电机闭环调速控制系统的设计与测试

杨保亮，李显显

（重庆文理学院电子电气工程学院，重庆，402160）

0 引言

直流电机作为一个电能变换装置在工业控制、智能电器中得到了广泛的应用，其中电机速度的控制的质量对产品的起到重要的作用。STM32103系列现代单片机的潮流，同时也是性价比高的单片机，这里我们利用STM32F103ZET6单片机设计了一套直流电机速度控制系统，通过PID算法对电机的转速进行控制，经过实践证明，该系统具有精度高、稳定、成本低等优点，具有一定的学习和使用价值。

1 系统结构框图

电机速度控制系统主要有单片机最小系统、直流电机驱动电路、彩色LCD显示模块、矩阵键盘、数据通信接口等电路组成。电机驱动电路采用L298N电机专用芯片及其外围电路构成，实现两路电机的驱动，采用液晶显示模块用来显示电机的运行状态和速度等参数等，矩阵键盘主要用来控制电机的各种状态，例如启动、停止、加速、减速及其PID各参数的设置等，数据通信电路可以把电机的各种参数传送到计算机或者其他的设备上去以便查阅，具体的结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

2 硬件电路的设计

2.1 电机驱动电路的设计

电机常用的驱动电路有分离元器件构建桥式电路、采用专用的电机驱动芯片两种方式，这里我们采用专用的电机驱动芯片L298N构成，L298N是一种高电压、大电流电机驱动芯片，其中输出电压最高可达46V左右；电流的最大值可以达到3A。为了便于使用L298N采用标准逻辑电平信号控制即可，但是为了提高系统的干扰性，我们不是用单片机的IO端口直接控制，而是加入一些光耦进行隔离；驱动器提供了ENX（X=A,B），INY(Y=1,2,3,4),ENX主要负责是使能控制和速度的调节，INY主要进行方向的控制，ENX和INY相互结合可以对电机进行控制，电机控制连接续流二极管用来保护驱动电路。由于我们采用的是PWM控制，所以速度控制端接到ENX，方向控制直接接到INY即可，为了提高系统的稳定性，用5V和12V电源分别给单片机和电机供电[1-2]。

2.2 电机测速电路的设计

电机速度的测量有很多方法，主要有用M/T法、霍尔传感器测量方法、光电编码器测量方法，本设计采用最后一种方法，光电编码器主要由光栅盘、发光二极管、光敏传感器、转换电路等组成，发光二极管发光通过电机带动同轴的光栅盘一起转动，对面的光敏传感器通过光栅盘的长方形孔接收光信号，经过转换电路变成一定频率的脉冲，其中输出脉冲的频率和当前转速成正比，同时根据输出2路相位差是否为 90°来判定电机转动方向[3-5]。在单片机测量电路的设计中，为了提高测量的准确度和测量信号的幅度的大小，我对编码器输出的脉冲用带施密特触发器的 74HC14和74HC74进行整形后在送入单片机的IO端口，单片机与编码器的具体的电路图如图2所示。

图2 单片机与编码器的电路图

3 软件设计

软件设计核心工作是电机速度的调节，为了提高系统的精度，引入了PWM闭环速度控制环节，具体的要求是利用单片机的定时测量电机的经过编码器输出的脉冲，根据一定的规则算出速度值，然后根据用户的设定值经过经典的PID算法后，输出一定比例的PWM，利用PWM经过L298N去调节电机的速度，同时通过广州大彩屏把系统当前速度及温度显示出来[6-8]。系统软件主要由主程序如下图所示，主要由系统初始化、原始数据的获取、按键操作、数据通信和显示等功能，流程图如图3所示。

图3 程序流程图

4 实验与调试

测试环境是采用5V电机、电源采用的是开关电源进行测速，编码器采用欧姆龙的E6A2-CW3C。其中设定值和测量值实验数据如表1所示。

表1 电机控制测试结果 r.min-1

5 结论

本文提出了基于STM32F103ZET6为核心的直流电机测速方案，主要测速器件是光电编码器，STM32F103ZET6对得到的编码脉冲进行计数后转换成电机的速度，为了得到设定的速度值，单片机把设定值和测量值输入PID控制算法进行计算，把计算得到的结果转换成一定占空比的PWM反馈控制电机，电机的速度通过彩色的LCD显示出来。经过自己搭建实验证明，该系统精度高、结构简单、性价比高，具有一定的实用价值。

参考文献

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