5. 直流有刷驱动板电流电压采集

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5. 直流有刷驱动板电流电压采集

2024-07-18 08:56| 来源: 网络整理| 查看: 265

5. 直流有刷驱动板电流电压采集¶

野火使用MOS管搭建的直流有刷驱动板做到了信号完全隔离，其他驱动板基本都只是使用光耦隔离了控制信号，并没有对ADC采样电路进行隔离，野火不仅使用光耦对控制信号进行了隔离，还使用AMC1200SDUBR隔离运放对ADC采样电路进行了隔离。

5.1. 电流采样电路¶

如下图所示是电流采样电路，在电机驱动电路中串入一个0.02Ω、2W的采样电阻，将电流信号转换成电压信号，再经过隔离运放放大8倍后差分输出，使用普通运放将差分输出转换成单端输出给STM32的ADC采样通道。

从上图中我们可以知道是一个负反馈电路，那么根据虚短和虚断可以知道Up=Un， p点和n点没有电流到运放的5脚和6脚，可以得：

R61与后面的电容组成RC滤波电路，R61上流过的电流很小，压降也小，可以忽略不计，Vo等于Vcurrent_adc。

将（1）式和（2）式整理可得：

因为Up=Un，所以有：

其中R52=R51=R53=R50=10KΩ，将R52、R51、R53和R50阻值带入上式化简可得：

因为隔离运放将Vi放大8倍后输出，所以有U7-U6=8*Vi，带入上式可得：

在下图中使用电压比较器LMV331SE实现10A过流保护电路，电流采样电路中Vi经过隔离运放和普通运放后变成Vcurrent_adc输入到下图比较器的IN-，当IN-的电压超过IN+时，比较器的OUT将输出低电平到74HC1G66GW（模拟开关）的Y端口和左下端的NPN型MOS管中。当OUT将输出低电平时，NPN-MOS截止，此时3V3电压会供给74HC1G66GW，让其使能，这样模拟开关就会闭合，74HC1G66GW的Y端口与Z端口相当于连接在一起，低电平信号从Z端口，输出到下一级锁存器SN74LVC1G373DBVR，锁存器对输入信号进行锁存并输出到与门。

光耦隔离部分电路图如下图所示。

与门输入输出与MOS管状态真值表如下表所示。

与门输入输出与MOS管状态真值表¶

MOS

可导通

关断（过流保护）

关断（单片机控制关断）

关断（单片机控制关断，过流保护）

5.2. 电压采样电路¶

如下图所示是电源电压采样电路，在电源电压上并联R18和R19、R59的串联电阻，R19两端的电压作为隔离运放的输入，再经过隔离器件后差分输出，使用普通运放将差分输出转换成单端输出，连接到STM32的ADC采样通道。隔离运放的输入电压为Vi，则有:Vi/R19=POWER/(R18+R59+R19)，带入电阻值可得：Vi=POWER/37，通过上一节中电流采样电流的计算方法可以计算得到POWER_ADC=POWER/37+1.24，不同的是，电压检测部分的隔离器件是没有进行放大的。

5.3. 硬件连接¶

本章实验需要连接开发板和驱动板，这里给出接线表。

5.3.1. MOS管搭建驱动板¶

电机与MOS管搭建驱动板连接见下表所示。

电机与MOS管搭建驱动板连接¶

电机

MOS管搭建驱动板

M+

编码器电源：+

GND

编码器电源：-

M-

MOS管搭建驱动板与主控板连接见下表所示。

MOS管搭建驱动板与主控板连接¶

MOS管搭建驱动板

主控板

PWM1

PA9

PWM2

PA8

PG12

PC6

PC7

电源输入：5V

电源输入：GND

GND

推荐使用配套的牛角排线直接连接驱动板和主控板，如使用牛角排线，注意缺口方向。连接开发板的那端，请连接在“无刷电机驱动接口1”上。

5.4. 在STM32中实现电流电压采集¶

从第一节电流采样电路中，我们可以知道，想要对电流进行采集，需要将电流信号转换为电压信号。我们通过硬件部分完成了对该信号转换、放大处理，这样一来就可以很方便的在STM32使用ADC外设对该信号进行采集。在STM32中采集到了数据，最终再通过的一些数据的处理，我们就可以得到所需的电流值。当然同理可得，我对电压信号的采集也是类似地，下面我们看代码如何进行这部分的处理。

