直流調速系統廣泛應用于低轉速、高精度等各領域，如精密辦公設備（噴墨打印機、激光打印機），自動售貨機，家用電器、機器人和玩具設備等。其發展得力于微電子技術、電力電子技術、傳感器技術、永磁材料技術、自動控制技術和微機應用技術的最新發展成就。順應調速系統智能化、簡單化的發展趨勢，本設計采用一款性價比高、功耗低的基于ARMCortex?M3內核的STM32單片機為控制核心，結合PID控制技術，實現了直流電機范圍大、精度高的調速性能。

1、系統的總體設計

該調速系統能夠實現對電機的啟動、制動、正反轉調速、測速和數據上傳等功能，可方便地實現直流電機的四象限運行。本系統的性能指標為：調速精度高達到1r/min；調速穩態誤差不超過0.5%；調速范圍為-500~500r/min；串口指令控制方式；驅動電路導通阻抗低，能耗少；運行穩定可靠。系統由電源、上位機、通信接口、控制電路、電機驅動電路、電機與負載和測速裝置等模塊組成，結構框圖如圖1所示。

圖1  系統結構框圖

2、硬件設計

2.1、控制電路設計

控制電路負責接收控制指令，并產生相應的控制信號，同時返回電機速度數據和電機運行狀態數據等。為了保證電路工作穩定可靠，控制電路應具有較高的運行速度、高度可靠的穩定性能、開發容易、高性價比，產生的PWM控制信號應具有死區延時、互補輸出、緊急剎車等功能。STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARMCortex?M3內核，本系統采用STM32F103作為核心控制器。控制電路以STM32F103為核心的最小系統包括STM32主芯片、時鐘電路、復位電路、UART?USB轉換電路、JTAG調試接口電路、電源等，其原理圖如圖2所示。

圖2  以STM32F103為核心的控制電路原理圖

2.2、驅動電路設計

根據系統正反轉的控制要求，采用H橋驅動電路，由MOS管構成的H橋驅動電路原理圖如圖3所示。

圖3 由MOS管構成的H橋驅動電路原理圖

MOSFET是電壓控制型器件，具有開關速度快、輸入阻抗高、驅動方便等優點［5］。本系統采用IRF9630和IRF630對管，組成H橋，上橋臂均使用PMOS，下橋臂均使用NMOS，兩種MOS管基本特性如表1所示。

表1H橋MOSFET主要參數表

控制電路的輸出信號為DC3.3V信號，需要與驅動電路隔離，采用了LTV352光電耦合隔離器?；パaPWM輸入信號經過光耦隔離作用到MOSFET柵極，從而控制OUTA，OUTB之間的電壓。MOSFET中G，S兩極之間使用了雙向TVS管抑制瞬態電壓，防止MOSFET損壞。由于采用了PMOS，NMOS對管電路，MOSFET柵極電壓是由輸入電壓進行分壓得到，因此不需要采用額外的高電壓信號源。

互補PWM輸入信號中，PWMA控制V1，V4橋臂，PWMB信號控制V2，V3橋臂。當占空比為50%的PWM輸入信號時，OUTA，OUTB之間輸出電壓是0V，電機處于停止狀態時，由于電機電樞中仍存在高頻微震電流，從而消除了正反向轉動時的靜摩擦死區，起著動力潤滑作用。

2.3、速度反饋裝置設計

本系統采用高達888線AB相光電編碼器，兩相脈沖相差90°，通過測量某相的周期T可以得到電機運行速度，通過測量兩相的上升沿時刻可以得到電機運行方向。

3、系統軟件設計

系統的軟件設計主要完成硬件和數據初始化功能，然后進入標志位循環掃描狀態，一旦中斷發生便處理中斷程序，在中斷程序中有相關標志位置位（包括上位機發送來的、通信異常處理、電機停轉處理），有則處理，無則繼續進行中斷等待。系統軟件主程序流程如圖4所示。

圖4  主程序流程圖

中斷源分為USART中斷、PWM剎車中斷、EXTI、TIMER中斷。

USART中斷是由于與上位機的數據交換過程中產生的，在中斷程序中需要對接收到的數據包進行解析，并更新通信超時計數器。

PWM剎車中斷是由于PWM剎車輸入信號產生的，代表電機控制現場產生了緊急停車的請求。

EXTI中斷由AB相編碼器產生的光電編碼脈沖產生，需要在中斷服務歷程中計算電機運行速度和方向，同時更新測速超時計數器。

TIMER中斷為1ms定時中斷，這個中斷源的存在是為了系統通信超時檢測、電機停轉檢測使用，在中斷中需要對通信超時計數器和測速超時計數器進行自減處理，如果到零則發出響應信號通知系統。

由于中斷源的多樣性，STM32自帶有可嵌套的中斷向量控制器（NVIC），因此中斷處理程序實際上是相互獨立的。

3.1、PID算法設計

PID控制器將給定轉速和反饋測得轉速相比較后，經計算得出一個輸出信號，將此輸出信號量化為PWM的占空比，最終作用在電機的驅動電路上來控制電機。本系統中采用增量式PID算法［9?10］，增量式數字PID表達式為：

KP為比例系數；TI為積分項積分時間常數；TD為微分時間常數。由上式可以得出增量式PID算法程序如下：

#defineKP0.15

#defineTI0.95

#defineTD0

#defineT0.001

#defineEMIN0.01

#defineA（KP*（1+T/TI+TD/T））

#defineB（KP*（1+2*TD/T））

#defineC（KP*TD/T）

floatPIDCompute（floatr，floaty）

{staticfloate0=0.0;

staticfloate1=0.0;

floate=0.0;

floatdelta;

e=r-y;

delta=A*e-B*e1+C*e0;

e0=e1;

e1=e;

returndelta;}

3.2、測速軟件設計

測速軟件需要完成測量電機轉速與測量電機運行方向兩部分內容。光電測速編碼器輸出的888線AB相脈沖分別連接到STM32的PA0，PA1上。

測速在STM32上的編程實現過程如下：

（1）配置EXTI1上升沿、下降沿均觸發中斷；

（2）配置端口與TIM2，TIM3；

（3）開啟中斷；

（4）EXTI中斷程序中讀取TIM2CNT中的數據并記錄，清空TIM2CNT寄存器中的數據并重新啟動計數；

（5）根據記錄的數據進行瞬時速度計算；

（6）當若干個時基中斷發生且期間無測速中斷請求則宣告電機轉速為0。

將A相信號輸入至PA0（EXTI0）之上，編程使得EXTI0上升沿中斷。在中斷例程里讀取B相信號，根據AB相脈沖時序可以判斷電機轉動方向，即B=1，電機反轉；B=0，電機正轉。

4、系統驗證

本系統經過原理圖和PCB設計、焊接制板、硬件測試、模塊程序編寫、模塊程序功能測試、連接各個子模塊程序、PID參數整定，最后通過反復的調試，系統完全滿足預期要求，能夠實現-500~500r/min之間任意速度控制（以順時針方向為正方向），控制精度達1r/min，穩態誤差不超過0.5%。在正常工作環境下，電機空載運行時，此時系統測試參數見表2，上位機界面如圖5所示。

圖5  上位機界面

表2  系統特性參數表

5、結論

本文設計了一種基于ARMCortex?M3內核的STM32微控制器的直流電機PID調速系統。實驗結果表明，該系統具有穩態誤差小，控制精度高，響應速度快，能耗低、效率高等優點，對上肢康復機器人的研究具有一定的借鑒價值。