基于STM32的直流電機(jī)調(diào)速控制器的設(shè)計(jì)

1、基于STM32的直流電機(jī)調(diào)速控制器的設(shè)計(jì) 摘 要：介紹了一款主要由STM32微處理器，IR2110驅(qū)動(dòng)芯片，光電編碼器等構(gòu)成的直流電機(jī)PWM調(diào)速控制器。詳細(xì)介紹了直流電機(jī)調(diào)速原理、光電編碼器的工作原理。并根據(jù)整體方案設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了邏輯信號(hào)處理電路、IR2110驅(qū)動(dòng)電路以及主程序，PWM輸出子程序等硬軟件設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)主要可以應(yīng)用在小型電動(dòng)船或車(chē)上，具有較高的使用價(jià)值。 關(guān)鍵詞：直流電機(jī)；光電編碼器；PWM；IR2110驅(qū)動(dòng) A PWM speed controller of DC motor based on STM32 LI Zhi-hong QIAN Chen-liang the School

2、 of Automation， Wuhan University of Technology Wuhan HuBei China 430070 Abstract： A PWM speed controller of DC motor based on STM32 is introduced in this paper. The main components of the controller are STM32， IR2110 driver IC， photoelectric encoder and so on. This paper elaborated on the governor p

3、rinciple of DC motor and working principle of photoelectric encoder. According to the entire project plan， the hardware and software design， including signal processing logic circuit， IR2110 driver circuit， main program and PWM subroutine were designed. This controller mainly applied on small electr

4、ic boat or car， which owns higher use value. Keywords： DC motor；photoelectric encoder；PWM；IR2110 driver 1 前言 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，直流電機(jī)靠其優(yōu)良的控制性能和線性特性等諸多特點(diǎn)在工業(yè)控制、航海、汽車(chē)工程和精密家電等諸多領(lǐng)域內(nèi)被廣泛應(yīng)用。1經(jīng)過(guò)多年的研發(fā)，如今的直流電機(jī)調(diào)速技術(shù)也已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)新的高度在精準(zhǔn)性、可控性和抗干擾性能的優(yōu)良性上得到了很大的提高。2 如今，數(shù)字式直流調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)逐漸變成了主流，本文以STM32作為主控芯片，IR2110為驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)了一款直流電機(jī)控制器，可以通

5、過(guò)調(diào)節(jié)光電編碼器的旋轉(zhuǎn)方向和角度來(lái)控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。該控制器可以應(yīng)用于小型電動(dòng)船或車(chē)上，具有較高使用價(jià)值。 2具體原理和方法 2.1直流電機(jī)調(diào)速原理 在現(xiàn)今的諸多直流電機(jī)調(diào)速方法中，脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)壓應(yīng)用最為廣泛。其主要原理是：利用一個(gè)固定頻率來(lái)控制電源的通斷，并通過(guò)調(diào)整直流電機(jī)電樞上電壓的占空比，以此調(diào)節(jié)平均電壓的大小，達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。 如圖1所示，若主流電機(jī)始終接通電源，最大轉(zhuǎn)速為Vmax，占空比為 D=V1/t。在一般情況下平均轉(zhuǎn)速VD和占空比可以近似看成線性關(guān)系，即電機(jī)的平均轉(zhuǎn)速為VD=Vmax/t。由該式得知，只需要改變占空比就可以改變平均電壓的大小，以此控制電機(jī)

6、轉(zhuǎn)速。3-4 當(dāng)占空比大于50%，小于50%或者等于50%時(shí)，可以分別實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)和停止。 2.2 光電編碼器原理 本設(shè)計(jì)用絕對(duì)式光電編碼器，通過(guò)調(diào)節(jié)光電編碼器的旋轉(zhuǎn)方向和角度來(lái)控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度和方向發(fā)生變化時(shí)，其輸出信號(hào)也會(huì)改變，CPU對(duì)信號(hào)進(jìn)行判斷并調(diào)節(jié)占空比，從而控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，編碼器的輸出信號(hào)如圖2所示。 光電編碼器為輸出兩相正交方波脈沖信號(hào)，兩者相位相差90。每個(gè)脈沖表示被測(cè)對(duì)象的角度增量，對(duì)A和B相的脈沖信號(hào)定時(shí)計(jì)數(shù)就可以計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。設(shè)定當(dāng)A相超前B相90，直流電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)A相滯后B相90，直流電機(jī)反轉(zhuǎn)。 3方案設(shè)計(jì) 3.1 總體系統(tǒng)

