电磁铁PWM控制方法研究与实现
电磁铁PWM控制方法研究与实现[20200406110226]
摘 要
用24V全压导通控制多臂电磁铁,其性能、可靠性和寿命受到了广泛关注。近年来电子、计算机技术的飞速发展，尤其是电力电子技术飞速发展, 引入直流脉宽制( PWM )控制电子电路的电磁铁是一个巨大的技术提高。如今, 这种脉冲控制方式占了越来越多的市场份额。
本电路是由STM32单片机为控制核心，具有定时功能，中断功能等本课题需要的重要的功能，低功耗，能够在3V超低压下工作。电路中用脉冲驱动芯片产生脉冲信号，也就是所说的自动的PWM信号，然后还可以通过电源控制电路控制脉冲信号，也就是所说的手动的可以调控的PWM信号，半桥驱动芯片是一种高性能、低功耗、自带控制电路，它可以驱动CPU工作。把脉冲信号通过CUP控制传输给电磁铁驱动模块，电磁铁驱动模块是由三块芯片并联，来控制20联多臂电磁铁。
本课题的实现是基于单片机STM32控制器。不同于一般的脉冲调制的电路, 24V电源进行开关控制以实现各路PWM功能的系统, 并实现了系统低功率，延长了电磁铁的寿命。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:PWM,低功耗,STM32。ResearchandimplementationofelectromagnetPWMcontrolmethod
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题的概述 1
1.2 PWM脉冲信号 1
第二章 设计方案 2
2.1课题的思路 2
2.2方案比较 2
第三章 硬件设计 4
3.1电路设计 4
3.2系统概述 4
3.3 芯片简介 5
3.3.1芯片STM32 5
3.3.2 PWM产生芯片TL494 6
3.3.3 电源驱动芯片IR2111 7
3.3.4电磁铁驱动芯片TLE6230GP 8
3.4单元电路 9
3.4.1 24V电源电路 9
3.4.2复位电路 10
3.4.3晶振电路 11
3.4.4启动设置电路 11
3.4.5电磁铁驱动电路 12
3.4.5 断电检测电路 12
3.4.6JTAG下载电路 14
3.5 PCB板图 15
3.6器件清单 16
第四章 软件设计 18
4.1软件设计思路 18
4.2软件开发环境 18
4.3软件设计模块 19
4.3.1 24V电源控制 19
4.3.2系统定时 20
4.3.3 PWM产生 21
4.3.4 电磁铁驱动 22
4.3.5中断服务 23
4.3.6 断电保护 24
第五章 元件安装和系统调试 26
5.1基于J-Link的仿真 26
5.2硬件调试 27
5.3 软件调试 28
5.3.1 RC供电调试 28
5.3.2 现象与结果 29
结语 30
参考文献 31
致谢 32
第一章 绪论
1.1课题的概述
目前国内电子多臂电磁铁较普遍采用24V全压方式控制导通或截止，存在常时间工作电流大、温度高、寿命短的缺点。
改24V全压导通为24V脉冲调制方式保持，可解决以上缺点，但由于电子多臂系统中的电磁铁路数较多（有16联、20联等），若每路采用独立的PWM方式控制会带来电路复杂，控制端口浪费的缺点。
本设计要求设计一种能实现对24V电源进行开关控制以实现各路PWM功能的系统，同时具有软件指令方式与硬件自动方式PWM控制功能，方便实现电磁铁的全压导通与PWM保持功能。
1.2 PWM脉冲信号
PWM是一类对电路里的电流电压信号电平进行高低电平0或1的编码的过程。用较高分辨率记数系统，使被调制的电平信号编码。当然脉冲信号还是数字的信号，电压或电流源是以一种通路或短路，也就是0、1信号重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。
