怎么实现基于STM32的直流电机PWM调速系统的设计？

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凌云志

2021-10-15 11:24:45

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博文内容是从好几篇论文中摘抄下来的，不过遗憾的是那时候我没有对这几篇论文进行备份。

1基础知识

光耦隔离：光耦也叫做光电隔离器或光电耦合器，它是以光为媒介来传输电信号的器件，每个器件中都含有成对的发光器（红外线发光二极管LED）与受光器（光敏半导体管，光敏电阻）。当施加电信号到发光器时，发光器发出光线，受光器接受光线之后就电学性能发生变化，从而实现了“电—光—电”转换。

光耦的最大作用就是隔离作用。将发光器和受光器两端的电气回路隔离开，通过光作为媒介进行传递。
光电隔离具有体积小，结构简单等优点，但存在共模抑制能力差，传输速度慢的缺点。快速光耦的速度也仅几十kHz。
欠压保护：欠压状况下，后续电路要保持相同的功率，根据公式P=UI，就会增加电流值，导致设备过载，以至烧毁电路。所以在欠压到一定程度的时候就要有一个保护电路来断开和电源的连接，即欠压保护电路。
宽电压：宽电压就是电器对电压（伏特，简称伏）的高适应性，在一定范围内不同等级的电压都能应用。
自举电路：即指通过二极管和电容组成的升压电路,通过电源对电容充电使电容放电电压和电源电压叠加，从而使电压升高。最简单的自举电路由一个电容构成。
>自举电容：或称boot电容。自举电容是利用电容两端电压不能突变的特性，当电容两端保持有一定电压时，提高电容负端电压，正端电压仍保持于负端的原始压差，等于正端的电压被负端举起来了。实际就是正反馈电容，用于抬高供电电压。
>二极管：为了防止升高后的电压回灌到原始的输入电压，会加一个Diode。

  2驱动电路

  驱动电路是指主电路和控制电路之间，用来对控制电路的信号进行放大的中间电路（即放大控制电路的信号使其能够驱动功率晶体管）。
单片机PWM信号往往不足以驱动半桥/全桥电路，所以常需要增设半桥/全桥驱动电路来使单片机输出的PWM信号转换成同步高压信号。
  2.1全桥

  H桥是一个典型的直流电机控制电路，可使其连接的负载或输出端两端电压反相/电流反向。因为它的电路形状酷似字母H，故得名与“H桥”。4个开关管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠

要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。

  2.2半桥

  半桥是两个功率开关器件（如 MOS 管）以图腾柱的形式相连接，以中间点作为输出，提供方波信号。这种结构在 PWM 电机控制、DC-AC逆变、电子镇流器等场合有着广泛的应用。

上下两个开关管由反相的信号控制，当一个功率管开时，另一个关断，这样在输出点 OUT 就得到电压从 0 到 VHV的脉冲信号。
由于开关延时的存在，当其中的一个管子栅极信号变为低时，它并不会立刻关断，因此一个管子必须在另一个管子关断后一定时间方可开启，以防止同时开启造成的电流穿通，这个时间称为死区时间，如图中 Td所示。

图腾柱：就是上下各一个三极管，上管为NPN，c极(集电极)接正电源，下管为PNP，c极(集电极)接地。两个b极(基极)接一起，接输入，上管和下管的e极(发射极)接到一起，接输出，像一个“图腾柱”。用同一信号驱动两个b极。驱动信号为高时，NPN导通；信号为低时，PNP导通。利用两个晶体管构成推挽输出。用来匹配电压，或者提高IO口的驱动能力。

  3常用驱动芯片

  IR2302(自举式集成电路）
引脚排列：

引脚定义：

  4半桥驱动电路工作原理

如上图所示为典型的半桥驱动电路，其关键在于如何实现上桥的驱动。VCC是一个典型值为+15v功率管栅极驱动电源，C2为自举电容，VD用来防止防止升高后的电压回灌到原始的输入电压，PWM在上桥臂调制。
引脚功能：HO用于驱动上桥臂，LO用于驱动下桥臂。当HIN位高电平时，HO输出比VS大15V的电压值；当HIN位低电平时，HO输出与VS相等的电压。当LIN为高电平时，LO输出比COM大15V的电压。当LIN为低电平时，LO输出与COM相等的电压值。
当Q1关断，Q2开通时，A点电位由于Q2的续流而回零，VCC经VD1、C1、负载、Q2给C2充电，以确保Q2关断、Q1开通时，Q1管的栅极靠C1上足够的储能来驱动，从而实现自举式驱动。
当输入信号Hin开通时，上桥臂的驱动由C1供电。由于C1的电压不变，VB随VS的升高而浮动，所以称C1为自举电容。每个PWM周期，电路都给C1充电，维持其电压基本不变。
D2的作用是为使上桥臂能够快速关断，减少开关损耗，缩短MOS管关断时的不稳定过程。D3的作用时避免上桥臂快速开通时下桥的栅极电压耦合上升导致上下桥穿通的现象。
  附录基于STM32的直流电机PWM调速系统设计

