李輝，石書琪，竇樂，邱雄邇，劉新波

(邵陽學(xué)院 多電源地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行與控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 邵陽，422000)

基于STM32單片機(jī)的數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李輝，石書琪，竇樂，邱雄邇，劉新波

(邵陽學(xué)院 多電源地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行與控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 邵陽，422000)

本文介紹了一種基于STM32F103的全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)。首先分析了直流調(diào)速系統(tǒng)的控制原理，然后利用STM32F103單片機(jī)產(chǎn)生PWM控制信號(hào)，并在軟件中應(yīng)用增量式PID的速度閉環(huán)來完成直流電機(jī)的調(diào)速控制方案。文中著重分析了電機(jī)的控制模塊、檢測(cè)電路、驅(qū)動(dòng)電路等硬件電路構(gòu)成及相應(yīng)的軟件編程設(shè)計(jì)，最后搭建了小功率直流電機(jī)直流調(diào)速實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析表明：該方案具有性價(jià)比高、可靠性好、精度高的優(yōu)點(diǎn)，并驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性和合理性。

STM32F103VET6；PID；脈寬調(diào)制；直流調(diào)速

直流電機(jī)具有良好的啟動(dòng)、制動(dòng)性能，其控制系統(tǒng)又具有非常好的速度調(diào)節(jié)及控制功能，最重要的是能夠在較寬的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，故而在軋鋼機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)、挖掘機(jī)、鉆探機(jī)、高層電梯、機(jī)器人等需要高性能控制的電氣傳送與機(jī)械動(dòng)力領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。

隨著新型的電力電子功率器件的出現(xiàn)及計(jì)算機(jī)技術(shù)在控制領(lǐng)域應(yīng)用的普及，使得由全控型器件組成的基于帶PWM功能單片機(jī)的全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)成為主流[4-5]。本文正是基于帶PWM功能的STM32控制器，通過軟件編程的方法改變H橋的導(dǎo)通時(shí)間，從而改變脈沖寬度來實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的數(shù)字調(diào)速目的。

1 工作原理

直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(1)

式中：U—電樞電壓；

n—電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度；

la—電樞電流；

Φ—?jiǎng)?lì)磁磁通；

Rε—電樞電路總電阻；

Ce—電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。

可知直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)控制方法有三種[6]：調(diào)節(jié)電樞電壓、改變電機(jī)勵(lì)磁磁通、改變電樞回路電阻。目前，直流調(diào)速控制系統(tǒng)大多采用在額定電壓范圍內(nèi)改變電樞電壓的方法，使得電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速下降。通過改變電動(dòng)機(jī)的電樞電壓接通時(shí)間和通電周期的比值，這就是常見的脈沖寬度調(diào)制技術(shù)(PWM技術(shù))，其具體實(shí)施過程如圖1所示：當(dāng)給定的驅(qū)動(dòng)信號(hào)使開關(guān)管VT1和VT4導(dǎo)通，同時(shí)使開關(guān)管VT2和VT3關(guān)斷，此時(shí)，Ud=Ua(額定輸入電壓)；反之，則Ud=-Ua；當(dāng)改變兩組開關(guān)管器件(VT1和VT4為一組，VT2和VT3為另一組)交替導(dǎo)通時(shí)間，即可改變電壓脈沖的寬度，從而改變Ud的平均值(電樞兩端的電壓)，進(jìn)而改變直流電機(jī)M的轉(zhuǎn)速n，也可進(jìn)一步改變直流電機(jī)的轉(zhuǎn)向，圖1中VD1、VD2、VD3、VD4為續(xù)流二極管。

在PWM技術(shù)具體實(shí)施過程中，給定的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，即圖1中所示的矩形脈沖信號(hào)，可通過定寬調(diào)頻法、調(diào)寬調(diào)頻法、定頻調(diào)頻法等幾種方法來獲取，前面兩種方法都是通過改變周期來實(shí)現(xiàn)控制的目的，當(dāng)調(diào)節(jié)的頻率接近于直流電機(jī)的固有頻率時(shí)，電機(jī)易發(fā)生震蕩[7]。鑒于此，在PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)過程中宜采用定頻調(diào)寬法。

圖1 H橋電路框圖Fig.1 Circuit diagram for H-bridge

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)主要包括STM32單片機(jī)、鍵盤操作、LCD顯示、轉(zhuǎn)速檢測(cè)與調(diào)理等部分。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

本設(shè)計(jì)采用STM32單片機(jī)作為智能控制器，通過按鍵進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速的設(shè)定及LCD顯示屏實(shí)時(shí)顯示轉(zhuǎn)速反饋值，通過中斷捕獲得到電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速并與設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)偏差與變化的情況控制速度調(diào)節(jié)器ASR，速度調(diào)節(jié)器的輸出控制單片機(jī)產(chǎn)生PWM波形，PWM波占空比的改變，使得直流電機(jī)兩端的平均電壓可調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的閉環(huán)調(diào)速。

