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1、基于 STM32 单片机的直流电机调速电源设计夏叶媚;徐松;吴晨彤;耿东山【摘 要】本文介绍了一种基于 STM32F4 的直流电机调速电源系统设计,系统由IR2110 驱动电路、H 桥电路、PWM 控制、PID 调控等部分组成,以 PWM 为核心, 用驱动电路 IR2110 控制H 桥的输出电压以对电机进行调速和实现正反转,同时液晶显示其速度和输出电压,并能用 PID 调节电压的输出,实现了调速精度高、功率因数和节能效果良好的目标.【期刊名称】河南科技【年(卷),期】2017(000)017【总页数】2 页(P73-74)【关键词】STM32F4;直流电机调速;PWM;PID【作 者】夏叶媚;
2、徐松;吴晨彤;耿东山【作者单位】湖北民族学院信息工程学院,湖北 恩施 445000;湖北民族学院信息工程学院,湖北 恩施 445000;湖北民族学院信息工程学院,湖北 恩施 445000;湖北民族学院信息工程学院,湖北 恩施 445000【正文语种】中 文【中图分类】TM33直流电机的应用广泛，从控制技术角度来看，其是交流调速系统的基础。在近年来的发展过程中，直流调速系统在理论和实践上都逐渐成熟，应用范围不断扩大。但是，其还存在部分不足。就目前来看，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式。在我国许多工业部门，如矿山采掘、轧钢、金属加工、纺织、海洋钻探、造纸及高层建筑等场合需要高性能、可控的电
3、力拖动系统，此时仍广泛采用直流调速系统。基于 STM32F4 的直流调速系统硬件电路以 STM32F4 开发板为控制核心，通过STM32F4 程序输出 PWM 波，进而控制驱动电路的输出电压幅度与极性1，驱动电路输出的+12V 电压驱动 H 桥电路导通，H 桥电路输出电压驱动直流电机。此外，考虑到系统的稳定性，对输出电压进行优化处理，采用 PID 算法控制。系统如图 1 所示。2.1 STM32 单片机采用的单片机是 STM32F42，内核 Cortex-M4 是一种面向数字信号处理（DSC）和高级微控制器（MCU）应用的高效方案，具有低功耗、简单易用、低成本等特点。在运用时，其运算能力非常高
4、，具有高效率的信号处理能力，且新加了浮点，DSP，并行计算，双 MAC 等。ARM 公司创造出这个类型的单片机，希望把 Cortex-M4 用于数字信号控制市场，即既有微控制器的“控制”能力，又有DSP 的“处理”能力，在电源管理、汽车、电机控制、嵌入式音频和工业自动化等领域被广泛应用。2.2 H 桥电路的设计电机调速原理就是在驱动电机转动的基础上，采用 PWM 调速和正反转，变换器主电路采用 MOSFET 所构成的 H 型结构形式（见图 2），其是由四个功率管和四个续流二极管组成的双极式 PWM 变换器，根据脉冲占空比的不同，在直流电机M 上可得到正或负的直流电压。电机 M 正转时，经过 P
5、WM1 和 PWM4 控制MOS 管导通，反转时，则是另外两个。直流电机输出电压要求实现 0100V 的调压，可调整脉冲占空比达到要求。2.3 光耦隔离和 IIR2110 驱动电路设计光耦 6N137 工作时，能输出一高一低的信号，6N137 内经电流-电压转换后的信号送到与门的一个输入端，与门的另一个输入为使能端，当使能端为高时与门输出 高电平，经输出三极管反向后光电隔离器输出低电平。整个电路起到电气隔离的作 用。在与驱动电路同时工作时，需要光耦工作在一高一低的输入状态，使能端为高， 此时输出端也是一高一低。IIR2110 是一种高压高速功率 MOSFET 驱动器，光耦工作时，输出高低电平对
6、其进行控制，其有独立的高端和低端输出驱动通道，正常工作时，高端输出+12V， 低端输出-12V，此时一管导通，一管截止。两个 H 桥电路每桥导通一个，升压驱动电机的调速。使用 STM32 的键盘模块，按键可以改变 PWM 的占空比，进而改变输出电压值， 同时能通过液晶显示屏显示电压值和转速，软件部分重点是调 PWM 的占空比， 同时 PID 调整偏差能使电机速度稳定。软件总体设计如图 3 所示。3.1 PWM 电压输出控制PWM 有硬件电路控制和软件控制两种，本系统采用软件控制，通过调整占空比来实现电压输出，输出高低电平控制驱动电路，从而控制管子的导通，实现电机驱动并调速。3.2 速度控制算法
7、速度控制算法3有多种，本方案选择 PID 控制算法。面对实际情况，当不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，或我们不完全了解一个系统和被控对象时， 可以选用 PID 控制技术。在实际情况中，系统被控对象的结构和参数通常得不到准确值，这时可以应用 PID 控制技术并依靠经验和现场调试来确定我们需要的参数大小。PID 控制器能对电压进行控制，且比例环节减小偏差，积分环节消除静差， 微分环节减小调整时间。电机型号选用东莞信浓马达公司的一款 DR-9538-721 直流无刷电机，相关参数：直流电压 310V，功率 50W，电流 20A，转速 1430r/min。此时，PWM 控制驱动输出一高一低的电压
8、控制 IGBT 的导通，H 桥端电压为 100V，从而能控制电压从 0100V 的变化，电机输出的正负电压控制电压的正反转，程序能通过按键控制正反转、PWM 占空比进行电压及转速调节。由图可 4 知，此时电压输出为最大值 100V，电机能实现正反转，实验结果达到预期效果。本系统实现了直流电机的调速问题，利用 MATLAB 软件平台实现了相应效果，达到输出电压可控、参数示数液晶显示、电压输出精度较高的效果。但在实际情况下， 仍然存在较大问题，如电压调整不是很精确，只是大致实现了相关功能。本文主要 阐述当前正在使用和不断发展的直流电机的主流调速方法晶闸管电动机PWM 调速系统，并具体说明了调速方法，对现在现实生活中的调速具有极大的意义。【相关文献】1冯夏勇，宾鸿赞.微机转速测量常用方法与精度分析J.电子与自动化，1995（2）：34-35.2张洋.原子教你玩 STM32（库函数版）M.北京：北京航空航天大学出版社，2014.3包松，鲍可进，余景华.基于单片机 PID 算法的直流电机测控系统J.微机发展，2003（8）：72-74.