基于Cortex-M3微控制器的直流电机调速系统设计.doc

毕业设计（论文）I基于Cortex-M3微控制器的直流电机调速系统设计摘要微控器渗透到人们生活的各个领域，当今时代几乎很难找到哪个领域没有它的踪迹。在现今的工业控制系统中，以微控器作为控制核心的系统更是应用广泛，利用微处理器和一些外围电路构成了数字式控制系统以取代模拟式控制，具有传统模拟式无法比拟的性能价格比。通过工业中直流电机控制系统的研究以及对直流电机调速的分析，提出一种以ARMCortex-M3内核的STM32F103RBT6微控制器为核心，对直流电机转速大小进行控制，利用STM32F103RBT6中的定时器功能，输出可调宽的PWM波，经过电机驱动器实现PWM对电动机转速大小控制。而采用数字PID算法进行转速调节控制的方案，借用PID控制所得到的动、静态性能，实现系统的稳定性、准确性、快速性。关键词：ARM；Cortex-M3；STM32F103RBT6；PID；PWM；直流电机调速基于Cortex-M3微控制器的直流电机调速系统设计IIABSTRACTThemicrocontrolsamachinetoseepthroughpeopleliveofeachrealm,theagealmostcanhardlyfindoutnowadayswhichrealmhavenoitstrace.Intheindustrialcontrolsysteminpresent,controlmachineasthesystemthatcontrolsnucleustoapplymorebymicroextensive,madeuseofmicroprocessorandsomeoutercircletelephonestoconstituteafiguretypecontrolsystemwithreplaceasimulationtypecontrol,havetraditionsimulation,thetypecannotcompareoftheperformanceratecompare.PassthesearchofcontinuouscurrentdynamocontrolsystemintheindustryandproposeakindofvstheanalysisofthecontinuouscurrentdynamovelocitymodulationwithARMcheckinsideCortex-M3ofSTM32F103RBT6microcontrollersfornucleus,carryonacontroltothedimensionofcontinuouscurrentdynamorevolvingspeed,makeuseofthetimerfunctionintheSTM32F103RBT6,outputthePWMwaveofadjustablebreadth,itisvsthemotorrevolvingspeedtocarryoutPWMafterdynamodriversizecontrol.ButtheadoptionfigurePIDalgorithmprogressrevolvingspeedconditioningcontrolofscheme,useaPIDcontroltogainofmove,quiescentperformance,carryoutthestability,accuracyandrapidofsystem.Keywords:ARM；Cortex-M3；STM32F103RBT6；PID；PWM；DC-motorspeedmodification毕业设计（论文）目录摘要.IABSTRACT.II第1章绪论.11.1电力拖动自动控制系统概述.11.2现状及展望.1第2章直流电机调速原理.32.1直流电机概述.32.1.1直流电机的用途.32.1.2直流电机的结构.32.1.3直流电机的工作原理.42.2直流电机的调速原理.62.3PWM调速原理.92.3.1PWM简介.92.3.2PWM控制的基本原理.92.3.3直流电机的PWM调速原理.10第3章直流电机调速系统的总体方案设计.133.1系统方案选定.133.2系统组成.143.3系统工作原理.16第4章系统硬件部分设计.174.1STM32F103RBT6微控制器简介.174.1.1STM32F103RBT6的功能特性.174.1.2STM32F103RBT6的引脚分布及描述.194.2控制主电路部分.214.3参数设置部分.214.4电机驱动电路部分.224.4.1L298N驱动器原理.224.4.2L298N应用电路.234.5测速电路部分.244.5.1测速基本原理.244.5.2测速电路组成.244.6LCD液晶电路显示部分.26第5章系统软件部分设计.275.1系统软件总体概述.275.2PID控制.285.2.1PID控制的基本原理.285.2.2数字PID控制算法.305.2.3数字PID程序设计.325.3STM32F103RBT6外设操作与运用.335.3.1系统时钟配置.335.3.2GPIO操作.335.3.3通用定时器操作.345.3.4系统滴答时钟操作.34基于Cortex-M3微控制器的直流电机调速系统设计5.3.5主函数.35第6章结束语.376.1总结.376.2展望.37致谢.39参考文献.40附录：程序清单.42毕业设计（论文）1第1章绪论1.1电力拖动自动控制系统概述电能在生产和使用中，电机起着十分重要的角色。从能量转换角度看，电机中有发电机和电动机。把机械能转换为电能的电机为发电机；相反，把电能转换为机械能的电机为电动机，交/直流电动机就是将交/直流电能转换成机械能的电机。