標(biāo)題: STM32編碼器模式實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)反饋控制思路[原創(chuàng)] [打印本頁(yè)]
作者: Carose    時(shí)間: 2021-6-20 20:57
標(biāo)題: STM32編碼器模式實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)反饋控制思路[原創(chuàng)]
      近日寫了一篇關(guān)于直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)反饋控制的小文章。從硬件設(shè)計(jì)到軟件設(shè)計(jì)到實(shí)際驗(yàn)證。花了很多心血，感覺(jué)論壇氛圍還不錯(cuò)打算放出來(lái)。大概內(nèi)容寫的是利用STM32的編碼器模式實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)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(méi)法一一聯(lián)系授權(quán)，所以就不把源碼放出來(lái)以教程的形式呈現(xiàn)出來(lái)，記得的參考文章以參考文獻(xiàn)的形式列了出來(lái)。詳細(xì)請(qǐng)看PDF文件（如果不想下，不介意沒(méi)有圖片可以直接看）

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2021 年5  月31  日
直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)反饋控制
摘  要： 直流電機(jī)有著廣泛的應(yīng)用，大到農(nóng)業(yè)機(jī)械化、工業(yè)、自動(dòng)化行業(yè)，小到各類家具、自動(dòng)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(jī)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(shí)現(xiàn)電機(jī)的定時(shí)正反轉(zhuǎn)以及速度控制，并加入簡(jiǎn)易的反饋使電機(jī)具有更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。


一、問(wèn)題回顧及簡(jiǎn)要分析
    本課題所要解決的問(wèn)題在于，利用STM32實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的定時(shí)正反轉(zhuǎn)控制。為了使電機(jī)有更好的環(huán)境適應(yīng)性，本文進(jìn)一步提出了簡(jiǎn)易的反饋控制，在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)受到一定程度的阻礙時(shí)，會(huì)加大轉(zhuǎn)速，以模擬電機(jī)驅(qū)動(dòng)的車輛在路面受阻時(shí)的加速越野功能。
若要使用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，首先應(yīng)該解決電源問(wèn)題。目前，大多數(shù)單片機(jī)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(jī)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(dòng)，并配合DC-DC芯片MP1584、LM1117_3.3獲取5V、3.3V電壓用于驅(qū)動(dòng)編碼器和主控芯片。
    同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)定時(shí)控制及速度控制，本課題考慮采用STM32的定時(shí)器實(shí)現(xiàn)定時(shí)控制功能，并采用A4950單H橋芯片并對(duì)其輸入兩路PWM實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制。
二、所用器件清單及簡(jiǎn)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(jī)*1（帶霍爾編碼器）、A4950驅(qū)動(dòng)芯片*1、SS34肖特基二極管*2、SI4435MOS管*1、LED發(fā)光二極管*1、機(jī)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(gè)定時(shí)器以及PWM輸出功能，其定時(shí)器具有編碼器模式實(shí)現(xiàn)編碼器輸出脈沖數(shù)的精確計(jì)算。
MP1584穩(wěn)壓芯片可以實(shí)現(xiàn)12V轉(zhuǎn)5V穩(wěn)定電壓輸出對(duì)編碼器供電，LM1117_3.3可以實(shí)現(xiàn)3.3V電壓穩(wěn)定輸出以對(duì)主控芯片供電。
MG513P20直流電機(jī)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(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈編碼器輸出的脈沖數(shù)。
A4950驅(qū)動(dòng)芯片是美國(guó)愛格羅公司生產(chǎn)的一款單H橋電擊驅(qū)動(dòng)芯片，可驅(qū)動(dòng)8-40V的電機(jī)，最大輸出電流3.5A。本課題用此芯片實(shí)現(xiàn)利用主控芯片的PWM輸出控制直流電機(jī)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(shí)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(jì)
    直流電機(jī)控制的硬件設(shè)計(jì)如下：
    圖3.1 直流電機(jī)控制硬件設(shè)計(jì)
    電源模塊經(jīng)兩級(jí)降壓得到5V、3.3V電源后驅(qū)動(dòng)主控芯片及直流電機(jī)，主控芯片通過(guò)定時(shí)器控制PWM輸出實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)指定轉(zhuǎn)速控制，直流電機(jī)工作時(shí)利用霍爾編碼器通過(guò)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(cè)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(jì)：
   
