一種基于STM32的PID直流電機(jī)控制系統(tǒng)

摘 要：本文是以PID（比例、積分、微分）算法^[2]為核心，基于STM32控制芯片的直流電機(jī)控制系統(tǒng)研究，硬件模塊包括L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、編碼器測(cè)速、PWM（脈沖寬度調(diào)制，Pulse Width Modulation）輸出等，軟件部分以Keil MDK（混合開發(fā)工具，Mix Development Kit）為開發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)各子模塊功能，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。此次研究搭建的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)使直流電機(jī)的穩(wěn)態(tài)誤差始終保持在0.49%以下，直流電機(jī)速度精度控制在95%以上。在額定轉(zhuǎn)速時(shí)，其穩(wěn)態(tài)誤差為0.25%。隨著設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速增大，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的誤差率總體呈減小趨勢(shì)，實(shí)物系統(tǒng)有較好的穩(wěn)態(tài)性能和控制精度。

關(guān)鍵詞：直流電機(jī)調(diào)速；PWM；PID；STM32

近年來，隨著微機(jī)控制技術(shù)、電力電子技術(shù)等迅速發(fā)展，直流電機(jī)因?yàn)槠湔{(diào)速性能好、起動(dòng)性能好，被廣泛應(yīng)用在高精度、可調(diào)速的場(chǎng)合，如航天、工業(yè)自動(dòng)化、數(shù)字化控制、工業(yè)機(jī)器人、醫(yī)療設(shè)備等。

1   增量式PID算法與位置式PID算法對(duì)比

PID 控制是指比例、積分、微分控制。將系統(tǒng)的輸出經(jīng)過比例、積分、微分三種運(yùn)算后，疊加至輸入中，達(dá)到控制調(diào)速目的。由于其原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，被應(yīng)用于多種領(lǐng)域。

1.1 位置式PID算法

位置式PID 算法的表達(dá)式為

其中K_p 為比例放大系數(shù)，T_i 為積分時(shí)間常量，T_d為微分時(shí)間常量。

位置式PID 算法是根據(jù)當(dāng)前實(shí)際位置與要達(dá)到的預(yù)期位置的偏差，進(jìn)行PID 控制。將每一次的誤差進(jìn)行累加作為積分，其運(yùn)算量大，每次輸出均與過去的狀態(tài)相關(guān)，缺點(diǎn)是可能會(huì)引起大幅度超調(diào)。

1.2 增量式PID算法

增量式PID 算法的表達(dá)式為

增量式PID 算法的控制量是對(duì)應(yīng)的最近3 次的位置誤差的增量，只對(duì)當(dāng)前誤差積分，運(yùn)算量較小，沒有誤差累加。所以增量式PID 容易通過加權(quán)處理獲得比較好的控制效果，相較于位置式PID 算法，在程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)更簡(jiǎn)潔有效，運(yùn)行時(shí)更加穩(wěn)定，運(yùn)算速度更快。

圖1 PID控制系統(tǒng)圖

2   硬件系統(tǒng)整體流程

此系統(tǒng)由單片機(jī)STM32F103 輸出PWM 波^[1]，同時(shí)接收編碼器計(jì)數(shù)，經(jīng)處理達(dá)到控制調(diào)速目的，獨(dú)立鍵盤進(jìn)行速度的增減，LCD（液晶顯示，liquid crystal display）模塊進(jìn)行設(shè)定值和實(shí)時(shí)速度的顯示，選擇L298N 模塊作為直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)給電機(jī)供電。所有模塊形成一個(gè)完整的速度閉環(huán)系統(tǒng)，能對(duì)直流電機(jī)快速精準(zhǔn)調(diào)速。

圖2 硬件系統(tǒng)整體流程圖

2.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊L298N

本文選用L298N 為驅(qū)動(dòng)模塊，其電路中包含有兩個(gè)H 橋的高電壓大電流雙橋式驅(qū)動(dòng)器。在使用中，STM32F103 配置的PWM 輸出引腳直接給該模塊提供變占空比的信號(hào)，方便控制。

其控制狀態(tài)表見表1。L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速與正反轉(zhuǎn)，此次研究只使用其驅(qū)動(dòng)一臺(tái)二相直流電機(jī)構(gòu)成閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，根據(jù)表1 配置IN1（輸入）與IN2，對(duì)使能端輸出PWM 脈沖，即可實(shí)現(xiàn)變占空比調(diào)速。

表1 L298N驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)狀態(tài)表

2.2 編碼器測(cè)速模塊

編碼器為AB 相增量式霍爾編碼器，輸出標(biāo)準(zhǔn)的方波，STM32F103 自帶的編碼器模式可直接讀取脈沖信號(hào)，AB 相編碼器的A 相、B 相互相延遲四分之一周期輸出脈沖。如圖3 為編碼器的輸出波形，取A 相、B 相的上升沿和下降沿都作為脈沖，可以取得二倍頻或四倍頻。四倍頻采樣可提高系統(tǒng)運(yùn)算時(shí)的精確性。通過每10 ms 讀取處理一次編碼器脈沖，可以測(cè)得電機(jī)速度和處理控制，此次使用四倍頻采樣，有提高系統(tǒng)運(yùn)算精確性的優(yōu)勢(shì)。