本文通过脉宽控制芯片产生自动的PWM的信号，然后通过半桥驱动芯片电源控制电路，用24V直流电源对PWM信号进行手动的控制，从而实现电磁铁的全压导通，PWM信号的持续保持，同时也延长了电磁铁的寿命。
第二章 设计方案
2.1课题的思路
本设计主要实现对多臂电磁铁的控制。首先实现对串口的通信，按照控制协议，能正确的与CPU之间的通信。其中芯片TL494对脉宽进行调制控制，芯片中引脚16与外界24V电源（DB37-COMMON）相连,然后与半桥驱动芯片IR2111组成系统，能产生任意的脉宽。把产生的脉宽传输给单片机STM32，通过CPU把脉冲信号送给电磁铁驱动芯片TLE6230GP，从而控制电磁铁。其中20路PWM信号的控制方法就有了问题，下面给出了两个方案。
2.2方案比较
方案一：采用STM32单片机控制通信，用脉宽控制电路选择脉冲信号，再由CPU把信号传输给驱动电路。在由驱动电路传输一个一个的PWM信号，对每一个电磁铁单独作用，互相不影响 方案一的框图如图2-1-1所示，此方案中操作起来难度大，非常的复杂，所以暂且看下方案二。
图2-1-1方案一系统方框图
方案二：第二种方案和第一种方案核心一样，只是在电磁铁接口电路上用一个24V电源控制开关控制，使系统可以由一个开关来控制20联电磁铁，使系统变得简单又方便操作控制。
设计方框图如图2-1-2所示。
图2-1-2方案二系统方框图
比较上述两种方案，不难发现：方案一中采用的是一般的简单的操作模式，不仅要设计具体的存储格式，还要经过复杂的校对和标定过程，其传输安全完整性保证。而方案二只是在方案一的基础上稍作修改，可以使调试变得简单，内部的具体的设置已经集成在固库件的基层中。同时考虑到实际的应用环境，可以随时对系统进行扩充，做出更好的扩展，所以本设计采用的是方案二。
第三章 硬件设计
3.1电路设计
电磁铁PWM控制顾名思义就是用PWM脉冲信号来控制电磁铁，来实现电磁铁持续性的吸附工作，下面图3-1-1是本课程设计的大体框架图。
图3-1-1 电路设计框图
3.2系统概述
本电路是由STM32F103ZET6单片机为控制核心，具有定时功能，中断功能等本课题需要的重要的功能，很低的功率消耗，能够在3V超低压下工作；ＴL494产生脉冲信号，也就是所说的自动的PWM信号，然后还可以通过外面的按键操作，改变半桥驱动芯片IR2111的信号通道，它是一种高性能、低功耗、带控制电路，也就是所说的手动PWM信号，把得到的不管是手动PWM、自动PWM信号，传输给电磁铁驱动模块，电磁铁驱动模块是由三片TLE6230GP并联，产生20路电流，来控制20联多臂电磁铁。
硬件系统的结构性和可靠性可能会影响到整个系统的运行性和稳定性，因此好好的按排整理电路能够很好的提高电子产品的性能。
3.3 芯片简介
3.3.1芯片STM32
STM32单片机是以Cortex-M3的内核作为微控制器，Cortex-M3的内核在需要功率消耗比较低和价格又不能过分高的环境中优势突出，性价比特比高。
Thumb-2高密度指令集在Cortex-M3内核中采用，使芯片能够降低需要存储的空间消耗，它终端处理速度在控制领域的高实时性需要中表现尤其突出，是该内核能够用卓越的性价比在电子产品中表现突出、应用广泛。
该系统能过用于各式各样的嵌入式系统设计中，让用户在各种各样的选择STM32系列的产品。本课题使用的STM32F103ZET6就是其中的一种，它用较低的功耗，很少的门数，短中断有延时，廉价的调试成本等好多优点。
STM32F103的系列运用低功耗的ARM/Cortex-M3/32位的RISC内核，工作频率为72MHz，有很多的增强型输入输出端口和联接到两路外围总线的外部设备。一般型号的器件都具有两个12位的模拟数字转换器 、一个控制解调器控制接口、三个通用的16位定时器和六个16位PWM同步高级定时器，还包含多大16个外部中断、1xSPI, 两个I2C、 三个USART串口、1个外接设备接口和1个CAN总线。
下面介绍一下上面提到的一些关于STM32的外设。
摘 要
