基于STM32單片機(jī)的直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

王傳博 王溪文

摘要：直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)主體是由主控電路、測速模塊及電動(dòng)機(jī)組成。該系統(tǒng)通過PID與PWM之間的關(guān)系控制脈沖序列，由速度傳感器測出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速反饋給單片機(jī)，從而構(gòu)成閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，在單片機(jī)處理信號(hào)時(shí)采用PID算法對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行校正，改變輸出脈沖的占空比使其更加準(zhǔn)確的控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。這種閉環(huán)控制系統(tǒng)提高了系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性和調(diào)速的精度，增強(qiáng)了對(duì)直流電機(jī)速度的可控性，能夠有效的實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。

關(guān)鍵詞：電機(jī);測速傳感器;PWM控制;PID算法

0引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，自動(dòng)化控制技術(shù)的需求不斷擴(kuò)大，以單片機(jī)為核心的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)以其良好的調(diào)速特性和制動(dòng)性能，使得在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用越加廣泛[1-2]。本次設(shè)計(jì)以STM32單片機(jī)作為控制核心，采用增量式PID算法和PWM技術(shù)通過霍爾傳感器的反饋構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，更好的保證電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展。

1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)一共設(shè)置了四個(gè)按鍵，分別對(duì)應(yīng)電機(jī)啟動(dòng)，加速，減速，停止四種運(yùn)行狀態(tài)。上位機(jī)將相對(duì)應(yīng)的程序?qū)懭隨TM32單片機(jī)，由STM32單片機(jī)輸出脈沖序列通過占空比的改變控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，霍爾傳感器采集電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)反饋給單片機(jī)，單片機(jī)內(nèi)部程序通過PID算法對(duì)反饋信號(hào)加以校正在重新輸出，使系統(tǒng)形成一個(gè)閉環(huán)反饋。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2硬件設(shè)計(jì)

2.1電機(jī)控制模塊設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)中采用的電機(jī)控制模塊是L298N雙H橋直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片具有ENA和ENB兩個(gè)使能控制端，采用邏輯電平信號(hào)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)[3]。芯片工作時(shí)端子懸空，VMS驅(qū)動(dòng)部分由單片機(jī)通過杜邦線供電，這種供電方式簡化了電路的設(shè)計(jì)，大幅提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

L298N控制芯片的端子左右兩排插針I(yè)N1～I(xiàn)N4分別接在STM32單片機(jī)接口的GPIOF1～4，OUT1～OUT2連接直流電動(dòng)機(jī)，用來控制電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速。ENA和ENB接高電平時(shí)芯片使能，在本次設(shè)計(jì)中由單片機(jī)輸出信號(hào)拉高。

2.2測速傳感器模塊設(shè)計(jì)

本文采用的測速傳感器為霍爾測速傳感器ES3144，該傳感器主要由傳感頭和齒圈組成，其工作原理為霍爾效應(yīng)，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)的金屬部件通過霍爾傳感器的磁場時(shí)引起電勢變化，通過對(duì)電勢的測量就可以得到被測量對(duì)象的轉(zhuǎn)速值。當(dāng)信號(hào)盤隨電機(jī)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，信號(hào)盤的每個(gè)齒經(jīng)過探頭正前方時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)，探頭就輸出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的脈沖信號(hào)。因此，脈沖信號(hào)的頻率大小就反映了直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

對(duì)于轉(zhuǎn)速的測量方法很多種，本次設(shè)計(jì)中采用的是根據(jù)脈沖計(jì)數(shù)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量的定數(shù)計(jì)時(shí)法也稱測周期法。定數(shù)計(jì)時(shí)法是指電機(jī)轉(zhuǎn)速以單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)數(shù)來衡量，在變換過程中多數(shù)是有規(guī)律的重復(fù)運(yùn)動(dòng)本次設(shè)計(jì)中采用定數(shù)計(jì)時(shí)法，在被測信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)，計(jì)數(shù)時(shí)鐘脈沖數(shù)為m，fc為時(shí)鐘頻率，則被測信號(hào)的頻率fx的計(jì)算公式可見式（2.1）。

（2.1）

霍爾轉(zhuǎn)速傳感器通過磁力線密度的變化，在磁力線穿過傳感器上的感應(yīng)元件時(shí)，產(chǎn)生霍爾電勢并將其轉(zhuǎn)換為交變電信號(hào)，最后傳感器的內(nèi)置電路會(huì)將信號(hào)調(diào)整和放大，輸出矩形脈沖信號(hào)傳遞給單片機(jī)。

3軟件設(shè)計(jì)

3.1 PWM調(diào)速設(shè)計(jì)

在本次設(shè)計(jì)中將電動(dòng)機(jī)的工作頻率設(shè)為1000HZ，則周期為1ms。在輸出PWM波時(shí)，利用定時(shí)器確定PWM的周期及占空比。其計(jì)算公式見式（3.1）。

