基于单片机的直流电机双闭环调速系统设计

摘要：直流电机因其调速性能优良、控制简单、启动转矩大等优点，在工业自动化、机器人、电动汽车、精密加工设备等领域得到了广泛应用。然而，传统直流电机开环控制系统存在速度稳定性差、抗负载扰动能力弱、过流保护不及时等问题，难以满足高精度调速和可靠运行的要求。针对上述问题，本文设计并实现了一套基于STM32F103RCT6单片机的直流电机双闭环调速系统。

本系统以STM32F103RCT6单片机为核心控制器，整合了电机编码器反馈模块、电流检测模块、OLED显示模块、按键输入模块及MOS管驱动模块，实现了直流电机的速度环与电流环双闭环PID控制。系统核心功能包括：通过电机自带的编码器实时采集电机转速脉冲，经单片机计算得到实际转速；通过采样电阻和运算放大器实时检测电机工作电流；采用三相六步换向方波控制策略，实现直流电机的精确换向与调速；通过按键实现电机的启动、停止、正反转切换、加速、减速等操作；通过OLED显示屏实时显示设定转速与实际转速、设定电流与实际电流、电机运行方向和运行状态；双闭环采用并级PID控制结构，速度环根据设定速度与实际速度的偏差计算目标电流，电流环根据设定电流与实际电流的偏差计算控制量，经滤波比较后输出PWM占空比控制电机，既能实现精确限流保护，也能有效防止速度失控。

系统测试结果表明，本设计能够实现直流电机的精确速度控制，速度误差控制在±2%以内，电流限制响应时间小于50ms，电机启动、停止、正反转切换平稳可靠，双闭环协调工作，达到了预期设计目标。该系统具有控制精度高、响应速度快、保护功能完善、人机交互友好等优点，为直流电机高性能调速系统的设计提供了可行方案。

关键词：STM32F103RCT6；直流电机；双闭环调速；PID控制；三相六步换向；编码器反馈

Design of a Double Closed Loop DC Motor Speed Control System Based on MCU

Abstract：DC motors are widely used in industrial automation, robotics, electric vehicles, precision machining equipment and other fields due to their excellent speed regulation performance, simple control and high starting torque. However, traditional open-loop control systems for DC motors suffer from problems such as poor speed stability, weak load disturbance resistance and untimely overcurrent protection, making it difficult to meet the requirements of high-precision speed regulation and reliable operation. To address the above problems, this paper designs and implements a dual closed-loop speed regulation system for DC motors based on STM32F103RCT6 microcontroller.

The system takes STM32F103RCT6 microcontroller as the core controller, integrates motor encoder feedback module, current detection module, OLED display module, key input module and MOS tube drive module, and realizes dual closed-loop PID control of speed loop and current loop for DC motor. The core functions of the system include: collecting the motor speed pulse in real time through the encoder attached to the motor, and calculating the actual speed through the microcontroller; detecting the motor operating current in real time through sampling resistor and operational amplifier; adopting three-phase six-step commutation square wave control strategy to achieve precise commutation and speed regulation of DC motor; realizing motor start, stop, forward/reverse switching, acceleration, deceleration and other operations through keys; displaying set speed and actual speed, set current and actual current, motor running direction and running status in real time through OLED display screen; the dual closed-loop adopts cascaded PID control structure, the speed loop calculates the target current according to the deviation between set speed and actual speed, the current loop calculates the control quantity according to the deviation between set current and actual current, and outputs PWM duty cycle to control the motor after filtering and comparison, which can achieve precise current limiting protection and effectively prevent speed loss of control.

Test results show that this design can achieve precise speed control of DC motor, with speed error controlled within ±2%, current limiting response time less than 50ms, motor start, stop, forward/reverse switching smooth and reliable, dual closed-loop coordinated work, achieving the expected design goals. The system has the advantages of high control precision, fast response speed, perfect protection function and friendly human-computer interaction, providing a feasible scheme for the design of high-performance speed regulation system for DC motor.