用24V全压导通控制多臂电磁铁,其性能、可靠性和寿命受到了广泛关注。近年来电子、计算机技术的飞速发展，尤其是电力电子技术飞速发展, 引入直流脉宽制( PWM )控制电子电路的电磁铁是一个巨大的技术提高。如今, 这种脉冲控制方式占了越来越多的市场份额。
本电路是由STM32单片机为控制核心，具有定时功能，中断功能等本课题需要的重要的功能，低功耗，能够在3V超低压下工作。电路中用脉冲驱动芯片产生脉冲信号，也就是所说的自动的PWM信号，然后还可以通过电源控制电路控制脉冲信号，也就是所说的手动的可以调控的PWM信号，半桥驱动芯片是一种高性能、低功耗、自带控制电路，它可以驱动CPU工作。把脉冲信号通过CUP控制传输给电磁铁驱动模块，电磁铁驱动模块是由三块芯片并联，来控制20联多臂电磁铁。
本课题的实现是基于单片机STM32控制器。不同于一般的脉冲调制的电路, 24V电源进行开关控制以实现各路PWM功能的系统, 并实现了系统低功率，延长了电磁铁的寿命。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:PWM,低功耗,STM32。ResearchandimplementationofelectromagnetPWMcontrolmethod
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题的概述 1
1.2 PWM脉冲信号 1
第二章 设计方案 2
2.1课题的思路 2
2.2方案比较 2
第三章 硬件设计 4
3.1电路设计 4
3.2系统概述 4
3.3 芯片简介 5
3.3.1芯片STM32 5
3.3.2 PWM产生芯片TL494 6
3.3.3 电源驱动芯片IR2111 7
3.3.4电磁铁驱动芯片TLE6230GP 8
3.4单元电路 9
3.4.1 24V电源电路 9
3.4.2复位电路 10
3.4.3晶振电路 11
3.4.4启动设置电路 11
3.4.5电磁铁驱动电路 12
3.4.5 断电检测电路 12
3.4.6JTAG下载电路 14
3.5 PCB板图 15
3.6器件清单 16
第四章 软件设计 18
4.1软件设计思路 18
4.2软件开发环境 18
4.3软件设计模块 19
4.3.1 24V电源控制 19
4.3.2系统定时 20
4.3.3 PWM产生 21
4.3.4 电磁铁驱动 22
4.3.5中断服务 23
4.3.6 断电保护 24
第五章 元件安装和系统调试 26
5.1基于J-Link的仿真 26
5.2硬件调试 27
5.3 软件调试 28
5.3.1 RC供电调试 28
5.3.2 现象与结果 29
结语 30
参考文献 31
致谢 32
第一章 绪论
1.1课题的概述
目前国内电子多臂电磁铁较普遍采用24V全压方式控制导通或截止，存在常时间工作电流大、温度高、寿命短的缺点。
改24V全压导通为24V脉冲调制方式保持，可解决以上缺点，但由于电子多臂系统中的电磁铁路数较多（有16联、20联等），若每路采用独立的PWM方式控制会带来电路复杂，控制端口浪费的缺点。
本设计要求设计一种能实现对24V电源进行开关控制以实现各路PWM功能的系统，同时具有软件指令方式与硬件自动方式PWM控制功能，方便实现电磁铁的全压导通与PWM保持功能。
1.2 PWM脉冲信号
PWM是一类对电路里的电流电压信号电平进行高低电平0或1的编码的过程。用较高分辨率记数系统，使被调制的电平信号编码。当然脉冲信号还是数字的信号，电压或电流源是以一种通路或短路，也就是0、1信号重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。
本文通过脉宽控制芯片产生自动的PWM的信号，然后通过半桥驱动芯片电源控制电路，用24V直流电源对PWM信号进行手动的控制，从而实现电磁铁的全压导通，PWM信号的持续保持，同时也延长了电磁铁的寿命。
