基于STM32的直流電機伺服控制系統

鄭凱強 賴惠鴿 吳鳳民

摘 要：本文設計了一種以STM32VET6微控制器作為控制核心的有刷直流電機伺服驅動器。系統以光電編碼器為速度與位移傳感器且帶有電流采樣電路，還具有基于PWM和H橋的電機驅動電路，并通過數字PID控制策略，實現直流電機的三環控制。實際測試表明，系統具有控制精確、穩定性好和結構簡單等特點。

關鍵詞：STM32；伺服驅動器；PID

有刷直流電機作為最早出現的電機因其結構簡單性能良好得到了廣泛的應用。隨著對控制精度要求的提高，傳統的控制方法已經無法達到控制精度的需求。本文利用STM32VET6微控制器設計了一種H橋直流電機伺服驅動器，實現了有刷直流電機的速度、位移、電流三環控制。

1 系統整體結構

伺服驅動器采用STM32VET6微控制器為核心控制芯片，主頻為72MHz，芯片內部集成USART與CAN控制器，具有2 個12 位模數轉換器，8個定時器，滿足采樣與定時的要求，外接各類擴展模塊，共同構成伺服驅動器整體。伺服驅動器整體架構圖如圖1所示。

2 驅動器硬件結構

驅動器的硬件結構主要分為兩大部分。上板控制電路用于接收光電編碼器的反饋信息運行控制算法，下板則將上板產生的PWM信號進行功率放大用于驅動電機運行。

1）通信模塊。為了提高該伺服驅動器的通用性與實用性，使驅動器具有極強的擴展性能，該驅動器采用雙通信方式。利用MAX232芯片進行串口通信，82C250芯片進行CAN通信，不僅使驅動器便于與PC機軟件進行測試以調整控制參數優化驅動器性能，還使驅動器滿足各種工業場合的使用需求。

2）電流采樣模塊。要實現電動機的電流環控制，則必須先對電機的電流進行采樣。串電阻檢測電流的電路結構清晰，成本低，實時性好，精度較高。所以本驅動器采用串電阻檢測電流方式，通過STM32芯片的ADC模塊讀取數據，將獲得的電流數據通過控制器的PID算法進行調整以達到精確的電流輸出。

3）光電編碼器模塊。要能夠達到對直流電機的位移、速度等的控制，必須要有傳感器實時檢測電動機的位置速度信息。光電編碼器因其檢測精度高，性能好，抗干擾能力強得到廣泛應用。為提高檢測精度，本設計采用500線的增量式光電編碼器，4倍頻后可以達到2000線的高分辨率，大大提高驅動器的控制精度。光電編碼器將獲得的信息傳入STM32控制芯片，經相應程序處理后得到電動機的速度與位移，然后與設定值進行比較，經PID調節后輸出調整信息。

4） H橋驅動模塊。由于STM32控制芯片產生的PWM信號并不能直接驅動電機運行，而需要進行功率放大后才能帶動電機運行，所以一個性能優越的功率驅動電路對提高伺服驅動器的性能大有裨益。本設計采用H橋形式的受限倍頻單極性驅動可逆PWM系統，使直流電機具有正反轉與制動功能，提高了驅動器的實用性。

3 驅動器軟件結構

驅動器的軟件結構主要分為上位機測試軟件與驅動器嵌入式程序。

3.1 嵌入式程序

驅動器的嵌入式程序用于實現對電動機的獨立控制，內含控制算法與通信協議。考慮到電動機的物理特性，這里采用增量式PID算法。增量式PID算法的仿真結果如圖2所示。由仿真結果可知，增量式PID算法具有極好的響應性能。

3.2 上位機測試軟件

為了便于調整驅動器的控制參數，檢測驅動器的控制精度。專門開發上位機測試軟件用于測試伺服驅動器的運行性能。測試軟件采用C語言編寫，與伺服驅動器通過串口通信可以實時獲取驅動器的運行狀態與向驅動器發送控制信息。

4 測試

伺服驅動器完成之后需要對其性能進行實際測試，對控制精度達不到要求的伺服驅動器要分析原因對控制參數或控制策略進行適當修改使其能達到控制需求。經實際測試后，由上位機獲得的實時運行數據可知，伺服驅動器性能良好控制精度高。

5 結語

本文設計了基于STM32的直流有刷電機伺服驅動器，經實際成品的實驗驗證，本驅動器具有良好的性能較高的控制精度，且由于此驅動器采用串口通信與CAN通訊的雙通信方式擴大了驅動器的使用范圍。

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