如圖3.2為電源系統(tǒng)部分的設(shè)計(jì)。電源系統(tǒng)采用了兩級(jí)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(shí)，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(shí)，LD2被點(diǎn)亮，表示電源已接通。
3.2 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)
直流電機(jī)部分，本課題采用了單H橋的A4950芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)。根據(jù)芯片手冊(cè)的經(jīng)典電路，本課題電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分設(shè)計(jì)如下：
圖3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)電壓12V，J4處接直流電機(jī)。主控芯片對(duì)PB6、PB7進(jìn)行PWM輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)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(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)；IN1為0，IN2為1時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)，此時(shí)電機(jī)處于全速工作狀態(tài)。進(jìn)一步的，借助PWM可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制：
    此時(shí)，電壓的平均值決定了電機(jī)轉(zhuǎn)速的大小，對(duì)應(yīng)地，即PWM的占空比決定了電機(jī)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(shí)現(xiàn)了對(duì)編碼器、電機(jī)、主控芯片的供電，并提供了軟件控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的思路。
四、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    為了實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的閉環(huán)控制，本文參考PID控制法的思路簡(jiǎn)要設(shè)計(jì)了一種實(shí)時(shí)反饋的直流電機(jī)控制方法。將PA0、PA1接入電機(jī)編碼器的A、B相，利用STM32自帶的編碼器模式進(jìn)行脈沖計(jì)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(dòng)方向。在轉(zhuǎn)速保持階段，利用串口向上位機(jī)發(fā)送轉(zhuǎn)速信息，此處的上位機(jī)為個(gè)人PC，通過(guò)可視化串口調(diào)試軟件Minibalance觀察轉(zhuǎn)速關(guān)于時(shí)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(jī)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(jì)算出當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速，并與設(shè)定的轉(zhuǎn)速對(duì)比，實(shí)時(shí)調(diào)整PWM輸出值。
    STM32定時(shí)器具有編碼器接口模式，是定時(shí)器的一種高級(jí)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(jì)數(shù)器依照增量編碼器的速度和方向被自動(dòng)修改，計(jì)數(shù)器內(nèi)容始終指示著編碼器的方向。其計(jì)數(shù)方向與編碼器信號(hào)的關(guān)系如下：
    本程序?qū)⒁栽赥I1、TI2上計(jì)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(shí)，AB相的脈沖相位差為90°，
根據(jù)表格可以計(jì)算出，編碼器每一個(gè)脈沖，編碼器計(jì)4個(gè)數(shù)。其向上向下的計(jì)數(shù)邏輯使編碼器計(jì)數(shù)對(duì)毛刺的抗干擾能力非常強(qiáng)：
    給定上圖波形下，若某一相出現(xiàn)了毛刺，如第二個(gè)脈沖以后TI1處出現(xiàn)毛刺，此時(shí)TI2保持，可以認(rèn)為此時(shí)電機(jī)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(jì)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(gè)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(dòng)，然后適當(dāng)給出_i值，所得波形有一個(gè)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(guò)大，否則波形容易出現(xiàn)高頻振蕩。
五、實(shí)際測(cè)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(yùn)行過(guò)程如圖5.1，圖5.2所示。圖5.1電機(jī)正轉(zhuǎn)，白色塑料滑片被滑到一側(cè)，圖5.2電機(jī)反轉(zhuǎn)，白色塑料滑片被滑到另一側(cè)。
圖5.1 電機(jī)正轉(zhuǎn)
圖5.2 電機(jī)反轉(zhuǎn)
使用Minibalance觀察編碼器計(jì)數(shù)計(jì)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(duì)值基本一致，說(shuō)明轉(zhuǎn)速比較穩(wěn)定。脈寬基本一致，說(shuō)明正反轉(zhuǎn)改變時(shí)間基本一致。
圖5.3 Minibalance輸出波形
六、總結(jié)
    本文提出并驗(yàn)證了一套切實(shí)可行的直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制方案，并利用A4950芯片及STM32的PWM輸出實(shí)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(jì)了簡(jiǎn)易負(fù)反饋機(jī)制。使得該算法驅(qū)動(dòng)的輪式車輛有更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。
參考文獻(xiàn)
[1] MP1584 數(shù)據(jù)手冊(cè)
[2] LM1117_3.3 數(shù)據(jù)手冊(cè)
[3] A4950 數(shù)據(jù)手冊(cè)
[4] STM32F10XX 參考手冊(cè)
[5] PID調(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn) - zyboy2000 - CSDN
https://blog.csdn.net/zyboy2000/article/details/9418257
[6] PID調(diào)參過(guò)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(jī)調(diào)速平臺(tái)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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