基于STM8S207直流电机控制教学实验系统设计

高 强，郭金文，尹超毅

(北京工业大学 电子信息与控制工程学院，北京 100124)

基于STM8S207直流电机控制教学实验系统设计

高 强，郭金文，尹超毅

(北京工业大学 电子信息与控制工程学院，北京 100124)

本文基于STM8S207单片机设计了一种电机控制教学实验系统。实现了控制系统的硬件电路，通过软件编程控制直流电机正反转，并产生不同占空比的PWM控制电机运行速度。试验表明，系统工作稳定可靠。此设计课程不但开阔了学生的视野，而且在培养学生的实际能力方面收到了显著的效果。

STM8S207；PWM；直流电机

0 引言

直流电机因良好的启动性能、制动性能、调速性能及快速响应特性在工业、航天等领域得到了广泛应用。直流电机的控制电路设计是电机学中重要的教学内容之一，基于STM8系列单片机可以实现直流电机的控制系统方案，从而加强电机学相关实验的课程建设。

1 系统控制原理

系统是以STM8S207为主控制器、L298N为电机驱动器等组成的。主控制器输出通过光耦隔离的电平控制信号和PWM来控制步进电机的运行速度和运转方向，并显示电机的运行情况。PWM来控制电机的转速，给电机一个一定频率的脉宽可调的信号，在脉冲作用下，当电机通电时，速度逐渐增加，当电机断电时，速度逐渐较少。只要改变占空比就可以改变通断电时间，即可控制电机转速。其原理如图1所示。

图1 直流电机驱动系统框架图

典型的直流电机控制电路如图2所示。H桥式电机驱动电路包括4个开关管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对开关管。根据不同开关管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。即：

图2 H桥驱动电路

当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。电流将驱动电机顺时针转动。当开关管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，为逆时针方转动。

2 硬件电路设计

2.1 电源模块设计

本系统外接电源为12 V，分别为功率模块L298N、直流电机供电，同时还提供12 V转5 V电源，为光耦隔离芯片TLP521-4、功率模块L298N的逻辑电源以及MCU STM8S207供电。电源转换电路如图3所示：

图3 12V转5V电路

2.2 主控制器电路设计

本控制系统采用ST公司的STM8S207单片机作为主控制器，其具有优越的性能。它基于哈佛架构，采用和51单片机一样的CISC指令集，具有高达20 MIPS的运行速度，16 MHz的内部高速晶振和128 K的低速晶振，最高可至24 MHz高速外部时钟。ST还提供了完整的开发工具和库函数，使得用户可方便地访问STM8的各个标准外设。因此，可以缩短系统的开发时间[1]。

本单片机采用5 V供电，用定时器输出相同频率不同占空比来控制电机的速度，切换不同模式控制电机正转、反转。用2个GPIO口输出信号ENA、ENB来使能电机运作。用串口UART实现与上位机通信。如图4所示：

图4 单片机外设电路图

2.3 信号隔离处理

为了给系统增加安全性，减小电路干扰，对单片机驱动电机的输出信号进行隔离。使用的隔离芯片是TLP521。如图5所示，其工作原理是：原边输入信号Vin施加到原边的发光二极管和Ri上产生光耦的输入电流If，If驱动发光二极管，使得副边的光敏三极管导通，回路上VCC、RL产生Ic，Ic经过RL产生Vout，达到传递信号的目的[2]。原边副边直接的驱动关联是CTR(电流传输比)要满足Ic≤If*CTR。图6所示为信号隔离电路。

图5 TLP521工作原理图

图6 信号隔离电路

2.4 电机驱动电路设计

电机驱动模块采用的是SGS公司的L289芯片，其内部包含4通道逻辑驱动电路。L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50 V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号来驱动电机。

当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，再经Q4回到电源的负极。按图7所示电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动[3]。

图7 电机顺时针转动

同理，当Q2管和Q3管导通时，电流就从电源正极经Q2从右至左穿过电机，再经Q3回到电源的负极。按图8所示电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机逆时针转动。

图8 电机逆时针转动

由于电机出现急停和突然换向时会形成反向电动势，为保证L298N驱动芯片正常工作，如图9所示，在其输出端OUT1、OUT2、OUT3、OUT4与直流电机之间分别加入两对续流二极管(D4～D11)将电流分流到电源正极或地端，以免反向电动势对L298N产生损害[4]。

2.5 按键控制电路

按键控电路设计是方便控制电机工作状态，通过判断按键电平，单片机做出对应功能处理，比如正转、反转、加速、减速、停止功能。按键控制电路如图10所示。

图9 电机驱动电路

图10 按键控制电路

3 软件设计

PWM的调速方法有三种：定频调宽、定宽调频、调频调宽。本方案采用的是定频调宽方法。通过定时器TIM1产生周期为100 ms的PWM，其中SIN1、SIN2、SIN3、SIN4可输出占空比为30%、50%或70%的PWM 。L298N的控制逻辑关系如表1、表2所示：

表1 L298N控制逻辑关系1

表2 L298N控制逻辑关系2

图11为系统程序控制流程，系统上电后，单片机会进行初始化，通过按键控制电机正转、反转、加速、减速。刚开始电机在正转或反转模式下，电机是以常速运行，再通过加速或减速按键控制其速度。

图11 系统程序控制流程图

由于直流电机的电流、电压反馈信号都不能用于速度反馈控制，为了得到闭环控制，需要采用旋转增量式编码器。出于低成本考虑，可在轴上套一圈与电机轴关联的自制光栅盘，然后在盘背后安装一圈不与电机轴关联的黑纸板。用芯片的计数器在上升沿或下降沿进行计数即可获得位置量信息。经过处理即可作为速度信号，从而进行PID控制。

4 结语

本系统采用STM8S207为主控制器，经过隔离的信号对直流电机的运转方向与运行速度进行灵活控制。此系统设计成本低、代码精简、实时性好、可靠性高，适合电机学习的初学学生使用，有利于他们对知识点的理解和掌握。

[1] 高强，邓少华，王铁流.基于STM8S的单片机实验教学平台开发[J].南京：电气电子教学学报.2014，36(2):86-88.

[2] 唐艳芳，李钟慎.STM8 低速步进电机控制系统的设计[J].重庆：重庆理工大学学报(自然科学).2013，27(8):94-96.

[3] 张升，王立峰，王爽.基于 STM8S105 的直流永磁无刷电机控制器设计[J].南京：工业控制计算机.2012，5(9):123-124.

[4] 张俊贺，殳国华，李永鹤.基于STM8S的直流无刷电机控制系统的设计[J].上海：实验室研究与探索.2014，33(6):122-125.

Design of Teaching Experimental Syslem for DC Motor Control Based on STM8S207

GAO Qiang，GUO Jin-wen，YIN Chao-yi

(SchoolofelectronicinformtimandControlengineering,BeijingUniversityofTechnology，Beijing100124，China)

The paper designs a teaching experiment platform of motor control based on STM8S207 microcontrollers.Achieved the hardware circuit of the control system, through the microcontrollers software to control the forward and reverse rotation of the DC motor, and generate different duty ratio's PWM to control motor speed.The test shows that system work stable and reliable.The design course not only broaden the horizons of students, but also it has a significant effect in the practical ability of students.

STM8S207; PWM; DC motor

2016-01-19;

2016-05-10

高强(1981-)，男，博士，副教授，主要从事电路电子教学和研究工作，E-mail:gaoqiang@bjut.edu.cn

G426

A

1008-0686(2016)06-0116-04