Keywords: STM32F103RCT6; DC motor; dual closed-loop speed regulation; PID control; three-phase six-step commutation; encoder feedback

第1章绪论

1.1 研究的目的及意义

直流电机作为一种将电能转换为机械能的执行元件，凭借其调速范围宽、启动转矩大、控制特性好等优势，在工业生产和日常生活中扮演着不可替代的角色。从精密仪器中的微型伺服电机到电动汽车中的大功率牵引电机，从工业机器人的关节驱动到家用电器中的调速电机，直流电机的应用几乎涵盖了现代社会的各个领域。然而，随着工业自动化水平的不断提高和应用场景的日益复杂，传统开环控制的直流电机调速系统逐渐暴露出诸多不足：速度稳定性差，当负载发生变化时电机转速会产生明显波动；缺乏有效的过流保护机制，电机在启动或堵转时容易因电流过大而损坏；调速精度有限，难以满足对速度控制有严格要求的应用场合。

针对上述问题，本文研究并设计一套基于STM32F103RCT6单片机的直流电机双闭环调速系统。该系统采用速度环与电流环串联的并级PID控制结构，通过编码器实时反馈电机转速，通过采样电阻实时检测电机电流，将两个反馈量分别与设定值进行比较后输入PID控制器，经滤波比较后输出PWM信号控制电机。双闭环控制结构的引入，使得系统既能根据速度偏差快速调节输出，保证速度跟踪的准确性，又能根据电流偏差限制最大电流，防止电机过载损坏，实现了高性能与高可靠性的统一。

本课题的研究具有重要的理论意义和工程应用价值。从理论层面看，双闭环调速系统是现代电力拖动自动控制领域的经典结构，对其控制策略和实现方法的研究有助于加深对PID控制、电机控制理论的理解，为更复杂的伺服控制系统设计奠定基础。从工程应用层面看，本系统具有成本低、实现简单、性能优良的特点，可广泛应用于小型机器人、智能小车、数控机床进给系统、自动化生产线等场景，为相关产品的研发提供技术参考。

此外，本设计采用的三相六步换向方波控制策略，虽然相对于传统的H桥控制复杂度和成本有所增加，但能够实现更平滑的换向和更高效的驱动，特别是在电机低速运行时的性能优势明显。通过对编码器脉冲的精确计数和速度计算，结合双闭环PID调节，系统能够在各种工况下保持稳定的转速输出，具有良好的抗负载扰动能力。

1.2 国内外发展情况

直流电机调速技术的发展历程，本质上是一部控制理论与电力电子技术相互促进、共同发展的历史。从早期的开环控制到闭环控制，从模拟控制到数字控制，从单一反馈到多环反馈，每一次技术革新都推动着电机调速性能的提升。

国外研究现状：

国外对直流电机调速技术的研究起步较早，可以追溯到20世纪初电力电子器件诞生之初。早期的直流电机调速主要采用串联电阻法，通过改变电枢回路电阻来调节转速，这种方法效率低下、调速范围窄、能量损耗大，逐渐被淘汰。20世纪50年代，晶闸管的发明标志着电力电子技术的诞生，相控整流技术开始应用于直流电机调速，通过改变晶闸管的导通角来调节电枢电压，实现了无级调速，效率和调速性能大幅提升。这一时期，转速单闭环控制系统开始得到应用，通过测速发电机反馈转速信号，实现了对电机转速的自动调节。

20世纪70年代以后，随着微电子技术和现代控制理论的发展，直流电机调速技术进入数字化时代。微处理器和数字信号处理器（DSP）的应用使得复杂的控制算法得以实现，双闭环乃至多闭环控制系统成为主流。速度环与电流环的双闭环结构被证明是最有效的调速方案之一，其中速度环作为外环保证速度跟踪精度，电流环作为内环实现快速电流限制和转矩控制。PID控制因其结构简单、参数整定方便、鲁棒性好，成为工程应用中最广泛的控制算法。近年来，随着智能控制理论的发展，模糊PID、自适应控制、滑模控制等先进算法也被引入直流电机调速领域，进一步提升了系统的动态性能和抗干扰能力。

