基于STM32的直流电机调速新方法

司开波 黄 健 吕林涛

(西京学院，西安 710123)

1 引 言

直流电机因其效率高、寿命长、低噪声、力矩大等优点，在工业生产和家用电器等方面得到了广泛的应用。人们经常用PWM波来调整直流电机的转速，但在实际应用中常常会发现，即使是一个固定的PWM值，也不能得到一个恒定不变的转速。因此，人们常常用PID算法来调整电机的转速。这种算法在使用时，要根据不同的电机建立不同的模型，然后分别得到P、I、D的系数，根据系数调整电机的转速。但该方法受客观因素影响较大，不能克服非线性摩擦力以及电机力矩波动对转速的影响，而且相应速度不够快[1～3]。

为了克服以上缺点，本文提出采用基于Cortex-M3的高性能微处理器STM32，应用其内部定时器Timer，每间隔10ms对PWM波中的正脉宽宽度作出调整，以控制电机的转速。对电机的转速采用编码器测速，精度高、响应速度快。将设定的速度值与编码器测得的速度进行比较，若其值为正，说明实际速度值偏小，在定时器中将正脉宽的宽度加大，以提高驱动能力，达到提升速度的目的；若其值为负，说明实际速度值偏大，在定时器中将正脉宽的宽度减小，以减小驱动能力，达到降低速度的目的；若两值相等，则当前的正脉宽值保持不变。采用这种方法，调节时间间隔短、响应快，能够较好的控制电机的转速。

2 系统设计框图

系统设计框图如图1所示。图中主控采用STM32F103ZET6，在STM32F1系列中属于高端产品，功能强大，资源丰富。基于Cortex M3的32位微处理器，有3个硬件SPI接口、8个定时器、3个串口、144个引脚[4,5]。图1中首先用按键电路设置电机转速，用TB6612驱动直流微型电机，该微型电机自带编码器，可用于测速。测速时，将编码器的A、B相分别连接到STM32定时器T2的PA2和PA3引脚上，就可测得电机的转速。将测得的转速值与设置的转速值进行比较，就可得到误差值，根据误差值调节PWM中的正脉宽宽度。若测量值小于设定值，则增大正脉宽的宽度；若测量值大于设定值，则减小正脉宽的宽度；若相等，则维持原来正脉宽的值不变。

图2 4*1按键设计电路Fig.2 4*1 Button design circuit

3 硬件电路设计

3.1 按键电路设计

按键设计电路如图2所示。采用4*1按键，用于设置电机转速。

3.2 直流电机驱动电路设计

TB6612是日本东芝公式出品的一款直流电机驱动器，性能优于L298，可同时驱动2路直流电机。最大电流可达1.5A，TB6612与STM32的连接图如图3所示。

图3 TB6612与STM32的连接图Fig.3 Connection graph between TB6612 and STM32

图3中AIN1、AIN2、PWMA分别控制1路电机，对应电机连接端是AO1和AO2; BIN1、BIN2、PWMB分别控制1路电机，对应电机连接端是BO1和BO2; 可将AIN1、AIN2、PWMA连接到对应的STM32的IO口。PWMA和PWMB分别连接到STM32的PA0、PA1，这两个引脚对应的是定时器T5的通道1和通道2，能够产生对应的PWM波形，用于电机的调速。对应的真值表如表1所示。

表1 TB6612真值表

Tab.1 Truth table of TB6612

表1中H代表高电平，L代表低电平。当电机全速运行时，PWMA输出高电平，要调整速度时，PWMA输出不同占空比的方波。另一路电机BIN1、BIN2、PWMB、 BO1、BO2的控制逻辑与表1类似。

3.3 12V直流电机接口

12V直流电机连接图如图4所示。电机驱动 PWM 频率是10kHZ。电机尾部自带了13线的磁(霍尔)编码器，电机减速比30:1，故车轮转一圈，电机可以输出 390个脉冲。编码器的额定工作电压是3.3V,集成了上拉电阻和比较整形功能，可以直接输出方波。将编码器的输出A相、B相分别接到定时器T2的PA2和PA3，用定时器T2的计数功能测速[6～8]。图4中的“电机线+”和“电机线-”分别接图3中TB6612的输出端AO1和A02。