电能利用中，绝大多数负载都要求将电能转换为机械能加以使用，即由电动机来拖动各种用途的生产机械。电动机拖动生产机械运转完成既定的工艺要求，称为电力拖动1。生产的不断发展，对生产工艺也提出了更高的要求，如加工精度高、调速范围广、快速启动、制动和反转等。这些要求均通过控制设备控制电机来实现，因此，形成了由电机、传动结构、生产机械、控制设备及电源等主要部分组成的电力拖动自动控制系统。电力拖动的特点：方便经济：电能的生产、变换、传输都比较经济，分配、检测和使用比较方便；效率高：电力拖动比蒸汽、压缩空气的拖动效率要高，且传动机构简单。调节性能好：电机的种类很多，具有各种运行特性，可适应不同的生产机械的需要，且电力拖动自动控制系统的启动、制动、调速、反转等控制简便、迅速，能实现较理想的控制目的。易于实现生产过程的自动化：由于电力拖动可以实现远距离控制与自动调节，且各种非电量（如位移、速度、温度）都可以通过传感器转变为电量作用于拖动系统，因而能实现生产过程自动化。在国民经济的各行各业当中使用的生产机械，诸如各种机床、轧钢机、矿井提示机、球磨机、风机、水泵、压缩机、铁路牵引机车、电动工具乃至家用电器等等，数不胜数，都采用电力拖动自动控制系统2。1.2现状及展望在用电系统中，电动机作为主要的动力设备而广泛地应用于工农业生产、国防、科技及社会生活等各个方面。电动机负荷约占总发电量的70%，为用电量最多的电气设备。由于电能分直流电与交流电，所以电动机也分交流电动机和直流电动基于Cortex-M3微控制器的直流电机调速系统设计2机。现今交流电动机的拥有量为最多，凭借着结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、惯量小、效率高等特点，交流电动机在拖动系统中的控制对象中被广泛运用。不过，直流电动机在以下优点当中运用也十分广泛：调速范围广，易于平滑调速；启动、制动和过载转矩打；易于控制，可靠性较高。直流电动机多用于调速要求较高的生产机械中，如轧钢机、电车、电气铁道牵引、挖掘机械、纺织机械等。电力拖动自动控制系统包括直流拖动自动控制系统和交流拖动自动控制系统，还分模拟和数字控制系统。数字控制系统与模拟控制系统相比，数字控制系统有更好的稳定性、可靠性，可以提高控制性能，此外还拥有信息存储、数据通信和故障诊断等模拟控制系统无法实现的功能。近年来，交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。因此，研究直流微机数字调速控制系统对于在高要求方面有独特的好处，当今世界，有可能会出项很多复杂情况，比如突发事故、自然灾害等，所以一个良好稳定性、可靠性与控制行能就显得尤为重要。比如现在的多功能无线遥控车、多功能的微机控制的小型消防车等高科技运用的场合，他们的意义在于可以为人民贡献更多的帮助，在人类不能到达的地方，在远程控制下他们可以到达排除隐患以及解救人类，使人们的财产及生命又多一个保护的屏障。毕业设计（论文）3第2章直流电机调速原理2.1直流电机概述2.1.1直流电机的用途把机械能转变为直流电能的电机是直流发电机；而把直流电能转变为机械能的电机是直流电机。在电机的发展史上，直流电机发明得较早，1831年，法拉第发现了电磁感应现象，奠定了现代电机的基本理论基础。从19世纪40年代研制成功第一台直流电机，经过大约17年的时间，直流电机技术才趋于成熟。后来才出现了交流电机，当发明了三相交流电以后，交流电机得到迅速的发展。但是，迄今为止，工业领域里仍有使用直流电机的，这是由于直流电机具有以下突出的优点：调速范围广，易于平滑调速；启动、制动和过载转矩大；易于控制，可靠性较高。直流电动机多用于对调速要求较高的生产机械上，如轧钢机、电车、电气铁道牵引、挖掘机械、纺织机械等。直流发电机可用来作为直流电机以及交流的发电机的励磁直流电源以及化工业中的电镀、电解等设备的直流电源。直流电机的主要缺点是换向问题，它限制了直流电机的极限容量，又增加了维护的工作量。为了克服这个缺点，许多人研究交流电机的调速，取得了一定的效果，在某些调速场合可以代替直流电机。但是，直流电动机由于其性能优越，在电力拖动自动控制系统中仍占有很重要的地位，利用可控硅整流电源配合直流电动机仍在调速系统中迅速地发展。2.1.2直流电机的结构直流电机由静止的定子和可以转动的转子两大部分组成。在定子和转子之间存在一个间隙，称作气隙。定子的作用是产生磁场和支撑电机，转子的作用是用来产生感应电动势和电磁转矩，实现机电能量的转换，通常也被称作电枢，定子基于Cortex-M3微控制器的直流电机调速系统设计4和转子各部件见图2-1。图2-1直流电机结构图由直流电动机和发电机示意图可以看到，直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。2.1.3直流电机的工作原理一、直流发电机工作原理直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。感应电动势的方向按右手定则确定（磁感线指向手心，大拇指指向导体运动方向，其他四指的指向就是导体中感应电动势的方向）毕业设计（论文）5图2-2直流发电机原理图在图2-2所示瞬间，导体ab、cd的感应电动势方向分别由b指向a和由d指向c。这时电刷A呈正极性,电刷B呈负极性。当线圈逆时针方向旋转180°时，这时导体cd位于N极下，导体ab位于S极下，各导体中电动势都分别改变了方向。从图看出，和电刷A接触的导体永远位于N极下，同样，和电刷B接触的导体永远位于S极下。因此，电刷A始终有正极性，电刷B始终有负极性，所以电刷端能引出方向不变的但大小变化的脉振电动势。如果电枢上线圈数增多，并按照一定的规律把它们连接起来，可使脉振程度减小，就可获得直流电动势。这就是直流发电机的工作原理。二、直流电动机的工作原理图2-3直流电动机的原理图