在驱动技术方面，国外在MOSFET和IGBT等功率器件的研究上处于领先地位，高频PWM调制技术的应用使得电机驱动效率更高、噪声更小。同时，编码器、霍尔传感器等反馈元件的精度和可靠性不断提高，为高精度调速提供了硬件基础。德国的博世、西门子，日本的安川、三菱等公司在高性能电机驱动系统领域拥有深厚的技术积累，其产品在工业自动化市场占据主导地位。

国内研究现状：

国内直流电机调速技术的研究起步相对较晚，20世纪70年代以前主要依赖进口设备和技术。改革开放以后，国内高校和科研机构开始系统性地开展电力电子与电机控制技术的研究，逐步掌握了晶闸管相控调速、PWM调速等关键技术。进入21世纪，随着国内半导体产业和嵌入式系统技术的快速发展，基于单片机和DSP的直流电机调速系统成为研究热点。

在控制策略研究方面，国内学者在PID参数自整定、模糊PID控制、无位置传感器控制等方面取得了显著成果。针对双闭环调速系统，国内研究主要集中在电流环与速度环的协同控制、积分分离PID、抗积分饱和等方面，这些研究有效提升了系统的动态响应速度和稳态精度。在工程应用方面，国内企业已经能够自主设计和生产高性能的直流电机驱动器，产品性能逐步接近国际先进水平，性价比优势明显。

然而，与国外先进水平相比，国内在高端功率器件、高精度编码器、基础控制算法等方面仍存在一定差距。特别是在高精度、快响应的伺服控制领域，国外产品仍占据高端市场。因此，开展高性能直流电机调速系统的研究，对于提升国内相关领域的技术水平和自主创新能力具有重要意义。

1.3 本文主要研究内容

本设计以STM32F103RCT6单片机为核心控制器，围绕直流电机双闭环调速系统展开研究，主要研究内容包括以下几个方面：

1、硬件系统设计

设计以STM32F103RCT6为核心的硬件平台，包括电机驱动电路、电流检测电路、编码器接口电路、OLED显示电路、按键输入电路和电源电路。驱动部分采用三相六步换向方波控制方案，通过MOS管构成三相全桥驱动电路；电流检测采用采样电阻加运算放大器方案，实现电机电流的实时采集；速度反馈利用电机自带的编码器，通过单片机定时器的编码器模式进行脉冲计数。

2、双闭环PID控制算法设计

采用速度环与电流环串联的并级PID控制结构。速度环以设定转速与实际转速的偏差为输入，经过PID运算输出目标电流；电流环以设定电流与实际电流的偏差为输入，经过PID运算输出控制量；两个控制环的输出经滤波比较后，生成PWM占空比控制电机。速度环和电流环的PID参数需要根据电机特性和控制要求进行整定，以实现快速响应和无静差跟踪。

3、三相六步换向控制实现

针对直流电机的换向控制需求，设计三相六步换向的控制逻辑。通过控制三相全桥电路中六个MOS管的导通顺序，实现电机绕组电流方向的周期性切换，从而驱动电机连续旋转。换向控制需要与编码器的位置信息同步，确保在正确的转子位置进行换向。

4、人机交互功能实现

通过五个独立按键实现电机的启动、停止、方向切换、加速和减速操作。通过OLED显示屏实时显示设定转速与实际转速、设定电流与实际电流、电机方向和运行状态。显示屏采用128×64分辨率的OLED模块，通过I2C接口与单片机通信，显示界面清晰直观。

5、系统测试与性能分析

搭建实物平台对系统进行全面测试，包括速度环响应测试、电流环限流测试、双闭环协调测试、负载扰动测试等，验证系统的控制性能和可靠性，分析测试数据，总结系统优缺点，提出改进方向。

