基于STM32的直流电机PID调速系统设计与实现

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最新发展成就。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。

1、系统的总体设计

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1r/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。

图1  系统结构框图

2、硬件设计

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，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。

图2  以STM32F103为核心的控制电路原理图

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。

图3 由MOS管构成的H桥驱动电路原理图

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。

表1H桥MOSFET主要参数表

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0V，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。

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。

3、系统软件设计

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。系统软件主程序流程如图4所示。

图4  主程序流程图

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产生的，在中断程序中需要对接收到的数据包进行解析，并更新通信超时计数器。

PWM刹车中断是由于PWM刹车输入信号产生的，代表电机控制现场产生了紧急停车的请求。

EXTI中断由AB相编码器产生的光电编码脉冲产生，需要在中断服务历程中计算电机运行速度和方向，同时更新测速超时计数器。

TIMER中断为1ms定时中断，这个中断源的存在是为了系统通信超时检测、电机停转检测使用，在中断中需要对通信超时计数器和测速超时计数器进行自减处理，如果到零则发出响应信号通知系统。

由于中断源的多样性，STM32自带有可嵌套的中断向量控制器（NVIC），因此中断处理程序实际上是相互独立的。

3.1、PID算法设计

PID控制器将给定转速和反馈测得转速相比较后，经计算得出一个输出信号，将此输出信号量化为PWM的占空比，最终作用在电机的驱动电路上来控制电机。本系统中采用增量式PID算法［9⁃10］，增量式数字PID表达式为：

KP为比例系数；TI为积分项积分时间常数；TD为微分时间常数。由上式可以得出增量式PID算法程序如下：

#defineKP0.15

#defineTI0.95

#defineTD0

#defineT0.001

#defineEMIN0.01

#defineA（KP*（1+T/TI+TD/T））

#defineB（KP*（1+2*TD/T））

#defineC（KP*TD/T）

floatPIDCompute（floatr，floaty）

{staticfloate0=0.0;

staticfloate1=0.0;

floate=0.0;

floatdelta;

e=r-y;

delta=A*e-B*e1+C*e0;

e0=e1;

e1=e;

returndelta;}

3.2、测速软件设计

测速软件需要完成测量电机转速与测量电机运行方向两部分内容。光电测速编码器输出的888线AB相脉冲分别连接到STM32的PA0，PA1上。

测速在STM32上的编程实现过程如下：

（1）配置EXTI1上升沿、下降沿均触发中断；

（2）配置端口与TIM2，TIM3；

（3）开启中断；

（4）EXTI中断程序中读取TIM2CNT中的数据并记录，清空TIM2CNT寄存器中的数据并重新启动计数；

（5）根据记录的数据进行瞬时速度计算；

（6）当若干个时基中断发生且期间无测速中断请求则宣告电机转速为0。

将A相信号输入至PA0（EXTI0）之上，编程使得EXTI0上升沿中断。在中断例程里读取B相信号，根据AB相脉冲时序可以判断电机转动方向，即B=1，电机反转；B=0，电机正转。

4、系统验证

本系统经过原理图和PCB设计、焊接制板、硬件测试、模块程序编写、模块程序功能测试、连接各个子模块程序、PID参数整定，最后通过反复的调试，系统完全满足预期要求，能够实现-500~500r/min之间任意速度控制（以顺时针方向为正方向），控制精度达1r/min，稳态误差不超过0.5%。在正常工作环境下，电机空载运行时，此时系统测试参数见表2，上位机界面如图5所示。

图5  上位机界面

表2  系统特性参数表

5、结论

本文设计了一种基于ARMCortex⁃M3内核的STM32微控制器的直流电机PID调速系统。实验结果表明，该系统具有稳态误差小，控制精度高，响应速度快，能耗低、效率高等优点，对上肢康复机器人的研究具有一定的借鉴价值。