直流無(wú)刷電機(jī)控制器硬件和軟件設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u27757直流無(wú)刷電機(jī)控制器硬件和軟件設(shè)計(jì)案例 123095第一章直流無(wú)刷電機(jī)控制器硬件設(shè)計(jì) 2166761.1三相直流無(wú)刷電機(jī)三相星形連接全橋驅(qū)動(dòng) 2104171.2控制芯片 5218881.2.1主控 5151991.2.2電源引腳 6165851.2.3電源 6224441.2.4啟動(dòng)模式 6309941.2.5時(shí)鐘 741921.2.6復(fù)位電路 738131.3驅(qū)動(dòng)芯片及電路 7248941.4霍爾傳感器接口電路 9283921.5采樣電阻放大電路 10113851.6過(guò)流保護(hù)電路 1087131.7電源電路 11206771.8總體電路 111975第二章BLDC軟件設(shè)計(jì)部分 1113082.1PID控制原理 1290072.1.1開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng) 12203252.2.2閉環(huán)控制系統(tǒng) 1271432.1.3PID控制原理和特點(diǎn) 12219222.1.4模擬PID控制 13211492.1.5數(shù)字式PID 1413672.1.6控制器參數(shù)整定 15142302.1.7采樣周期選擇 16133242.2定時(shí)器實(shí)現(xiàn)PWM輸出 1696042.3總體控制程序設(shè)計(jì) 19184002.3.1主函數(shù) 19279512.3.2換向函數(shù) 21179302.3.3增量式PID函數(shù) 21223552.3.4系統(tǒng)滴答定時(shí)器回調(diào)函數(shù) 22116142.3.5定時(shí)器輸出比較中斷服務(wù) 23136262.3.6定時(shí)器觸發(fā)中斷服務(wù) 24185892.3.7過(guò)流保護(hù) 25直流無(wú)刷電機(jī)控制器硬件設(shè)計(jì)1.1三相直流無(wú)刷電機(jī)三相星形連接全橋驅(qū)動(dòng)在充分了解全橋驅(qū)動(dòng)之前，先來(lái)了解H橋驅(qū)動(dòng)原理。圖1.1H橋模型如圖當(dāng)開(kāi)關(guān)A和D閉合，B和C斷開(kāi)時(shí)直流電機(jī)正常旋轉(zhuǎn)，記為正旋轉(zhuǎn)；A和D斷開(kāi)，B和C閉合時(shí)直流電機(jī)正常旋轉(zhuǎn)，記為反旋轉(zhuǎn)；如果開(kāi)關(guān)A和C關(guān)閉，開(kāi)關(guān)B和D打開(kāi)，或者反之，直流電動(dòng)機(jī)就不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。這時(shí)電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)，由電機(jī)慣性旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的電勢(shì)被短路，形成一個(gè)相反的電勢(shì)，防止運(yùn)動(dòng)并產(chǎn)生制動(dòng)效果。當(dāng)所有四個(gè)開(kāi)關(guān)都關(guān)閉時(shí)，電機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)，由電機(jī)慣性旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的電位不能形成回路，防止形成反電勢(shì)，在實(shí)際設(shè)計(jì)中我們可以選擇三極管或者M(jìn)OS管代替開(kāi)關(guān)。圖1.2順轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)上述開(kāi)關(guān)控制旋轉(zhuǎn)，此時(shí)Q1和Q4導(dǎo)通，電機(jī)正轉(zhuǎn)。圖1.3逆轉(zhuǎn)相反，Q2和Q3導(dǎo)通，電機(jī)反轉(zhuǎn)。有了H橋控制電路還要保證位于同側(cè)的兩個(gè)三極管不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通，如果Q1和Q2同時(shí)導(dǎo)通此時(shí)電流會(huì)直接穿過(guò)兩個(gè)三極管，可能會(huì)燒毀兩個(gè)三極管，所以需要對(duì)電路進(jìn)行改動(dòng)。圖1.4H橋邏輯電路在原電路基礎(chǔ)上增加4個(gè)與門和2個(gè)非門。