PWM控制直流调速系统设计.docx

PWM直流调速系统设计姓 名： 课题组的分工或贡献：硬件连接课程名称：直流拖动自动控制系统指导教师：2017年6月PWM控制直流调速系统设计（）摘 要： 设计一种基于单片机的直流电机调速系统，该系统以基于 ARM CortexM3 内核的 STM32 微控制器为核心，利用L298N芯片产生 PWM 控制信号来控制电机，采用增量式 PID 算法控制直流电机的起动、制动、正反转和速度调节，简单友好的上位机界面可实时监测电机的实时转速。实验结果表明，该系统具有稳态误差小，控制精度高，响应速度快，能耗低、效率高等优点。前 言： 直流调速系统广泛应用于低转速、高精度等各领域，如精密办公设备（喷墨打印机、激光打印机），自动售货机，家用电器、机器人和玩具设备等。其发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术和微机应用技术的最新发展成就。顺应调速系统智能化、简单化的发展趋势，本设计采用一款性价比高、功耗低的基于 ARM CortexM3 内核的STM32 单片机为控制核心，结合 PID 控制技术，实现了直流电机范围大、精度高的调速性能。1 系统总体设计本设计选择高性价比ARM微处理器STM32作为调速系统的核心控制器,系统增加了键盘、液晶屏LCD等外围功能器件,选用L298N芯片作为直流电机驱动,应用增量式PID控制实现了电机的PWM闭环调速。系统总体结构如图1所示。从结构上看,可以认为是一个闭环调速系统。其工作原理为:光电码盘将测得的电机转速信号变成电信号反馈给STM32单片机。通过按键使单片机系统自行给定转速。系统根据给定的电机转速信号与反馈速度信号比较,得出偏差,经过PID运算得出控制变量改变PWM波占空比,也就是改变了直流电机电枢两端的平均电压,进而调节的电机的转速,实现了STM32单片机对直流电机的PWM闭环脉宽调速。 图1 系统总体结构图2 硬件电路设计元件清单器件种类型号个数单片机STM32F103VET61个按键4*4矩阵键盘1个液晶显示屏LCD12061个电机驱动L298N1个整流桥2W101个变压器220V/12V1个三端稳压集成电路LM78051个LM78121个电容1000F1个470F1个220F1个开关6A 125V1个带光电编码器的电机1个发光二极管1个熔断器220V2个电位器33621个排针及排线若干插头及电源线1个2.1 电源模块 本设计将220V交流电经变压器和整流桥变成12V直流电和5V直流电。12V给L298N驱动电路供电，5V给STM32主控芯片和光电门编码器供电。2.2 矩阵键盘模块通过矩阵键盘输入速度，使STM32获得设定的速度。2.3 液晶显示模块通过LCD1602液晶显示模块显示实时速度和设定的速度。通过对滑动变阻器的调节可以调节LCD的亮度调节。2.4 蓝牙模块通过STM32的串口模块连接蓝牙，可以实现通过手机软件设定速度来调节电机。2.5 电机驱动模块本设计采用L298N模块驱动电机。本模块是2路的H桥驱动，所以可以同时驱动两个电机，使能端ENA ENB接STM32单片机的PWM输出信号，STM32接L298N的IN1 IN2输入端驱动电机1的方向；STM32接L298N的IN3 IN4输入端驱动电机2的方向。输出OUT1和OUT2接电机1来控制电机的转速和方向，输出OUT3和OUT4接电机2来控制电机的转速和方向。若要对直流电机进行 PWM 调速，需设置 IN1 和 IN2，确定电机的转动方向，然后对使能端输出 PWM 脉冲，即可实现调速。注意当使能信号为 0 时，电机处于自由停止状态；当使能信号为 1，且 IN1 和 IN2 为 00 或 11 时，电机处于制动状态，阻止电机转动。ENAIN1IN2直流电机状态0XX停止100制动101正转110反转111制动L298N原理图如图所示L298N电路图如图所示2.6 电机本次项目，电机为自行购买。采用双电机做成小车形式，可以实现小车的加速、减速、前进、后退、转弯等设定的行动指令。2.7 光电门编码器用来通过脉冲测速。4根接线，其中2根为电源的正负接线，供电电压为5V。