基于STM32F407的直流电机双闭环调速系统设计*

施志荣 唐艺明

(漳州职业技术学院电子工程学院 福建漳州 363000)

随着现代工业技术的发展，电机的速度、位置和转矩的精确控制已经变得越来越广泛和重要了。系统使用基于Cortex-M4内核的STM32F407 IGT6单片机为控制器，结合双闭环调速技术，实现了直流电机的精确调速[1]。

1系统的总体设计

系统由电源、LabView上位机、STM32F407I GT6控制器、电机驱动电路、霍尔传感器和直流电机组成，系统结构如图1所示。

图1 系统结构框图

2硬件设计

2.1控制器的选择

系统的控制器选用STM32F407IGT6为主控芯片。STM32F407IGT6控制器通过PC6和PC7引脚检测霍尔编码器产生的速度信号，结合电机驱动电路实现对电机的速度控制。同时，电机驱动模块上还增加了电流的采集电路，控制器通过芯片的PF10引脚采集电机的电流信号实现电流的闭环控制。在电机启动的过渡过程中，调速系统的电流环能够充分利用电机允许的过载能力，让电机尽可能以最大的电流启动，缩短调节时间，从而使直流电机具有快速的响应特性。

2.2驱动电路的设计

在中、小容量的直流电机调速系统中，电机驱动通常采用常见的H桥电路[2]，其电路如图2所示。

图2 H桥电路

H桥电路的4个桥臂通常使用MOS电力场效应晶体管来搭建。由于P型MOS管导通电阻大、难做到高耐压大电流的型号，所以同样性能的MOS管，N型MOS管比P型MOS管便宜。IRFS3607的N型MOS管，最大电压75V、内阻7.34mΩ、最大电流80A。系统使用4个型号为IRFS3607的N型MOS管来搭建H桥电路。

当主控芯片控制Q1、Q3管导通，Q2、Q4管关断时，电流从左至右经过电机，电机开始正向旋转；当主控芯片控制Q2、Q4管导通，Q1、Q3管关断时，电流从右至左经过电机，电机开始反向旋转。

在4个桥臂的驱动过程中，因为STM32F407IGT6输出的3.3V的PWM高电平能够驱动下桥臂的N-MOS管导通，所以Q3、Q4管可以直接使用STM32F407IGT6芯片引脚进行控制。而上桥臂的N-MOS管无法直接使用STM32F407IGT6芯片引脚驱动，因此需要使用自举电路将PWM信号升压到27 V左右才能驱动Q1、Q2管。IR2104S是一款专用的MOS管半桥驱动芯片，带有ShutDown引脚，可以同时驱动两个N-MOS管导通。因此，系统使用IR2104S加1个自举电容和1个自举二极管来实现对上下桥臂N-MOS管的驱动，具体的半桥驱动电路如图3所示。

图3 半桥驱动电路

2.3电流采集电路

通过在低端MOS管的下方串联一个阻值微小的采样电阻R9可以将电机的电流信号转换为电压信号，电路如图4所示。

图4 电流采集电路

R6、R7、C10、R10和R11组成差分滤波电路对转换后的电压信号进行滤波处理。MAX4334ESD是一款具有四通道的运算放大器芯片。使用MMAX4334ESD的运放通道1放大滤波后的电压信号。该通道的同相输入端经过一个上拉电阻R5接0.8V的抬升电压。这个抬升电压VCC_08V由MAX4334ESD的另一个运放通道2组成的电压跟随器配合精密电阻R13和R14提供。因此，电流采集电路的最终输出输入关系是：

(1)

其中，Isensor表示采样电阻R9的电流，即直流电机的电流值；Vsensor表示采样电阻R9两端的电压值；VCurrent_amp表示MAX4334ESD运放通道1的输出电压值。采样电阻的电压Vsensor经过放大后可以直接接到STM32F407IGT6的PF10引脚上，控制器通过ADC转换通道采集到VCurrent_amp的值，然后根据公式(1)可以计算得到直流电机的电流值Isensor。另外，在电流采集电路中，电阻R8和电容C9对MMAX4334ESD的运放通道1的输出信号进行一阶低通滤波处理；二极管D3能将放大器的输出电压VCurrent_amp钳位在3.3 V左右实现保护微控制器ADC引脚的目的。

3电机调速程序设计

HAL库是一个包含STM32系列微处理器所有外设性能特征的软件函数包。通过使用HAL库编程，不需要掌握具体细节就可以轻松使用STM32F407IGT6微处理器的相关外设。因此，在电机调速程序设计时，使用HAL库进行编程并根据系统的功能模块进行划分，将程序进行模块化设计。