4個(gè)與門同一個(gè)使能導(dǎo)通信號(hào)相接，此時(shí)這個(gè)導(dǎo)通信號(hào)可以控制整個(gè)電路開(kāi)關(guān)。而2個(gè)非門提供一種方向輸入，保證位于同側(cè)的三極管不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通。采用這個(gè)改進(jìn)電路后，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)需要三個(gè)信號(hào)，兩個(gè)方向信號(hào)和一個(gè)使能信號(hào)。如果DIR-L信號(hào)為0，DIR-R信號(hào)為1，并且使能信號(hào)為1，三極管Q1和Q4導(dǎo)通。如果DIR-L信號(hào)為1，DIR-R信號(hào)為0，并且使能信號(hào)為1，三極管Q2和Q3導(dǎo)通。基于H橋的原理和霍爾傳感器提供位置信息，然后控制每相的通電，就可以對(duì)BLDC進(jìn)行初步的正反轉(zhuǎn)控制：圖1.56步通電原理表1.1正轉(zhuǎn)霍爾1霍爾2霍爾3A+A-B+B-C+C-方向101關(guān)閉開(kāi)通關(guān)閉關(guān)閉開(kāi)通關(guān)閉↓001關(guān)閉開(kāi)通開(kāi)通關(guān)閉關(guān)閉關(guān)閉↓011關(guān)閉關(guān)閉開(kāi)通關(guān)閉關(guān)閉開(kāi)通↓010開(kāi)通關(guān)閉關(guān)閉關(guān)閉關(guān)閉開(kāi)通↓110開(kāi)通關(guān)閉關(guān)閉開(kāi)通關(guān)閉關(guān)閉↓100關(guān)閉關(guān)閉關(guān)閉開(kāi)通開(kāi)通關(guān)閉↓表1.2反轉(zhuǎn)霍爾1霍爾2霍爾3A+A-B+B-C+C-方向101關(guān)閉關(guān)閉開(kāi)通關(guān)閉關(guān)閉開(kāi)通↑001開(kāi)通關(guān)閉關(guān)閉關(guān)閉關(guān)閉開(kāi)通↑011開(kāi)通關(guān)閉關(guān)閉開(kāi)通關(guān)閉關(guān)閉↑010關(guān)閉關(guān)閉關(guān)閉開(kāi)通開(kāi)通關(guān)閉↑110關(guān)閉開(kāi)通關(guān)閉關(guān)閉關(guān)閉開(kāi)通↑100關(guān)閉開(kāi)通開(kāi)通關(guān)閉關(guān)閉關(guān)閉↑當(dāng)檢測(cè)到霍爾傳感器信號(hào)時(shí)，控制六個(gè)橋臂的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，假設(shè)當(dāng)前霍爾傳感器反饋信號(hào)為1、0、1，對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)芯片輸出PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)A-和C+橋臂導(dǎo)通，其他橋臂關(guān)斷，此時(shí)轉(zhuǎn)子會(huì)旋轉(zhuǎn)一定角度，在到達(dá)旋轉(zhuǎn)角度前，霍爾傳感器信號(hào)會(huì)發(fā)生改變?？傮w設(shè)計(jì)電路圖如下。圖1.8總體設(shè)計(jì)1.2控制芯片1.2.1主控STM32F103ZET6：集成了64KSRAM、512KFLASH、2個(gè)基本定時(shí)器、四個(gè)通用定時(shí)器、2個(gè)高級(jí)定時(shí)器、2個(gè)DMA控制器、3個(gè)SPI、2個(gè)IIC、5個(gè)串口、1個(gè)USB、1個(gè)CAN、3個(gè)12位ADC、1個(gè)12位DAC、1個(gè)SDIO接口、1個(gè)FSNC接口、112個(gè)通用IO口。圖1.9F103ZET61.2.2電源引腳STM32F103ZET6的典型電壓為3.3V，每個(gè)電源可接接上0.1uf的高頻濾波電容。ADC的參考電壓我們直接接在3.3V上，ADC的電源則是通過(guò)一個(gè)電感后與3.3V連接。1.2.3電源在開(kāi)發(fā)面板上，不同的組件所要求的供電電壓分別為+5V和+3.3V。5V的供電方式有兩種，一種是在發(fā)展板卡上留有兩個(gè)MINIUSB插槽，通過(guò)USB線可以把5V的電壓直接輸入到開(kāi)發(fā)板上。第二個(gè)方案是從外面供給7-36V的電源，通過(guò)板載式DC-DC的電源芯片將其轉(zhuǎn)化為5V的電源。開(kāi)發(fā)板使用了LM2596S-2.0芯片，它可以輸出高達(dá)3A的電流，通常情況下，只有在開(kāi)發(fā)板上安裝了大量的組件時(shí)，才會(huì)采用這樣的方式。