第2章设计思路与方案论证

2.1 主要元器件选择

2.1.1 主控芯片选择

方案一：选择STC89C52单片机

STC89C52是经典的8051架构单片机，具有成本低廉、技术成熟、资料丰富等优点，适合简单的控制应用。其内部集成8KB Flash、512字节RAM，配备3个定时器/计数器、4个8位I/O口等基本外设。

优势：成本极低，单个芯片价格在5元以内，适合预算有限的项目；开发工具简单，Keil C51环境成熟，入门门槛低；代码资源丰富，易于查找参考例程。

不足：性能有限，最高工作频率仅33MHz，8位数据处理能力在处理PID运算和PWM生成时略显吃力；外设资源较少，无硬件编码器接口，速度检测需要占用定时器资源；无硬件PWM模块，PWM输出需通过定时器模拟，精度和效率较低；电流检测需要ADC转换，STC89C52无内置ADC，需要外接ADC芯片，增加系统复杂度。

方案二：选择STM32F103RCT6单片机

STM32F103RCT6是基于ARM Cortex-M3内核的32位微控制器，工作频率最高72MHz，内部集成256KB Flash、48KB RAM，配备丰富的外设资源，包括3个12位ADC、4个16位定时器（支持编码器模式）、2个高级定时器（支持三相PWM输出）等。

优势：性能强劲，32位处理能力配合72MHz主频，能够高效完成PID运算、编码器计数、PWM生成等任务；外设资源丰富，定时器的编码器模式可直接连接编码器进行速度检测，高级定时器支持三相PWM输出，非常适合电机控制应用；内置ADC支持多通道同时采集，电流检测无需外接芯片；开发工具完善，STM32CubeMX可快速完成外设初始化，HAL库提供标准化的驱动接口。

不足：成本相对较高，单个芯片价格在15元左右；开发难度稍大，需要对ARM架构和HAL库有一定了解。

综合选择：考虑到本系统需要同时完成编码器计数、电流ADC采集、三相PWM输出、PID运算、OLED显示等多重任务，对主控芯片的性能和外设资源有较高要求，因此选择STM32F103RCT6作为主控芯片。

2.1.2 电机驱动方案选择

方案一：采用L298N驱动模块

L298N是经典的电机驱动芯片，内部集成两个H桥电路，可同时驱动两个直流电机或一个步进电机，输出电流最大2A，峰值电流3A。

优势：使用简单，输入端接逻辑电平，输出端接电机，外围电路只需少量电容；内置续流二极管，无需额外配置；成本低廉，模块价格在10元左右；技术成熟，参考资料丰富。

不足：导通压降较大（约2V），在大电流工作时发热明显，效率较低；最高工作频率有限，不适合高频PWM调制；电流检测困难，需要额外电路；输出电流能力有限，不适用于大功率电机。

方案二：采用MOS管三相全桥驱动电路

三相全桥驱动电路由6个N沟道MOSFET组成，配合栅极驱动芯片构成。以IR2101或IR2104等半桥驱动芯片为核心，每个半桥驱动芯片控制一个桥臂的上下两个MOS管，三个半桥构成完整的三相全桥。

优势：导通电阻极低（毫欧级），在大电流工作时损耗小、发热低，效率高；支持高频PWM调制，开关频率可达20kHz以上，电机运行噪声小；输出电流能力取决于MOS管规格，可根据需要灵活选择；适合三相六步换向控制，换向逻辑清晰。

不足：电路设计相对复杂，需要驱动芯片、自举电路等；成本较高，6个MOS管加3个驱动芯片价格在30元以上；布局布线要求高，大电流路径需加宽走线；栅极驱动需要12V电压，增加了电源复杂度。

综合选择：本设计采用三相六步换向方波控制，需要独立控制六个开关管，三相全桥驱动电路是最佳选择。虽然电路复杂度有所增加，但能够获得更好的驱动性能和更高的系统效率，因此选择MOS管三相全桥驱动方案。

2.1.3 电流检测方案选择

方案一：采用ACS712霍尔效应电流传感器

ACS712是Allegro公司生产的线性霍尔效应电流传感器，内部集成霍尔元件和信号调理电路，输出与电流成正比的模拟电压。常见量程有5A、20A、30A等，灵敏度分别为185mV/A、100mV/A、66mV/A。

