基于STM32的直流电机调速控制器的设计
摘要：介绍了一款主要由STM32微处理器，IR2110驱动芯片，光电编码器等构成的直流电机PWM调速控制器。详细介绍了直流电机调速原理、光电编码器的工作原理。
并根据整体方案设计，设计了逻辑信号处理电路、IR2110
驱动电路以及主程序，PWM输出子程序等硬软件设计。本设计主要可以应用在小型电动船或车上，具有较高的使用
价值。
关键词：直流电机；光电编码器；PWM；IR2110驱动
A PWM speed controller of DC motor based on STM32
LI Zhi-hong QIAN Chen-liang
the School of Automation，Wuhan University of Technology Wuhan HuBei China 430070
Abstract：A PWM speed controller of DC motor based on STM32 is introduced in this paper. The main components of the controller are STM32，IR2110 driver IC，photoelectric encoder and so on. This paper elaborated on the governor principle of DC motor and working principle of photoelectric encoder. According to
the entire project plan，the hardware and software design，including signal processing logic circuit，
IR2110 driver circuit，main program and PWM subroutine were designed. This controller mainly applied on small electric boat or car，which owns higher use value.
Keywords：DC motor；photoelectric encoder；PWM；IR2110 driver
1 前言
随着电力电子技术的发展，直流电机靠其优良的控制
性能和线性特性等诸多特点在工业控制、航海、汽车工程
和精密家电等诸多领域内被广泛应用。[1]经过多年的研发，如今的直流电机调速技术也已经达到了一个新的高度在精
准性、可控性和抗干扰性能的优良性上得到了很大的提高。
[2]
如今，数字式直流调速系统已经逐渐变成了主流，本
文以STM32作为主控芯片，IR2110为驱动芯片设计了一款直流电机控制器，可以通过调节光电编码器的旋转方向和
角度来控制直流电机的转速和转向。该控制器可以应用于
小型电动船或车上，具有较高使用价值。
2具体原理和方法
2.1直流电机调速原理
在现今的诸多直流电机调速方法中，脉宽调制（PWM）调压应用最为广泛。其主要原理是：利用一个固定频率来
控制电源的通断，并通过调整直流电机电枢上电压的占空比，以此调节平均电压的大小，达到控制电机转速的目
的。
如图1所示，若主流电机始终接通电源，最大转速为Vmax，占空比为
D=V1/t。在一般情况下平均转速VD和占空比可以近似看成线性关系，即电机的平均转速为VD=Vmax/t。由该式
得知，只需要改变占空比就可以改变平均电压的大小，以
此控制电机转速。[3-4]
当占空比大于50%，小于50%或者等于50%时，可以分别实现直流电机的正转，反转和停止。
2.2 光电编码器原理
本设计用绝对式光电编码器，通过调节光电编码器的
旋转方向和角度来控制直流电机的转速和转向。当旋转角
度和方向发生变化时，其输出信号也会改变，CPU对信号
进行判断并调节占空比，从而控制直流电机的转速和转向，编码器的输出信号如图2所示。
光电编码器为输出两相正交方波脉冲信号，两者相位
相差90°。每个脉冲表示被测对象的角度增量，对A和B相的脉冲信号定时计数就可以计算出电机的转速。设定当A相
超前B相90°，直流电机正转；当A相滞后B相90°，直流电机反转。
3方案设计
3.1 总体系统结构
本设计选用STM32作为主控芯片，选用MOSFET 电力场效晶体管和IR2110为驱动芯片搭建驱动电路，并带有上位机（用于给定电机转速）。编码器的输出信号先通过接口电路接至STM32的数据总线上。同时STM32输出的PWM经逻辑信号处理电路产生能满足驱动电路所需的时序信号，并且对输出信号互锁保护后，加载到驱动电路上，从而实现对直流电机的控制。总体系统结构图如图3所示.
工作原理：在一个采样周期内，编码器测得的电机转速反馈信号通过接口电路反馈到CPU。CPU从上位机得到电机的给定转速，或者系统自行给定转速。根据给定转速和反馈信号的偏差，再经PI控制算法得到控制量。CPU根据控制量来输出PWM，通过IR2110驱动电路来驱动电机。
3.2 IR21110驱动芯片介绍
IR2110由美国IR公司研发的半桥驱动芯片，结合了光电隔离和电磁隔离的优点，其内部集成了独立的驱动高压侧和低压侧功率MOSFET的大部分电路，可输出逻辑电压范围为3.3V～20V。[5]
IR2110采用自举技术产生浮动电源，可以驱动500V以
内的同一相桥臂的上下两个MOSFET。IR2110典型应用电路如图4所示：
图中，HIN 和LIN 为IR2110的逻辑电平输入信号，SD为保护信号输入端，当SD为低电平时，输入信号与输出信号的电平信号保持一致；当SD为高电平时，HO和LO信号关断，输出通道锁死，断开被驱动的MOSFET。
自举技术的实现原理：对于IR2110的低端没有工作频率的要求；而对于高端，主要靠自举电容C1提供供电电源。驱动电源VCC经自举二极管D1、C1、负载和Q2给C1充电。
[6]
当PWMHIN输入为高电平时，IR2110的VB端与H0端导通，通过VB和HO驱动Q1，C1两端电压为VCC，Q1管上的栅极通过C1上储能来驱动，从而实现自举式驱动；当PWMHIN为低电平时，VB端与H0端断开，VCC通过D1对C1迅速充电，从而实现自举。
C1必须周期性的充电，若某个MOSFET管处于长期导通状态，C1与高侧驱动器会形成一个泄放回路，使得高端功率管栅级欠压，导致MOSFET无法被驱动。[7]
4 硬件设计
4.1 逻辑信号处理电路
逻辑信号处理电路如图5所示，其作用是产生满足驱动电路所需的时序信号，并且对输出信号互锁保护。
STM32输出1路PWM经处理电路，生成IR2110高低输入端所需的控制信号HIN与LIN。通过与非门4001进行逻辑运算，实现各组高低之间的互锁保护，使IFUP1和IFDN1、IFUP2和IFDN2不能同时为高电平。
4.2 IR2110驱动电路
如图6所示，该电路采用2片IR2110芯片，实现对高低端MOSFET管的驱动。
图中，电压比较器LM2903（U105）用以电平转换，
将电压转换成IR2110所需要的+15V电压。C103和C105
为自举电容，C104和C106是旁路滤波电容（一般使用钽电容），D102和D103为自举二极管，其作用是对自举电容
进行充电，选材应选用快恢复二极管，并起到保护作用，
防止高压反窜入VCC烧毁IR2110。
当IFUP1和IFDN2为高电平，IFDN1和IFUP2为低电平时，U102_H和U103_L导通，实现正向驱动；当IFUP1
和IFDN2为低电平，IFDN1和IFUP2为高电平时，U102_L 和U103_H导通，实现反向驱动。
硬件设计除此之外，还包括通讯电路、电源电路、隔
离电路、保护电路、高低速限速电路等。
5 软件设计
软件设计采用模块化设计方式，如图7所示，初始化后，先与上位机完成握手通讯，从上位机或系统自行给定电机