第二章 设计方案
2.1课题的思路
本设计主要实现对多臂电磁铁的控制。首先实现对串口的通信，按照控制协议，能正确的与CPU之间的通信。其中芯片TL494对脉宽进行调制控制，芯片中引脚16与外界24V电源（DB37-COMMON）相连,然后与半桥驱动芯片IR2111组成系统，能产生任意的脉宽。把产生的脉宽传输给单片机STM32，通过CPU把脉冲信号送给电磁铁驱动芯片TLE6230GP，从而控制电磁铁。其中20路PWM信号的控制方法就有了问题，下面给出了两个方案。
2.2方案比较
方案一：采用STM32单片机控制通信，用脉宽控制电路选择脉冲信号，再由CPU把信号传输给驱动电路。在由驱动电路传输一个一个的PWM信号，对每一个电磁铁单独作用，互相不影响 方案一的框图如图2-1-1所示，此方案中操作起来难度大，非常的复杂，所以暂且看下方案二。
图2-1-1方案一系统方框图
方案二：第二种方案和第一种方案核心一样，只是在电磁铁接口电路上用一个24V电源控制开关控制，使系统可以由一个开关来控制20联电磁铁，使系统变得简单又方便操作控制。
设计方框图如图2-1-2所示。
图2-1-2方案二系统方框图
比较上述两种方案，不难发现：方案一中采用的是一般的简单的操作模式，不仅要设计具体的存储格式，还要经过复杂的校对和标定过程，其传输安全完整性保证。而方案二只是在方案一的基础上稍作修改，可以使调试变得简单，内部的具体的设置已经集成在固库件的基层中。同时考虑到实际的应用环境，可以随时对系统进行扩充，做出更好的扩展，所以本设计采用的是方案二。
第三章 硬件设计
3.1电路设计
电磁铁PWM控制顾名思义就是用PWM脉冲信号来控制电磁铁，来实现电磁铁持续性的吸附工作，下面图3-1-1是本课程设计的大体框架图。
图3-1-1 电路设计框图
3.2系统概述
本电路是由STM32F103ZET6单片机为控制核心，具有定时功能，中断功能等本课题需要的重要的功能，很低的功率消耗，能够在3V超低压下工作；ＴL494产生脉冲信号，也就是所说的自动的PWM信号，然后还可以通过外面的按键操作，改变半桥驱动芯片IR2111的信号通道，它是一种高性能、低功耗、带控制电路，也就是所说的手动PWM信号，把得到的不管是手动PWM、自动PWM信号，传输给电磁铁驱动模块，电磁铁驱动模块是由三片TLE6230GP并联，产生20路电流，来控制20联多臂电磁铁。
硬件系统的结构性和可靠性可能会影响到整个系统的运行性和稳定性，因此好好的按排整理电路能够很好的提高电子产品的性能。
3.3 芯片简介
3.3.1芯片STM32
STM32单片机是以Cortex-M3的内核作为微控制器，Cortex-M3的内核在需要功率消耗比较低和价格又不能过分高的环境中优势突出，性价比特比高。
Thumb-2高密度指令集在Cortex-M3内核中采用，使芯片能够降低需要存储的空间消耗，它终端处理速度在控制领域的高实时性需要中表现尤其突出，是该内核能够用卓越的性价比在电子产品中表现突出、应用广泛。
该系统能过用于各式各样的嵌入式系统设计中，让用户在各种各样的选择STM32系列的产品。本课题使用的STM32F103ZET6就是其中的一种，它用较低的功耗，很少的门数，短中断有延时，廉价的调试成本等好多优点。
STM32F103的系列运用低功耗的ARM/Cortex-M3/32位的RISC内核，工作频率为72MHz，有很多的增强型输入输出端口和联接到两路外围总线的外部设备。一般型号的器件都具有两个12位的模拟数字转换器 、一个控制解调器控制接口、三个通用的16位定时器和六个16位PWM同步高级定时器，还包含多大16个外部中断、1xSPI, 两个I2C、 三个USART串口、1个外接设备接口和1个CAN总线。
下面介绍一下上面提到的一些关于STM32的外设。
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