基于STM32單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速電源設(shè)計(jì)

夏葉媚 徐 松 吳晨彤 耿東山

基于STM32單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速電源設(shè)計(jì)

夏葉媚 徐 松 吳晨彤 耿東山

（湖北民族學(xué)院信息工程學(xué)院，湖北 恩施 445000）

本文介紹了一種基于STM32F4的直流電機(jī)調(diào)速電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)由IR2110驅(qū)動(dòng)電路、H橋電路、PWM控制、PID調(diào)控等部分組成，以PWM為核心，用驅(qū)動(dòng)電路IR2110控制H橋的輸出電壓以對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速和實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，同時(shí)液晶顯示其速度和輸出電壓，并能用PID調(diào)節(jié)電壓的輸出，實(shí)現(xiàn)了調(diào)速精度高、功率因數(shù)和節(jié)能效果良好的目標(biāo)。

STM32F4；直流電機(jī)調(diào)速；PWM；PID

直流電機(jī)的應(yīng)用廣泛，從控制技術(shù)角度來(lái)看，其是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)。在近年來(lái)的發(fā)展過(guò)程中，直流調(diào)速系統(tǒng)在理論和實(shí)踐上都逐漸成熟，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。但是，其還存在部分不足。就目前來(lái)看，直流調(diào)速系統(tǒng)仍然是自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。在我國(guó)許多工業(yè)部門，如礦山采掘、軋鋼、金屬加工、紡織、海洋鉆探、造紙及高層建筑等場(chǎng)合需要高性能、可控的電力拖動(dòng)系統(tǒng)，此時(shí)仍廣泛采用直流調(diào)速系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于STM32F4的直流調(diào)速系統(tǒng)硬件電路以STM32F4開(kāi)發(fā)板為控制核心，通過(guò)STM32F4程序輸出PWM波，進(jìn)而控制驅(qū)動(dòng)電路的輸出電壓幅度與極性［1］，驅(qū)動(dòng)電路輸出的+12V電壓驅(qū)動(dòng)H橋電路導(dǎo)通，H橋電路輸出電壓驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。此外，考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對(duì)輸出電壓進(jìn)行優(yōu)化處理，采用PID算法控制。系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體電路

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 STM32單片機(jī)

采用的單片機(jī)是STM32F4［2］，內(nèi)核Cortex-M4是一種面向數(shù)字信號(hào)處理（DSC）和高級(jí)微控制器（MCU）應(yīng)用的高效方案，具有低功耗、簡(jiǎn)單易用、低成本等特點(diǎn)。在運(yùn)用時(shí)，其運(yùn)算能力非常高，具有高效率的信號(hào)處理能力，且新加了浮點(diǎn)，DSP，并行計(jì)算，雙MAC等。ARM公司創(chuàng)造出這個(gè)類型的單片機(jī)，希望把Cortex-M4用于數(shù)字信號(hào)控制市場(chǎng)，即既有微控制器的“控制”能力，又有DSP的“處理”能力，在電源管理、汽車、電機(jī)控制、嵌入式音頻和工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

2.2 H橋電路的設(shè)計(jì)

圖2 H橋電路

電機(jī)調(diào)速原理就是在驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，采用PWM調(diào)速和正反轉(zhuǎn)，變換器主電路采用MOSFET所構(gòu)成的H型結(jié)構(gòu)形式（見(jiàn)圖2），其是由四個(gè)功率管和四個(gè)續(xù)流二極管組成的雙極式PWM變換器，根據(jù)脈沖占空比的不同，在直流電機(jī)M上可得到正或負(fù)的直流電壓。電機(jī)M正轉(zhuǎn)時(shí)，經(jīng)過(guò)PWM1和PWM4控制MOS管導(dǎo)通，反轉(zhuǎn)時(shí)，則是另外兩個(gè)。直流電機(jī)輸出電壓要求實(shí)現(xiàn)0～100V的調(diào)壓，可調(diào)整脈沖占空比達(dá)到要求。

2.3 光耦隔離和IIR2110驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

光耦6N137工作時(shí)，能輸出一高一低的信號(hào)，6N137內(nèi)經(jīng)電流-電壓轉(zhuǎn)換后的信號(hào)送到與門的一個(gè)輸入端，與門的另一個(gè)輸入為使能端，當(dāng)使能端為高時(shí)與門輸出高電平，經(jīng)輸出三極管反向后光電隔離器輸出低電平。整個(gè)電路起到電氣隔離的作用。在與驅(qū)動(dòng)電路同時(shí)工作時(shí)，需要光耦工作在一高一低的輸入狀態(tài)，使能端為高，此時(shí)輸出端也是一高一低。

