武汉理工大学第十三届电子设计大赛一等奖

队伍：折腾小队

成员：徐世康，张毓振，李丙银

指导老师：张家亮

参赛题目：直流电机控制系统

一、系统整体方案

主系统为电机控制系统，由STM32F407单片机、升压模块、辅助电源模块、电机驱动模块、电流检测模块、编码器六部分组成。电机的转动角位移和电枢电流通过编码器和电流检测模块发送给单片机，之后单片机执行PID控制运算，输出PWM信号给电机驱动模块，电机驱动模块控制电机输入端电压进而控制电机转动。

辅助测量系统主要由STM32F407单片机、OLED模块、HC-05蓝牙模块、编码器等组成，主要完成速度与距离的测量显示功能。

系统的结构框图如图1所示：

图1 系统总体框架图

二、硬件电路

1.电机驱动设计

电机驱动电路额定输入电压6-28V，同时板载共660uF的电源滤波电解电容，同时使用的BTN7971B驱动芯片，在85摄氏度以下的峰值电流为90A，脉宽10ms，可以满足实验使用的775电机较大启动电流的需求。

2.辅助电源设计

辅助电源使用LM317芯片，它具有调压范围宽、稳压性能好、噪声低、纹波抑制比高等优点，由于主要为单片机供电因此设定输出电压为5V，考虑到部分电路如编码器，电流检测模块存在非5V供电情况，采取可调电阻的方式进行调节。可以较为稳定的输出5V的电压，同时经过调试检验可以在1.5-5.5V之间稳定变化，满足系统各传感器的供电需求。

3.DC-DC升压回路设计

将平稳的直流电压12V接入boost 升压斩波电路中去，当控制信号为高电平时，开关管Q1导通，直流电源给电感提供电流，能量储存于电感L中。当控制信号为低电平时，开关管Q1截止，Q2导通，此时存储在电感中的能量经Q2对电容C充电，同时提供给负载。因此通过调节PWM占空比改变开关管打开与关断时间，从而调节输出电压至15V。

三、软件程序设计

电机控制系统采用STM32F407作为本系统主控芯片，主要完成模式选择，电流信号与转速信号处理，PID控制，辅助测量系统采用STM32F407作为主控芯片，主要完成速度与距离的测量与显示，并将瞬时测量结果通过HC-05蓝牙模块传输至PC机进行核对。 在实际监测电机电流时，电流采样值常混有干扰噪声，如功率管的导通和截止过程的电流突变会产生谐波干扰和尖峰干扰等。为了精确的测量电流值，必须进行滤波处理以减弱或消除干扰。而对周期性的工频或高频干扰，可通过在电路中加入 RC 低通滤波器硬件来加以抑制。对于低频周期性干扰和随机性干扰，必须采用数字滤波解决。拟采用滑动平均滤波法对 A/D 采样值进行滤波，可有效地抑制周期性干扰，提高电流采样值的平滑性。