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近日寫了一篇關(guān)于直流電機正反轉(zhuǎn)反饋控制的小文章。從硬件設(shè)計到軟件設(shè)計到實際驗證�；撕芏嘈难�，感覺論壇氛圍還不錯打算放出來。大概內(nèi)容寫的是利用STM32的編碼器模式實現(xiàn)了簡易的反饋調(diào)節(jié)。由于用到了從其他CSDN博主里的代碼，具體有哪些人不太記得了，沒法一一聯(lián)系授權(quán)，所以就不把源碼放出來以教程的形式呈現(xiàn)出來，記得的參考文章以參考文獻(xiàn)的形式列了出來。詳細(xì)請看PDF文件（如果不想下，不介意沒有圖片可以直接看）
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2021 年5 月31 日
直流電機正反轉(zhuǎn)反饋控制
摘 要： 直流電機有著廣泛的應(yīng)用，大到農(nóng)業(yè)機械化、工業(yè)、自動化行業(yè)，小到各類家具、自動控制裝置都能見到它的身影。本文將采用STM32進(jìn)行直流電機的控制研究，并進(jìn)一步利用STM32的編碼器模式進(jìn)行反饋控制，實現(xiàn)電機的定時正反轉(zhuǎn)以及速度控制，并加入簡易的反饋使電機具有更強的環(huán)境適應(yīng)性。
一、問題回顧及簡要分析
本課題所要解決的問題在于，利用STM32實現(xiàn)直流電機的定時正反轉(zhuǎn)控制。為了使電機有更好的環(huán)境適應(yīng)性，本文進(jìn)一步提出了簡易的反饋控制，在電機轉(zhuǎn)動受到一定程度的阻礙時，會加大轉(zhuǎn)速，以模擬電機驅(qū)動的車輛在路面受阻時的加速越野功能。
若要使用單片機驅(qū)動直流電機，首先應(yīng)該解決電源問題。目前，大多數(shù)單片機的電源為5V或3.3V，本課題采用的STM32電源為3.3V，所用直流電機額定電壓12V，并附帶額定電壓5V的磁感應(yīng)霍爾編碼器，故考慮采用12V干電池驅(qū)動，并配合DC-DC芯片MP1584、LM1117_3.3獲取5V、3.3V電壓用于驅(qū)動編碼器和主控芯片。
同時，為了實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)定時控制及速度控制，本課題考慮采用STM32的定時器實現(xiàn)定時控制功能，并采用A4950單H橋芯片并對其輸入兩路PWM實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制。
二、所用器件清單及簡介
本課題采用的器件有：STM32F103最小系統(tǒng)板*1、MP1584穩(wěn)壓芯片*1、LM1117_3.3穩(wěn)壓芯片*1、MG513P20_12V直流減速電機*1（帶霍爾編碼器）、A4950驅(qū)動芯片*1、SS34肖特基二極管*2、SI4435MOS管*1、LED發(fā)光二極管*1、機械開關(guān)*1、電容電阻電感若干、12V干電池*1。
STM32F103為意法半導(dǎo)體的中低端32位ARM微控制器，本文采用的CPU為STM32F103RCT6，具有高達(dá)72MHz的晶振頻率，256K的FLASH容量，8個定時器以及PWM輸出功能，其定時器具有編碼器模式實現(xiàn)編碼器輸出脈沖數(shù)的精確計算。
MP1584穩(wěn)壓芯片可以實現(xiàn)12V轉(zhuǎn)5V穩(wěn)定電壓輸出對編碼器供電，LM1117_3.3可以實現(xiàn)3.3V電壓穩(wěn)定輸出以對主控芯片供電。
MG513P20直流電機帶有霍爾編碼器，霍爾編碼器線數(shù)為390ppr，線數(shù)代表了電機每轉(zhuǎn)動一圈編碼器輸出的脈沖數(shù)。
A4950驅(qū)動芯片是美國愛格羅公司生產(chǎn)的一款單H橋電擊驅(qū)動芯片，可驅(qū)動8-40V的電機，最大輸出電流3.5A。本課題用此芯片實現(xiàn)利用主控芯片的PWM輸出控制直流電機正反轉(zhuǎn)以及轉(zhuǎn)速控制的作用。