采用AMS1117-3.3將5V轉(zhuǎn)化為3.3V。1.2.4啟動(dòng)模式STM32F103的起動(dòng)方式有很多種。啟動(dòng)模式的理解：?jiǎn)纹瑱C(jī)可以根據(jù)“不同地址”，例如最常用的Flash,RAM，系統(tǒng)代碼，讀寫程序的命令，然后進(jìn)行操作，而“不同地址”的設(shè)置是在給芯片提供電源（上電）后，芯片將會(huì)從BOOT0和BOOT1管腳讀取電平進(jìn)行判斷。在此，“不同地址”其實(shí)是由一個(gè)地址引腳映射來(lái)完成的，芯片通常會(huì)在啟動(dòng)存儲(chǔ)器區(qū)中開(kāi)始運(yùn)行程序。比如說(shuō)，存儲(chǔ)區(qū)0對(duì)應(yīng)于大廳其內(nèi)部存放一個(gè)房號(hào)，而B(niǎo)OOT0和BOOT1的引腳就會(huì)確定房號(hào)是多少。房號(hào)1對(duì)應(yīng)于內(nèi)部Flash,房號(hào)2與RAM相匹配，房號(hào)3與系統(tǒng)代碼相匹配，當(dāng)芯片通電時(shí)，會(huì)在大廳中獲得一個(gè)房號(hào)，再找到房號(hào)執(zhí)行程序。默認(rèn)情況下，開(kāi)發(fā)板通過(guò)兩個(gè)大電阻將BOOT0和BOOT1的兩個(gè)引腳電平拉低，也就是說(shuō)，默認(rèn)從內(nèi)部Flash啟動(dòng)。1.2.5時(shí)鐘時(shí)鐘是微控制器的脈動(dòng)，每個(gè)微控制器都必須有一個(gè)基本的時(shí)鐘節(jié)拍，也就是一個(gè)參考時(shí)鐘，否則會(huì)造成時(shí)間混亂，使程序不能正常工作。一般情況下，STM32F103芯片都要采用8MHz的無(wú)源石英晶體，其實(shí)STM32F103的核心核心也是8MHz，為了保證穩(wěn)定性采用外部晶振。為使用RTC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘、萬(wàn)年歷）還需要提供32.768KHz的時(shí)鐘源。1.2.6復(fù)位電路微控制器一般有軟件復(fù)位和硬件復(fù)位兩種方法。STM32F103ZET6的復(fù)位引腳是低電平有效，當(dāng)NRESET輸入低電平時(shí)MCU處于復(fù)位狀態(tài)。重設(shè)內(nèi)部所有的寄存器和SRAM。電阻和電容可以構(gòu)成RC重置電路。在系統(tǒng)供電時(shí)，電容上的電壓是0,CPU復(fù)位，電源通過(guò)電阻給電容充電，在C5的電壓上升到CPU的高電平門檻值時(shí)，CPU從復(fù)位狀態(tài)進(jìn)入工作狀態(tài)。一般復(fù)位電路帶有按鈕，按下按鈕時(shí)電容短路接地，可以實(shí)現(xiàn)人工復(fù)位。為了使NRESET的低電平持續(xù)時(shí)間達(dá)到CPU最低復(fù)位脈沖寬度的要求，需要選擇合適的R、C。1.3驅(qū)動(dòng)芯片及電路首先是六個(gè)橋臂的驅(qū)動(dòng)，本設(shè)計(jì)采用的MOS管為IRFS3607，導(dǎo)通阻抗極低，轉(zhuǎn)換速率極快。導(dǎo)通電阻9mΩ,閾值電壓為4V。圖1.10閾值電壓MOS管的驅(qū)動(dòng)芯片為IR2110S，體積小(SOIC-16)，集成度高(可驅(qū)動(dòng)同一橋臂兩路)，響應(yīng)快(ton/tof=120/94ns)，偏值電壓高(<600V)，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，內(nèi)設(shè)欠壓封鎖，而且易于調(diào)試，并設(shè)有外部保護(hù)封鎖端口。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)由邏輯輸入、電平平移和輸出保護(hù)，輸入端LIN和HIN是全橋中位于同一橋臂的兩個(gè)MOS管驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端，SD為保護(hù)信號(hào)的輸入端，三個(gè)輸入端接下拉電阻，高電平有效，當(dāng)SD接受高電平信號(hào)時(shí)，輸出自鎖，恒為低電平，如時(shí)序圖所示，輸出HO接非門輸出VB或VS，LO接互補(bǔ)電路輸出VCC或公共端電平。HO連接上橋臂，LO連接下橋臂。圖1.11IR2110S內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖1.12IR2110S輸入輸出時(shí)序圖NMOS管的導(dǎo)通基本條件就是VGS大于一定的閾值電壓VGS(th)，IRFS3607的VGS(th)是4V(最大值)。