如何使用STM32F103单片机来驱动直流电机的程序设计与电路设计

　　本文介绍如何使用STM32F103单片机，通过官方固件库，设置高级定时器TIM1输出嵌入死区的互补PWM，来驱动直流电机的程序设计与电路设计。硬件电路采用IR2110S芯片作为mos管的驱动，驱动IRF840组成的H桥。IR2110S芯片使用中，有一个比较难理解的点——自举电容，本文对其原理也有涉及。
　　原理图文件
　　
　　上图是系统的简化原理图，左侧是单片机。中间是IR2110S芯片，为了方便讲解，把芯片内部结构列出一些。右侧是MOS管组成的H桥。其中M是直流电机，有正反转。其中VCC是15V，MOTOR_VCC是24V，电压可以改变，最大不超过500V。单片机一般是3.3V或5V，无法直接驱动电机。可以借助H桥来实现对直流电机的控制。
　　H桥由于形似H得名。
　　VT1，VT4导通，电机正转
　　VT2，VT3导通，电机翻转
　　VT1，VT3导通，短路，板子烧坏
　　VT2，VT4，导通短路。
　　所以，驱动电机的问题就变成了MOS管导通的问题。
　　实际电路中我选用了IRF840，这是N沟道的MOS管。N-MOS导通的条件：VGS大于一定值
　　对于IRF840，VGS》10V
　　
　　所以MOS管导通的问题就变成了VGS》10V的问题
　　如果，VT1与VT3都独立配置一个电源，独立配置一套驱动，导通问题就变得简单了。但是，电路设计会变得复杂。
　　我们使用1个驱动芯片IR2110S，一路驱动电源。
　　简单介绍下IR2110S芯片
　　IR2110是独立一桥臂双通道，栅极驱动，高压，高速单片机专用功率器件集成驱动电路。2片IR2110就能构成H桥驱动电路。
　　IR2110S是3.3V版本
　　感兴趣的可以自己来做个阅读理解。
　　
　　简单来说，IR2110是个3.3V控制10-20V的一个驱动。开关速度也很快，120ns
　　内部结构
　　
　　右上角的两个MOS管，中间是非门连接，不会同时导通。
　　中间一系列怎么变化，我也不是很清楚。
　　HIN是1，VM1导通，VM2截止。VB与HO连在一起
　　HIN是0，VM1截止，VM2导通。VS与HO连在一起
　　LIN是1，VM3导通，VM4截止。VCC与LO连在一起
　　LIN是0，VM3截止，VM4导通。LO与COM连在一起
　　先看下桥臂。左侧下桥臂导通，很简单：
　　LIN为高，VM3导通，VCC接在LO上（暂时忽略二极管压降），VGS= VCC，导通
　　
　　上桥臂导通的情况，先假设没有电容。
　　VM1导通时，VCC接在HO上，为G极提供了接近15V的电压。但是，VS的电压是多少？不知道。
　　如果，VT3导通，VS就是0，VT1也导通了，烧坏。
　　如果VT4导通，VS通过电机接地（电机内部可以先等效为电阻）。但是VT1导通以后，VS接近24V，HO只有15V，VT1又截止了。电机还是不能工作。
　　我们面临的问题是，上桥臂没有地。怎么办？
　　
　　这个时候，就需要自举电容。
　　VT4导通，VS接地。电容一端是地，一端是15V，所以VCC通过D给C充电。
　　又因为VM1导通，所以C横跨在GS上。所以，C可以作为电压源，为GS供电。这是一个悬浮的电压源。
　　VT1导通后，VS接近24V，不再是地。所以VCC15无法为G提供足够的电压。
　　自举电容可以放电维持VT1工作，电容存有15V的电，可以保持MOS管的导通。由于电容两极的压差不能突变，而电容下边变成了对地24V（暂不考虑MOS管压降），所以这一瞬间，电容上边的电压是对地39V。这时，VCC无法为电容充电。由于二极管的存在，电容的电不会倒灌给VCC。
　　电容电量又是有限的，放电会导致电容的电压降低。等到两级压差不到10V的时候，VT1又不工作了。并且，此时IR2110芯片内部的欠压检测逻辑就会工作，把HO拉到VS，让VGS=0。
　　所以，自举电容电压小于10V之前，要充电。如果HIN一直是高电平，电容就没有充电的机会，等到自举电容的的电压跌落到某个阈值以下，HO就变为低电平。
　　此时可以关掉VT1，也就是断开VM1，VB与HO断开，不论是VCC还是电容都不再为G极提供电源。如果此时打开VT3，让VS接地，则电容一边是高电平，一边是低电平，开始充电。然后再断开VT3，打开VM1，VT4保持不变，让电容放电维持VT1导通，就可以循环往复，保持电机运行。
　　即，VT1的导通要依靠电容放电来维持。HIN不能为持续的高电平，占空比也不能达到100，或低频的PWM（频率低，一个周期内放电时间长）。必须是高频的PWM，保证自举电容有周期性的，足够的充电时间，才能维持较高的悬浮电源电压。
　　除此之外，还要注意死区问题，由于绝对不可以把同侧桥臂的上下半桥同时打开，而IR2110S，MOS管与电机切换状态都存在延时，导致从程序命令某半桥关断，到实际关断，有一段时间的延迟。例如，在延迟期间，上半桥正在关闭，下半桥暂时还不能打开，直到上半桥完全关闭，下半桥才能打开。中间等待的这段时间，就是死区。死区时间与硬件密切相关。笔者手上就有两个不同型号的电机，一个在3us的死区时可以工作，另一个则不可以。
　　所以，写程序要注意到上下桥不能同时导通，高频，不能是100的占空比，以及死区这几个问题。接下来尝试用STM32的高级定时器，输出嵌入死区的互补PWM。
　　以下是定时器1的初始化代码，使用两个通道输出PWM，一个周期是100us，频率是10KHz，3us的死区时间。默认通道一的占空比是50%，通道2的占空比是0%，让电机以47%（占空比减去死区）的速度正转。
　　通道2输出占空比是0，可以让右侧上半桥总是截止，下半桥总是导通。下半桥没有自举电容。如此一来，只需要左侧上半桥导通，就可以让电机正转。控制左侧桥臂的占空比，就能控制电机的占空比。
　　定时器1的通道1引脚是PA8PB13，通道2的输出引脚是PA9PB14。
　　
　　
　　
　　
　　
　　从上图中，可以清楚地看到，单片机输出的上、下桥臂控制信号，不存在同时为高电平的时候，也就是同侧上下桥臂不会同时导通。切换状态时，某半桥臂的控制信号拉低3us以后，另半桥臂的控制信号才能拉高，这就是所谓的带死区的互补PWM。
　　上图是输出的电机控制电压。可以看出周期是100us，高电平持续时间大约一半。
　　初始化之后，在程序运行时，可以调用
　　TIM_SetAutoreload（TIM1，xx）;
　　来设置自动重装值。在初始化的时候把此值设置为了100，如果改为80，效果如下：
　　可以看出，一个周期变成了80us。
　　也可以使用函数
　　TIM_SetCompare1（TIM1，xx）; TIM_SetCompare2（TIM1，xx）;
　　来分别为通道1与通道2设置比较值。例如，把比较值设置为80，而自动重装值还是100，那么占空比就是80%了。
　　下边是用按键控制电机的一个小demo。实现了按键1启停，按键2切换正反转，按键34增减转速的功能。