作者：朱贵国　汪党

来源：《数字技术与应用》2013年第05期

        摘要：根据直流电机调速的相关知识，以及PWM基本原理和实现方法，本文介绍了一种基于单片机的直流电机调速系统，选择STM32单片机作为系统的控制核心，利用软件产生PWM信号，采用增量式PID算法控制直流电机的速度调节，提高了调速系统的精度，增强了对直流电机速度的可控性，对输道机器人的研究有一定的参考价值。

        关键词：STM32单片机 直流电机 调速

        中图分类号：TM921.1 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）05-0002-02

        在各类机电设备中，直流电动机以其良好的调速特性、启动和制动性能。在轻工、冶金、石油、机械制造等现代工业部门中得到广泛应用[1]。本文所设计的直流电机调速系统，是以STM32单片机作为电机调速系统的核心控制器，使用PWM信号来控制直流电机的速度等方面来实现的。

        1 系统硬件总体结构

        本设计选择高性价比ARM微处理器STM32作为调速系统的核心控制器[2-3]，系统增加了Flash闪存、同步动态内存SDRAM和键盘、液晶屏LCD等外围功能器件，选用MC33886芯片作为直流电机驱动，应用增量式PID控制实现了电机的PWM闭环调速。系统总体结构如图1所示。

        从结构上看，可以认为是一个闭环调速系统。其工作原理为：光电码盘将测得的电机转速信号变成电信号反馈给STM32单片机。单片机系统自行给定转速（内给定），或者从占空比输入电路获得电机给定转速（外给定）。系统根据给定的电机转速信号与反馈速度信号比较，得出偏差，经过增量式PID运算得出控制变量改变PWM波占空比，也就是改变了直流电机电枢两端的平均电压，进而调节的电机的转速，实现了STM32单片机对直流电机的PWM闭环脉宽调速[4-7]。

        2 调速系统主要硬件设计

        2.1 MC33886与STM32接口电路设计

        STM32单片机高低逻辑电平与MC33886输入端的IN1、IN2逻辑高低电平参考电压不一致，需要一个电平转换接口。本设计选用74HC08芯片作为MC33886与STM32的电路接口。74HC08为14引脚DIP和SOP封装，引脚如图2所示。引脚介绍如下：1A与1B为第一组与门如入端，1Y为第一组与门输出端。14号引脚是芯片的供电端，7号为芯片的接地端。其余3组2输入与门不在详述。值得注意的是74HC08为CMOS电路，输入端引脚不能悬空，要经过下拉电阻接地。

        2.2 电机驱动模块电路设计

        飞思卡尔公司推出了一款H桥元件的直流电机驱动芯片（MC33886）。芯片可连续提供5A的电流，驱动负载能力较强。MC33886为20引脚HSOP封装，通过信号INl和IN2控制MC33886 H桥的输入端，该芯片的两个输出端6号与15号引脚直接接小功率直流电机两端后就可以控制电机正反转了。由于当直流电机达到一定速度时MC33886就过流保护了，今后可以尝试使用大功率的MOSFET管构建桥型驱动电路，这样可以使驱动器内阻更小，电机的加减速性能更加出色。图3所示为MC33886外部电路设计。

        2.3 电机转速检测模块电路设计

        现在对电机转速测量应用较多的装置为光电码盘。它的基本测速原理为当电机的转轴旋转时进而带动码盘转动，码盘一周刻有无数夹缝，当光透过夹缝被接收元件接收，通过信号调理电路输出一个标准（脉冲）信号送入带有计数功能的装置。本设计所用的增量式高线程的光电编码器且与直流电机为一体。其1号端子接电源VCC，2号与3号端子是脉冲输出端，4号端子为接地端。其测速模块的与STM32单片机电路连接设计如图4所示。

        3 系统软件设计

        当把直流电机闭环控制所需的程序编译没有错误，利用keil4编译环境把程序通过J-LINK下载到STM32单片机。闭合直流电机闭环控制模块的电源开关，电机开始转动，STM32单片机隔50ms采集电机转速，增量式PID运算，调剂PWM波的占空比。不断地调试PID参数，可以使电机的转速达到给定值。系统的主程序是一个循环程序，其流程图如图5所示。

        其速度控制算法采用增量式PID算法[8-9]。相比于位置式PID算法，增量式PID算法不容易引起积分饱和，因此能获得更好的控制效果。

        4 结语

        本文介绍了一种基于STM32单片机的直流电机调速系统的设计，采用STM32单片机实现对直流电机的PWM波脉宽调速控制，不仅提高了控制器的性价比，而且具有稳定性好、精度高和响应速度快等优点。对未来管道机器人的研究有一定的实用价值。

        参考文献

        [1]李发海，朱东起.电机学[M].北京：科学出版社，2001.

        [2]意法半导体STM32系列STM32F103 32位微控制器[J].今日电子，2008（2）：61.

        [3]STM32F103数据手册.2001：18（1）：44-45.

        [4]贾玉瑛，王臣.基于单片机控制的PWM直流调速系统[J].包头钢铁学院，2005，2（12）：334-337.

        [5]王苏.直流电机PWM调速研究及单片机控制实现[J].机电工程技术，2008，37（11）：82-84.

        [6]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].机械工业出版社，2004.

        [7]秦继荣等.现代直流伺服控制技术及其系统设计[M].北京：机械工业出版社，1993，143-149.

        [8]王晓明.电动机的单片机控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003.

        [9]潘新民，王燕芳.微型计算机控制技术[M].北京：电子工业出版社，2006.下载本文