摘抄自我的某篇课程报告（我真的很讨厌写这种东西），这里进行了修改并保留了原始序号。

  2系统硬件设计

  2.1系统硬件总体方案设计

  该调速系统以STM32F4为核心，共分为4部分，其中STM32F4作为控制器，其板上的定时器资源可通过编程产生PWM控制信号；L298N及其外围电路连接单片机与电机，驱动12V直流电机正常工作；键盘控制模块由6个独立的按键组成，可以控制电机的运动，停止，加速，减速，正向旋转，反向旋转。该系统整体框如图2所示。

  图 2 系统硬件组成框图
  2.3直流电机驱动电路L298N

  STM32输出的PWM仅为3.3V电平，难以驱动12V直流电机，因此可采取直流电机驱动电路来提高驱动能力。本设计使用L298N，这是一款非常经典的双H桥电机驱动芯片，可以驱动两个直流电机。它可以提供5至35 V的驱动电压，最大功率为25 W，逻辑部分由5 V供电。该模块的原理图如图3所示。L298N价格低廉，性能可靠，满足本设计需求，使用时将主控板输出端连接至驱动板使能端和信号端，驱动板的输出端与直流电机连接。

  图 3 L298N模块电路原理图
  2.6信号传输过程

  按下键盘模块上的任意功能键，接收到信号后，微控制器将执行相应的控制任务，并通过I / O端口输出电流信号和PWM波信号。电流信号的正或负决定使能端上的信号电平，而使能端的信号状态又决定直流电动机的旋转状态。当使能端为高电平时，PWM波的占空比决定了直流电机的速度。PWM波信号经由L298N驱动电路放大后，将控制直流电机完成相应动作。
  3系统软件设计

  STM32系列MCU有许多的开发工具可供开发者选择，常用由Keil公司发行的ARM开发工具MDK来编写嵌入式应用程序。MDK提供了一个完整的开发环境，其强大的功能可以满足开发者的大部分需求，进而减少了代码开发难度。
系统程序按功能可划分为主程序、调速程序和正反转程序，主程序用来完成系统相关初始化，调速程序控制直流电机转速，正反转程序控制电机的旋转方向，这些代码皆通过C语言编写。
  3.1主程序设计

  主程序用于完成直流电机调速系统的初始化、单片机的中断配置以及定时器配置，这一过程是通过读写寄存器完成的。另外，本设计采用直接启动电机的方法，这是因为该电机属于微小型电机。为了节省成本，设计中没有制作定制的启动电路，而是在程序初始化阶段中将初始占空比设置为较低的水平。
  3.2调速程序设计

  更改PWM波的占空比以调整直流电机的速度。可以使用STM32的多个计时器中的任何一个（TIM6和7除外）来生成多路PWM输出，其中高级定时器TIM1和TIM8甚至可以同时生成多达7路PWM输出。本设计使用TIM14_CH1进行PWM输出，其配置的具体步骤[3]为：（1）开启 TIM14 和 GPIO 时钟，配置 PF9 选择复用功能 AF9（TIM14）输出；（2）初始化 TIM14,设置 TIM14 的 ARR 和 PSC 等参数；（3）设置 TIM14_CH1 的 PWM 模式，使能 TIM14 的 CH1 输出；（4）使能 TIM14；（5）修改 TIM14_CCR1 来控制占空比。
  3.3 正反转程序设计

  L298N上的端口按功能可分为一对使能端口、两对信号输入端口和两对信号输出端口，处于高电平时有效。当使能端口ENA/ ENB为低电平时，电机处于停止状态；当ENA / ENB为高电平且信号输入端口IN1和IN2同为高电平或低电平时，直流电动机处于制动状态；当ENA / ENB处于高电平并且IN1和IN2处于高电平和低电平或低电平和高电平时，电机将朝相反的方向运行。只需要根据这一原理配置单片机IO口的输出，即可实现直流电机的正反转变换。
图4和图5分别展示了直流电机正反转及调速部分程序流程。共有3种速度状态，速度档位0为低速状态，为默认初始速度；速度档位1为中速状态，速度档位2为高速状态。速度档位通过加速/减速键切换。