5.4.1. 软件设计¶

配套代码在下面目录中可以找到:

basis_part\F407\直流有刷减速电机-电流电压读取-MOS管搭建板 5.4.1.1. 编程要点¶

初始化ADC并使用DMA进行数据的获取

编写函数对采集得到的数据进行处理

编写获取最终电流值的函数

测试代码

5.4.2. 软件分析¶

时钟等其他相关的初始化与前面工程相同，这里不过多赘述，我们直接看ADC初始化的代码，看ADC初始化结构体各个参数的配置，如果对ADC配置有疑问，请看《野火STM32库开发实战指南》，有针对ADC外设的细致讲解。

5.4.2.1. ADC初始化¶ 5.4.2.1.1. ADC_Init()函数¶ ADC_Init()函数¶ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11/** * @brief 电流采集初始化 * @param 无 * @retval 无 */ void ADC_Init(void) { ADC_GPIO_Config(); adc_dma_init(); ADC_Mode_Config(); }

在ADC_Init()函数中，我们对ADC采集涉及到的相关GPIO进行了初始化，对DMA获取数据进行了配置，也配置了ADC采集的模式，再具体看每一个函数的实现。

5.4.2.1.2. ADC_GPIO_Config()函数¶ ADC_GPIO_Config()函数¶ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20/** * @brief ADC 通道引脚初始化 * @param 无 * @retval 无 */ static void ADC_GPIO_Config(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; // 使能 GPIO 时钟 CURR_ADC_GPIO_CLK_ENABLE(); VBUS_GPIO_CLK_ENABLE(); // 配置 IO GPIO_InitStructure.Pin = CURR_ADC_GPIO_PIN; GPIO_InitStructure.Mode = GPIO_MODE_ANALOG; GPIO_InitStructure.Pull = GPIO_NOPULL ; //不上拉不下拉 HAL_GPIO_Init(CURR_ADC_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure); GPIO_InitStructure.Pin = VBUS_GPIO_PIN; HAL_GPIO_Init(VBUS_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure); }

ADC_GPIO_Config()中的部分配置使用了宏定义，具体定义内容到工程中查看。

5.4.2.1.3. adc_dma_init()函数¶ adc_dma_init()函数¶ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35void adc_dma_init(void) { // ------------------DMA Init 结构体参数初始化-------------------------- // ADC1使用DMA2，数据流0，通道0，这个是手册固定死的 // 开启DMA时钟 CURR_ADC_DMA_CLK_ENABLE(); // 数据传输通道 DMA_Init_Handle.Instance = CURR_ADC_DMA_STREAM; // 数据传输方向为外设到存储器 DMA_Init_Handle.Init.Direction = DMA_PERIPH_TO_MEMORY; // 外设寄存器只有一个，地址不用递增 DMA_Init_Handle.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE; // 存储器地址固定 DMA_Init_Handle.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE; // 外设数据大小为半字，即两个字节 DMA_Init_Handle.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_HALFWORD; // 存储器数据大小也为半字，跟外设数据大小相同 DMA_Init_Handle.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_HALFWORD; // 循环传输模式 DMA_Init_Handle.Init.Mode = DMA_CIRCULAR; // DMA 传输通道优先级为高，当使用一个DMA通道时，优先级设置不影响 DMA_Init_Handle.Init.Priority = DMA_PRIORITY_HIGH; // 禁止DMA FIFO ，使用直连模式 DMA_Init_Handle.Init.FIFOMode = DMA_FIFOMODE_DISABLE; // FIFO 大小，FIFO模式禁止时，这个不用配置 DMA_Init_Handle.Init.FIFOThreshold = DMA_FIFO_THRESHOLD_HALFFULL; DMA_Init_Handle.Init.MemBurst = DMA_MBURST_SINGLE; DMA_Init_Handle.Init.PeriphBurst = DMA_PBURST_SINGLE; // 选择 DMA 通道，通道存在于流中 DMA_Init_Handle.Init.Channel = CURR_ADC_DMA_CHANNEL; //初始化DMA流，流相当于一个大的管道，管道里面有很多通道 HAL_DMA_Init(&DMA_Init_Handle); __HAL_LINKDMA(&ADC_Handle,DMA_Handle,DMA_Init_Handle); }