优势：电气隔离，传感器内部与被测电路完全隔离，安全性高；测量精度高，线性度好，温漂小；使用简单，只需将传感器串入电路，输出直接接ADC；响应速度快，带宽达80kHz。

不足：成本较高，单个芯片价格在15元左右；体积较大，占用PCB空间；功耗相对较高，需要5V供电；小电流测量时灵敏度不够高。

方案二：采用采样电阻加运算放大器方案

该方案在电机回路中串联一个阻值很小的采样电阻（如0.1Ω、0.05Ω等），电阻两端的电压与电流成正比（U=I×R）。该电压信号经过运算放大器放大后，送至单片机ADC进行采集。

优势：成本低廉，采样电阻和运放芯片总成本在5元以内；体积小，适合紧凑的PCB设计；量程和灵敏度可通过选择电阻值和放大倍数灵活配置；无隔离延迟，响应速度快。

不足：无电气隔离，采样电阻两端电压与电机回路共地，需要注意共模电压问题；采样电阻会消耗功率，产生热量，需要选择功率足够的电阻；小阻值电阻上的压降较小，需要高精度运放进行放大；需要对运放电路进行校准以消除零点漂移。

综合选择：综合考虑成本、体积和实现难度，本设计选择采样电阻加运算放大器的电流检测方案。采样电阻选择0.1Ω/2W的金属膜电阻，运放选择LM358，放大倍数为10倍，可检测0~3A的电流范围。

2.1.4 速度反馈方案选择

方案一：采用霍尔传感器测速

在电机轴上安装磁钢，配合霍尔传感器检测磁场变化。电机每转一圈，霍尔传感器输出一定数量的脉冲，单片机通过测量脉冲频率计算转速。

优势：传感器成本低，霍尔元件价格在2元左右；安装相对简单，无需修改电机结构；输出数字信号，抗干扰能力强；非接触式测量，无机械磨损。

不足：精度较低，每圈脉冲数受磁钢数量限制，通常只有1~4个脉冲，低速时测量误差大；需要额外安装磁钢，位置精度难以保证；受外界磁场干扰较大。

方案二：采用电机自带编码器

本设计所选用的12V直流电机自带编码器，编码器为光电式或磁电式，每圈输出固定数量的脉冲（如11线、13线、20线等），通过A、B两路正交信号可同时测量转速和方向。

优势：精度高，每圈脉冲数可达数百甚至数千，低速测量准确；可同时获取转速和方向信息；信号质量好，抗干扰能力强；安装方便，编码器已集成在电机上，无需额外安装。

不足：成本较高，自带编码器的电机比普通电机贵；编码器输出需要上拉电阻和信号调理；占用单片机资源较多，需要定时器编码器模式或外部中断。

综合选择：本设计所使用的12V小电机自带编码器，这是系统设计给定的条件，因此直接采用编码器进行速度反馈。STM32F103RCT6的定时器支持编码器模式，可自动对A、B两相脉冲进行计数，大大简化了软件设计。

2.1.5 显示模块选择

方案一：采用LCD1602显示屏

LCD1602是字符型液晶显示屏，每行可显示16个字符，共2行，采用HD44780控制器，4位或8位并行接口。

优势：成本低廉，模块价格在10元左右；技术成熟，资料丰富，驱动简单；字符显示清晰，背光可调；功耗较低，适合电池供电。

不足：显示内容有限，每行仅16个字符，本系统需要显示转速、电流、方向、状态等多项信息，空间紧张；并行接口占用IO口多（至少6个）；无中文字库，显示中文需要自己取模。

方案二：采用OLED显示屏（128×64）

OLED显示屏采用有机发光二极管技术，128×64分辨率，支持I2C或SPI接口，可显示字符、图形和中文。

优势：分辨率高，128×64显示内容丰富，本系统所需信息可在一屏内完整显示；接口简单，I2C接口仅需2根数据线，节省IO资源；功耗极低，工作电流约20mA，且无需背光；对比度高，视角大，显示效果出色；支持图形和中文显示，界面设计灵活。

