司開波 黃 健 呂林濤

(西京學(xué)院，西安 710123)

1 引 言

直流電機(jī)因其效率高、壽命長(zhǎng)、低噪聲、力矩大等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)和家用電器等方面得到了廣泛的應(yīng)用。人們經(jīng)常用PWM波來(lái)調(diào)整直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，但在實(shí)際應(yīng)用中常常會(huì)發(fā)現(xiàn)，即使是一個(gè)固定的PWM值，也不能得到一個(gè)恒定不變的轉(zhuǎn)速。因此，人們常常用PID算法來(lái)調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這種算法在使用時(shí)，要根據(jù)不同的電機(jī)建立不同的模型，然后分別得到P、I、D的系數(shù)，根據(jù)系數(shù)調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速。但該方法受客觀因素影響較大，不能克服非線性摩擦力以及電機(jī)力矩波動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)速的影響，而且相應(yīng)速度不夠快[1～3]。

為了克服以上缺點(diǎn)，本文提出采用基于Cortex-M3的高性能微處理器STM32，應(yīng)用其內(nèi)部定時(shí)器Timer，每間隔10ms對(duì)PWM波中的正脈寬寬度作出調(diào)整，以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速采用編碼器測(cè)速，精度高、響應(yīng)速度快。將設(shè)定的速度值與編碼器測(cè)得的速度進(jìn)行比較，若其值為正，說(shuō)明實(shí)際速度值偏小，在定時(shí)器中將正脈寬的寬度加大，以提高驅(qū)動(dòng)能力，達(dá)到提升速度的目的；若其值為負(fù)，說(shuō)明實(shí)際速度值偏大，在定時(shí)器中將正脈寬的寬度減小，以減小驅(qū)動(dòng)能力，達(dá)到降低速度的目的；若兩值相等，則當(dāng)前的正脈寬值保持不變。采用這種方法，調(diào)節(jié)時(shí)間間隔短、響應(yīng)快，能夠較好的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。圖中主控采用STM32F103ZET6，在STM32F1系列中屬于高端產(chǎn)品，功能強(qiáng)大，資源豐富。基于Cortex M3的32位微處理器，有3個(gè)硬件SPI接口、8個(gè)定時(shí)器、3個(gè)串口、144個(gè)引腳[4,5]。圖1中首先用按鍵電路設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)速，用TB6612驅(qū)動(dòng)直流微型電機(jī)，該微型電機(jī)自帶編碼器，可用于測(cè)速。測(cè)速時(shí)，將編碼器的A、B相分別連接到STM32定時(shí)器T2的PA2和PA3引腳上，就可測(cè)得電機(jī)的轉(zhuǎn)速。將測(cè)得的轉(zhuǎn)速值與設(shè)置的轉(zhuǎn)速值進(jìn)行比較，就可得到誤差值，根據(jù)誤差值調(diào)節(jié)PWM中的正脈寬寬度。若測(cè)量值小于設(shè)定值，則增大正脈寬的寬度；若測(cè)量值大于設(shè)定值，則減小正脈寬的寬度；若相等，則維持原來(lái)正脈寬的值不變。

圖2 4*1按鍵設(shè)計(jì)電路Fig.2 4*1 Button design circuit

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 按鍵電路設(shè)計(jì)

按鍵設(shè)計(jì)電路如圖2所示。采用4*1按鍵，用于設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)速。

3.2 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

TB6612是日本東芝公式出品的一款直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，性能優(yōu)于L298，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)2路直流電機(jī)。最大電流可達(dá)1.5A，TB6612與STM32的連接圖如圖3所示。