adc_dma_init()配置为半字传输，方向配置为从ADC外设搬运数据到内存中，最后初始化DMA。

5.4.2.1.4. ADC_Mode_Config()函数¶ ADC_Mode_Config()函数¶ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68/** * @brief ADC 和 DMA 初始化 * @param 无 * @retval 无 */ static void ADC_Mode_Config(void) { // 开启ADC时钟 CURR_ADC_CLK_ENABLE(); // -------------------ADC Init 结构体参数初始化------------------------ // ADC1 ADC_Handle.Instance = CURR_ADC; // 时钟为fpclk 4分频 ADC_Handle.Init.ClockPrescaler = ADC_CLOCKPRESCALER_PCLK_DIV4; // ADC 分辨率 ADC_Handle.Init.Resolution = ADC_RESOLUTION_12B; // 禁止扫描模式，多通道采集才需要 ADC_Handle.Init.ScanConvMode = ENABLE; // 连续转换 ADC_Handle.Init.ContinuousConvMode = ENABLE; // 非连续转换 ADC_Handle.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE; // 非连续转换个数 ADC_Handle.Init.NbrOfDiscConversion = 0; //禁止外部边沿触发 ADC_Handle.Init.ExternalTrigConvEdge = ADC_EXTERNALTRIGCONVEDGE_NONE; //使用软件触发 ADC_Handle.Init.ExternalTrigConv = ADC_SOFTWARE_START; //数据左对齐 ADC_Handle.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_LEFT; //转换通道 2个 ADC_Handle.Init.NbrOfConversion = 2; //使能连续转换请求 ADC_Handle.Init.DMAContinuousRequests = ENABLE; //转换完成标志 ADC_Handle.Init.EOCSelection = ADC_EOC_SINGLE_CONV; // 初始化ADC HAL_ADC_Init(&ADC_Handle); //--------------------------------------------------------------------------- ADC_ChannelConfTypeDef ADC_Config; ADC_Config.Channel = CURR_ADC_CHANNEL; ADC_Config.Rank = 1; // 采样时间间隔 ADC_Config.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_3CYCLES; ADC_Config.Offset = 0; // 配置 ADC 通道转换顺序为1，第一个转换，采样时间为3个时钟周期 HAL_ADC_ConfigChannel(&ADC_Handle, &ADC_Config); /** Configure for the selected ADC regular channel its corresponding rank in the sequencer and its sample time. */ ADC_Config.Channel = VBUS_ADC_CHANNEL; ADC_Config.Rank = 2; // 采样时间间隔 ADC_Config.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_3CYCLES; ADC_Config.Offset = 0; if (HAL_ADC_ConfigChannel(&ADC_Handle, &ADC_Config) != HAL_OK) { while(1); } // 外设中断优先级配置和使能中断配置 HAL_NVIC_SetPriority(ADC_DMA_IRQ, 1, 1); HAL_NVIC_EnableIRQ(ADC_DMA_IRQ); HAL_ADC_Start_DMA(&ADC_Handle, (uint32_t*)&adc_buff, ADC_NUM_MAX); }

ADC_Mode_Config()函数对ADC进行了配置，具体看代码中各个参数的注释。将ADC配置为循环采集，因实际工程中也进行了电压采集，所以配置了两个转换通道，最后分别配置两个通道参数，就完成了ADC的配置。再配置的最后，使用HAL_ADC_Start_DMA使能DMA传输，就可以开始采集数据了，但是我们还需要对数据进行更多的处理，才能使数据稳定可靠。