3.1系统主程序

主程序的主要功能是上电时进行系统初始化并进入程序的主循环。系统初始化的任务主要包括：复位相关外设，初始化系统滴答定时器和Flash接口；配置系统时钟；串口、按键和编码器的初始化及使能编码器模式；ADC和DMA初始化并启动AD转换及使能DMA传输和中断；高级控制定时器初始化并配置PWM输出功能，同时启动定时器通道和互补通道PWM输出；PID参数的初始化。程序主循环的主要工作是对按键和相关标志位进行循环扫描，当按键按下或有相关中断发生时，CPU便会调用相应的服务子程序进行处理。

3.2PID控制算法设计

电机的闭环控制，就是根据电机的反馈量对电机进行调控。将电机被控量的设定值与传感器检测到的实际值进行比较，得到一个偏差，然后按一定的控制规律计算得到输出量。在实际控制中，PID控制器是应用最为广泛的一种自动控制器。所谓的PID控制就是对偏差进行比例，积分，微分运算，最后得到输出量的控制过程。数字式PID控制器的计算表达式如下：

(2)

式(2)中，k表示第k次采样，e(k)表示第k次采样时刻输入的偏差值，e(k-1)表示第k-1次采样时刻输入的偏差值，u(k)表示第k次采样时刻的输出值，Kp表示比例系数，Ki表示积分系数，Kd表示微分系数[3]。

在实际的电机调速系统中，为了避免积分深度饱和，往往需要对积分进行限幅，而为了提高电机的响应速度又常常需要给定较大的积分初值，如此一来，虽然可以勉强满足控制要求，但是电机电流超调严重、系统稳定性差。采用PID串级控制能够有效地改善调速系统的控制质量。为了减小电流的超调和过饱和现象，达到更好的控制效果，该系统采用双闭环串级调速控制，将速度环的计算结果作为电流环的目标电流进行相关运算，即电流环作为内环，速度环作为外环。速度环+电流环串级调速程序框图如图5所示。

图5 双闭环调速程序流程框图

双闭环调速的功能程序是在系统滴答定时器中断回调函数中实现。系统滴答定时器每隔1ms产生中断并调用一次中断回调函数进行处理。由于电流内环对时间要求高是需要频繁处理的闭环系统、速度外环对时间要求较弱是能够以较长时间间隔处理的闭环系统[4-5]。因此，系统电流内环使用40ms的采样周期，速度外环使用100ms的采样周期。

4上位机程序设计

电机调速系统的上位机是基于LabView软件平台开发的应用程序。上位机与STM32F407IGT6控制器通过串口实现数据传输，具体通信帧格式如表1所示。

表1 系统通信帧格式

每个数据帧总共包含16个字节。帧头为0xAA，长度占1个字节。当上位机接收到0xAA时表示数据传输开始。指令码的取值范围为0x01-0xFF，长度占1个字节，不同的指令码能够完成不同的通信功能，具体指令码功能说明如下表2所示。传输参数长度占12个字节，不同的指令码具有不同的传输参数，没使用到的参数空间使用0x55填充。将指令码与12个字节的参数进行求和并保留最低位的1个字节可以得到校验码。最后，当上位机接收到0x2F时表示数据传输结束。

表2 指令码功能说明

系统运行时，STM32F407IGT6控制器根据霍尔传感器的脉冲值计算出电机的转速，并通过串口将计算结果发送给上位机。上位机转速数据处理程序及其注释如图6所示。

图6 上位机转速数据处理程序及注释

上位机以16个字节为单位将串口接收到的数据读入数组中。当帧头为0xAA、帧尾为0x2F及13个字节的检验和正确无误时，程序提取数组中的指令码。指令码0x88表示12个字节的传输参数为电机的转速数据，程序以4个字节为一个通道提取转速数据并送到曲线显示构件进行显示。

5系统测试与分析

系统使用GM37-545型直流电机进行测试。GM37-545是一个带编码器的直流减速电机。电机的减速比为30，额定电压24V，额定转矩0.53 N·m，最大功率83 W。编码器使用11线的霍尔传感器，减速后的编码线速为330。

在正常工作环境下，速度环采用PID调节，参数分别是：P=2.4，I=0.3，D=0.2；电流环采用PI调节，参数分别是：P=0.35，I=0.6，D=0。电机运行时，转速的测试效果如图7所示。

图7 电机转速测试曲线

从图7的转速曲线可以看出：当转速的设定值为100 r/min时，系统的最大超调为3%、稳态误差小于0.3%。由于电流环的引入，电机的响应能力得到了很好的改善，调整时间不超过4s。电机在第15s的时侯投入测试负载，速度虽然暂时下降为90r/min，但是在随后的6s内又立即调整为100r/min的设定值，完全满足实验的测试要求。

6结论

文章设计了一种基于STM32F407IGT6微控制器的直流电机双闭环调速系统。实验结果表明，该系统具有启动速度快、控制精度高、输出特性好等优点，能够应用于工业生产中的相关控制领域。