基于STM32的直流電機調速新方法

司開波 黃 健 呂林濤

(西京學院，西安 710123)

1 引 言

直流電機因其效率高、壽命長、低噪聲、力矩大等優點，在工業生產和家用電器等方面得到了廣泛的應用。人們經常用PWM波來調整直流電機的轉速，但在實際應用中常常會發現，即使是一個固定的PWM值，也不能得到一個恒定不變的轉速。因此，人們常常用PID算法來調整電機的轉速。這種算法在使用時，要根據不同的電機建立不同的模型，然后分別得到P、I、D的系數，根據系數調整電機的轉速。但該方法受客觀因素影響較大，不能克服非線性摩擦力以及電機力矩波動對轉速的影響，而且相應速度不夠快[1～3]。

為了克服以上缺點，本文提出采用基于Cortex-M3的高性能微處理器STM32，應用其內部定時器Timer，每間隔10ms對PWM波中的正脈寬寬度作出調整，以控制電機的轉速。對電機的轉速采用編碼器測速，精度高、響應速度快。將設定的速度值與編碼器測得的速度進行比較，若其值為正，說明實際速度值偏小，在定時器中將正脈寬的寬度加大，以提高驅動能力，達到提升速度的目的；若其值為負，說明實際速度值偏大，在定時器中將正脈寬的寬度減小，以減小驅動能力，達到降低速度的目的；若兩值相等，則當前的正脈寬值保持不變。采用這種方法，調節時間間隔短、響應快，能夠較好的控制電機的轉速。

2 系統設計框圖

系統設計框圖如圖1所示。圖中主控采用STM32F103ZET6，在STM32F1系列中屬于高端產品，功能強大，資源豐富。基于Cortex M3的32位微處理器，有3個硬件SPI接口、8個定時器、3個串口、144個引腳[4,5]。圖1中首先用按鍵電路設置電機轉速，用TB6612驅動直流微型電機，該微型電機自帶編碼器，可用于測速。測速時，將編碼器的A、B相分別連接到STM32定時器T2的PA2和PA3引腳上，就可測得電機的轉速。將測得的轉速值與設置的轉速值進行比較，就可得到誤差值，根據誤差值調節PWM中的正脈寬寬度。若測量值小于設定值，則增大正脈寬的寬度；若測量值大于設定值，則減小正脈寬的寬度；若相等，則維持原來正脈寬的值不變。

圖2 4*1按鍵設計電路Fig.2 4*1 Button design circuit

3 硬件電路設計

3.1 按鍵電路設計

按鍵設計電路如圖2所示。采用4*1按鍵，用于設置電機轉速。

3.2 直流電機驅動電路設計

TB6612是日本東芝公式出品的一款直流電機驅動器，性能優于L298，可同時驅動2路直流電機。最大電流可達1.5A，TB6612與STM32的連接圖如圖3所示。

圖3 TB6612與STM32的連接圖Fig.3 Connection graph between TB6612 and STM32

圖3中AIN1、AIN2、PWMA分別控制1路電機，對應電機連接端是AO1和AO2; BIN1、BIN2、PWMB分別控制1路電機，對應電機連接端是BO1和BO2; 可將AIN1、AIN2、PWMA連接到對應的STM32的IO口。PWMA和PWMB分別連接到STM32的PA0、PA1，這兩個引腳對應的是定時器T5的通道1和通道2，能夠產生對應的PWM波形，用于電機的調速。對應的真值表如表1所示。

表1 TB6612真值表

Tab.1 Truth table of TB6612

表1中H代表高電平，L代表低電平。當電機全速運行時，PWMA輸出高電平，要調整速度時，PWMA輸出不同占空比的方波。另一路電機BIN1、BIN2、PWMB、 BO1、BO2的控制邏輯與表1類似。

3.3 12V直流電機接口

12V直流電機連接圖如圖4所示。電機驅動 PWM 頻率是10kHZ。電機尾部自帶了13線的磁(霍爾)編碼器，電機減速比30:1，故車輪轉一圈，電機可以輸出 390個脈沖。編碼器的額定工作電壓是3.3V,集成了上拉電阻和比較整形功能，可以直接輸出方波。將編碼器的輸出A相、B相分別接到定時器T2的PA2和PA3，用定時器T2的計數功能測速[6～8]。圖4中的“電機線+”和“電機線-”分別接圖3中TB6612的輸出端AO1和A02。

