基于STM32的直流电机PID调速系统设计

电气控制技术研究生课程设计报告题 目 基于 STM32 的直流电机 PID 调速系统 学 院 机械与汽车工程学院 专业班级 车辆工程 学 号 221601852020 学生姓名 李跃轩 指导教师 康 敏 完成日期 2017 年 01 月 03 日 智能控制基础研究生课程设计报告第 1 页/共 14 页目录1.绪论 .12.设计方案 .13系统硬件电路设计 .23.1 整体电路设计 .23.2 最小单片机系统设计 .33.2.1STM32F103 复位电路 .33.2.2 电源电路 .43.3 电机驱动电路设计 .53.4 光电码盘编码器电路设计 .63.5 显示电路设计 .63.6 按键电路设计 .74.系统软件设计 .74.1 PID 算法 .74.2 电机速度采集算法 .85.系统调试 .85.1 软件调试 .85.2 系统测试与分析 .96.总结与展望 .10附录一 .11附录二 .16智能控制基础研究生课程设计报告11.绪论本文主要研究了利用 STM32 系列单片机，通过 PWM 方式控制直流电机调速的方法。PWM 控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM 控制技术发展的主要方向之一。本文就是利用这种控制方式来改变电压的占空比实现直流电机速度的控制。采用的芯片组成了 PWM 信号的发生系，然后通过 L298N 放大来驱动电机。利用光电编码盘器测得电机速度，然后反馈给单片机，在内部进行 PID 运算，输出控制量完成闭环控制，实现电机的调速控制。2.设计方案根据系统设计的任务和要求，设计系统方框图如图 1 所示。图中控制器模块为系统的核心部件，键盘和显示器用来实现人机交互功能，其中通过键盘将速度参数输入到单片机中，并且通过控制器显示到显示器上。在运行过程中控制器产生PWM 脉冲送到电机驱动电路中，经过放大后控制直流电机转速，同时利用速度检测模块将当前转速反馈到控制器中，控制器经过数字 PID 运算后改变 PWM 脉冲的占空比，实现电机转速实时控制的目的。按键模块显示模块控制器模块 电机驱动模块 直流电机码盘P W M 脉冲图 1 系统方案框图智能控制基础研究生课程设计报告23系统硬件电路设计3.1 整体电路设计单片机直流调速系统可实现对直流电动机的平滑调速。PWM 是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到控制要求的一种电压调整方法。在 PWM 驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。因此，PWM 又被称为“开关驱动装置” 。本系统以 STM32 单片机为核心，通过单片机控制，C 语言编程实现对直流电机的平滑调速。本直流电机调速系统以单片机系统为依托，根据 PWM 调速的基本原理，以直流电机电枢上电压的占空比来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速为依据，实现对直流电动机的平滑调速，并通过单片机控制速度的变化。本文所研究的直流电机调速系统主要是由硬件和软件两大部分组成。硬件部分是前提，是整个系统执行的基础，它主要为软件提供程序运行的平台。而软件部分，是对硬件端口所体现的信号，加以采集、分析、处理，最终实现控制器所要实现的各项功能，达到控制器自动对电机速度的有效控制。本系统硬件资源分配见图 2 所示。采用 STM32F103 单片机作为核心器件，转速检测模块作为电机转速测量装置，通过 STM32F103 的 PA1(A 相)将电脉冲信号送入单片机处理，L298 作为直流电机的驱动模块，利用 320240TFTLCD 显示器和3 个独立按键作为人机接口。智能控制基础研究生课程设计报告3STM32F103ZET6码盘测速直流电机电机驱动模块 L 2 9 8 NT F T 显示屏按键模块P A 1P A 3R E S E T : P E 1K E Y - 3 ： P E 3K E Y - 2 ： P E 2P GP DG N D图 2 系统电路连接及硬件资源分配图3.2 最小单片机系统设计STM32F103ZETT6 作为 MCU，该芯片是 STM32F103 里面配置非常强大的了，它拥有的资源包括：64KB SRAM、512KB FLASH、2 个基本定时器、4 个通用定时器、2 个高级定时器、2 个 DMA 控制器（共 12 个通道） 、3 个 SPI、2 个 IIC、5 个串口、1 个 USB、1 个 CAN、3 个 12 位 ADC、1 个 12 位 DAC、1 个 SDIO 接口、1 个 FSMC 接口以及 112 个通用 IO 口。该芯片的配置十分强悍，并且还带外部总线（FSMC）可以用来外扩 SRAM 和连接 LCD 等，通过 FSMC 驱动 LCD，可以显著提高 LCD 的刷屏速度，是 STM32F1 家族常用型号里面，最高配置的芯片了。3.2.1STM32F103 复位电路STM32F103 的复位电路如图 3 所示：智能控制基础研究生课程设计报告4图 3 复位电路图因为 STM32 是低电平复位的，所以我们设计的电路也是低电平复位的，这里的R3 和 C12 构成了上电复位电路。同时，开发板把 TFT_LCD 的复位引脚也接在RESET 上，这样这个复位按钮不仅可以用来复位 MCU，还可以复位 LCD。3.2.2 电源电路STM32F103板载的电源供电部分，其原理图如图4所示：图 4 电源电路图中，总共有3个稳压芯片：U12/U13/U15，DC_IN用于外部直流电源输入，范围是DC624V ，输入电压经过U13 DC-DC芯片转换为 5V电源输出，其中D4是防反接二极管，避免外部直流电源极性搞错的时候，烧坏开发板。