7、結(jié)構(gòu) 本設(shè)計(jì)選用STM32作為主控芯片，選用MOSFET 電力場(chǎng)效晶體管和IR2110為驅(qū)動(dòng)芯片搭建驅(qū)動(dòng)電路，并帶有上位機(jī)（用于給定電機(jī)轉(zhuǎn)速）。編碼器的輸出信號(hào)先通過(guò)接口電路接至STM32的數(shù)據(jù)總線上。同時(shí)STM32輸出的PWM經(jīng)邏輯信號(hào)處理電路產(chǎn)生能滿足驅(qū)動(dòng)電路所需的時(shí)序信號(hào)，并且對(duì)輸出信號(hào)互鎖保護(hù)后，加載到驅(qū)動(dòng)電路上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的控制?？傮w系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示. 工作原理：在一個(gè)采樣周期內(nèi)，編碼器測(cè)得的電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)通過(guò)接口電路反饋到CPU。CPU從上位機(jī)得到電機(jī)的給定轉(zhuǎn)速，或者系統(tǒng)自行給定轉(zhuǎn)速。根據(jù)給定轉(zhuǎn)速和反饋信號(hào)的偏差，再經(jīng)PI控制算法得到控制量。CPU根據(jù)控制量來(lái)輸出PW

8、M，通過(guò)IR2110驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。 3.2 IR21110驅(qū)動(dòng)芯片介紹 IR2110由美國(guó)IR公司研發(fā)的半橋驅(qū)動(dòng)芯片，結(jié)合了光電隔離和電磁隔離的優(yōu)點(diǎn)，其內(nèi)部集成了獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)高壓側(cè)和低壓側(cè)功率MOSFET的大部分電路，可輸出邏輯電壓范圍為3.3V20V。5 IR2110采用自舉技術(shù)產(chǎn)生浮動(dòng)電源，可以驅(qū)動(dòng)500V以?xún)?nèi)的同一相橋臂的上下兩個(gè)MOSFET。IR2110典型應(yīng)用電路如圖4所示： 圖中，HIN 和LIN 為IR2110的邏輯電平輸入信號(hào)，SD為保護(hù)信號(hào)輸入端，當(dāng)SD為低電平時(shí)，輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的電平信號(hào)保持一致；當(dāng)SD為高電平時(shí)，HO和LO信號(hào)關(guān)斷，輸出通道鎖死，斷開(kāi)被驅(qū)動(dòng)的MOS

9、FET。 自舉技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理：對(duì)于IR2110的低端沒(méi)有工作頻率的要求；而對(duì)于高端，主要靠自舉電容C1提供供電電源。驅(qū)動(dòng)電源VCC經(jīng)自舉二極管D1、C1、負(fù)載和Q2給C1充電。6 當(dāng)PWMHIN輸入為高電平時(shí)，IR2110的VB端與H0端導(dǎo)通，通過(guò)VB和HO驅(qū)動(dòng)Q1，C1兩端電壓為VCC，Q1管上的柵極通過(guò)C1上儲(chǔ)能來(lái)驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)自舉式驅(qū)動(dòng)；當(dāng)PWMHIN為低電平時(shí)，VB端與H0端斷開(kāi)，VCC通過(guò)D1對(duì)C1迅速充電，從而實(shí)現(xiàn)自舉。 C1必須周期性的充電，若某個(gè)MOSFET管處于長(zhǎng)期導(dǎo)通狀態(tài)，C1與高側(cè)驅(qū)動(dòng)器會(huì)形成一個(gè)泄放回路，使得高端功率管柵級(jí)欠壓，導(dǎo)致MOSFET無(wú)法被驅(qū)動(dòng)。7 4 硬件設(shè)