為IR2110S設(shè)計(jì)的電源電壓為11V，IR2110S的低端驅(qū)動(dòng)，即驅(qū)動(dòng)Q2的IRFS3607，可以保持對(duì)Q2的導(dǎo)通條件。對(duì)于高端驅(qū)動(dòng)，即驅(qū)動(dòng)Q1的IRFS3607，D2保證MOS管快速關(guān)斷，R10限流保護(hù)。當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，VD=VS這會(huì)導(dǎo)致VGS變小，直到MOS管關(guān)斷，關(guān)斷后VG會(huì)大于VS，再次導(dǎo)通，這種狀態(tài)稱為半導(dǎo)通狀態(tài)，這時(shí)需要自舉升壓電路來(lái)抬升VG，自舉升壓電路由D1和C8構(gòu)成，Q1關(guān)斷Q2導(dǎo)通時(shí)，HO=VB，此時(shí)C8一端通過(guò)Q2接地一端經(jīng)懸空的VB通過(guò)二極管D1接VCC充電。當(dāng)Q1導(dǎo)通Q2關(guān)斷時(shí)，HO連接VB輸出高電平，C8放電使得VG恒大于VS使得由此保證VGS大于閾值電壓。一個(gè)典型的增壓放大器電路使用一個(gè)電容器和一個(gè)二級(jí)管。電容器儲(chǔ)存電荷，二極管防止反向電流。在較高的頻率下，自舉電路的電壓等于電路的輸入電壓加上電容的電壓，起到放大的作用。自舉電容必須根據(jù)開(kāi)關(guān)頻率選擇一個(gè)合適的電容。自舉電路的目的是允許控制IR2110S的高端，即IR2110S第8腳的輸出信號(hào)可以達(dá)到高于VGS（th）的電壓。圖1.13驅(qū)動(dòng)電路IR2110S芯片是以光為媒介傳輸電信號(hào)的元件，內(nèi)部封裝了一個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)光敏三極管，能起到信號(hào)隔離保護(hù)和升壓的作用。其輸出VCC或者GND。輸出VCC為IR2110S提供電壓，把3.3V的PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換成12V的信號(hào)，這樣就可以很好的適配IR2110s。表1.3TLP715輸入輸出真值表輸入LEDTr1Tr2輸出高電平亮開(kāi)通關(guān)斷高電平低電平不亮關(guān)斷開(kāi)通低電平1.4霍爾傳感器接口電路圖1.14霍爾傳感器接口電路D14/15/16:保護(hù)電路。

R24/25/26:上拉電阻。

R29/30/31:限流電阻。

C15/16/17:濾波電容。1.5采樣電阻放大電路圖1.15采樣放大電路采樣電阻經(jīng)過(guò)MCP6024同向放大，C16濾波，R34連接1.65V提供偏置電壓拉升輸出電壓到1.65V，1.65V電壓通過(guò)電壓跟隨器輸入端分壓得到。放大倍數(shù)UO=Ui×1.02。BAS70-04LT1為保護(hù)措施，限制電壓0-3.3V。1.6過(guò)流保護(hù)電路圖1.16過(guò)流保護(hù)電路采樣電阻接運(yùn)放反相輸入端，Vref為參考電壓，參考電壓通過(guò)電阻分壓獲得。當(dāng)采樣電阻的電壓超過(guò)0.5V時(shí)輸出低電平，輸出到光耦PC817進(jìn)行驅(qū)動(dòng)芯片的關(guān)斷。1.7電源電路圖1.17電源電路三部分降壓電路將輸入電源降至12V、5V和3.3V。12V為驅(qū)動(dòng)電路供電，5V和3.3V為運(yùn)放供電。1.8總體電路圖片1.18總體電路為了增加電路可靠性，我給關(guān)斷管設(shè)計(jì)了一個(gè)跳帽用來(lái)保護(hù)電路。下半部分開(kāi)關(guān)電路三極管AOD2610源極接地，此時(shí)當(dāng)柵極接高電平時(shí)電路才會(huì)導(dǎo)通，外接跳帽通過(guò)光耦控制高電平信號(hào)，電源接口的二極管防止電源反接。BLDC軟件設(shè)計(jì)部分2.1PID控制原理自動(dòng)控制系統(tǒng)分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過(guò)輸出接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸送到被控系統(tǒng)；被控量經(jīng)過(guò)傳感器，變送器和輸入接口輸送到控制器。2.1.1開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)是被控對(duì)象的輸出（被控量）對(duì)控制器的輸出沒(méi)有影響。沒(méi)有被控量回饋以形成閉環(huán)回路。