（3.1）

式中的T為PWM的周期，D為占空比，t是由定時(shí)器產(chǎn)生一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)，定時(shí)器溢出的次數(shù)為n。周期與占空比相乘所得的時(shí)間也就是單片機(jī)輸出高電平的時(shí)間。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，規(guī)定電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速為Vmax，占空比為D，則電機(jī)的平均速度其中Va指的是電機(jī)的平均速度;Vmax是指電動(dòng)機(jī)在全通電時(shí)的最大速度;占空比。當(dāng)占空比不同時(shí)，會(huì)得到不同的平均速度Vd，達(dá)到調(diào)速目的。一個(gè)周期加在直流電動(dòng)機(jī)兩端的電壓的大小就是高電平脈沖的個(gè)數(shù)乘上占空比的大小，電機(jī)的平均速度等于在指定的占空比下直流電動(dòng)機(jī)的最大速度乘上占空比，因此當(dāng)改變脈沖序列里的占空比時(shí)，電動(dòng)機(jī)就會(huì)產(chǎn)生不同的速度。

單片機(jī)產(chǎn)生的周期為1ms（10000HZ）的PWM，所以可設(shè)置中斷的時(shí)間間隔為0.01ms，，然后中斷100次即為1ms。在中斷子程序內(nèi)，可設(shè)置一個(gè)變量time，在中斷子程序內(nèi)，當(dāng)time>=100時(shí)，time清零（此語句保證頻率為10000HZ），time>n（n在0-100之間）時(shí)單片相應(yīng)的I/O口輸出高電平，反之，單片相應(yīng)的I/O口輸出低電平，此時(shí)占空比就為n%。占空比通過time的值進(jìn)行變化，time<=20時(shí) PWM1=0; 是指%20的時(shí)間輸出低電平，80%的時(shí)間輸出高電平，即占空比為80%。頻率是由11.0592M晶振，10KHZ PWM輸出頻率，定時(shí)器0.01ms中斷一次，中斷次數(shù)100次即為10KHZ（ 0.01ms*100=1ms，即為10000HZ，此時(shí)，定時(shí)器計(jì)數(shù)器賦初值為FF。

另需要定義一個(gè)標(biāo)志位flag，根據(jù)flag的狀態(tài)決定輸出高平還是低電平，定義flag=1的時(shí)候輸出高電平，用變量記錄定時(shí)器中斷的次數(shù)，每次中斷就讓記錄中斷次數(shù)的變量加1，在中斷程序里面判斷這個(gè)變量的值是否到n值。當(dāng)達(dá)到了高電平的時(shí)間，此時(shí)改變將0值賦給flag，輸出低電平，同時(shí)記錄中斷變量的值清零，每次中斷的時(shí)候依舊加1，根據(jù)flag=0的情況跳去判斷記錄變量的值是否達(dá)到n，如果符合，flag值會(huì)改成1，輸出改高電平，同時(shí)記錄次數(shù)變量清零，重新開始，通過子程序的不斷循環(huán)來得到設(shè)計(jì)需要的PWM波形。

3.2 PID控制算法設(shè)計(jì)

PID控制算法其實(shí)是對(duì)設(shè)置的預(yù)定參數(shù)進(jìn)行跟蹤。在控制領(lǐng)域，先采集目前的實(shí)時(shí)參數(shù)，與設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行比較，計(jì)算出誤差，然后進(jìn)行積分微分運(yùn)算，計(jì)算出控制器需要的增量然后與實(shí)際參數(shù)相加，使其盡可能的接近設(shè)定值 。PID控制算法一共有三種，分別是增量式算法、位置式算法和微分先行，在本次設(shè)計(jì)中采用增量式算法，其計(jì)算公式見式（3.2）。

（3.2）

在本次設(shè)計(jì)中為了加快開始的動(dòng)態(tài)過程，設(shè)定了一個(gè)偏差范圍v，當(dāng)偏差|e（t）|< β時(shí)，即被控量接近給定值時(shí)，就按正常規(guī)律調(diào)節(jié)，而當(dāng)|e（t）|>= β時(shí)，則不管比例作用為正或?yàn)樨?fù)，都使它向有利于接近給定值的方向調(diào)整，即取其值為|e（t）-e（t-1）|，加快了控制的動(dòng)態(tài)過程。增量式算法中比例積分Kp越大時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速回歸到輸入值的速度將更快，及調(diào)節(jié)靈敏度就越高，可以增加P值來減少調(diào)節(jié)時(shí)間，但造成了電機(jī)轉(zhuǎn)速在預(yù)設(shè)值附近振蕩的情形，因此引入積分Ki環(huán)節(jié)消除穩(wěn)態(tài)誤差，但系統(tǒng)趨于穩(wěn)定的時(shí)間不應(yīng)過長，因此在本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中將時(shí)間常數(shù)設(shè)置很小。具體PID算法程序流程圖如圖2所示。

4結(jié)語

本文主要對(duì)基于STM32單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。以單片機(jī)作為核心控制芯片，采用閉環(huán)的數(shù)字控制，用組合邏輯電路實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)輸出，配合控制芯片對(duì)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制，通過霍爾測速傳感器對(duì)直流電機(jī)的速度采樣，由PID控制算法對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行校正提高測量電機(jī)轉(zhuǎn)速的精度。

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作者簡介： 王傳博（1996.10—），男，遼寧，碩士，主要研究方向：控制系統(tǒng)與應(yīng)用

圖2.PID算法程序流程圖