10、計(jì) 4.1 邏輯信號(hào)處理電路 邏輯信號(hào)處理電路如圖5所示，其作用是產(chǎn)生滿足驅(qū)動(dòng)電路所需的時(shí)序信號(hào)，并且對(duì)輸出信號(hào)互鎖保護(hù)。 STM32輸出1路PWM經(jīng)處理電路，生成IR2110高低輸入端所需的控制信號(hào)HIN與LIN。通過(guò)與非門(mén)4001進(jìn)行邏輯運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)各組高低之間的互鎖保護(hù)，使IFUP1和IFDN1、IFUP2和IFDN2不能同時(shí)為高電平。 4.2 IR2110驅(qū)動(dòng)電路 如圖6所示，該電路采用2片IR2110芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)高低端MOSFET管的驅(qū)動(dòng)。 圖中，電壓比較器LM2903（U105）用以電平轉(zhuǎn)換，將電壓轉(zhuǎn)換成IR2110所需要的+15V電壓。C103和C105為自舉電容，C104和C10

11、6是旁路濾波電容（一般使用鉭電容），D102和D103為自舉二極管，其作用是對(duì)自舉電容進(jìn)行充電，選材應(yīng)選用快恢復(fù)二極管，并起到保護(hù)作用，防止高壓反竄入VCC燒毀IR2110。 當(dāng)IFUP1和IFDN2為高電平，IFDN1和IFUP2為低電平時(shí)，U102_H和U103_L導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)正向驅(qū)動(dòng)；當(dāng)IFUP1和IFDN2為低電平，IFDN1和IFUP2為高電平時(shí)，U102_L和U103_H導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)反向驅(qū)動(dòng)。 硬件設(shè)計(jì)除此之外，還包括通訊電路、電源電路、隔離電路、保護(hù)電路、高低速限速電路等。 5 軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方式，如圖7所示，初始化后，先與上位機(jī)完成握手通訊，從上位機(jī)或系統(tǒng)自行給定

12、電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。然后調(diào)讀光電編碼器模塊，獲得電機(jī)的當(dāng)前轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。接著，通過(guò)PI控制算法對(duì)控制量偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)。最后判斷定時(shí)是否達(dá)到，若達(dá)到，調(diào)用PWM輸出驅(qū)動(dòng)模塊；若沒(méi)達(dá)到，顯示系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)信息。 CPU每隔20ms對(duì)PI調(diào)節(jié)后的控制量進(jìn)行檢測(cè)判斷，并輸出PWM來(lái)驅(qū)動(dòng)電路。當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)（占空比大于50%），若電機(jī)需要加速，占空比每隔20ms遞增5%；若電機(jī)停止動(dòng)作，占空比立刻調(diào)至50%；若電機(jī)正反轉(zhuǎn)切換，占空比先調(diào)至50%后，再每隔20ms遞減5%。 為防止流經(jīng)電機(jī)的電流過(guò)大，致使電機(jī)受損。在軟件設(shè)計(jì)中，電機(jī)在加速時(shí)必須采用分級(jí)加速的方式。 6 結(jié)束語(yǔ) 本設(shè)計(jì)選用STM32作為CPU，選用IR2110為驅(qū)動(dòng)芯片，設(shè)計(jì)了一款直流電機(jī)調(diào)速控制器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流電機(jī)的調(diào)速及驅(qū)動(dòng)，具有很強(qiáng)的可靠性和調(diào)整性?？傮w而言，本設(shè)計(jì)擁有一定的實(shí)用價(jià)值。 參考文獻(xiàn) 1 夏長(zhǎng)亮，方紅偉.永磁無(wú)刷直流電機(jī)及其控制J.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27（3）：25-34. 2 浦龍梅，李私.STM32控制的直流PWM調(diào)速裝置的研究J.變頻器世界，2006，（03）：48-51. 3 張方.電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)M.北京：中國(guó)電力出版社，2008. 4 楊紅玉，趙冬梅.利用PCI-1780實(shí)現(xiàn)