基于STM32的直流電機調(diào)速控制器的設(shè)計

1、基于STM32的直流電機調(diào)速控制器的設(shè)計 摘 要：介紹了一款主要由STM32微處理器，IR2110驅(qū)動芯片，光電編碼器等構(gòu)成的直流電機PWM調(diào)速控制器。詳細介紹了直流電機調(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，設(shè)計了邏輯信號處理電路、IR2110驅(qū)動電路以及主程序，PWM輸出子程序等硬軟件設(shè)計。本設(shè)計主要可以應(yīng)用在小型電動船或車上，具有較高的使用價值。 關(guān)鍵詞：直流電機；光電編碼器；PWM；IR2110驅(qū)動 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，直流電機靠其優(yōu)良的控制性能和線性特性等諸多特點在工業(yè)控制、航海、汽車工程和精密家電等諸多領(lǐng)域內(nèi)被廣泛應(yīng)用。1經(jīng)過多年的研發(fā)，如今的直流電機調(diào)速技術(shù)也已經(jīng)達到了一個新的高度在精準(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)動芯片設(shè)計了一款直流電機控制器，可以通

5、過調(diào)節(jié)光電編碼器的旋轉(zhuǎn)方向和角度來控制直流電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。該控制器可以應(yīng)用于小型電動船或車上，具有較高使用價值。 2具體原理和方法 2.1直流電機調(diào)速原理 在現(xiàn)今的諸多直流電機調(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：利用一個固定頻率來控制電源的通斷，并通過調(diào)整直流電機電樞上電壓的占空比，以此調(diào)節(jié)平均電壓的大小，達到控制電機轉(zhuǎn)速的目的。 如圖1所示，若主流電機始終接通電源，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

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

7、結(jié)構(gòu) 本設(shè)計選用STM32作為主控芯片，選用MOSFET 電力場效晶體管和IR2110為驅(qū)動芯片搭建驅(qū)動電路，并帶有上位機（用于給定電機轉(zhuǎn)速）。編碼器的輸出信號先通過接口電路接至STM32的數(shù)據(jù)總線上。同時STM32輸出的PWM經(jīng)邏輯信號處理電路產(chǎn)生能滿足驅(qū)動電路所需的時序信號，并且對輸出信號互鎖保護后，加載到驅(qū)動電路上，從而實現(xiàn)對直流電機的控制?？傮w系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示. 工作原理：在一個采樣周期內(nèi)，編碼器測得的電機轉(zhuǎn)速反饋信號通過接口電路反饋到CPU。CPU從上位機得到電機的給定轉(zhuǎn)速，或者系統(tǒng)自行給定轉(zhuǎn)速。根據(jù)給定轉(zhuǎn)速和反饋信號的偏差，再經(jīng)PI控制算法得到控制量。CPU根據(jù)控制量來輸出PW

8、M，通過IR2110驅(qū)動電路來驅(qū)動電機。 3.2 IR21110驅(qū)動芯片介紹 IR2110由美國IR公司研發(fā)的半橋驅(qū)動芯片，結(jié)合了光電隔離和電磁隔離的優(yōu)點，其內(nèi)部集成了獨立的驅(qū)動高壓側(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)生浮動電源，可以驅(qū)動500V以內(nèi)的同一相橋臂的上下兩個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，SD為保護信號輸入端，當(dāng)SD為低電平時，輸入信號與輸出信號的電平信號保持一致；當(dāng)SD為高電平時，HO和LO信號關(guān)斷，輸出通道鎖死，斷開被驅(qū)動的MOS

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

10、計 4.1 邏輯信號處理電路 邏輯信號處理電路如圖5所示，其作用是產(chǎn)生滿足驅(qū)動電路所需的時序信號，并且對輸出信號互鎖保護。 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HIN與LIN。通過與非門4001進行邏輯運算，實現(xiàn)各組高低之間的互鎖保護，使IFUP1和IFDN1、IFUP2和IFDN2不能同時為高電平。 4.2 IR2110驅(qū)動電路 如圖6所示，該電路采用2片IR2110芯片，實現(xiàn)對高低端MOSFET管的驅(qū)動。 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，其作用是對自舉電容進行充電，選材應(yīng)選用快恢復(fù)二極管，并起到保護作用，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，U102_H和U103_L導(dǎo)通，實現(xiàn)正向驅(qū)動；當(dāng)IFUP1和IFDN2為低電平，IFDN1和IFUP2為高電平時，U102_L和U103_H導(dǎo)通，實現(xiàn)反向驅(qū)動。 硬件設(shè)計除此之外，還包括通訊電路、電源電路、隔離電路、保護電路、高低速限速電路等。 5 軟件設(shè)計 軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計方式，如圖7所示，初始化后，先與上位機完成握手通訊，從上位機或系統(tǒng)自行給定

12、電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。然后調(diào)讀光電編碼器模塊，獲得電機的當(dāng)前轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。接著，通過PI控制算法對控制量偏差進行調(diào)節(jié)。最后判斷定時是否達到，若達到，調(diào)用PWM輸出驅(qū)動模塊；若沒達到，顯示系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)信息。 CPU每隔20ms對PI調(diào)節(jié)后的控制量進行檢測判斷，并輸出PWM來驅(qū)動電路。當(dāng)電機正轉(zhuǎn)時（占空比大于50%），若電機需要加速，占空比每隔20ms遞增5%；若電機停止動作，占空比立刻調(diào)至50%；若電機正反轉(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)電機的電流過大，致使電機受損。在軟件設(shè)計中，電機在加速時必須采用分級加速的方式。 6 結(jié)束語 本設(shè)計選用STM32作為CPU，選用IR2110為驅(qū)動芯片，設(shè)計了一款直流電機調(diào)速控制器，實現(xiàn)了對直流電機的調(diào)速及驅(qū)動，具有很強的可靠性和調(diào)整性。總體而言，本設(shè)計擁有一定的實用價值。 參考文獻 1 夏長亮，方紅偉.永磁無刷直流電機及其控制J.電工技術(shù)學(xué)報，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.電機及拖動基礎(chǔ)M.北京：中國電力出版社，2008. 4 楊紅玉，趙冬梅.利用PCI-1780實現(xiàn)