K2 为开发板的总电源智能控制基础研究生课程设计报告5A1A2SEN1 11Y12 1Y23Vs4 1A1 51EN61A2 7GND8Vcc92A1 102A2 122EN112Y113 2Y214SEN2 15U5L298ND4D3D1D2C10 20FC9 20F+5V+12V+12VR1470R2 5KR45KR3470R5470MG1P2.7P2.6P2.5开关，F1为1000ma自恢复保险丝，用于保护USB。 U12为3.3V稳压芯片，给开发板提供3.3V电源，而U15则是1.8V稳压芯片，供VS1053的CVDD 使用。3.3 电机驱动电路设计驱动模块是控制器与执行器之间的桥梁，在本系统中单片机的 I/O 口不能直接驱动电机，只有引入电机驱动模块才能保证电机按照控制要求运行，在这里选用L298N 电机驱动芯片驱动电机，该芯片是由四个大功率晶体管组成的 H 桥电路构成，四个晶体管分为两组，交替导通和截止，用单片机控制达林顿管使之工作在开关状态，通过调整输入脉冲的占空比，调整电动机转速。其中输出脚（SENSEA 和SENSEB）用来连接电流检测电阻， Vss 接逻辑控制的电源。 Vs 为电机驱动电源。IN1-IN4 输入引脚为标准 TTL 逻辑电平信号，用来控制 H 桥的开与关即实现电机的正反转，ENA、ENB 引脚则为使能控制端，用来输入 PWM 信号实现电机调速。其电路如图 5 所示，利用两个光电耦合器将单片机的 I/O 与驱动电路进行隔离，保证电路安全可靠。这样单片机产生的 PWM 脉冲控制 L298N 的选通端，使电机在PWM 脉冲的控制下正常运行，其中四个二极管对芯片起保护作用。图 5 电机驱动电路智能控制基础研究生课程设计报告63.4 光电码盘编码器电路设计在本系统中由于要将电机本次采样的速度与上次采样的速度进行比较，通过偏差进行 PID 运算，因此速度采集电路是整个系统不可缺少的部分。本次设计中应用了比较常见的光电测速方法来实现，其具体做法是将电机轴上固定一圆盘，且其边缘上有 N 个等分凹槽如图 6 所示，在圆盘的一侧固定一个发光二极管，其位置对准凹槽处，在另一侧和发光二极光平行的位置上固定一光敏三极管，如果电动机转到凹槽处时，发光二极管通过缝隙将光照射到光敏三极管上，三极管导通，反之三极管截止，电路如图 7 所示，从图中可以得出电机每转一圈在 PA3 的输出端就会产生N 个低电平。这样就可根据低电平的数量来计算电机此时转速了。例如当电机以一定的转速运行时，PA3 将输出如图 7 所示的脉冲，若知道一段时间 t 内传感器输出的低脉冲数为 n，则可求出电机转速。图 6 电机速度采集方案图 7 传感器输出脉冲波形3.5 显示电路设计根据设计要求要对电机的转速进行读取，因此在电路中加入显示模块是很有必要的。在系统运行过程中需要显示的数据比较多，而且需要汉字显示，在这里选用320240 液晶显示器比较适合，它是一种图形点阵液晶显示器,主要由行驱动器/列驱动器及 320240 全点阵液晶显示器组成，可完成汉字显示。圆 盘 光 敏 三 极 管发 光 二 极 管+5V P3.47020R1 R2智能控制基础研究生课程设计报告7TFTLCD 模块采用 16 位的并方式与外部连接，之所以不采用 8 位的方式，是因为彩屏的数据量比较大，如果用 8 位数据线，就会比 16 位方式慢一倍以上，我们当然希望速度越快越好，所以我们选择 16 位的接口。3.6 按键电路设计根据设计需求，本系统中使用了 3 个独立按键用以实现对电机转速的设定以及复位功能。键盘操作说明：在系统开始运行时，320240TFTLCD 将显示开机界面，按KEY_2 增加速度，按 KEY_3 减少速度，按 KEY_RESET 键是复位，使程序回到初始状态。4.系统软件设计4.1 PID 算法本系统设计的核心算法为 PID 算法，它根据本次采样的数据与设定值进行比较得出偏差 ，对偏差进行 P、I、D 运算最终利用运算结果控制 PWM 脉冲的占空)(ne比来实现对加在电机两端电压的调节，进而控制电机转速。其运算公式为：1()()(n)()2(n1)(2)p dutKKee（1）如何选择控制算法的参数，要根据具体过程的要求来考虑。一般来说，要求被控过程是稳定的，能迅速和准确地跟踪给定值的变化，超调量小，在不同干扰下系统输出应能保持在给定值，操作变量不宜过大，在系统和环境参数发生变化时控制应保持稳定。显然，要同时满足上述各项要求是很困难的，必须根据具体过程的要求，满足主要方面，并兼顾其它方面。PID 调节器是一种线性调节器，它根据给定值 与实际输出值 构成的控)(tr)(tc制偏差： = )(terc（2）智能控制基础研究生课程设计报告8将偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制，故称为 PID 调节器。在实际应用中，常根据对象的特征和控制要求，将 P、I、D 基本控制规律进行适当组合，以达到对被控对象进行有效控制的目的。例如，P 调节器，PI 调节器，PID 调节器等。模拟 PID 调节器的控制规律为)()(1)()(0dteTteTteKtuDtIp（3）式中， 为比例系数， 为积分时间常数， 为微分时间常数。PKI D简单的说，PID 调节器各校正环节的作用是：（1）比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号 ,偏差一旦产生，)(te调节器立即产生控制作用以减少偏差；（2）积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数 ， 越大，积分作用越弱，反之则越强；ITI（3）微