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

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

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，系統(tǒng)由IR2110驅(qū)動電路、H橋電路、PWM控制、PID調(diào)控等部分組成，以PWM為核心，用驅(qū)動電路IR2110控制H橋的輸出電壓以對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速和實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，同時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)角度來看，其是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)。在近年來的發(fā)展過程中，直流調(diào)速系統(tǒng)在理論和實踐上都逐漸成熟，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。但是，其還存在部分不足。就目前來看，直流調(diào)速系統(tǒng)仍然是自動調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。在我國許多工業(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合需要高性能、可控的電力拖動系統(tǒng)，此時仍廣泛采用直流調(diào)速系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

基于STM32F4的直流調(diào)速系統(tǒng)硬件電路以STM32F4開發(fā)板為控制核心，通過STM32F4程序輸出PWM波，進(jìn)而控制驅(qū)動電路的輸出電壓幅度與極性［1］，驅(qū)動電路輸出的+12V電壓驅(qū)動H橋電路導(dǎo)通，H橋電路輸出電壓驅(qū)動直流電機(jī)。此外，考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對輸出電壓進(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

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)字信號處理（DSC）和高級微控制器（MCU）應(yīng)用的高效方案，具有低功耗、簡單易用、低成本等特點。在運用時，其運算能力非常高，具有高效率的信號處理能力，且新加了浮點，DSP，并行計算，雙MAC等。ARM公司創(chuàng)造出這個類型的單片機(jī)，希望把Cortex-M4用于數(shù)字信號控制市場，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)自動化等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

2.2 H橋電路的設(shè)計

圖2 H橋電路

電機(jī)調(diào)速原理就是在驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動的基礎(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（見圖2），其是由四個功率管和四個續(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，經(jīng)過PWM1和PWM4控制MOS管導(dǎo)通，反轉(zhuǎn)時，則是另外兩個。直流電機(jī)輸出電壓要求實現(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)動電路設(shè)計

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

IIR2110是一種高壓高速功率MOSFET驅(qū)動器，光耦工作時，輸出高低電平對其進(jìn)行控制，其有獨立的高端和低端輸出驅(qū)動通道，正常工作時，高端輸出+12V，低端輸出-12V，此時一管導(dǎo)通，一管截止。兩個H橋電路每橋?qū)ㄒ粋€，升壓驅(qū)動電機(jī)的調(diào)速。

3 軟件設(shè)計

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，同時能通過液晶顯示屏顯示電壓值和轉(zhuǎn)速，軟件部分重點是調(diào)PWM的占空比，同時PID調(diào)整偏差能使電機(jī)速度穩(wěn)定。軟件總體設(shè)計如圖3所示。

圖3 軟件總體設(shè)計

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，通過調(diào)整占空比來實現(xiàn)電壓輸出，輸出高低電平控制驅(qū)動電路，從而控制管子的導(dǎo)通，實現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動并調(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。面對實際情況，當(dāng)不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，或我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象時，可以選用PID控制技術(shù)。在實際情況中，系統(tǒng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)通常得不到準(zhǔn)確值，這時可以應(yīng)用PID控制技術(shù)并依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定我們需要的參數(shù)大小。PID控制器能對電壓進(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)整時間。

4 檢測結(jié)果分析

電機(jī)型號選用東莞信濃馬達(dá)公司的一款DR-9538-721直流無刷電機(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，PWM控制驅(qū)動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，此時電壓輸出為最大值100V，電機(jī)能實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，實驗結(jié)果達(dá)到預(yù)期效果。

圖4 電機(jī)驅(qū)動電壓圖像

5 結(jié)語

本系統(tǒng)實現(xiàn)了直流電機(jī)的調(diào)速問題，利用MATLAB軟件平臺實現(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。但在實際情況下，仍然存在較大問題，如電壓調(diào)整不是很精確，只是大致實現(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——晶閘管電動機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)，并具體說明了調(diào)速方法，對現(xiàn)在現(xiàn)實生活中的調(diào)速具有極大的意義。

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

［2］張洋.原子教你玩STM32（庫函數(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：電氣工程及其自動化。