2.2.2閉環(huán)控制系統(tǒng)與開(kāi)環(huán)的一個(gè)重要區(qū)別是，閉環(huán)控制系統(tǒng)中被控對(duì)象（被控變量）的輸出信號(hào)被反饋給控制器進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，而且可能有一個(gè)或多個(gè)閉環(huán)。反饋信號(hào)可以是正的，也可以是負(fù)的；正反饋或負(fù)反饋意味著反饋信號(hào)與給定的系統(tǒng)值信號(hào)具有相同或相反的極性。一般閉環(huán)控制系統(tǒng)采用負(fù)反饋將輸出反饋到控制器計(jì)算誤差然后進(jìn)行PID參數(shù)調(diào)整輸出，構(gòu)成負(fù)反饋控制系統(tǒng)。2.1.3PID控制原理和特點(diǎn)PID是把偏差的比例P、積分I和微分D以線性組合的方式構(gòu)成控制量，再由控制器反饋給受控目標(biāo)，PID結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，調(diào)整方便。當(dāng)受控目標(biāo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)不能被充分把握，不能建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)建模，則不能應(yīng)用其它的控制原理，這時(shí)PID控制器就可以應(yīng)用到這一領(lǐng)域。如果一個(gè)系統(tǒng)僅具有一定的比例控制，則會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差。積分控制（I)：系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后，存在穩(wěn)態(tài)誤差，引入了一個(gè)積分項(xiàng)，該項(xiàng)的積分值隨著時(shí)間的推移而變化，該值隨著時(shí)間的推移而變得越來(lái)越大，從而使得控制器的穩(wěn)態(tài)偏差不斷降低，直到為0。微分控制（D)：輸出與輸入誤差的微分（誤差變化率）之間存在正比的關(guān)系。在解決校正偏差時(shí)，會(huì)發(fā)生振蕩和不穩(wěn)定現(xiàn)象。產(chǎn)生這種問(wèn)題的主要原因在于，由于在系統(tǒng)中有大量的慣性組件（環(huán)節(jié)）或者帶有延遲的組件，這些組件自身會(huì)產(chǎn)生對(duì)誤差的抑制，其變化始終比誤差的變化慢，因此，要想克服這種影響，必須提前進(jìn)行誤差控制，在誤差接近于零時(shí)抑制誤差的作用也為零。因此，如果只有一個(gè)比例控制的話，還不能保證一個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應(yīng)該增加一個(gè)微分，這個(gè)微分控制可以預(yù)測(cè)出誤差的變化，因此，這個(gè)比例+差分控制可以超前使抑制誤差作用為零，從而防止了被控量的超調(diào)率。對(duì)于具有大慣性器件或帶有滯后的被控系統(tǒng)，采用比例+差分控制可以改善系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)的動(dòng)態(tài)性能。2.1.4模擬PID控制圖2.1PID模擬PID控制系統(tǒng)原理如上圖，r（t）是給定值，y（t）為輸出值，給定值與輸出值構(gòu)成偏差e（t）。e(t)=r(t)-y(t)；e（t）為PID控制器的輸入，u（t）為PID控制器的輸出和被控對(duì)象的輸入。 (5-1)Kp-比例系數(shù)；Ti-積分系數(shù)；Td-微分系數(shù)。=1\*GB2⑴比例調(diào)節(jié)比例調(diào)節(jié)：Kp*e（t），比例環(huán)節(jié)反應(yīng)對(duì)偏差反應(yīng)速度，因此，當(dāng)偏差發(fā)生時(shí)，比例環(huán)節(jié)最好能產(chǎn)生一個(gè)控制動(dòng)作，這樣控制變量就會(huì)改變，以減少偏差。比例越高，控制越強(qiáng)，過(guò)渡越快，靜態(tài)偏差越低；但是，比例越高越好，因?yàn)樘珡?qiáng)的振蕩會(huì)破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，選擇正確的比例系數(shù)是很重要的。=2\*GB2⑵積分調(diào)節(jié)積分調(diào)節(jié)：，只要偏差一直存在，積分值就會(huì)一直增大，控制作用也就一直增加，只有偏差e（t）=0時(shí)積分結(jié)果就為定值。積分調(diào)節(jié)的好處是可以消除靜態(tài)偏差，但缺點(diǎn)也很明顯，會(huì)降低系統(tǒng)反應(yīng)速度，增加超調(diào)量。