综合实验（二） STM32F446RE 定时器、编码器测速与电机闭环控制

实验目的

  1. 了解 STM32F446RE 定时器的计数、编码器接口和PWM输出功能；
  2. 掌握由增量式编码器脉冲计算直流电机转速的方法；
  3. 理解反馈闭环的基本概念，实现简单的比例转速控制。

预习材料

  1. 阅读 NUCLEO-F446RE 开发板介绍，了解板载调试器和扩展引脚；
  2. 查阅所用减速电机与编码器的数据手册，确认额定电压、每转脉冲数和输出电平；
  3. 复习PWM调速、增量式正交编码器、采样周期和比例控制的基本概念。

实验器材

NUCLEO-F446RE开发板1块，带正交编码器的小型直流减速电机1个，TB6612FNG或同类低压电机驱动模块1个，与电机额定电压匹配且有限流功能的直流电源1台，USB线1条，面包板1块，杜邦线若干，万用表1个，安装 STM32CubeIDE 的笔记本电脑1台。

实验步骤

  1. 确认电机和编码器参数。实验过程中电机由独立低压电源供电，不得直接由开发板供电；电机驱动模块、编码器和开发板必须共地；
  2. 在 STM32CubeIDE 中建立工程，将一个定时器设置为编码器模式，另一个定时器设置为PWM输出，再设置一个固定周期（建议100 ms）的测速任务；
  3. 先不接通电机电源，手动缓慢转动电机轴，读取计数器增减方向和计数值，验证编码器A、B相接线正确；
  4. 连接电机驱动模块。固定电机并确保转轴周围没有松动物体，从低占空比开始测试正转、反转和停止；
  5. 每个采样周期读取编码器计数增量，根据每转计数和采样时间计算转速，将计数增量、转速和PWM占空比输出到串口；
  6. 分别设置20%、40%、60%和80%的固定占空比，待转速稳定后记录数据，绘制占空比与稳态转速关系；
  7. 实现比例闭环控制：根据“目标转速－实测转速”的误差调整PWM，并对输出限制在安全范围内。从较小比例系数开始逐步调节；
  8. 选择两组目标转速，记录启动至稳定的响应数据；轻触电机负载或改变电源限流设置，比较开环与闭环的转速恢复能力。

思考题

  1. 采样周期过长或过短分别会给测速带来什么问题？
  2. 比例系数过小时响应会怎样，过大时又可能出现什么现象？
  3. 为什么需要限制PWM输出并设置电机的安全转速范围？

考核要求

于1周内提交实验报告，内容包括系统接线图、定时器配置、测速和控制程序、开环标定数据、两组闭环响应曲线、开环与闭环抗扰动对比及思考题解答。

实验索引