基于STM32的直流电机转速控制器设计的文献综述

一、前 言

在自动控制系统、电子仪器设备、家用电器、电子玩具等等方面，直流电机都得到了广泛的应用，所以直流电机的控制是一门很实用的技术。而电流控制器以其优良的动态响应和稳定性等优点广泛地应用于各个控制领域。通过控制电流来控制直流电机转速是很有研究意义和前景的。本研究旨在研究一电流控制器以实现依据外部信号而输出相应的电流，进而控制电机转速。

二、正 文

近些年来,随着电力电子技术和现代控制理论的飞速发展,电机的控制及应用已成为了人们越来越关注的研究内容。一般来讲,电机主要分为两种类型：交流电机和直流电机。交流电机具有结构简单、制造成本低等优点,广泛应用于各类机床和机械加工设备等领域。但是由于交流电机的调速和启动性能比较差,在转速、转矩要求严格的场所,交流电机很少被使用。相对于交流电机,直流电机转速调节快,转矩大,很多场合都把直流电机作为主要控制对象。随着计算机辅助设计技术、微机电系统技术、光纤技术、信息理论以及数据分析算法不断迈上新的台阶。传感器系统正朝着微型化、智能化和多功能化的方向发展。转速控制是机械产品的研究开发、测试分析、质量检验、安全或优化控制等工作中所必不可少的内容。

STM32微控制器的性能及电机转速的检测 STM32系列32位闪存微控制器使用来自于ARM公司具有突破性的Cortex-M3内核。该内核是专门设计于满足集高性能、低功耗、实时应用、具有竞争性价格于一体的嵌入式领域的要求。^[1]
基于STM32的直流电机转速控制器设计在研究方面成熟度较高，Yu Quan Zhu,Zheng Fei Hu,Bao Ji Ma的实验结果表明，直流脉冲电源输出值与预期输出值是一致的^[2]。直流调速系统广泛应用于低转速、高精度等各领域，如精密办公设备（喷墨打印机、激光打印机），自动售货机，家用电器、机器人和玩具设备等。其发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术和微机应用技术的最新发展成就。顺应调速系统智能化、简单化的发展趋势。例如山东大学的周文豹研究并设计了家用呼吸机中无刷直流电机控制器^[3]；安徽理工大学的卢军对电动汽车中直流无刷电机驱动系统进行了研究^[4]；重庆大学的杨豪在无刷直流电机仿人智能控制系统的设计与研究中有所建树^[5]。

东北石油大学的刘松斌分析了直流电机的调速原理，推算出可以通过三种方式对直流电机进行调速，分别是调压调速、改变磁通调速、改变电枢回路电阻调速。对于需要无级平滑调速的系统来说，常用调压调速。目前最常用的是PWM调速，PWM调速是降压调速的一种，即将PWM脉冲直接加在电枢的两端，通过调节脉冲的宽度来实现调压^[6]。

对于硬件的选用，目前在该领域内应用最广泛的是STM32F4单片机，内核Cortex-M4是一种面向数字信号处理（DSC）和高级微控制器（MCU）应用的高效方案，具有低功耗、简单易用、低成本等特点。在运用时，其运算能力非常高，具有高效率的信号处理能力，且新加了浮点、DSP、并行计算，双MAC等。ARM公司创造出这个类型的单片机，希望把Cortex-M4用于数字信号控制市场，即既有微控制器的“控制”能力，又有DSP的“处理”能力，在电源管理、汽车、电机控制、嵌入式音频和工业自动化等领域被广泛应用。

在硬件电路的设计方面，武汉理工大学的高文武设计了三项全桥逆变电路，驱动桥电路由6个N沟道的MOS管IRF3205组成^[7]。西北工业大学的许晖对三项桥电路的每个接口的用途和用法进行了详细解释和说明。其包括Hall传感器接口电路、编码器接口电路、位置采样接口电路、驱动器接口电路组成。但这种电路设计较为复杂，应用并不广泛^[8]。湖北名族学院的夏叶媚、徐松等设计的H桥电路在实际应用中较为常见，变换器主电路采用MOSFET所构成的H型结构形式，其是由四个功率管和四个续流二极管组成的双极式PWM变换器，根据脉冲占空比的不同，在直流电机M上可得到正或负的直流电压^[9]。武汉科技大学的吴攀在H桥电路的基础上采用了光电隔离器去驱动场效应管，将直流电机的工作电源与单片机系统的工作电源隔离开来，减少了驱动电路产生的谐波对其他电路的干扰，提高了系统的可靠性^[10]。安阳工学院的雷慧杰在MOSFET中G、S两极之间使用了双向TVS管抑制瞬态电压，防止MOSFET损坏。由于采用了PMOS,NMOS对管电路，MOSFET栅极电压是由输入电压进行分压得到，因此不需要采用额外的高电压信号源。并且该设计还有速度反馈装置，该系统采用高达888线AB相光电编码器，两相脉冲相差90°，通过测量某相的周期T可以得到电机运行的速度，通过测量两相的上升沿时刻可以得到电机运行的方向^[11]。东南大学的卢德威采用电枢反接的可逆线路设计了可逆直流调速系统，即在电磁转矩和电机转速的坐标下，电机的运动曲线能够处于四个象限当中^[12]。