基于STM32單片機的直流電機調速電源設計

夏葉媚 徐 松 吳晨彤 耿東山

基于STM32單片機的直流電機調速電源設計

夏葉媚 徐 松 吳晨彤 耿東山

（湖北民族學院信息工程學院，湖北 恩施 445000）

本文介紹了一種基于STM32F4的直流電機調速電源系統設計，系統由IR2110驅動電路、H橋電路、PWM控制、PID調控等部分組成，以PWM為核心，用驅動電路IR2110控制H橋的輸出電壓以對電機進行調速和實現正反轉，同時液晶顯示其速度和輸出電壓，并能用PID調節電壓的輸出，實現了調速精度高、功率因數和節能效果良好的目標。

STM32F4；直流電機調速；PWM；PID

直流電機的應用廣泛，從控制技術角度來看，其是交流調速系統的基礎。在近年來的發展過程中，直流調速系統在理論和實踐上都逐漸成熟，應用范圍不斷擴大。但是，其還存在部分不足。就目前來看，直流調速系統仍然是自動調速系統的主要形式。在我國許多工業部門，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，此時仍廣泛采用直流調速系統。

1 系統總體設計

基于STM32F4的直流調速系統硬件電路以STM32F4開發板為控制核心，通過STM32F4程序輸出PWM波，進而控制驅動電路的輸出電壓幅度與極性［1］，驅動電路輸出的+12V電壓驅動H橋電路導通，H橋電路輸出電壓驅動直流電機。此外，考慮到系統的穩定性，對輸出電壓進行優化處理，采用PID算法控制。系統如圖1所示。

圖1 系統總體電路

2 硬件電路設計

2.1 STM32單片機

采用的單片機是STM32F4［2］，內核Cortex-M4是一種面向數字信號處理（DSC）和高級微控制器（MCU）應用的高效方案，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公司創造出這個類型的單片機，希望把Cortex-M4用于數字信號控制市場，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、電機控制、嵌入式音頻和工業自動化等領域被廣泛應用。

2.2 H橋電路的設計

圖2 H橋電路

電機調速原理就是在驅動電機轉動的基礎上，采用PWM調速和正反轉，變換器主電路采用MOSFET所構成的H型結構形式（見圖2），其是由四個功率管和四個續流二極管組成的雙極式PWM變換器，根據脈沖占空比的不同，在直流電機M上可得到正或負的直流電壓。電機M正轉時，經過PWM1和PWM4控制MOS管導通，反轉時，則是另外兩個。直流電機輸出電壓要求實現0～100V的調壓，可調整脈沖占空比達到要求。

2.3 光耦隔離和IIR2110驅動電路設計

光耦6N137工作時，能輸出一高一低的信號，6N137內經電流-電壓轉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，當使能端為高時與門輸出高電平，經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。在與驅動電路同時工作時，需要光耦工作在一高一低的輸入狀態，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驅動器，光耦工作時，輸出高低電平對其進行控制，其有獨立的高端和低端輸出驅動通道，正常工作時，高端輸出+12V，低端輸出-12V，此時一管導通，一管截止。兩個H橋電路每橋導通一個，升壓驅動電機的調速。

3 軟件設計

使用STM32的鍵盤模塊，按鍵可以改變PWM的占空比，進而改變輸出電壓值，同時能通過液晶顯示屏顯示電壓值和轉速，軟件部分重點是調PWM的占空比，同時PID調整偏差能使電機速度穩定。軟件總體設計如圖3所示。

圖3 軟件總體設計

3.1 PWM電壓輸出控制

PWM有硬件電路控制和軟件控制兩種，本系統采用軟件控制，通過調整占空比來實現電壓輸出，輸出高低電平控制驅動電路，從而控制管子的導通，實現電機驅動并調速。

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，當不能通過有效的測量手段來獲得系統參數時，或我們不完全了解一個系統和被控對象時，可以選用PID控制技術。在實際情況中，系統被控對象的結構和參數通常得不到準確值，這時可以應用PID控制技術并依靠經驗和現場調試來確定我們需要的參數大小。PID控制器能對電壓進行控制，且比例環節減小偏差，積分環節消除靜差，微分環節減小調整時間。

4 檢測結果分析

電機型號選用東莞信濃馬達公司的一款DR-9538-721直流無刷電機，相關參數：直流電壓310V，功率50W，電流20A，轉速1430r/min。此時，PWM控制驅動輸出一高一低的電壓控制IGBT的導通，H橋端電壓為100V，從而能控制電壓從0～100V的變化，電機輸出的正負電壓控制電壓的正反轉，程序能通過按鍵控制正反轉、PWM占空比進行電壓及轉速調節。由圖可4知，此時電壓輸出為最大值100V，電機能實現正反轉，實驗結果達到預期效果。

圖4 電機驅動電壓圖像

5 結語

本系統實現了直流電機的調速問題，利用MATLAB軟件平臺實現了相應效果，達到輸出電壓可控、參數示數液晶顯示、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，如電壓調整不是很精確，只是大致實現了相關功能。本文主要闡述當前正在使用和不斷發展的直流電機的主流調速方法——晶閘管電動機PWM調速系統，并具體說明了調速方法，對現在現實生活中的調速具有極大的意義。

［1］馮夏勇，賓鴻贊.微機轉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（庫函數版）［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2014.

［3］包松，鮑可進，余景華.基于單片機PID算法的直流電機測控系統［J］.微機發展，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。