基于STM32的直流電機(jī)伺服控制系統(tǒng)

鄭凱強(qiáng) 賴惠鴿 吳鳳民

摘 要：本文設(shè)計(jì)了一種以STM32VET6微控制器作為控制核心的有刷直流電機(jī)伺服驅(qū)動器。系統(tǒng)以光電編碼器為速度與位移傳感器且?guī)в须娏鞑蓸与娐罚€具有基于PWM和H橋的電機(jī)驅(qū)動電路，并通過數(shù)字PID控制策略，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的三環(huán)控制。實(shí)際測試表明，系統(tǒng)具有控制精確、穩(wěn)定性好和結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：STM32；伺服驅(qū)動器；PID

有刷直流電機(jī)作為最早出現(xiàn)的電機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡單性能良好得到了廣泛的應(yīng)用。隨著對控制精度要求的提高，傳統(tǒng)的控制方法已經(jīng)無法達(dá)到控制精度的需求。本文利用STM32VET6微控制器設(shè)計(jì)了一種H橋直流電機(jī)伺服驅(qū)動器，實(shí)現(xiàn)了有刷直流電機(jī)的速度、位移、電流三環(huán)控制。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

伺服驅(qū)動器采用STM32VET6微控制器為核心控制芯片，主頻為72MHz，芯片內(nèi)部集成USART與CAN控制器，具有2 個(gè)12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，8個(gè)定時(shí)器，滿足采樣與定時(shí)的要求，外接各類擴(kuò)展模塊，共同構(gòu)成伺服驅(qū)動器整體。伺服驅(qū)動器整體架構(gòu)圖如圖1所示。

2 驅(qū)動器硬件結(jié)構(gòu)

驅(qū)動器的硬件結(jié)構(gòu)主要分為兩大部分。上板控制電路用于接收光電編碼器的反饋信息運(yùn)行控制算法，下板則將上板產(chǎn)生的PWM信號進(jìn)行功率放大用于驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行。

1）通信模塊。為了提高該伺服驅(qū)動器的通用性與實(shí)用性，使驅(qū)動器具有極強(qiáng)的擴(kuò)展性能，該驅(qū)動器采用雙通信方式。利用MAX232芯片進(jìn)行串口通信，82C250芯片進(jìn)行CAN通信，不僅使驅(qū)動器便于與PC機(jī)軟件進(jìn)行測試以調(diào)整控制參數(shù)優(yōu)化驅(qū)動器性能，還使驅(qū)動器滿足各種工業(yè)場合的使用需求。

2）電流采樣模塊。要實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的電流環(huán)控制，則必須先對電機(jī)的電流進(jìn)行采樣。串電阻檢測電流的電路結(jié)構(gòu)清晰，成本低，實(shí)時(shí)性好，精度較高。所以本驅(qū)動器采用串電阻檢測電流方式，通過STM32芯片的ADC模塊讀取數(shù)據(jù)，將獲得的電流數(shù)據(jù)通過控制器的PID算法進(jìn)行調(diào)整以達(dá)到精確的電流輸出。

3）光電編碼器模塊。要能夠達(dá)到對直流電機(jī)的位移、速度等的控制，必須要有傳感器實(shí)時(shí)檢測電動機(jī)的位置速度信息。光電編碼器因其檢測精度高，性能好，抗干擾能力強(qiáng)得到廣泛應(yīng)用。為提高檢測精度，本設(shè)計(jì)采用500線的增量式光電編碼器，4倍頻后可以達(dá)到2000線的高分辨率，大大提高驅(qū)動器的控制精度。光電編碼器將獲得的信息傳入STM32控制芯片，經(jīng)相應(yīng)程序處理后得到電動機(jī)的速度與位移，然后與設(shè)定值進(jìn)行比較，經(jīng)PID調(diào)節(jié)后輸出調(diào)整信息。

4） H橋驅(qū)動模塊。由于STM32控制芯片產(chǎn)生的PWM信號并不能直接驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行，而需要進(jìn)行功率放大后才能帶動電機(jī)運(yùn)行，所以一個(gè)性能優(yōu)越的功率驅(qū)動電路對提高伺服驅(qū)動器的性能大有裨益。本設(shè)計(jì)采用H橋形式的受限倍頻單極性驅(qū)動可逆PWM系統(tǒng)，使直流電機(jī)具有正反轉(zhuǎn)與制動功能，提高了驅(qū)動器的實(shí)用性。

3 驅(qū)動器軟件結(jié)構(gòu)

驅(qū)動器的軟件結(jié)構(gòu)主要分為上位機(jī)測試軟件與驅(qū)動器嵌入式程序。

3.1 嵌入式程序

驅(qū)動器的嵌入式程序用于實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)的獨(dú)立控制，內(nèi)含控制算法與通信協(xié)議。考慮到電動機(jī)的物理特性，這里采用增量式PID算法。增量式PID算法的仿真結(jié)果如圖2所示。由仿真結(jié)果可知，增量式PID算法具有極好的響應(yīng)性能。

3.2 上位機(jī)測試軟件

為了便于調(diào)整驅(qū)動器的控制參數(shù)，檢測驅(qū)動器的控制精度。專門開發(fā)上位機(jī)測試軟件用于測試伺服驅(qū)動器的運(yùn)行性能。測試軟件采用C語言編寫，與伺服驅(qū)動器通過串口通信可以實(shí)時(shí)獲取驅(qū)動器的運(yùn)行狀態(tài)與向驅(qū)動器發(fā)送控制信息。

4 測試

伺服驅(qū)動器完成之后需要對其性能進(jìn)行實(shí)際測試，對控制精度達(dá)不到要求的伺服驅(qū)動器要分析原因?qū)刂茀?shù)或控制策略進(jìn)行適當(dāng)修改使其能達(dá)到控制需求。經(jīng)實(shí)際測試后，由上位機(jī)獲得的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)可知，伺服驅(qū)動器性能良好控制精度高。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了基于STM32的直流有刷電機(jī)伺服驅(qū)動器，經(jīng)實(shí)際成品的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本驅(qū)動器具有良好的性能較高的控制精度，且由于此驅(qū)動器采用串口通信與CAN通訊的雙通信方式擴(kuò)大了驅(qū)動器的使用范圍。

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作者簡介：鄭凱強(qiáng)（1991-），男，漢族，四川廣安人，在讀碩士，研究方向：機(jī)電系統(tǒng)智能控制。