STM32驱动带编码器的直流减速电机

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STM32驱动带编码器的直流减速电机

硬件材料

• 主控板：STM32F407ZG
• 直流减速电机：MG310（霍尔编码）
• 电机驱动：TB6612
• 7.4V电源

MG310 直流减速电机

直流电机原理

直流电机（DC Motor）的基本原理是基于电磁感应和电磁力。其工作原理可以归结为利用电流通过线圈在磁场中产生力，从而驱动电机转动。以下是直流电机的详细原理和工作机制：

• 定子（Stator）：
  永磁体或电磁体，产生静态磁场。
• 转子（Rotor）：
  也称为电枢（Armature），通常是一个带有线圈的铁芯，位于定子磁场中，并且能够自由转动。
• 换向器（Commutator）：
  半圆形导体片，连接在转子轴上，与电刷接触，用于切换电流方向，确保转矩方向恒定。
• 电刷（Brushes）：
  通常由碳材料制成，固定在电机外壳上，与换向器接触，将外部电源的电流传递到转子线圈。

当直流电流通过电刷和换向器进入转子线圈时，依据右手定则，电流在磁场中会产生洛伦兹力。电流方向和磁场方向决定了力的方向，具体如下：

1）电流通过线圈： 线圈的一部分电流从换向器和电刷流入，流经线圈，然后通过另一组换向器和电刷流出。
2）力的产生： 根据弗莱明左手定则，在磁场中的电流承受洛伦兹力，力的方向与电流方向和磁场方向成垂直。在线圈的两边产生相反方向的力，形成一个转矩，使转子旋转。
3）换向器的作用： 随着转子旋转，换向器不断地切换电流方向，以保持转子线圈中电流方向相同，从而维持持续的转矩方向。

减速器

减速器是机械传动系统中的一种重要部件，其主要作用是降低转速并增加转矩。

• 降低转速：
  减速器的主要功能是将输入轴的高速旋转转变为输出轴的低速旋转。这是通过齿轮传动来实现的，输入轴连接到高速齿轮，通过多个齿轮级的传动，输出轴的转速被降低。
• 增加转矩：
  当转速降低时，输出轴的转矩（扭矩）会相应增加。这是由于功率守恒定律，即在理想情况下，输入功率等于输出功率。减速器通过增加输出转矩，使得负载能被有效驱动。

实物接线

从上图可知，直流电机其实只有两个线（最边上两条），怎么这个电机有6个线，而且还有两个大焊点呢?其实，根据上面的图解也知道，那两个焊点分别和黄线和棕线是连接在一起的。也就是说只有6个线，而6P排线中，中间的四根线(红绿白黑)是编码器的线，只是用于测速，和直流电机本身没有联系。

霍尔编码器

• 磁场变化检测：
  当磁性目标（如磁环或磁铁）随轴旋转时，霍尔传感器检测到磁场的变化。
• 霍尔效应生成信号：
  霍尔传感器将磁场变化转换为电压信号。这些电压信号的波形取决于磁性目标的极性和旋转速度。
• 信号处理：
  信号处理电路将霍尔传感器生成的模拟信号处理为数字脉冲信号。这些脉冲信号的频率与旋转速度成正比，脉冲的数量与旋转角度成正比。
• 输出信号：
  处理后的数字脉冲信号通过输出接口传输到单片机。单片机根据这些信号计算转速、位置和方向。

因为编码器输出的是标准的方波，我们可以使用单片机(STM32 STM8 51等)直接读取。在软件中的处理方法是分两种，自带编码器接口的单片机如STM32，可以直接使用硬件计数。而没有编码器接口的单片机如51单片机，可以通过外部中断读取，比如把编码器A相输出接到单片机的外部中断输入口，这样就可通过跳变沿触发中断，然后在对应的外部中断服务函数里面，通过B相的电平来确定正反转。如当A相来一个跳变沿的时候，如果B相是高电平就认为是正转，低电平就认为是反转。

TB6612电机驱动

TB6612具有大电流MOSFET-H桥结构,双通道电路输出,可同时驱动2个电机。和 L298N 的使用基本一致的。而且，相比 L298N 的热耗性和外围二极管续流电路，它无需外加散热片，外围电路简单，只需外接电源滤波电容就可以直接驱动。

接线说明

TB6612是可以一次控制两个电机的（A和B），AB的接线是一样的，这边为了方便，只针对一个电机。下面是接线说明，同一行的两两相接。

程序设计

定时器生成PWM驱动电机

一般来说，TB6612 可以支持较宽范围的 PWM 频率。不同电机对 PWM 频率的响应不同，较高的频率可以使电机运行更加平滑，但过高的频率可能导致驱动器的效率降低。一般推荐的 PWM 频率范围为 10kHz 到 100kHz。

