基于STM32單片機的直流電機閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

王傳博 王溪文

摘要：直流電機閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)主體是由主控電路、測速模塊及電動機組成。該系統(tǒng)通過PID與PWM之間的關(guān)系控制脈沖序列，由速度傳感器測出電動機的轉(zhuǎn)速反饋給單片機，從而構(gòu)成閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，在單片機處理信號時采用PID算法對輸出信號進行校正，改變輸出脈沖的占空比使其更加準確的控制電動機轉(zhuǎn)速。這種閉環(huán)控制系統(tǒng)提高了系統(tǒng)運行時的穩(wěn)定性和調(diào)速的精度，增強了對直流電機速度的可控性，能夠有效的實現(xiàn)對直流電動機轉(zhuǎn)速的控制。

關(guān)鍵詞：電機;測速傳感器;PWM控制;PID算法

0引言

隨著科學技術(shù)的發(fā)展和進步，自動化控制技術(shù)的需求不斷擴大，以單片機為核心的電機調(diào)速系統(tǒng)以其良好的調(diào)速特性和制動性能，使得在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用越加廣泛[1-2]。本次設(shè)計以STM32單片機作為控制核心，采用增量式PID算法和PWM技術(shù)通過霍爾傳感器的反饋構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，更好的保證電機調(diào)速系統(tǒng)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展。

1系統(tǒng)總體方案設(shè)計

本次設(shè)計一共設(shè)置了四個按鍵，分別對應(yīng)電機啟動，加速，減速，停止四種運行狀態(tài)。上位機將相對應(yīng)的程序?qū)懭隨TM32單片機，由STM32單片機輸出脈沖序列通過占空比的改變控制電動機的轉(zhuǎn)速，霍爾傳感器采集電動機的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號反饋給單片機，單片機內(nèi)部程序通過PID算法對反饋信號加以校正在重新輸出，使系統(tǒng)形成一個閉環(huán)反饋。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2硬件設(shè)計

2.1電機控制模塊設(shè)計

本次設(shè)計中采用的電機控制模塊是L298N雙H橋直流電機驅(qū)動芯片，該芯片具有ENA和ENB兩個使能控制端，采用邏輯電平信號控制電機轉(zhuǎn)動[3]。芯片工作時端子懸空，VMS驅(qū)動部分由單片機通過杜邦線供電，這種供電方式簡化了電路的設(shè)計，大幅提高了系統(tǒng)的運行效率。

L298N控制芯片的端子左右兩排插針I(yè)N1～IN4分別接在STM32單片機接口的GPIOF1～4，OUT1～OUT2連接直流電動機，用來控制電動機旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速。ENA和ENB接高電平時芯片使能，在本次設(shè)計中由單片機輸出信號拉高。

2.2測速傳感器模塊設(shè)計

本文采用的測速傳感器為霍爾測速傳感器ES3144，該傳感器主要由傳感頭和齒圈組成，其工作原理為霍爾效應(yīng)，當轉(zhuǎn)動的金屬部件通過霍爾傳感器的磁場時引起電勢變化，通過對電勢的測量就可以得到被測量對象的轉(zhuǎn)速值。當信號盤隨電機轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，信號盤的每個齒經(jīng)過探頭正前方時產(chǎn)生感應(yīng)，探頭就輸出一個標準的脈沖信號。因此，脈沖信號的頻率大小就反映了直流電動機的轉(zhuǎn)速。

對于轉(zhuǎn)速的測量方法很多種，本次設(shè)計中采用的是根據(jù)脈沖計數(shù)來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量的定數(shù)計時法也稱測周期法。定數(shù)計時法是指電機轉(zhuǎn)速以單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)數(shù)來衡量，在變換過程中多數(shù)是有規(guī)律的重復(fù)運動本次設(shè)計中采用定數(shù)計時法，在被測信號的一個周期內(nèi)，計數(shù)時鐘脈沖數(shù)為m，fc為時鐘頻率，則被測信號的頻率fx的計算公式可見式（2.1）。

（2.1）

霍爾轉(zhuǎn)速傳感器通過磁力線密度的變化，在磁力線穿過傳感器上的感應(yīng)元件時，產(chǎn)生霍爾電勢并將其轉(zhuǎn)換為交變電信號，最后傳感器的內(nèi)置電路會將信號調(diào)整和放大，輸出矩形脈沖信號傳遞給單片機。

3軟件設(shè)計

3.1 PWM調(diào)速設(shè)計

在本次設(shè)計中將電動機的工作頻率設(shè)為1000HZ，則周期為1ms。在輸出PWM波時，利用定時器確定PWM的周期及占空比。其計算公式見式（3.1）。