另外2根为信号线，输出方波信号，相位相差90，可以直接被单片机捕捉到。通过检测上升沿可以测得正转和反转。通过一个周期测得的脉冲数M,使用M测速法，根据n=60MZTc将速度计算出来。2.8 STM32单片机本系统采用 STM32F103 作为核心控制器。控制电路以STM32F103 为核心的最小系统包括 STM32 主芯片、时钟电路、复位电路、USART串口、JTAG 调试接口电路、电源等。利用 STM32 产生设定周期 PWM 波形，作为速度的给定值，同时通过位置检测来测算出电机真实速度值，对真实速度和给定速度值做差，确定电机的超调量，通过脉宽调制来改变波形的占空比，来改变电机的转速。按键可以通过键入设定速度，使单片机获得电机的理想速度。电源模块给单片机供电。LCD1602液晶模块通过STM32显示理想速度和设定速度。蓝牙模块连接STM32的串口引脚，通过手机APP的控制，可以设定理想的速度。STM32产生PWM脉冲信号来控制电机驱动模块L298N的使能端ENA、ENB，连接输入端IN1、IN2、IN3、IN4来控制电机1和电机2的转向。STM32通过获得编码器一个周期所测的脉冲数，通过公式计算得出实时速度。STM32通过比较理想速度和实时速度，计算偏差，通过PID算法来控制PWM脉冲信号，从而使实际速度更加接近理想速度。2.9 总电路的电气原理图3 软件工程设计3.1 矩阵键盘程序设计键盘为4x4 16键矩阵键盘，我们使用8个IO口GPIO07进行键值检测，其中GPIO03为行扫描IO口，GPIO47为列扫描IO口，当按键被按下时键值读取并反馈键值，当按键未按下时反馈键值为20，以表示未被按下。键值功能列表如下：K1K2K3K4K5K6K7K812345678K9K10K11K12K13K14K15K1690+-Tab清零确定3.2 LCD1602显示屏程序设计显示屏程序分为实际速度显示与理想速度显示，实际速度显示以250ms为周期进行数据更新，理想速度为显示的输入值，并且根据实际的设定位进行光标显示。3.3 光电编码器程序设计测速装置我们采用光电门及码盘实现速度的测量，使用定时器定时，以250ms为周期进行脉冲测量，当到达周期末端之后将脉冲值M采出，使用M测速法，根据 n=60MZTc将速度计算出来。3.4 PID调节器程序设计调节器部分我们采用PID调节器，并使用归一参数整定法和试凑法进行Kp、Ki、Kd三个参数的整定。并且进行了输入限幅，输出限幅设置以及积分限幅设置，使PID调节器更适合电机调速系统。PID公式为yt=Kpet+Ki0te()d+Kdde(t)dt 。根据我们单片机控制的需求进行离散化为：yk=Kpek+Ki0ke(j)+Kd(ek-e(k-1)3.5 电机供电电压控制本系统我们采用PWM斩波控制电压的大小，调节PWM占空比调节电机供电电压的输出幅值，占空比设定值为PID调节器的输出变量值。转速控制分析：程序采用定时器定时控制，当计数值达到设定值后，获取脉冲值后进行计算，获得实际转速值，将理想转速值与实际转速值做差作为PID调节器的输入变量，经PID调节器计算出输出变量，即PWM占空比设定值，调用响应的函数进行PWM占空比设定。3.6 软件及硬件调试通过Jlink进行在线调试，使用归一参数整定法将Kp、Ki、Kd几个参数使用倍数表示，将Kp从小到大进行整定，使系统达到最快最稳运行。4 结语本文介绍了一种基于STM32单片机的直流电机调速系统的设计,采用STM32单片机实现对直流电机的PWM波脉宽调速控制,不仅提高了控制器的性价比,而且具有稳定性好、精度高和响应速度快等优点。通过优化 PID 算法，使变速积分比例作用来消除偏差大，积分作用消除小偏差，基本上消除了积分饱和现象，同时真正的超调量减少，实现了系统稳定性的提高。不足之处是电机由于变压器和稳压管电路功率较低只能低速运行，但是控制速度还算理想，在以后的设计中应注意硬件之间的配合使用。本次项目的硬件设计让我真正学会了很多东西，比如说Multisim、Altium Designer、CAD等软件的安装，熟练掌握原理框图的绘制，电气原理图的绘制，以及对直流调速程序的编程。在