一個(gè)很好避開(kāi)缺點(diǎn)的方法就是增大Ti積分系數(shù)。但是Ti較小時(shí)也有一定優(yōu)點(diǎn)，雖然可能產(chǎn)生震蕩但是消除偏差也更快。所以需要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)選取Ti。=3\*GB2⑶微分部分微分調(diào)節(jié)：，通過(guò)PI調(diào)節(jié)消除靜態(tài)偏差的同時(shí)，用PI控制消除靜態(tài)偏差還需要更快的控制。當(dāng)偏差發(fā)生時(shí)，不僅需要對(duì)偏差做出即時(shí)反應(yīng)（比例結(jié)合），還需要由于偏差的趨勢(shì)而進(jìn)行修正，這種修正就是差動(dòng)結(jié)合的任務(wù)。偏差趨勢(shì)越快，差動(dòng)連接的輸出就越大，在偏差變得更大之前進(jìn)行修正的可能性也就越大。這減少了過(guò)沖量，克服了振蕩，在高階系統(tǒng)中特別有用，因?yàn)椴罘宙溄蛹铀倭烁?。然而，差分相位?duì)噪聲特別敏感，所以在嘈雜的系統(tǒng)中通常不使用它，或者在差分相位之前添加一個(gè)濾波器來(lái)過(guò)濾輸入信號(hào)。差分系數(shù)Td是差分連接的決定因素，Td越大抑制偏差變化作用越強(qiáng)。2.1.5數(shù)字式PID計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)使得PID進(jìn)一步發(fā)展，將模擬PID的控制規(guī)律引入到計(jì)算機(jī)中，對(duì)PID控制規(guī)律進(jìn)行適當(dāng)變換，就可以用軟件來(lái)進(jìn)行PID控制。數(shù)字PID又分為位置式PID和增量式PID。=1\*GB2⑴位置式PID計(jì)算機(jī)控制采用取樣的原則，計(jì)算取樣時(shí)間的誤差，相比模擬控制，則采用的是持續(xù)的輸出控制量，因此不能用于位置PID。需要進(jìn)行離散化處理。離散化處理的步驟是：將k作為取樣序號(hào)，T作為取樣周期，這樣就可以把連續(xù)的時(shí)間t轉(zhuǎn)換成離散取樣時(shí)間kT，用矩形法的數(shù)值積分取代積分，用一次后向差分取代微分，則可以進(jìn)行離散變化：(5-2)將上式代入到模擬PID控制規(guī)律的表達(dá)式中：(5-3)k-采樣序號(hào)；uk-第k次采樣時(shí)刻計(jì)算機(jī)輸出值；ek-第k次采樣時(shí)刻輸入量的偏差值；ek-1-0-0第k-1次采樣時(shí)刻輸入量偏差值；采樣周期足夠小的時(shí)候，離散控制過(guò)程與連續(xù)過(guò)程十分相似。這也稱為全量式PID控制算法，有著一個(gè)顯著的缺點(diǎn)，每次輸出量都與過(guò)去狀態(tài)相關(guān)，計(jì)算時(shí)還要對(duì)ek累加，這增加了計(jì)算量，同時(shí)計(jì)算機(jī)輸出uk對(duì)應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，如果計(jì)算機(jī)故障將會(huì)導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)大幅變化，又可能造成大的事故。=2\*GB2⑵增量式PID增量式是指數(shù)字控制器的輸出為控制量的增量Δuk。增量式PID算法的公式可以由位置式推出： (5-4) (5-5)因此，采用恒定采樣周期T，再確定ABC，加上前后三次測(cè)量的偏差值就可以求控制量。2.1.6控制器參數(shù)整定基于以上PID控制理論，目前有以下幾個(gè)參數(shù)需要調(diào)整：比例系數(shù)Kp，積分時(shí)間Ti，微分時(shí)間Td，采樣周期Ts。對(duì)這幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)改變，使得系統(tǒng)特性與過(guò)程特性相符合，以提高系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特征。=1\*GB2⑴湊試法按照比例積分微分的順序進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。將調(diào)節(jié)器積分時(shí)間設(shè)定為∞，微分時(shí)間Td設(shè)置為0，按照經(jīng)驗(yàn)設(shè)置Kp初值，將系統(tǒng)投入運(yùn)行，從小到大調(diào)整比例系數(shù)，得到合適的1/4衰減度過(guò)渡過(guò)程曲線。然后將Kp設(shè)定為5/6kp，從小到大調(diào)Ti。如需要微分，將Td設(shè)定為經(jīng)驗(yàn)值，從小到大調(diào)Td。