基于STM32的直流有刷电机控制器的设计
第一章 系统设计背景与需求分析
直流有刷电机因结构简单、成本低、启动转矩大等特点，广泛应用于机器人、传送带、医疗器械等领域。传统电机控制器多采用专用芯片或分立元件搭建，存在调速精度低（误差常超10%）、响应滞后（≥200ms）、保护功能单一等问题，难以满足自动化设备对精准控制的需求。
STM32单片机凭借高性能处理能力（72MHz主频）、丰富的定时器与ADC资源，为电机控制提供了灵活的解决方案。本系统设计需实现三大核心需求：一是宽范围调速，支持0-3000rpm转速调节，精度误差≤5%；二是具备闭环控制能力，通过速度反馈实时修正输出，确保负载变化时转速稳定；三是集成完善保护功能，包括过流、过压、堵转保护，提升系统安全性。此外，需支持PWM模拟量、按键及UART通信三种控制方式，适配多场景应用，兼顾低成本与易扩展性。
第二章 系统硬件电路设计
系统硬件以STM32F103C8T6为核心，按功能划分为主控、驱动、检测、保护及电源五大模块，电路设计注重抗干扰性与功率适配。
主控模块选用STM32F103C8T6，其TIM1定时器可输出两路互补PWM信号（频率10kHz），用于电机正反转与转速调节；TIM2配置为编码器接口，接收电机霍尔传感器或光电编码器信号（脉冲数/转=11PPR），实现速度反馈。驱动模块采用TB6612FNG双通道芯片，支持最大1.2A持续电流，通过GPIO引脚控制电机方向，PWM信号调节占空比（0-100%），相比L298N芯片效率提升20%，发热更小。
检测模块包含电流与电压检测：ACS712电流传感器（量程5A）输出模拟信号，经STM32 ADC1转换（12位精度），实时监测电机工作电流；分压电阻网络采集电源电压，通过ADC2检测，实现过压/欠压判断。保护模块由硬件比较器与软件逻辑结合，过流/过压时立即切断TB6612FNG使能端，同时触发STM32外部中断。电源模块采用12V直流输入，经LM1117-3.3V稳压为STM32供电，直接为电机与驱动芯片供电，确保动力稳定。
第三章 系统软件程序设计
系统软件基于Keil MDK开发环境，采用C语言模块化编写，分为初始化、闭环控制、保护机制及通信交互四大模块，通过中断与定时器协同工作。
初始化模块上电后优先执行，完成外设配置：GPIO初始化（定义驱动控制与中断引脚）、定时器初始化（TIM1生成PWM，TIM2配置编码器模式，计数频率1MHz）、ADC初始化（双通道采样，采样率10kHz）、UART初始化（波特率9600，接收上位机指令）。
闭环控制模块采用增量式PID算法，以编码器反馈的实际转速（通过TIM2计数计算，每秒更新100次）与目标转速的偏差为输入，输出PWM占空比调整量，比例系数Kp=0.8、积分系数Ki=0.1、微分系数Kd=0.05，确保转速超调量≤8%，调节时间≤100ms。控制方式支持三种切换：按键调节（长按加速/减速）、PWM输入（外部模拟量映射转速）、UART指令（通过“Speed:XXX”格式设置目标值）。
保护机制模块实时监测ADC采集的电流与电压值，当电流＞1A或电压＞15V/＜8V时，立即进入保护状态：关闭PWM输出，置位保护引脚，通过LED闪烁报警，需手动复位恢复。主程序采用“检测-计算-调节”循环模式，单次循环耗时≤10ms，确保控制实时性。
第四章 系统测试与性能分析
为验证系统性能，选用12V/5000rpm直流有刷电机（带11PPR编码器），在空载、50%负载、满载（0.5A）三种状态下测试，采用示波器测量PWM输出，转速计（精度±10rpm）对比实际转速，记录响应时间与保护触发阈值。
测试结果显示，调速范围覆盖50-3000rpm，空载时转速误差≤3%，满载时误差≤5%；从0加速至3000rpm的响应时间≤80ms，负载突变时恢复稳定时间≤50ms。保护功能测试中，过流（1A）、过压（15V）、欠压（8V）触发准确，响应延迟≤10ms，无损坏风险。
连续运行24小时后，STM32无死机，TB6612FNG温度≤60℃，编码器反馈稳定；功耗测试显示待机电流≤20mA，工作电流随负载线性变化。综合来看，系统硬件成本约60元，控制精度与稳定性满足中小型设备需求，通过扩展CAN总线可实现多电机协同控制，具备较强实用价值。
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