这边用定时器1的通道1口生成 PWM 波形

void TIM1_PWM_Init(u32 arr,u32 psc) //PWM引脚初始化 { 
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure; TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure; RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM1,ENABLE); //TIM8时钟使能  RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOE, ENABLE); //使能PORTC时钟  GPIO_PinAFConfig(GPIOE,GPIO_PinSource9,GPIO_AF_TIM1); GPIO_PinAFConfig(GPIOE,GPIO_PinSource11,GPIO_AF_TIM1); GPIO_PinAFConfig(GPIOE,GPIO_PinSource13,GPIO_AF_TIM1); GPIO_PinAFConfig(GPIOE,GPIO_PinSource14,GPIO_AF_TIM1); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9|GPIO_Pin_11|GPIO_Pin_13|GPIO_Pin_14; //GPIO GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF; //复用功能 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz; //速度100MHz GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP; //推挽复用输出 GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP; //上拉 GPIO_Init(GPIOE,&GPIO_InitStructure); //初始化PC口 //Sets the value of the auto-reload register cycle for the next update event load activity //设置在下一个更新事件装入活动的自动重装载寄存器周期的值  TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr; //Sets the pre-divider value used as the TIMX clock frequency divisor //设置用来作为TIMx时钟频率除数的预分频值 TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc; //Set the clock split :TDTS = Tck_tim //设置时钟分割:TDTS = Tck_tim TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 1; //Up counting mode  //向上计数模式  TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //Initializes the timebase unit for TIMX based on the parameter specified in TIM_TIMEBASEINITSTRUCT //根据TIM_TimeBaseInitStruct中指定的参数初始化TIMx的时间基数单位 TIM_TimeBaseInit(TIM1, &TIM_TimeBaseStructure); //Select Timer mode :TIM Pulse Width Modulation mode 1 //选择定时器模式:TIM脉冲宽度调制模式1 TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1; //Compare output enablement //比较输出使能 TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; //Output polarity :TIM output polarity is higher  //输出极性:TIM输出比较极性高  TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse=arr/2; //Initialize the peripheral TIMX based on the parameter specified in TIM_OCINITSTRUCT //根据TIM_OCInitStruct中指定的参数初始化外设TIMx  TIM_OC1Init(TIM1, &TIM_OCInitStructure); TIM_OC2Init(TIM1, &TIM_OCInitStructure); TIM_OC3Init(TIM1, &TIM_OCInitStructure); TIM_OC4Init(TIM1, &TIM_OCInitStructure); // Advanced timer output must be enabled //高级定时器输出必须使能这句  TIM_CtrlPWMOutputs(TIM1,ENABLE); //CH1 is pre-loaded and enabled //CH1预装载使能  TIM_OC1PreloadConfig(TIM1, TIM_OCPreload_Enable); TIM_OC2PreloadConfig(TIM1, TIM_OCPreload_Enable); TIM_OC3PreloadConfig(TIM1, TIM_OCPreload_Enable); TIM_OC4PreloadConfig(TIM1, TIM_OCPreload_Enable); // Enable the TIMX preloaded register on the ARR //使能TIMx在ARR上的预装载寄存器  TIM_ARRPreloadConfig(TIM1, ENABLE); //使能TIM1 TIM_Cmd(TIM1, ENABLE); } 

速度计算

$$速度=\frac{脉冲数\ast 轮胎周长}{读取周期\ast 轮胎每转一圈的脉冲数}$$

其中，轮胎每转一圈的脉冲数取决于编码器的分辨率，可由下面公式进行计算：

$$轮胎每转一圈的脉冲数=倍频\ast PPR\ast 减速比$$

然后可以看下 MG310 产品具体参数

MG310的编码器倍频为4，PPR为13，减速比为20，那么最后可以计算轮胎每转一圈的脉冲数为：

$$轮胎每转一圈的脉冲数=4\ast 13\ast 20=1040$$

轮胎的参数如下

我设置速度读取周期为10ms，也就是0.01，最后的速度公式简化为：

$$速度=\frac{0.01秒内产生的脉冲数\ast 0.048\ast \pi }{0.01\ast 1040}$$

单位为 $m/s$

代码：

void speedCal(void) { 
    float speed = 0; speed = (Read_Encoder(3)*0.048f*3.14f)/(10.4f); printf("速度值为：%f m/s\r\n",speed); } 

实验结果

程序下载

https://download.csdn.net/download/u0/