圖3 TB6612與STM32的連接圖Fig.3 Connection graph between TB6612 and STM32

圖3中AIN1、AIN2、PWMA分別控制1路電機(jī)，對(duì)應(yīng)電機(jī)連接端是AO1和AO2; BIN1、BIN2、PWMB分別控制1路電機(jī)，對(duì)應(yīng)電機(jī)連接端是BO1和BO2; 可將AIN1、AIN2、PWMA連接到對(duì)應(yīng)的STM32的IO口。PWMA和PWMB分別連接到STM32的PA0、PA1，這兩個(gè)引腳對(duì)應(yīng)的是定時(shí)器T5的通道1和通道2，能夠產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的PWM波形，用于電機(jī)的調(diào)速。對(duì)應(yīng)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代表高電平，L代表低電平。當(dāng)電機(jī)全速運(yùn)行時(shí)，PWMA輸出高電平，要調(diào)整速度時(shí)，PWMA輸出不同占空比的方波。另一路電機(jī)BIN1、BIN2、PWMB、 BO1、BO2的控制邏輯與表1類似。

3.3 12V直流電機(jī)接口

12V直流電機(jī)連接圖如圖4所示。電機(jī)驅(qū)動(dòng) PWM 頻率是10kHZ。電機(jī)尾部自帶了13線的磁(霍爾)編碼器，電機(jī)減速比30:1，故車輪轉(zhuǎn)一圈，電機(jī)可以輸出 390個(gè)脈沖。編碼器的額定工作電壓是3.3V,集成了上拉電阻和比較整形功能，可以直接輸出方波。將編碼器的輸出A相、B相分別接到定時(shí)器T2的PA2和PA3，用定時(shí)器T2的計(jì)數(shù)功能測(cè)速[6～8]。圖4中的“電機(jī)線+”和“電機(jī)線-”分別接圖3中TB6612的輸出端AO1和A02。

圖4 12V直流電機(jī)連接圖Fig.4 Connection diagram of 12V DC motor

3.4 OLED顯示單元電路設(shè)計(jì)

顯示單元采用1.44寸SPI接口真彩屏，顯示電路設(shè)計(jì)如圖5所示。圖中采用0.96寸的OLED做顯示屏，分辨率為128×64。接口非常簡(jiǎn)單，采用模擬IIC接口，帶有2個(gè)10K上拉電阻，分別連接到STM32的PE0、PE1引腳。采用3.3V電壓供電。性能優(yōu)于普通的液晶顯示器LCD1602，引腳數(shù)比1602少很多。按鍵設(shè)定的速度值和編碼器測(cè)量的速度值都將在OLED顯示屏上顯示，還可以顯示時(shí)間等其它信息。

圖5 OLED顯示電路原理圖Fig.5 Schematic diagram of OLED display circuit

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 軟件設(shè)計(jì)流程圖

軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。首先對(duì)IIC、定時(shí)器等進(jìn)行初始化，然后用按鍵設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)速。按照表1送出對(duì)應(yīng)信號(hào)，啟動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，利用定時(shí)器T1每隔10ms測(cè)試一次電機(jī)轉(zhuǎn)速[9]。根據(jù)公式(1)得到速度差e。若設(shè)定值大于測(cè)量值，則PWM的正脈寬加e；若設(shè)定值小于測(cè)量值，則PWM的正脈寬減e；若相等，則PWM的值不變。一直循環(huán)，流程圖如圖6所示。

圖6 軟件流程圖Fig.6 Software flow chart

公式(1)中，vs為設(shè)定的速度值，vc為測(cè)量的速度值。兩者相減得到速度的誤差值Er

Er=vs-vc

(1)

4.2 部分代碼

以下是定時(shí)器T1的初始化程序，調(diào)用形式是Timer1_Init(99,7199);根據(jù)公式(2)計(jì)算，定時(shí)時(shí)間恰好是10ms。

Tout=(arr+1)×(psc+1)/Fclk

(2)

式中:Tout——定時(shí)時(shí)間;Fclk——時(shí)鐘頻率，STM32F103的時(shí)鐘頻率是72MHz;arr——定時(shí)器的自動(dòng)重裝值;psc——時(shí)鐘預(yù)分頻系數(shù)，分別做為函數(shù)Timer1_Init的兩個(gè)參數(shù)。

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);