不足：成本相对较高，I2C接口模块价格在20元左右；屏幕较脆弱，安装时需注意保护；I2C通信速率有限，刷新率不如并行接口。

综合选择：综合考虑显示内容的丰富性和接口资源的占用，本设计选择OLED显示屏（128×64）作为显示模块。I2C接口只需SCL和SDA两根线，与STM32的I2C1连接即可，非常方便。

2.1.6 按键模块选择

方案一：采用独立按键

每个按键独立连接到单片机的一个GPIO引脚，按键按下时引脚接地（或接VCC），单片机通过读取引脚电平判断按键状态。

优势：电路简单，每个按键只需一个上拉电阻；软件处理方便，直接读取引脚状态即可；响应速度快，无扫描延迟；易于扩展，需要几个按键就用几个IO口。

不足：占用IO口多，本系统需要5个按键（启动、停止、方向、加速、减速），将占用5个IO口；按键数量较多时不适合。

方案二：采用矩阵按键

按键按行和列排列成矩阵，单片机通过扫描行线和列线识别按键。

优势：节省IO口，例如4×4矩阵键盘只用8个IO口即可实现16个按键；适合按键数量多的场合。

不足：电路和软件都较复杂，需要编写扫描程序；存在按键冲突问题，需要加入二极管隔离；响应速度不如独立按键，有扫描延迟。

综合选择：本系统只需要5个按键，独立按键方案完全满足需求且实现简单，因此选择独立按键模块。每个按键一端接STM32的GPIO引脚（配置为上拉输入），另一端接地，按下时引脚电平由高变低。

2.2 整体设计方案

本系统以STM32F103RCT6单片机为核心控制器，采用速度环与电流环并级PID控制结构，实现对直流电机的精确调速控制。系统整体框图如图2-1所示。

系统由以下几个主要部分组成：

1、控制核心部分：STM32F103RCT6单片机，负责编码器信号采集、电流AD采集、PID运算、PWM输出、按键扫描、OLED显示等所有控制任务的协调处理。

2、速度反馈部分：电机自带编码器输出A、B两路正交脉冲信号，连接至STM32定时器的编码器接口。定时器自动对脉冲进行计数，单片机通过单位时间内的计数值计算实际转速。

3、电流检测部分：在电机驱动回路中串联0.1Ω采样电阻，电阻两端电压经LM358运放放大10倍后，连接至STM32的ADC输入引脚。单片机通过ADC采集电压值，换算为实际电流值。

4、电机驱动部分：采用三相六步换向方波控制方案，6个IRF3205 N沟道MOSFET构成三相全桥，3个IR2101半桥驱动芯片分别驱动三个桥臂。STM32的高级定时器TIM1输出6路互补PWM信号，控制MOS管的导通与关断。

5、人机交互部分：5个独立按键实现启动、停止、方向切换、加速、减速功能；128×64 OLED显示屏通过I2C接口与STM32通信，显示设定转速、实际转速、设定电流、实际电流、电机方向和运行状态。

6、电源部分：12V直流输入，通过LM2596降压至5V为单片机、显示屏、运放等供电，5V再通过AMS1117-3.3降压至3.3V为STM32内核供电。驱动电路的MOS管栅极需要12V驱动电压，直接取自输入电源。

系统的工作流程为：设定转速与编码器反馈的实际转速进行比较，得到速度偏差，速度PID控制器根据偏差计算目标电流；设定电流（根据速度PID输出确定）与采样电阻反馈的实际电流进行比较，得到电流偏差，电流PID控制器根据偏差计算控制量；控制量经滤波比较后，生成PWM占空比，通过三相六步换向逻辑控制MOS管的导通时序，驱动电机运转。两个控制环形成串联结构，速度环作为外环保证速度跟踪精度，电流环作为内环实现快速电流限制和转矩控制。

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