圖4 12V直流電機連接圖Fig.4 Connection diagram of 12V DC motor

3.4 OLED顯示單元電路設計

顯示單元采用1.44寸SPI接口真彩屏，顯示電路設計如圖5所示。圖中采用0.96寸的OLED做顯示屏，分辨率為128×64。接口非常簡單，采用模擬IIC接口，帶有2個10K上拉電阻，分別連接到STM32的PE0、PE1引腳。采用3.3V電壓供電。性能優于普通的液晶顯示器LCD1602，引腳數比1602少很多。按鍵設定的速度值和編碼器測量的速度值都將在OLED顯示屏上顯示，還可以顯示時間等其它信息。

圖5 OLED顯示電路原理圖Fig.5 Schematic diagram of OLED display circuit

4 軟件設計

4.1 軟件設計流程圖

軟件設計流程圖如圖6所示。首先對IIC、定時器等進行初始化，然后用按鍵設置電機轉速。按照表1送出對應信號，啟動電機旋轉。在旋轉過程中，利用定時器T1每隔10ms測試一次電機轉速[9]。根據公式(1)得到速度差e。若設定值大于測量值，則PWM的正脈寬加e；若設定值小于測量值，則PWM的正脈寬減e；若相等，則PWM的值不變。一直循環，流程圖如圖6所示。

圖6 軟件流程圖Fig.6 Software flow chart

公式(1)中，vs為設定的速度值，vc為測量的速度值。兩者相減得到速度的誤差值Er

Er=vs-vc

(1)

4.2 部分代碼

以下是定時器T1的初始化程序，調用形式是Timer1_Init(99,7199);根據公式(2)計算，定時時間恰好是10ms。

Tout=(arr+1)×(psc+1)/Fclk

(2)

式中:Tout——定時時間;Fclk——時鐘頻率，STM32F103的時鐘頻率是72MHz;arr——定時器的自動重裝值;psc——時鐘預分頻系數，分別做為函數Timer1_Init的兩個參數。

void Timer1_Init(u16 arr,u16 psc)

{

RCC->APB2ENR|=1<<11;

TIM1->ARR=arr;

TIM1->PSC=psc;

TIM1->DIER|=1<<0;

TIM1->DIER|=1<<6;

TIM1->CR1|=0x01;

MY_NVIC_Init(0,0,TIM1_UP_IRQn,2);

}

以下代碼是定時器1的中斷代碼，每隔10ms中斷一次。程序中Read_Encoder(2)為讀取編碼器值的函數，并將其賦給Encoder_Left。程序中Set_value為按鍵設定電機轉速。若測量值大于設定值，則pwm值減1，并調用TIM5_PWM_Set函數重新設定pwm脈寬，降低電機轉速；若測量值小于設定值，則pwm值加1，并調用TIM5_PWM_Set函數重新設定pwm脈寬，提高電機轉速。利用此函數，能夠快速調節電機的轉速。

int TIM1_UP_IRQHandler(void)

{

if(TIM1->SR&0X0001)

{

Encoder_Left=Read_Encoder(2);

if(Encoder_Left>Set_value)

{pwm-= Vs-Vc;

TIM5_PWM_Set(35999,0,3,3,pwm);

}

Else if(Encoder_Left

{pwm+= Vs-Vc;

TIM5_PWM_Set(35999,0,3,3,pwm);

}

}

}

5 測試結果

測試時，根據上述硬件原理圖進行連接。在KEIL下用C語言編寫程序，調試好后下載到STM32F103中，就可進行測試。實物如圖7所示。

測試時，將編碼器輸出值用串口輸出，每隔10ms記錄一次，并將結果保存在一個表格中，如表2所示。由于篇幅有限，表2中只給出了部分數據。根據更多個數據，得到時間與測量速度值之間的曲線如圖8所示。測試時按鍵設定的速度值是240cm/ms。

圖8 時間與測量速度值之間對應關系圖Fig.8 Corresponding graph between time and measured velocity value

從表格2和圖8中可以看出，從0到60ms，PWM值不斷增大，電機轉速不斷提高；從70ms到110ms，由于慣性左右，電機轉速還在增大，但此時定時器已經開始調節速度，調節過程中電機轉速有適當的波動，但是到120ms后趨于穩定。速度穩定在240cm/ms，也就是設定值，達到了調速的目的。

表2 編碼器測量值與時間之間的對應關系

Tab.2 Relationship between encoder measurement value and time

6 結束語

本文提出了一種直流電機的調速新方法，繪制了硬件原理圖，編寫了軟件程序，制作出了實物，并對該方法進行了驗證[10]。測試結果表明：該方法具有簡單、實用、響應快等優點，能夠快速調節電機的轉速，取得了較好的效果。

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