圖2 數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of digital DC speedregulating system

2.1 STM32F103單片機(jī)簡(jiǎn)介

STM32F103[8]是意法半導(dǎo)體公司推出的基于ARM7架構(gòu)下Cortex-M3內(nèi)核的中等容量、增強(qiáng)型、低功耗、高性價(jià)比的一款32位單片機(jī)，其最高工作頻率可達(dá)到72MHz，具有64K字節(jié)的FLASH以及20K字節(jié)的SRAM，擁有非常豐富的片上資源，如兩個(gè)12位逐次逼近型的ADC，多達(dá)七個(gè)Timer、兩個(gè)I2C、兩個(gè)SPI、三個(gè)USART等外設(shè)配置，堪稱功能強(qiáng)大，集眾多外設(shè)于一身，可以從容滿足設(shè)計(jì)者的多樣需求。

2.2 速度檢測(cè)

為了實(shí)現(xiàn)在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)速度進(jìn)行有效、較精密的閉環(huán)控制，在系統(tǒng)中設(shè)置了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，即將轉(zhuǎn)速實(shí)際值與給定值進(jìn)行比較，而實(shí)際值的獲取，離不開速度檢測(cè)方法及相應(yīng)的傳感器。在本設(shè)計(jì)中應(yīng)用了數(shù)字的M/T法、旋轉(zhuǎn)編碼盤對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速檢測(cè)。

目前，數(shù)字式轉(zhuǎn)速檢測(cè)方法主要有三種[9]：頻率法(M法)、周期法(T法)、頻率周期法(M/T法)。通過查閱資料，分析對(duì)比可發(fā)現(xiàn)：M/T法檢測(cè)速度能夠保證電機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)還是在低速運(yùn)行即在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，都具有較好的分辨率，能達(dá)到較高的測(cè)速精度。既能檢測(cè)Tc時(shí)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖個(gè)數(shù)M1，又能檢測(cè)在同一時(shí)間間隔內(nèi)的高頻時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)M2，其直流電機(jī)轉(zhuǎn)速為：

(2)

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)

本設(shè)計(jì)中的實(shí)驗(yàn)電機(jī)為日本MITSUMIM25N-2R14 2241型自帶光電旋轉(zhuǎn)編碼器的334線AB相直流微電機(jī)，該電機(jī)供電電壓在3-30V內(nèi)可調(diào)、六線引出、334線編碼盤等特點(diǎn)?；诖?，選用SGS公司的雙H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊L298N作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，即可驅(qū)動(dòng)兩個(gè)2相電機(jī)，也可驅(qū)動(dòng)一個(gè)四相電機(jī)，其驅(qū)動(dòng)電壓范圍為5-35V，最大功率為25W。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分主要由主程序、轉(zhuǎn)速設(shè)定程序、LCD顯示程序等功能模塊程序及數(shù)字PID控制算法程序、PWM生成程序等中斷服務(wù)子程序組成。

3.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序完成直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的初始化、單片機(jī)的發(fā)生中斷類型以及定時(shí)器的組合及相應(yīng)變量的定義。在主程序中，首先完成對(duì)單片機(jī)內(nèi)部的事件管理器和寄存器的初始化，而后進(jìn)行轉(zhuǎn)速設(shè)定、轉(zhuǎn)速檢測(cè)、數(shù)字PID控制算法軟件實(shí)現(xiàn)、PWM生成，最終在LCD顯示屏上顯示轉(zhuǎn)速設(shè)定值、當(dāng)前實(shí)際轉(zhuǎn)速、占空比等參數(shù)，其主程序流程圖如圖3所示。

3.2 生成PWM波形寄存器配置方法

STM32具有多個(gè)定時(shí)器，但除了TIM6和TIM7之外，其他的定時(shí)器都可以用來產(chǎn)生PWM輸出。在本設(shè)計(jì)中，選用STM32F103單片機(jī)系統(tǒng)的TIM1的CH1產(chǎn)生一路PWM輸出。

配置步驟[9-10]為：(1)開啟TIM1時(shí)鐘，配置PA8為復(fù)用輸出功能；(2)設(shè)置TIM1的ARR和PSC，設(shè)定輸出的PWM波形的頻率為400Hz；(3)設(shè)置TIM1_CH1的PWM模式及通道方向，達(dá)到設(shè)定引腳為輸出；(4)使能TIM1的CH1輸出，使能TIM1，達(dá)到PWM波形的輸出；(5)設(shè)置MOE輸出，使能PWM輸出；(6)修改TIM1_CCR1來控制占空比。