=2\*GB2⑵臨界比例法在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，將調(diào)節(jié)器設(shè)置為純比例調(diào)節(jié)，從小到大逐漸改變調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)，等系統(tǒng)到達(dá)等幅震蕩過(guò)程，得到臨界比例系數(shù)Ku，取相鄰兩個(gè)波峰間的時(shí)間間隔，得到臨界振蕩周期Tu。臨界比例度法步驟：1設(shè)置調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間Ti=∞，微分時(shí)間為0，比例系數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置，操作系統(tǒng)達(dá)平衡運(yùn)行。2逐漸增大比例系數(shù)Kp，直到等幅振蕩過(guò)程，記錄臨界比例系數(shù)Ku和臨界振蕩周期Tu值。3根據(jù)Ku和Tu值，采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算Kp、Ti、Td。2.1.7采樣周期選擇除了適應(yīng)上述規(guī)格外，采樣周期對(duì)于良好的結(jié)果也是至關(guān)重要的。如果系統(tǒng)定期對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，其頻率至少是信號(hào)最大頻率的兩倍，那么原始模擬信號(hào)就可以從采樣過(guò)程中獲得的離散值中完全重建。采樣時(shí)間的上限可以根據(jù)采樣規(guī)律來(lái)設(shè)定。有效的選擇也必須與實(shí)際情況相適應(yīng)。在實(shí)際采樣過(guò)程中，根據(jù)有關(guān)樣品中干擾的大小和過(guò)程的特點(diǎn)，如反應(yīng)速度、過(guò)程中對(duì)干擾敏感的波動(dòng)，可以選擇較短的采樣時(shí)間；相反，如果過(guò)程延遲較大，反應(yīng)較慢，可以采用較長(zhǎng)的采樣時(shí)間。2.2定時(shí)器實(shí)現(xiàn)PWM輸出高級(jí)控制定時(shí)器（TIM1及TIM8）是在基本計(jì)時(shí)器的基礎(chǔ)上加上外接引腳，既能完成輸出比較，又能獲得輸入捕捉，而高級(jí)控制定時(shí)器除了一般的定時(shí)器有的功能之外，還增加了一個(gè)可編程的死區(qū)互補(bǔ)輸出、中斷剎車、重復(fù)計(jì)數(shù)器等。它的內(nèi)部包括16位計(jì)數(shù)器，16位的預(yù)分頻器，一個(gè)16位向上、向下或向上/向下自動(dòng)裝載計(jì)數(shù)器和一個(gè)16位重復(fù)次數(shù)寄存器，共48位計(jì)數(shù)定時(shí)器。圖2.2高級(jí)定時(shí)器輸出PWM邏輯高級(jí)控制定時(shí)器的時(shí)鐘源很豐富，一般只需選用其內(nèi)部時(shí)鐘源（CK_INT）即可。下邊介紹PWM模式。圖2.3PWM兩種模式調(diào)整占空比用到兩個(gè)器件，TIMx_ARR寄存器（確定頻率）TIMx_CCRx寄存器（確定占空比）。輸出包含兩種模式：PWM1模式：當(dāng)計(jì)數(shù)器向上計(jì)數(shù)時(shí)，小于比較值輸出高電平，大于比較值輸出低電平。PWM2模式：當(dāng)計(jì)數(shù)器向上計(jì)數(shù)時(shí)，小于比較值輸出低電平，大于比較值輸出高電平。這兩種模式由TIMx_CCMRx寄存器中的OcxM來(lái)確定：110為模式一，111為模式二。根據(jù)TIMx_CR1寄存器中CMS位的狀態(tài)，定時(shí)器可以產(chǎn)生邊沿對(duì)齊的PWM信號(hào)或者中央對(duì)齊的PWM信號(hào)，本設(shè)計(jì)為邊沿對(duì)齊模式。邊沿對(duì)齊模式：此模式下計(jì)數(shù)器CNT只能工作在遞增或者遞減的一種模式下，比如如圖ARR=8，CCR=4，計(jì)數(shù)器開(kāi)始從0計(jì)數(shù)，CNT＜CRR時(shí)，OCxREF為高電平，比較重大寄存器CCxIF置位，當(dāng)CCR≤CNT≤ARR時(shí)，OCxREF為低電平，然后計(jì)數(shù)器CNT再次從0開(kāi)始計(jì)數(shù)。圖2.4邊沿對(duì)齊模式當(dāng)PWM信號(hào)在進(jìn)入MOS管的控制級(jí)時(shí)，會(huì)因?yàn)楦鞣N各樣的原因而造成延時(shí)，使某個(gè)半橋元件無(wú)法在關(guān)斷時(shí)關(guān)閉，從而燒掉元器件，死區(qū)是指當(dāng)上半橋被切斷后，它會(huì)延遲一段時(shí)間，然后再打開(kāi)下半橋，這樣可以防止元件燒毀。