STM32的直流电机PID调速系统设计与实现

1、【Word版本下载可任意编辑】 STM32的直流电机PID调速系统设计与实现 直流调速系统广泛应用于低转速、高精度等各领域，如精细办公设备（喷墨打印机、激光打印机），自动售货机，家用电器、机器人和玩具设备等。其发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术和微机应用技术的发展成就。顺应调速系统智能化、简单化的发展趋势，本设计采用一款性价比高、功耗低的基于ARMCortex?M3内核的STM32单片机为控制，结合PID控制技术，实现了直流电机范围大、精度高的调速性能。 1、系统的总体设计 该调速系统能够实现对电机的启动、制动、正反转调速、测速和数据上传等功能，可方便地

2、实现直流电机的四象限运行。本系统的性能指标为：调速精度高到达1r/min；调速稳态误差不超过0.5%；调速范围为-500500r/min；串口指令控制方式；驱动电路导通阻抗低，能耗少；运行稳定可靠。系统由电源、上位机、通信接口、控制电路、电机驱动电路、电机与负载和测速装置等模块组成，构造框图如图1所示。 图1 系统构造框图 2、硬件设计 2.1、控制电路设计 控制电路负责接收控制指令，并产生相应的控制信号，同时返回电机速度数据和电机运行状态数据等。为了保证电路工作稳定可靠，控制电路应具有较高的运行速度、高度可靠的稳定性能、开发容易、高性价比，产生的PWM控制信号应具有死区延时、互补输出、紧急刹

3、车等功能。STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARMCortex?M3内核，本系统采用STM32F103作为控制器。控制电路以STM32F103为的系统包括STM32主芯片、时钟电路、复位电路、UART?USB转换电路、JTAG调试接口电路、电源等，其原理图如图2所示。 图2 以STM32F103为的控制电路原理图 2.2、驱动电路设计 根据系统正反转的控制要求，采用H桥驱动电路，由MOS管构成的H桥驱动电路原理图如图3所示。 图3 由MOS管构成的H桥驱动电路原理图 MOSFET是电压控制型器件，具有开关速度快、输入阻抗高、驱动方便等优点5。本系统采用IRF

4、9630和IRF630对管，组成H桥，上桥臂均使用PMOS，下桥臂均使用NMOS，两种MOS管基本特性如下表1所示。 表1H桥MOSFET主要参数表 控制电路的输出信号为DC3.3V信号，需要与驱动电路隔离，采用了LTV352光电耦合隔离器。互补PWM输入信号经过光耦隔离作用到MOSFET栅极，从而控制OUTA，OUTB之间的电压。MOSFET中G，S两极之间使用了双向TVS管抑制瞬态电压，防止MOSFET损坏。由于采用了PMOS，NMOS对管电路，MOSFET栅极电压是由输入电压开展分压得到，因此不需要采用额外的高电压信号源。 互补PWM输入信号中，PWMA控制V1，V4桥臂，PWMB信号控

5、制V2，V3桥臂。当占空比为50%的PWM输入信号时，OUTA，OUTB之间输出电压是0V，电机处于停止状态时，由于电机电枢中仍存在高频微震电流，从而消除了正反向转动时的静摩擦死区，起着动力润滑作用。 2.3、速度反应装置设计 本系统采用高达888线AB相光电编码器，两相脉冲相差90，通过测量某相的周期T可以得到电机运行速度，通过测量两相的上升沿时刻可以得到电机运行方向。 3、系统软件设计 系统的软件设计主要完成硬件和数据初始化功能，然后进入标志位循环扫描状态，一旦中断发生便处理中断程序，在中断程序中有相关标志位置位（包括上位机发送来的、通信异常处理、电机停转处理），有则处理，无则继续开展中断

6、等待。系统软件主程序流程如图4所示。 图4 主程序流程图 中断源分为USART中断、PWM刹车中断、EXTI、TIMER中断。 USART中断是由于与上位机的数据交换过程中产生的，在中断程序中需要对接收到的数据包开展解析，并更新通信超时计数器。 PWM刹车中断是由于PWM刹车输入信号产生的，代表电机控制现场产生了紧急停车的请求。 EXTI中断由AB相编码器产生的光电编码脉冲产生，需要在中断服务历程中计算电机运行速度和方向，同时更新测速超时计数器。 TIMER中断为1ms定时中断，这个中断源的存在是为了系统通信超时检测、电机停转检测使用，在中断中需要对通信超时计数器和测速超时计数器开展自减处理，

7、如果到零则发出响应信号通知系统。 由于中断源的多样性，STM32自带有可嵌套的中断向量控制器（NVIC），因此中断处理程序实际上是相互独立的。 3.1、PID算法设计 PID控制器将给定转速和反应测得转速相比较后，经计算得出一个输出信号，将此输出信号量化为PWM的占空比，终作用在电机的驱动电路上来控制电机。本系统中采用增量式PID算法9?10，增量式数字PID表达式为： KP为比例系数；TI为积分项积分时间常数；TD为微分时间常数。由上式可以得出增量式PID算法程序如下： #defineKP0.15 #defineTI0.95 #defineTD0 #defineT0.001 #defineE

8、MIN0.01 #defineA（KP*（1+T/TI+TD/T） #defineB（KP*（1+2*TD/T） #defineC（KP*TD/T） floatPIDCompute（floatr，floaty） staticfloate0=0.0; staticfloate1=0.0; floate=0.0; floatdelta; e=r-y; delta=A*e-B*e1+C*e0; e0=e1; e1=e; returndelta; 3.2、测速软件设计 测速软件需要完成测量电机转速与测量电机运行方向两部分内容。光电测速编码器输出的888线AB相脉冲分别连接到STM32的PA0，PA1上

9、。 测速在STM32上的编程实现过程如下： （1）配置EXTI1上升沿、下降沿均触发中断； （2）配置端口与TIM2，TIM3； （3）开启中断； （4）EXTI中断程序中读取TIM2CNT中的数据并记录，清空TIM2CNT存放器中的数据并重新启动计数； （5）根据记录的数据开展瞬时速度计算； （6）当若干个时基中断发生且期间无测速中断请求则宣告电机转速为0。 将A相信号输入至PA0（EXTI0）之上，编程使得EXTI0上升沿中断。在中断例程里读取B相信号，根据AB相脉冲时序可以判断电机转动方向，即B=1，电机反转；B=0，电机正转。 4、系统验证 本系统经过原理图和PCB设计、焊接制板、硬件测试、模块程序编写、模块程序功能测试、连接各个子模块程序、PID参数整定，通过反复的调试，系统完全满足预期要求，能够实现-500500r/min之间任意速度控制（以顺时针方向为正方向），控制精度达1r/min，稳态误差不超过0.5%。在正常工作环境下，电机空载运行时，此时系统测试参数