5.4.2.2. 数据处理部分¶ 5.4.2.2.1. HAL_ADC_ConvCpltCallback()函数¶ HAL_ADC_ConvCpltCallback()函数¶ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38/** * @brief 常规转换在非阻塞模式下完成回调 * @param hadc: ADC 句柄. * @retval 无 */ void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef* hadc) { int32_t adc_mean = 0; HAL_ADC_Stop_DMA(hadc); // 停止 ADC 采样，处理完一次数据在继续采样 /* 计算电流通道采样的平均值 */ for(uint32_t count = 0; count PWM_MAX_PERIOD_COUNT) ChannelPulse = PWM_MAX_PERIOD_COUNT; set_motor_speed(ChannelPulse); } /* 扫描KEY4 */ if( Key_Scan(KEY4_GPIO_PORT, KEY4_PIN) == KEY_ON) { if(ChannelPulse VBUS_HEX_MIN && vbus_adc_mean ADC_NUM_MAX) // 电源电压超过阈值电压10次 { set_motor_disable(); flag_num = 0; LED1_ON; printf("电源电压超过限制!请检查原因，复位开发板在试!\r\n"); while(1); } }

当看门狗检测到溢出时，会触发此中断回调函数。在函数中，我们使用了flag_num来记录触发异常的次数，如果flag_num超过阈值，我们则认为电路异常了，这时采取电机停机、LED灯显示提示、串口打印等来提示用户电路异常的情况，在实际应用中，我们则根据实际需要来调整这部分代码。

5.5.2.3. 主函数¶

在上面我们配置了ADC模拟看门狗来做电压保护，我们现在用另一种方式，来处理限制电流的情况，就是在主函数中轮询。

限电流main函数¶ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113/** * @brief 主函数 * @param 无 * @retval 无 */ int main(void) { __IO uint16_t ChannelPulse = PWM_MAX_PERIOD_COUNT*0.5; uint8_t curr_max_count = 0; uint8_t flag = 0; uint8_t dir = 0; HAL_Init(); /* 初始化系统时钟为168MHz */ SystemClock_Config(); /* 初始化按键GPIO */ Key_GPIO_Config(); /* 初始化 LED */ LED_GPIO_Config(); /* 电机初始化 */ motor_init(); /* 串口初始化 */ DEBUG_USART_Config(); /* ADC 始化 */ ADC_Init(); set_motor_speed(ChannelPulse); set_motor_disable(); // 禁用电机 printf("野火直流有刷电机-限流-过压-欠压保护实验\r\n"); while(1) { /* 扫描KEY1 */ if( Key_Scan(KEY1_GPIO_PORT, KEY1_PIN) == KEY_ON) { /* 使能电机 */ set_motor_enable(); } /* 扫描KEY2 */ if( Key_Scan(KEY2_GPIO_PORT, KEY2_PIN) == KEY_ON) { /* 禁用电机 */ set_motor_disable(); } /* 扫描KEY3 */ if( Key_Scan(KEY3_GPIO_PORT, KEY3_PIN) == KEY_ON) { /* 增大占空比 */ ChannelPulse += PWM_MAX_PERIOD_COUNT/10; if(ChannelPulse > PWM_MAX_PERIOD_COUNT) ChannelPulse = PWM_MAX_PERIOD_COUNT; set_motor_speed(ChannelPulse); } /* 扫描KEY4 */ if( Key_Scan(KEY4_GPIO_PORT, KEY4_PIN) == KEY_ON) { if(ChannelPulse CURR_MAX) // 判断是不是超过限定的值 { if (curr_max_count++ > 5) // 连续5次超过 { LED2_ON; set_motor_disable(); curr_max_count = 0; printf("电流超过限制！请检查原因，复位开发板在试！\r\n"); while(1); } } } else if (HAL_GetTick()%50 != 0 && flag == 1) { flag = 0; } } }

同样地，我们在主函数中通过不断轮询电压值是否超过预设值，来记录超限的次数，如果电流超过限制次数到达预设数，则认为电路可能发生故障，提示用户处理。

5.5.3. 下载验证¶

将对应程序下载到开发板上运行，启动电机后，串口正常打印电压电流信息，当用手捏电机时，电机电流增大，超过预设值，发生报警并停机如下图所示。

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