}

以下代碼是定時(shí)器1的中斷代碼，每隔10ms中斷一次。程序中Read_Encoder(2)為讀取編碼器值的函數(shù)，并將其賦給Encoder_Left。程序中Set_value為按鍵設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速。若測(cè)量值大于設(shè)定值，則pwm值減1，并調(diào)用TIM5_PWM_Set函數(shù)重新設(shè)定pwm脈寬，降低電機(jī)轉(zhuǎn)速；若測(cè)量值小于設(shè)定值，則pwm值加1，并調(diào)用TIM5_PWM_Set函數(shù)重新設(shè)定pwm脈寬，提高電機(jī)轉(zhuǎn)速。利用此函數(shù)，能夠快速調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)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 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試時(shí)，根據(jù)上述硬件原理圖進(jìn)行連接。在KEIL下用C語(yǔ)言編寫程序，調(diào)試好后下載到STM32F103中，就可進(jìn)行測(cè)試。實(shí)物如圖7所示。

測(cè)試時(shí)，將編碼器輸出值用串口輸出，每隔10ms記錄一次，并將結(jié)果保存在一個(gè)表格中，如表2所示。由于篇幅有限，表2中只給出了部分?jǐn)?shù)據(jù)。根據(jù)更多個(gè)數(shù)據(jù)，得到時(shí)間與測(cè)量速度值之間的曲線如圖8所示。測(cè)試時(shí)按鍵設(shè)定的速度值是240cm/ms。

圖8 時(shí)間與測(cè)量速度值之間對(duì)應(yīng)關(guān)系圖Fig.8 Corresponding graph between time and measured velocity value

從表格2和圖8中可以看出，從0到60ms，PWM值不斷增大，電機(jī)轉(zhuǎn)速不斷提高；從70ms到110ms，由于慣性左右，電機(jī)轉(zhuǎn)速還在增大，但此時(shí)定時(shí)器已經(jīng)開始調(diào)節(jié)速度，調(diào)節(jié)過(guò)程中電機(jī)轉(zhuǎn)速有適當(dāng)?shù)牟▌?dòng)，但是到120ms后趨于穩(wěn)定。速度穩(wěn)定在240cm/ms，也就是設(shè)定值，達(dá)到了調(diào)速的目的。

表2 編碼器測(cè)量值與時(shí)間之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系

Tab.2 Relationship between encoder measurement value and time

6 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種直流電機(jī)的調(diào)速新方法，繪制了硬件原理圖，編寫了軟件程序，制作出了實(shí)物，并對(duì)該方法進(jìn)行了驗(yàn)證[10]。測(cè)試結(jié)果表明：該方法具有簡(jiǎn)單、實(shí)用、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，能夠快速調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，取得了較好的效果。

[1] 余熾業(yè)， 宋 躍， 雷瑞庭.基于STC12C5A60S2 的智能循跡小車[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2014,33(11):46～49.

[2] 徐坤,徐坤,吳定允．基于DSP直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．信陽(yáng)師范學(xué)院學(xué)報(bào)( 自然科學(xué)版)，2016,29(2):249～252.

[3] 張厚升，董 碩，姜吉順，邢雪寧．基于Matlab_Simulimk的直流調(diào)速系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2016,35(6) : 66～70．

[4] 敬光紅. 基于FPGA的無(wú)刷直流電機(jī)數(shù)字控制方法研究[J].電子器件，2016,39(1) : 111～117．

[5] 莫太平，楊宏光，劉冬梅. 面向多路線的智能循跡小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化與儀表，2014,(4)：6～9.

[6] 賀桂芳. 一種新型智能金屬探測(cè)儀的設(shè)計(jì)[J]. 儀表技術(shù)與傳感器,2016,1:13～15.

[7] 師樹恒，趙斌，郭朋彥，鄒棟. 基于MK60N512的智能循跡小車設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓，2014，42(2):91～96.

[8] 王茹茹，宋開宏，明軍，潘煜天，吳振飛. 基于開放線圈系統(tǒng)金屬探測(cè)儀傳感器的特性分析[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2015,38(3)：354～357.

[9] 宋永獻(xiàn),馬娟麗,賀乃寶,張先進(jìn). 基于TMS320F2812的智能循跡小車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2011,19(9):2 128～2 130.

[10] 張從鵬，邢慶輝. 基于ARMCortex_M4的永磁無(wú)刷直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微特電機(jī)，2016,44(1):90～92.