圖3 編碼器輸出脈沖波形

2.3 PWM

配置脈沖計(jì)數(shù)器TIMx_CNT 為向上計(jì)數(shù)模式，而重載寄存器TIMx_ARR 被配置為ARR（自動(dòng)重裝載寄存器），比較值為CCRx，在t 時(shí)刻對(duì)計(jì)數(shù)器值與比較值進(jìn)行比較。如果此時(shí)計(jì)數(shù)器值小于CCRx 值，輸出低電平；如果此時(shí)計(jì)數(shù)器值大于CCRx 值，輸出高電平，從而調(diào)節(jié)占空比。

3   軟件整體流程

此次研究以Keil MDK 作為編譯開發(fā)環(huán)境，軟件部分的重點(diǎn)是PID 控制的處理。流程圖如圖4，主要包括主程序、PID 處理、外部中斷、定時(shí)中斷、PWM 的輸出和編碼器的脈沖計(jì)數(shù)。

圖4 調(diào)速系統(tǒng)軟件流程圖

3.1 調(diào)速系統(tǒng)主程序^[3]

主程序包括對(duì)各模塊初始化和各常量、變量的聲明。包括中斷外部函數(shù)的初始化、定時(shí)中斷循環(huán)的初始化、獨(dú)立按鍵配置、編碼器配置初始化、顯示模塊初始化、PWM 配置初始化。初始化后觸發(fā)由定時(shí)器6 的定時(shí)中斷的循環(huán)，每隔10 ms 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行一次編碼器測(cè)速與PID 運(yùn)算和PWM 的控制輸出。期間獨(dú)立按鍵可以觸發(fā)外部中斷對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)定速度值進(jìn)行增加與減少。

定時(shí)中斷循環(huán)實(shí)現(xiàn)功能包括：編碼器脈沖讀取，脈沖數(shù)量轉(zhuǎn)化為速度顯示在LCD 屏幕，進(jìn)行PID 運(yùn)算，更新PWM 占空比。

3.2 PID算法處理與PWM輸出

PID 控制在系統(tǒng)中采用增量式PID 算法，經(jīng)調(diào)試其比例常數(shù)為0.5、積分常數(shù)為0.0025、微分常數(shù)為0。PID 模塊根據(jù)設(shè)定值與得到的編碼器脈沖值經(jīng)公式運(yùn)算后返回增量值。PWM 的輸出由定時(shí)器1 實(shí)現(xiàn)，指定PA8 作為PWM 輸出端子。在連接硬件時(shí)，需要連接兩個(gè)端子才能實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，另一個(gè)端子起參考電位的作用。PWM 模塊根據(jù)得到的增量值更新PWM 占空比，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、穩(wěn)定、精確地控制調(diào)速系統(tǒng)。

4   實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

實(shí)物系統(tǒng)主要包括STM32F103 開發(fā)板^[7]、帶AB相霍爾式編碼器的直流電機(jī)、L298N 驅(qū)動(dòng)模塊、STLINK、7.2 V 電源等。其中系統(tǒng)實(shí)物搭建圖如圖5。

圖5 系統(tǒng)硬件搭建圖

經(jīng)過調(diào)試，在代碼調(diào)試中，按照先整定K_p 再整定T_i 的順序進(jìn)行調(diào)整，最終得出在K_p = 0.5 和T_i = 200 時(shí)，系統(tǒng)的調(diào)速響應(yīng)快，調(diào)速的范圍可達(dá)170 rpm~440 rpm（圈每分鐘）。通過基于STM32 的PID 直流電機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的輸出軸分別進(jìn)行轉(zhuǎn)速設(shè)定^[13]，分別設(shè)定了190 rpm、220 rpm、250 rpm、280 rpm、310 rpm、340 rpm、370 rpm、400 rpm、410 rpm、420 rpm、430 rpm，實(shí)際測(cè)量結(jié)果如表2，數(shù)據(jù)進(jìn)行了誤差計(jì)算。

表2 轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)采集及誤差計(jì)算

由表2 可知，直流電機(jī)的穩(wěn)態(tài)誤差始終保持在0.49% 以下，其超調(diào)性很小。在額定轉(zhuǎn)速時(shí)，其穩(wěn)態(tài)誤差為0.25% 。隨著設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速增大，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的誤差率總體呈減小趨勢(shì)，實(shí)物系統(tǒng)有較好的穩(wěn)態(tài)性能和控制精度。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年2月期）