死區(qū)時(shí)間被寄存器TIM1的BDTR位控制，如圖此時(shí)寄存器已被設(shè)置好，并且死區(qū)發(fā)生器的輸出信號(hào)以及參考信號(hào)OCxREF、OCx同輸出信號(hào)相同，則OCxN和參考信號(hào)的上升沿之間有延遲，并且同樣地，下降沿也存在延遲。圖2.5死區(qū)死區(qū)時(shí)間計(jì)算方式：UTG[7:0]:死區(qū)發(fā)生器設(shè)置(Dead-timegeneratorsetup)這些位定義了插入互補(bǔ)輸出之間的死區(qū)持續(xù)時(shí)間。假設(shè)DT表示其持續(xù)時(shí)間：DTG[7:5]=0xx=>DT=DTG[7:0]×Tdtg，Tdtg=TDTS；DTG[7:5]=10x=>DT=(64+DTG[5:0])×Tdtg，Tdtg=2×TDTS；DTG[7:5]=110=>DT=(32+DTG[4:0])×Tdtg，Tdtg=8×TDTS；DTG[7:5]=111=>DT=(32+DTG[4:0])×Tdtg，Tdtg=16×TDTS。產(chǎn)生6步PWM輸出：前面已經(jīng)介紹過(guò)，STM32高級(jí)控制定時(shí)器有互補(bǔ)輸出的功能，我們便可以利用定時(shí)器TIM1來(lái)產(chǎn)生3對(duì)6路的互補(bǔ)PWM輸出。首先，我們從COM事件開(kāi)始。在通道采用補(bǔ)償輸出的情況下，預(yù)定的載位被設(shè)置在OCxM,CCxE,CCxNE。當(dāng)COM通信事件發(fā)生時(shí)，這些預(yù)裝位被轉(zhuǎn)移到空閑位。用戶可以預(yù)設(shè)下一個(gè)配置步驟，并同時(shí)改變所有通道的狀態(tài)。COM可以在TIMx_EGR寄存器的COM1位置以編程方式創(chuàng)建，也可以通過(guò)硬件在TRGI的上升沿創(chuàng)建。COM事件同時(shí)控制所有通道的輸出和切換，三相電動(dòng)機(jī)通常都要同時(shí)進(jìn)行換向，例如，三相同步轉(zhuǎn)向時(shí)，無(wú)刷電動(dòng)機(jī)才能完成轉(zhuǎn)向，而軟件設(shè)定時(shí)，只能一次設(shè)定一個(gè)相位，這樣就無(wú)法實(shí)現(xiàn)三相同步換向。利用COM事件，將各相換向逐一設(shè)定，再由COM事件使三相同步換向。COM事件在STM32高級(jí)控制計(jì)時(shí)器“6步PWM”中扮演了關(guān)鍵角色，它可以被應(yīng)用到三相電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)，對(duì)應(yīng)直流無(wú)刷電機(jī)六步換向?；魻杺鞲衅鞯慕涌冢喝绻褂谜蝌?qū)動(dòng)器來(lái)產(chǎn)生PWM信號(hào)并控制電機(jī)，第二個(gè)通用定時(shí)器可以作為"接口定時(shí)器"來(lái)連接霍爾傳感器，如圖所示，三個(gè)定時(shí)器的輸入基準(zhǔn)（CH1、CH2、CH3）通過(guò)一個(gè)異步端口連接到TI1輸入通道，根據(jù)霍爾的6種狀態(tài)，TI1輸出010101。形成低高低高低高的方波信號(hào)，任意一個(gè)霍爾元件電平變化都會(huì)改變TI1輸出，而后經(jīng)過(guò)濾波器和邊沿檢測(cè)器輸出到TI1F_ED，而TI1F的每一次轉(zhuǎn)變都會(huì)使TI1F_ED輸出一個(gè)脈沖，然后輸出到TRC而TRC會(huì)輸出IC1（通道1）的一個(gè)捕獲信號(hào)從而觸發(fā)捕獲事件，捕獲之后計(jì)數(shù)器數(shù)值賦值給比較1寄存器。TRC還會(huì)觸發(fā)復(fù)位模式清零計(jì)數(shù)器。直到計(jì)數(shù)器溢出，一直循環(huán)。TRC還會(huì)輸出TRGO觸發(fā)COM事件。圖2.6觸發(fā)COM事件下邊將具體用CUBEMX軟件實(shí)現(xiàn)H庫(kù)編程：設(shè)置定時(shí)器1的四個(gè)通道和三個(gè)互補(bǔ)輸出通道。配置PWM輸出：我們將計(jì)數(shù)周期設(shè)置為1000，將電平跳變值“Pulse”四個(gè)通道分別設(shè)置不同的值，前三個(gè)通道是互補(bǔ)輸出，極性相反，通道1的電平跳變值為900，意味著它從0~900都是高電平，900~1000都是低電平，這樣周期循環(huán)，實(shí)現(xiàn)PWM的輸出。此時(shí)就可以編譯形成KIEL文件。接下來(lái)時(shí)具體編程流程。1)使能定時(shí)器通道每個(gè)引腳端口時(shí)鐘。2)對(duì)于高級(jí)控制定時(shí)器TIM1的各個(gè)通道引腳進(jìn)行初始化，配置