IIR2110是一種高壓高速功率MOSFET驅(qū)動(dòng)器，光耦工作時(shí)，輸出高低電平對(duì)其進(jìn)行控制，其有獨(dú)立的高端和低端輸出驅(qū)動(dòng)通道，正常工作時(shí)，高端輸出+12V，低端輸出-12V，此時(shí)一管導(dǎo)通，一管截止。兩個(gè)H橋電路每橋?qū)ㄒ粋€(gè)，升壓驅(qū)動(dòng)電機(jī)的調(diào)速。

3 軟件設(shè)計(jì)

使用STM32的鍵盤模塊，按鍵可以改變PWM的占空比，進(jìn)而改變輸出電壓值，同時(shí)能通過(guò)液晶顯示屏顯示電壓值和轉(zhuǎn)速，軟件部分重點(diǎn)是調(diào)PWM的占空比，同時(shí)PID調(diào)整偏差能使電機(jī)速度穩(wěn)定。軟件總體設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 軟件總體設(shè)計(jì)

3.1 PWM電壓輸出控制

PWM有硬件電路控制和軟件控制兩種，本系統(tǒng)采用軟件控制，通過(guò)調(diào)整占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓輸出，輸出高低電平控制驅(qū)動(dòng)電路，從而控制管子的導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)并調(diào)速。

3.2 速度控制算法

速度控制算法［3］有多種，本方案選擇PID控制算法。面對(duì)實(shí)際情況，當(dāng)不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，或我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象時(shí)，可以選用PID控制技術(shù)。在實(shí)際情況中，系統(tǒng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)通常得不到準(zhǔn)確值，這時(shí)可以應(yīng)用PID控制技術(shù)并依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定我們需要的參數(shù)大小。PID控制器能對(duì)電壓進(jìn)行控制，且比例環(huán)節(jié)減小偏差，積分環(huán)節(jié)消除靜差，微分環(huán)節(jié)減小調(diào)整時(shí)間。

4 檢測(cè)結(jié)果分析

電機(jī)型號(hào)選用東莞信濃馬達(dá)公司的一款DR-9538-721直流無(wú)刷電機(jī)，相關(guān)參數(shù)：直流電壓310V，功率50W，電流20A，轉(zhuǎn)速1430r/min。此時(shí)，PWM控制驅(qū)動(dòng)輸出一高一低的電壓控制IGBT的導(dǎo)通，H橋端電壓為100V，從而能控制電壓從0～100V的變化，電機(jī)輸出的正負(fù)電壓控制電壓的正反轉(zhuǎn)，程序能通過(guò)按鍵控制正反轉(zhuǎn)、PWM占空比進(jìn)行電壓及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。由圖可4知，此時(shí)電壓輸出為最大值100V，電機(jī)能實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到預(yù)期效果。

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓圖像

5 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了直流電機(jī)的調(diào)速問(wèn)題，利用MATLAB軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)效果，達(dá)到輸出電壓可控、參數(shù)示數(shù)液晶顯示、電壓輸出精度較高的效果。但在實(shí)際情況下，仍然存在較大問(wèn)題，如電壓調(diào)整不是很精確，只是大致實(shí)現(xiàn)了相關(guān)功能。本文主要闡述當(dāng)前正在使用和不斷發(fā)展的直流電機(jī)的主流調(diào)速方法——晶閘管電動(dòng)機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)，并具體說(shuō)明了調(diào)速方法，對(duì)現(xiàn)在現(xiàn)實(shí)生活中的調(diào)速具有極大的意義。

［1］馮夏勇，賓鴻贊.微機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量常用方法與精度分析［J］.電子與自動(dòng)化，1995（2）：34-35.

［2］張洋.原子教你玩STM32（庫(kù)函數(shù)版）［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2014.

［3］包松，鮑可進(jìn)，余景華.基于單片機(jī)PID算法的直流電機(jī)測(cè)控系統(tǒng)［J］.微機(jī)發(fā)展，2003（8）：72-74.

A Design of DC Motor Speed Control Power Supply Based on STM32 Microcontroller

Xia YemeiXu Song Wu Chentong Geng Dongshan
（College of Information Engineering,Hubei University for Nationalities，EnShi Hubei 445000）

This paper introduceda design of DC motor speed control power supply based on STM32 microcontroller.Systemis made up of this components,IR2110 drive circuit,H bridge circuit,PWM control,PID control and so on,while PWM is the core,with a driving circuit IR2110 control the output voltage of H bridge for implementing the motor，s speed and positive and negative rotation,at the same time,liquid crystal display(LCD)and be able to use showthe speed and the output voltage,PID canregulate voltage output,to achieves the goal of high precision of speed,good power factor and the energy saving effect.

STM32F4；DC motor speed control；PWM；PID

TM33

A

103-5168（2017）09-0073-02

2017-08-01

夏葉媚（1996-），女，本科在讀，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化。