基于stm32微控制器的直流電機(jī)驅(qū)動器設(shè)計(jì)

閆要鵬

摘 要 在各類電機(jī)設(shè)備中，直流電機(jī)以其良好的調(diào)速特性、啟動和制動性能，在工業(yè)、冶金、機(jī)械制造等現(xiàn)代化工業(yè)部門得到了廣泛的應(yīng)用；為了增強(qiáng)電機(jī)驅(qū)動器的精確控制功能和可移植性，本次基于stm32微控制器對直流電機(jī)驅(qū)動器進(jìn)行了研究。

【關(guān)鍵詞】直流電機(jī) 精確控制 可移植性 stm32微控制器

大部分直流電機(jī)驅(qū)動在系統(tǒng)中集成，依靠控制器對外部參數(shù)進(jìn)行分析處理后輸出的驅(qū)動指令來實(shí)現(xiàn)各種動作，在集成電路的條件下可完成直流電機(jī)的保護(hù)和驅(qū)動，但驅(qū)動部分無法移植；本次研究擬設(shè)計(jì)一種基于stm32微控制器的直流電機(jī)驅(qū)動器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制、檢測、保護(hù)、通訊、顯示為一體，具有響應(yīng)速度快、控制精度高的特點(diǎn)，同時(shí)也保證了可移植性。

1 總設(shè)計(jì)方案

以stm32主控芯片為控制系統(tǒng)，其余組成部分為驅(qū)動電路、電源電路、檢測電路、顯示電路、通信電路等。該驅(qū)動器擬設(shè)計(jì)成雙電機(jī)驅(qū)動模式，在根據(jù)指令完成保護(hù)、驅(qū)動操作的同時(shí)還能對電機(jī)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測顯示和反饋，如圖1所示。

2 電路硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)

本驅(qū)動器采用STM32F103RCT6微處理器，基于Cortex-M3內(nèi)核，最高的時(shí)鐘頻率為72MHZ，擁有豐富的外設(shè)資源，包含了DMA控制器、ADC、還擁有專用于電機(jī)控制的高級定時(shí)器，有強(qiáng)大的邊沿捕獲能力和PWM功能，可以使設(shè)計(jì)大大的簡化，系統(tǒng)總功耗降低；采用SWD仿真接口，引腳更少，連接更為簡單安全，代碼也能以更快的速度下載到Flash當(dāng)中。

2.2 驅(qū)動電路

驅(qū)動器采用VNH3SP30芯片作為電機(jī)驅(qū)動單元，VNH3SP30是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的專用于電機(jī)驅(qū)動的大電流功率集成芯片，最大電流為30A、電源電壓高達(dá)40V，內(nèi)含欠壓、過壓保護(hù)電路，具有過熱報(bào)警輸出和自動關(guān)斷等功能。

STM32單片機(jī)通過光耦隔離來實(shí)現(xiàn)對驅(qū)動芯片的控制和信號反饋，單片機(jī)通過控制INA和INB管腳高低電平來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及制動，通過PWM信號控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，ENA和ENB管腳實(shí)現(xiàn)芯片的過熱、過壓、欠壓及過流反饋，如圖2所示。

2.3 電源電路

電源電路設(shè)計(jì)參數(shù)值具體包括如下：

（1）stm32微處理器和通信芯片供電電壓3.3V；

（2）VNH3SP30芯片驅(qū)動和檢測電路供電電壓5V；

（3）增量式碼盤供電電壓12V；

（4）VNH3SP30芯片電機(jī)驅(qū)動供電電壓24V。

在電源電路中，電源輸入電壓為24V，通過LM2576S-12.0，LM2576S-5.0以及SPX1117IMPX-3.3穩(wěn)壓芯片將電壓分別降為12V、5V、3.3V后供給各電路。

2.4 檢測電路

檢測電路包括電流檢測、電壓檢測以及轉(zhuǎn)速檢測，主要用于對流過電機(jī)的電流、電機(jī)兩端電壓以及電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測。電壓、電流、轉(zhuǎn)速信息不僅可對電機(jī)運(yùn)行提供保護(hù)，而且還能用于對電機(jī)運(yùn)行特性參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

電流檢測元件使用電流傳感器（ACS712），在該傳感器內(nèi)設(shè)置有高精準(zhǔn)性的低偏置線性霍爾傳感器電路，可對交流、直流電流成比例的電壓進(jìn)行輸出和檢測。電壓檢測則以分壓電路實(shí)現(xiàn)，將直流電機(jī)并聯(lián)到電阻上，將電阻輸出電壓調(diào)節(jié)到stm32的ADC采集范圍內(nèi)。轉(zhuǎn)速檢測預(yù)留增量式碼盤接口，將碼盤固定于電機(jī)上，電機(jī)軸和碼盤轉(zhuǎn)子相連，處理器通過采集碼盤信息從而計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速。

2.5 顯示電路

驅(qū)動器預(yù)留LCD顯示電路接口，LCD分別接在stm32的PA8～12、PB6～7等共計(jì)16個端口，對電機(jī)驅(qū)動時(shí)的轉(zhuǎn)速、電壓、電流以及故障等運(yùn)行情況進(jìn)行顯示。

2.6 通信電路

通信電路設(shè)計(jì)采用SP3232芯片，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與電機(jī)驅(qū)動器之間的通信，用于實(shí)現(xiàn)控制器對電機(jī)的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速的控制及電機(jī)運(yùn)行電壓、電流、轉(zhuǎn)速、運(yùn)行狀態(tài)等情況的反饋。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)以stm32自帶的固件庫為基準(zhǔn)，與直接控制寄存器相比可有效降低編程難度和耗時(shí)，驅(qū)動器功能主要包含PWM控制和ADC信號采集。驅(qū)動器控制以脈寬調(diào)制實(shí)現(xiàn)，通過對占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。考慮到電壓波動負(fù)載變化會對轉(zhuǎn)速產(chǎn)生影響，因此本設(shè)計(jì)中以PID算法對轉(zhuǎn)速波動進(jìn)行調(diào)節(jié)；由于ADC采集會受到電壓和電流波動的影響，因此可將每秒采集的數(shù)據(jù)量累積到10求均值，再將均值與電機(jī)欠壓、過壓、過流的臨界值進(jìn)行比對，若超過臨界值則反饋故障狀態(tài)；232通信主要實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對電機(jī)轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)控制和運(yùn)行狀態(tài)的反饋。

4 總結(jié)

本文基于stm32微控制器對直流電機(jī)驅(qū)動器的驅(qū)動和運(yùn)行控制進(jìn)行了設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動部分對電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測和反饋，同時(shí)節(jié)約了控制系統(tǒng)的程序空間，提高控制精度，賦予了驅(qū)動系統(tǒng)可移植性。

參考文獻(xiàn)

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作者單位

南京模擬技術(shù)研究所 江蘇省南京市 210016