其余二極管、MOS管、發(fā)光管以及電阻電感電容用于組成經(jīng)典電路并實現(xiàn)電路的保護(hù)及電源提示的功能，在此不予贅述。
三、硬件系統(tǒng)設(shè)計
直流電機控制的硬件設(shè)計如下：
圖3.1 直流電機控制硬件設(shè)計
電源模塊經(jīng)兩級降壓得到5V、3.3V電源后驅(qū)動主控芯片及直流電機，主控芯片通過定時器控制PWM輸出實現(xiàn)對電機的正反轉(zhuǎn)指定轉(zhuǎn)速控制，直流電機工作時利用霍爾編碼器通過脈沖形式反饋當(dāng)前轉(zhuǎn)速到主控芯片。
3.1 電源模塊
結(jié)合兩塊穩(wěn)壓芯片的參考手冊附帶的經(jīng)典電路[1][2]，本課題提出了下述電源系統(tǒng)設(shè)計：
如圖3.2為電源系統(tǒng)部分的設(shè)計。電源系統(tǒng)采用了兩級降壓的方式分出5V、3.3V為系統(tǒng)常用硬件部分供電。使用時，于J1處插入12V干電池，K1閉合后，MOS管導(dǎo)通MP1584開始工作，5V電壓由SW端輸出，為了避免電壓輸出的尖峰脈沖，D11應(yīng)盡可能靠近SW引腳。LM1117_3.3輸出3.3V電壓為主控芯片供電。此時，LD2被點亮，表示電源已接通。
3.2 直流電機驅(qū)動
直流電機部分，本課題采用了單H橋的A4950芯片驅(qū)動電機。根據(jù)芯片手冊的經(jīng)典電路，本課題電機驅(qū)動部分設(shè)計如下：
圖3.3 電機驅(qū)動部分電路
其中，IN1、IN2為H橋邏輯輸入端，VREF為參考電壓，一般接5V，此處接6V。VBB為電機驅(qū)動電壓12V，J4處接直流電機。主控芯片對PB6、PB7進(jìn)行PWM輸出，實現(xiàn)對電機的控制。
根據(jù)文獻(xiàn)[3]，IN1、IN2邏輯控制表如下：
若不要求速度控制，IN1為1，IN2為0時，電機正轉(zhuǎn)；IN1為0，IN2為1時，電機反轉(zhuǎn)，此時電機處于全速工作狀態(tài)。進(jìn)一步的，借助PWM可以實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的控制：
此時，電壓的平均值決定了電機轉(zhuǎn)速的大小，對應(yīng)地，即PWM的占空比決定了電機的轉(zhuǎn)速大小，占空比越大，轉(zhuǎn)速越快。一般而言PWM頻率選擇5k-20kHz，本文以9kHz輸出為例。
在此，硬件系統(tǒng)實現(xiàn)了對編碼器、電機、主控芯片的供電，并提供了軟件控制電機正反轉(zhuǎn)的思路。
四、軟件系統(tǒng)設(shè)計
為了實現(xiàn)對直流電機的閉環(huán)控制，本文參考PID控制法的思路簡要設(shè)計了一種實時反饋的直流電機控制方法。將PA0、PA1接入電機編碼器的A、B相，利用STM32自帶的編碼器模式進(jìn)行脈沖計數(shù)得出轉(zhuǎn)速。
在主函數(shù)中，芯片執(zhí)行完初始化相關(guān)程序后于while(1)死循環(huán)中改變轉(zhuǎn)動方向。在轉(zhuǎn)速保持階段，利用串口向上位機發(fā)送轉(zhuǎn)速信息，此處的上位機為個人PC，通過可視化串口調(diào)試軟件Minibalance觀察轉(zhuǎn)速關(guān)于時間的波形，以便于進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的調(diào)節(jié)。
中斷程序方面，本文將TIM6作為10ms的中斷周期改變電機轉(zhuǎn)速。程序根據(jù)設(shè)定的轉(zhuǎn)速輸出相應(yīng)的PWM值后，主控芯片根據(jù)編碼器反饋的差值計算出當(dāng)前電機轉(zhuǎn)速，并與設(shè)定的轉(zhuǎn)速對比，實時調(diào)整PWM輸出值。