圖3 主程序流程圖Fig.3 Main program flowchart

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

電機(jī)選擇的是日本MITSUMIM25N-2R14 2241型334線AB相編碼電機(jī)(自帶光電旋轉(zhuǎn)編碼盤，且電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈輸出達(dá)到334個(gè)脈沖)，單片機(jī)選擇的是STM32F103VET6，電機(jī)驅(qū)動(dòng)選擇的是L298N。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置如圖4所示，其電機(jī)自帶光電旋轉(zhuǎn)編碼盤，而編碼脈沖經(jīng)過內(nèi)部信號(hào)調(diào)理后可直接與單片機(jī)引腳相連，即把編碼器的A相線直接到單片機(jī)的PA0引腳，并通過程序設(shè)定為上升沿中斷，即每檢測(cè)到一次由低電平到高電平的時(shí)候，就計(jì)數(shù)一次。兩根電機(jī)電源線分別接到電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊L298N上的OUT1、OUT2兩端。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊L298N上的INN1引腳接到STM32F103VET6的PA8引腳，即為PWM脈沖輸出引腳。

本設(shè)計(jì)中的電機(jī)為微小型電機(jī)，采取直接起動(dòng)方式，在實(shí)驗(yàn)時(shí)沒有專門設(shè)置啟動(dòng)電路，故在程序初始化階段，設(shè)定初始占空比為30%，如表1所示的第Ⅰ次實(shí)驗(yàn)，當(dāng)啟動(dòng)系統(tǒng)后，可以從LCD屏讀出當(dāng)前實(shí)際轉(zhuǎn)速為13r/s，占空比為30%。通過鍵盤設(shè)定目標(biāo)值為18r/s時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定后，可以從LCD屏讀出當(dāng)前實(shí)際轉(zhuǎn)速為18r/s，占空比為42%，如表1所示的第Ⅱ次實(shí)驗(yàn)。以后的實(shí)驗(yàn)均是在前一次的基礎(chǔ)上設(shè)定不同的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，如表1所示，當(dāng)把電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為32r/s，PWM波的占空比不斷調(diào)節(jié)，系統(tǒng)穩(wěn)定以后使電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到給定值32r/s，此時(shí)實(shí)際轉(zhuǎn)速為32r/s，占空比為76%，如表1所示的第Ⅴ次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖所示。

表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Table 1 Experimental test results

圖4 數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)Fig.4 Digital DC speed control system

圖5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Experiment result

5 結(jié)束語

本文介紹的是一種基于STM32F103全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)，系統(tǒng)包括STM32單片機(jī)、鍵盤操作、LCD顯示、轉(zhuǎn)速檢測(cè)與調(diào)理等部分。由于采用了帶PWM功能的高性價(jià)比的32位STM32F103單片機(jī)，簡(jiǎn)化了硬件電路結(jié)構(gòu)，降低了程序設(shè)計(jì)的難度。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)時(shí)采用的是自帶光電旋轉(zhuǎn)編碼器的334線AB相直流微電機(jī)，使得因故障、人為原因等造成的測(cè)速不準(zhǔn)的概率大大降低，并保證測(cè)速的精度。實(shí)驗(yàn)表明該方案切實(shí)可行，且具有性價(jià)比高、可靠性好、精度高等優(yōu)點(diǎn)。

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Design of digital DC speed control system based on STM32

LI Hui,SHI Shuqi,DOU Le,QIU Xionger,LIU Xinbo

(Hunan Provincial Key Laboratory of Grids Operation and Control on Multi-Power Sources Area,Shaoyang University，Shaoyang 422000,China)

The digital DC speed control system is composed based on DC motor and STM32F103,of which the motor is used as the controlled object and the STM32 as controller in this paper.Firstly the principle of the motor working and DC speed regulation are introduced,then the pulse width modulation(PWM)technique and the corresponding software program is used to realize the system designed ultimately,finally the experimental system is set up and the result of the DC speed regulation experiment is also given.The experimental results show that the control system has good cost performance,high accuracy and stable motor speed regulation，and it proves that the design scheme is available for the real system.

STM32F103VET6;PID;PWM;DC speed regulation

1672-7010(2017)01-0088-05

2016-09-28

湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性試驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目(湘教通[2016]283號(hào))；國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(教育司函[2016]45號(hào))；湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目(16C1448)；湖南省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2016TP1023)；湖南省教育廳科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(16A191)；湖南省科技計(jì)劃重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016GK2021)

李輝(1984-)，男，湖南衡陽人，講師，碩士，從事測(cè)控專業(yè)教學(xué)及虛擬儀器技術(shù)與嵌入式控制系統(tǒng)的研究；E-mail：2506623901@qq.com

TM932 < class="emphasis_bold">文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

A