板周围电路设计、检测信号输入电路、控制信号输出电路。

硬件整体架构图如下图4-2所示：

信号输入

数据传输

图4-2 硬件架构图

1. 核心板选型和核心板周围电路设计

核心板首先要考虑的是功能是否能够满足以上功能的实现，也就是说首先要看芯片是否有复用的AD功能，另外服用引脚数目是否满足以上检测的需要；其次要考虑的是芯片的存储部分即RAM部分的大小和SRAM的大小；然后要考虑的是芯片的AD采样口采样速度是否能够满足采样的需要进行采样处理。

最终基于以上对于本项目的考虑，我选择了STM32F103C8T6这一款芯片。选择这款芯片的原因如下：一是该芯片在满足以上考虑的功能之后足够简单和稳定；二是因为在与其相似的功能也都满足的芯片进行横向比较的时候发现，该芯片在功能方面已经足够满足需要，而且性价比较高。

另外，单独说一下芯片在AD采样方面的频率等参数的横向比较和AD通道数等的横向比较。首先就是我选用的stm32F103C8T6和与它功能相近的stm32F103R8T6，它们的ADC采样速率都是1MHz，也就是说最快能达到1ns采样一次，足够满足本次采样的需求，然后stm32F103C8T6和R8T6的AD采样模块都有三个，他们的复用通道数R8T6有16个，C8T6有10个，但是已经够用；然后是C51单片机，最为关键的一点是它并不是复用ADC接口的，因此使用该芯片需要格外增加ADC电路；还有就是stm32F103系列更好一些的芯片比如CBT6和RBT6，他们ADC模块更多一点，但是C8T6的采样模块已经足够用。因此芯片选择STM32F103C8T6。

在核心板扩展功能方面必备的烧写、复位和晶振电路不用说肯定会有的，然后鉴于本项目算是个远程操控的，因此需要一个485总线接口电路。电源电路方面项目提供两个电源：一个 24V和一个 5V电源，因为在隔离电路的另一方需要用 24V电源作为驱动信号，而5V是用来转化为3.3V作为芯片的驱动电源。

1. 检测信号输入电路

在我们已经确定核心板部分有ADC模块之后需要有将检测信号输入ADC模块的电路，但是这个信号并不是直接就可以输入本芯片的，我们需要首先对其进行处理。由于C8T6的供电电压为3.3V且ADC模块的正参考电压等同于供电电压值，因此ADC输入最大电压为3.3V。所以我们就要对于输入端的电压值进行缩小处理。这里采用了共模输入加运放缩小的电路，为的是使其更加稳定。具体电路如下图4-3所示。

由于本方案的检测信号可能变化很快，因此在运放的输出脚不做低通滤波处理，虽然这有可能导致信号的不稳定性，但是由于前面已经采用共模输入的方式进行稳定，且加入滤波电路有可能会导致检测信号的不正确性。因此运放输出脚会直接连接芯片的ADC模块的引脚。

图4-3 ADC信号输入电路

还有四个信号虽然并不需要检测他们的数值，但是需要得知他们的状态，也就是四个状态信号输入端。同样的这些信号的输入也需要进行处理。因为是电平信号，所以需要在输入端做一个光耦隔离电路，将信号来源端和芯片电路隔离开，防止出现故障。而后光耦的输出端一个接3.3V电源和电阻，然后再接芯片的IO口（如图4-4所示）。这样做的原因是让芯片能够尽量的做到低电平有效从而保证更加的安全。

图4-4 光耦隔离输入电路

1. 控制信号输出电路

鉴于上面本方案对于控制信号的描述，总共有4个信号作为控制信号的输出，而且四个均为电平信号，因此我们可以加入一个三极管和光耦组成的隔离电路组成输出端的电路（如图4-5所示）。其中三极管由于电极特性和输出我们需要选择NPN三极管。然后光耦的远端是3.3V连接IO口，低电平导通，导通之后使得三极管侧基级导通，而后使得发射极端高电平，最后输出。

图4-5 控制信号输出电路

1. 软件实现

鉴于本项目要采用STM32F103C8T6芯片，编写程序的软件为Keil5。Keil软件为基于Cortex-M、Cortex-R4、ARM7、ARM9处理器设备提供了一个完整的开发环境。 MDK-ARM专为微控制器应用而设计，不仅易学易用，而且功能强大，能够满足大多数苛刻的嵌入式应用。

编程方面，首先在输出方面不用过多设置，在IO口设置高低电平即可，主要是本项目的检测方面。本项目总共需要检测9个信号，由于ADC模块总共有三个，因此将所有待检测信号分成三组，每个电机的三个信号为一组，每组检测信号有三种，这三种信号最终在一个模块进行检测。然后检测可以按照分段的方式进行，比如说每个组先去检测励磁电压和电枢电压，然后较多的去检测电枢电流。

检测的难点主要是在检测回转送进电机的相位和峰值上，因为这个电机的运动状态很多，先去启动送进，然后减速送进，最后停止一段时间，在进行往复运动。这其中最为关键的是各个状态转变的时间，或者波形峰值，这里我准备设置高采样频率进行处理，而后测算出电流的峰值，由此峰值进行从零到峰值时间计时得到启动加速时间，然后从峰值降到零的时间计时得到减速时间，中间时间则为停止时间。

但是这一方法存在的问题是计算量过大或者说数据量过大，检测的次数就可能不只是每个周期检测10次，甚至是更多次才可以检测出想要的数值，那么现在主要的问题就是C8T6在进行ADC检测的时候能不能即时发出数据，能的话速度能否满足需要。

同样的电脑上的数据处理可以进行快速傅里叶变换来分析谐波。由于实际中的序列往往是非周期的，这就与离散周期信号的傅里叶级数的实质互相矛盾，实际应用中必须对离散信号做截断处理，进行拟周期化，这就造成了频谱泄露，这是频谱分析中最重要的误差来源。如果直接截取数据，就相当于加了矩形窗，而为了提高信号的分辨率，同时减少截断效应，应尽量使用缓变性的窗函数，同时加大截断的窗长N，即提高了数据点N，以降低频谱泄露。因此，采用哈明窗的形式（如式4-1所示）：

（式4-1）

式中，n为采样点序号。模拟信号x(t)经过采样并加窗处理后，得到：

（式4-2）

X(n)为原序列第n点的值，N取1024，为了提高运算速率可以牺牲存储空间，将哈明窗所需要的数据存放在数组中，加窗处理时，只要将数组里面的值取出，与AD转换接受的数据取1024点进行乘法相关，就可以得到相应的x(n)。同样的我们也有基2-FFT公式如下（式4-3）：

（式4-3）

其中，r为加窗后采样点的序号；x(r)代表第r个采样点加窗后的值，所以：

式（4-4）

1. 参考文献：

[1] 淮攀奇,洪晨,符影杰. 基于DSP的冷轧管机回转/送进控制器的设计[J]. 工业控制计算机. 2017, 01:28-29 32

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