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

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

（湖北民族学院信息工程学院，湖北 恩施 445000）

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。

STM32F4；直流电机调速；PWM；PID

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、可控的电力拖动系统，此时仍广泛采用直流调速系统。

1 系统总体设计

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。

图1 系统总体电路

2 硬件电路设计

2.1 STM32单片机

采用的单片机是STM32F4［2］，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，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

图2 H桥电路

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PWM1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0～100V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。

3 软件设计

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。

图3 软件总体设计

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

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。

4 检测结果分析

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控制IGBT的导通，H桥端电压为100V，从而能控制电压从0～100V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。

图4 电机驱动电压图像

5 结语

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。

［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.

A Design of DC Motor Speed Control Power Supply Based on STM32 Microcontroller

Xia YemeiXu Song Wu Chentong Geng Dongshan
（College of Information Engineering,Hubei University for Nationalities，EnShi Hubei 445000）

This paper introduceda design of DC motor speed control power supply based on STM32 microcontroller.Systemis made up of this components,IR2110 drive circuit,H bridge circuit,PWM control,PID control and so on,while PWM is the core,with a driving circuit IR2110 control the output voltage of H bridge for implementing the motor，s speed and positive and negative rotation,at the same time,liquid crystal display(LCD)and be able to use showthe speed and the output voltage,PID canregulate voltage output,to achieves the goal of high precision of speed,good power factor and the energy saving effect.

STM32F4；DC motor speed control；PWM；PID

TM33

A

103-5168（2017）09-0073-02

2017-08-01

夏叶媚（1996-），女，本科在读，研究方向：电气工程及其自动化。