图4 12V直流电机连接图Fig.4 Connection diagram of 12V DC motor

3.4 OLED显示单元电路设计

显示单元采用1.44寸SPI接口真彩屏，显示电路设计如图5所示。图中采用0.96寸的OLED做显示屏，分辨率为128×64。接口非常简单，采用模拟IIC接口，带有2个10K上拉电阻，分别连接到STM32的PE0、PE1引脚。采用3.3V电压供电。性能优于普通的液晶显示器LCD1602，引脚数比1602少很多。按键设定的速度值和编码器测量的速度值都将在OLED显示屏上显示，还可以显示时间等其它信息。

图5 OLED显示电路原理图Fig.5 Schematic diagram of OLED display circuit

4 软件设计

4.1 软件设计流程图

软件设计流程图如图6所示。首先对IIC、定时器等进行初始化，然后用按键设置电机转速。按照表1送出对应信号，启动电机旋转。在旋转过程中，利用定时器T1每隔10ms测试一次电机转速[9]。根据公式(1)得到速度差e。若设定值大于测量值，则PWM的正脉宽加e；若设定值小于测量值，则PWM的正脉宽减e；若相等，则PWM的值不变。一直循环，流程图如图6所示。

图6 软件流程图Fig.6 Software flow chart

公式(1)中，vs为设定的速度值，vc为测量的速度值。两者相减得到速度的误差值Er

Er=vs-vc

(1)

4.2 部分代码

以下是定时器T1的初始化程序，调用形式是Timer1_Init(99,7199);根据公式(2)计算，定时时间恰好是10ms。

Tout=(arr+1)×(psc+1)/Fclk

(2)

式中:Tout——定时时间;Fclk——时钟频率，STM32F103的时钟频率是72MHz;arr——定时器的自动重装值;psc——时钟预分频系数，分别做为函数Timer1_Init的两个参数。

void Timer1_Init(u16 arr,u16 psc)

{

RCC->APB2ENR|=1<<11;

TIM1->ARR=arr;

TIM1->PSC=psc;

TIM1->DIER|=1<<0;

TIM1->DIER|=1<<6;

TIM1->CR1|=0x01;

MY_NVIC_Init(0,0,TIM1_UP_IRQn,2);

}

以下代码是定时器1的中断代码，每隔10ms中断一次。程序中Read_Encoder(2)为读取编码器值的函数，并将其赋给Encoder_Left。程序中Set_value为按键设定电机转速。若测量值大于设定值，则pwm值减1，并调用TIM5_PWM_Set函数重新设定pwm脉宽，降低电机转速；若测量值小于设定值，则pwm值加1，并调用TIM5_PWM_Set函数重新设定pwm脉宽，提高电机转速。利用此函数，能够快速调节电机的转速。

int TIM1_UP_IRQHandler(void)

{

if(TIM1->SR&0X0001)

{

Encoder_Left=Read_Encoder(2);

if(Encoder_Left>Set_value)

{pwm-= Vs-Vc;

TIM5_PWM_Set(35999,0,3,3,pwm);

}

Else if(Encoder_Left

{pwm+= Vs-Vc;

TIM5_PWM_Set(35999,0,3,3,pwm);

}

}

}

5 测试结果

测试时，根据上述硬件原理图进行连接。在KEIL下用C语言编写程序，调试好后下载到STM32F103中，就可进行测试。实物如图7所示。

测试时，将编码器输出值用串口输出，每隔10ms记录一次，并将结果保存在一个表格中，如表2所示。由于篇幅有限，表2中只给出了部分数据。根据更多个数据，得到时间与测量速度值之间的曲线如图8所示。测试时按键设定的速度值是240cm/ms。

图8 时间与测量速度值之间对应关系图Fig.8 Corresponding graph between time and measured velocity value

从表格2和图8中可以看出，从0到60ms，PWM值不断增大，电机转速不断提高；从70ms到110ms，由于惯性左右，电机转速还在增大，但此时定时器已经开始调节速度，调节过程中电机转速有适当的波动，但是到120ms后趋于稳定。速度稳定在240cm/ms，也就是设定值，达到了调速的目的。

表2 编码器测量值与时间之间的对应关系

Tab.2 Relationship between encoder measurement value and time

6 结束语

本文提出了一种直流电机的调速新方法，绘制了硬件原理图，编写了软件程序，制作出了实物，并对该方法进行了验证[10]。测试结果表明：该方法具有简单、实用、响应快等优点，能够快速调节电机的转速，取得了较好的效果。

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