STM32定時器具有編碼器接口模式，是定時器的一種高級應(yīng)用，其具體初始化配置見附錄及文獻(xiàn)[4]，在此不予贅述，僅介紹其大致原理。在編碼器模式下，計數(shù)器依照增量編碼器的速度和方向被自動修改，計數(shù)器內(nèi)容始終指示著編碼器的方向。其計數(shù)方向與編碼器信號的關(guān)系如下：
本程序?qū)⒁栽赥I1、TI2上計數(shù)為例，該模式常被稱為編碼器模式3。霍夫編碼器在輸出時，AB相的脈沖相位差為90°，
根據(jù)表格可以計算出，編碼器每一個脈沖，編碼器計4個數(shù)。其向上向下的計數(shù)邏輯使編碼器計數(shù)對毛刺的抗干擾能力非常強：
給定上圖波形下，若某一相出現(xiàn)了毛刺，如第二個脈沖以后TI1處出現(xiàn)毛刺，此時TI2保持，可以認(rèn)為此時電機處于停轉(zhuǎn)狀態(tài)，而編碼器的值基本不變，毛刺所引起的計數(shù)誤差最多僅為1。因此可以認(rèn)為，STM32編碼器接口模式讀取的值相當(dāng)可靠。
反饋控制方面，本文借鑒了PID控制法的思想，輸出的PWM值與當(dāng)前誤差、歷史總誤差、當(dāng)前誤差與上一次誤差的差值各乘以固定系數(shù)后得出。三個系數(shù)記為變量_p、_i、_d并參考文獻(xiàn)[5]、文獻(xiàn)[6]、文獻(xiàn)[7]所給出的方法進(jìn)行調(diào)試得出。即先調(diào)_p觀察轉(zhuǎn)速輸出波形，使之在給定值的60%-70%間波動，然后適當(dāng)給出_i值，所得波形有一個適度的上沖（約為給定值1/4）后迅速收斂。_d則可以適當(dāng)給定，但不宜過大，否則波形容易出現(xiàn)高頻振蕩。
五、實際測試結(jié)果
經(jīng)調(diào)試，所得的_p、_i、_d參數(shù)為9、1.1、0.1。
運行過程如圖5.1，圖5.2所示。圖5.1電機正轉(zhuǎn)，白色塑料滑片被滑到一側(cè)，圖5.2電機反轉(zhuǎn)，白色塑料滑片被滑到另一側(cè)。
圖5.1 電機正轉(zhuǎn)
圖5.2 電機反轉(zhuǎn)
使用Minibalance觀察編碼器計數(shù)計算后的轉(zhuǎn)速波形可以發(fā)現(xiàn)，輸出的波形為方波，最大最小值的絕對值基本一致，說明轉(zhuǎn)速比較穩(wěn)定。脈寬基本一致，說明正反轉(zhuǎn)改變時間基本一致。
圖5.3 Minibalance輸出波形
六、總結(jié)
本文提出并驗證了一套切實可行的直流電機正反轉(zhuǎn)控制方案，并利用A4950芯片及STM32的PWM輸出實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速可調(diào)。算法方面參考了PID算法的思路利用STM32的編碼器模式設(shè)計了簡易負(fù)反饋機制。使得該算法驅(qū)動的輪式車輛有更強的環(huán)境適應(yīng)性。
參考文獻(xiàn)
[1] MP1584 數(shù)據(jù)手冊
[2] LM1117_3.3 數(shù)據(jù)手冊
[3] A4950 數(shù)據(jù)手冊
[4] STM32F10XX 參考手冊
[5] PID調(diào)節(jié)經(jīng)驗 - zyboy2000 - CSDN
https://blog.csdn.net/zyboy2000/article/details/9418257
[6] PID調(diào)參過程詳解（包括增量式和位移式）- MrT_WANG- CSDN
https://blog.csdn.net/wangweijun ... 9770?utm_source=app
[7] 基于直流電機調(diào)速平臺的PID參數(shù)整定心得 – JOY_Tech - CSDN
https://blog.csdn.net/Tech_JOY/a ... 3116?utm_source=app
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