（3.1）

式中的T為PWM的周期，D為占空比，t是由定時器產(chǎn)生一個時間基準，定時器溢出的次數(shù)為n。周期與占空比相乘所得的時間也就是單片機輸出高電平的時間。系統(tǒng)運行時，規(guī)定電動機最大轉(zhuǎn)速為Vmax，占空比為D，則電機的平均速度其中Va指的是電機的平均速度;Vmax是指電動機在全通電時的最大速度;占空比。當占空比不同時，會得到不同的平均速度Vd，達到調(diào)速目的。一個周期加在直流電動機兩端的電壓的大小就是高電平脈沖的個數(shù)乘上占空比的大小，電機的平均速度等于在指定的占空比下直流電動機的最大速度乘上占空比，因此當改變脈沖序列里的占空比時，電動機就會產(chǎn)生不同的速度。

單片機產(chǎn)生的周期為1ms（10000HZ）的PWM，所以可設(shè)置中斷的時間間隔為0.01ms，，然后中斷100次即為1ms。在中斷子程序內(nèi)，可設(shè)置一個變量time，在中斷子程序內(nèi)，當time>=100時，time清零（此語句保證頻率為10000HZ），time>n（n在0-100之間）時單片相應(yīng)的I/O口輸出高電平，反之，單片相應(yīng)的I/O口輸出低電平，此時占空比就為n%。占空比通過time的值進行變化，time<=20時 PWM1=0; 是指%20的時間輸出低電平，80%的時間輸出高電平，即占空比為80%。頻率是由11.0592M晶振，10KHZ PWM輸出頻率，定時器0.01ms中斷一次，中斷次數(shù)100次即為10KHZ（ 0.01ms*100=1ms，即為10000HZ，此時，定時器計數(shù)器賦初值為FF。

另需要定義一個標志位flag，根據(jù)flag的狀態(tài)決定輸出高平還是低電平，定義flag=1的時候輸出高電平，用變量記錄定時器中斷的次數(shù)，每次中斷就讓記錄中斷次數(shù)的變量加1，在中斷程序里面判斷這個變量的值是否到n值。當達到了高電平的時間，此時改變將0值賦給flag，輸出低電平，同時記錄中斷變量的值清零，每次中斷的時候依舊加1，根據(jù)flag=0的情況跳去判斷記錄變量的值是否達到n，如果符合，flag值會改成1，輸出改高電平，同時記錄次數(shù)變量清零，重新開始，通過子程序的不斷循環(huán)來得到設(shè)計需要的PWM波形。

3.2 PID控制算法設(shè)計

PID控制算法其實是對設(shè)置的預(yù)定參數(shù)進行跟蹤。在控制領(lǐng)域，先采集目前的實時參數(shù)，與設(shè)定的參數(shù)進行比較，計算出誤差，然后進行積分微分運算，計算出控制器需要的增量然后與實際參數(shù)相加，使其盡可能的接近設(shè)定值 。PID控制算法一共有三種，分別是增量式算法、位置式算法和微分先行，在本次設(shè)計中采用增量式算法，其計算公式見式（3.2）。

（3.2）

在本次設(shè)計中為了加快開始的動態(tài)過程，設(shè)定了一個偏差范圍v，當偏差|e（t）|< β時，即被控量接近給定值時，就按正常規(guī)律調(diào)節(jié)，而當|e（t）|>= β時，則不管比例作用為正或為負，都使它向有利于接近給定值的方向調(diào)整，即取其值為|e（t）-e（t-1）|，加快了控制的動態(tài)過程。增量式算法中比例積分Kp越大時，電機轉(zhuǎn)速回歸到輸入值的速度將更快，及調(diào)節(jié)靈敏度就越高，可以增加P值來減少調(diào)節(jié)時間，但造成了電機轉(zhuǎn)速在預(yù)設(shè)值附近振蕩的情形，因此引入積分Ki環(huán)節(jié)消除穩(wěn)態(tài)誤差，但系統(tǒng)趨于穩(wěn)定的時間不應(yīng)過長，因此在本次設(shè)計的系統(tǒng)中將時間常數(shù)設(shè)置很小。具體PID算法程序流程圖如圖2所示。

4結(jié)語

本文主要對基于STM32單片機的直流電機調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計進行了詳細的闡述。以單片機作為核心控制芯片，采用閉環(huán)的數(shù)字控制，用組合邏輯電路實現(xiàn)脈沖信號輸出，配合控制芯片對電動機驅(qū)動的控制，通過霍爾測速傳感器對直流電機的速度采樣，由PID控制算法對輸出信號進行校正提高測量電機轉(zhuǎn)速的精度。

參考文獻：

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[2]蔡述庭.智能汽車競賽設(shè)計與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2012.

[3]張小鳴，盧方民.基于 IR2110 的 H 橋可逆 PWM 驅(qū)動電路應(yīng)用[J].

作者簡介： 王傳博（1996.10—），男，遼寧，碩士，主要研究方向：控制系統(tǒng)與應(yīng)用

圖2.PID算法程序流程圖