基于STM32的直流电机PID调速系统设计.pdfVIP

【作者】雷慧杰

【作者单位】安阳工学院电子信息与电气工程学院，河南安阳455000

【正文语种】中文

【中图分类】TN710-34;TM921;TP29

直流调速系统广泛应用于低转速、高精度等各领域，如精密办公设备（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

术的必威体育精装版发展成就［1］。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［2-3］为

控制核心，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。

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：调速精度高达到1

r/min；调速稳态误差不超过0.5%；调速范围为-500～500r/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，结构框图

如图1所示。

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［4］，本系统采用

STM32F103作为核心控制器。控制电路以STM32F103为核心的最小系统包括

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。

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。

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IRF9630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管基本特性如表1所示。

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进行分压得到，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0

V，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［6］。

2.3速度反馈装置设计

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。

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，无则继续进行中断等待［7］。

系统软件主程序流程如图4所示。

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