基于STM32的直流电机PID调速系统设计

1、计算机控制技术课程设计题 目 基于STM32的直流电机 PID调速学院：计算机与电子信息学院专业：电气工程及其自动化班级：电气12-5学号： 姓名： 任课教师: 完成时间:基于STM32的直流电机PID调速摘要电机转速控制在运动控制系统中占有至关重要的地位， 本设计将电机转速控制作 为研究对象；以PID为基本控制算法，STM32F10单片机为控制核心，产生受 PID算 法控制的PWM脉冲实现对直流电机转速的控制。同时利用光电传感器将电机速度转换 成脉冲频率反馈到单片机中， 实现转速闭环控制， 达到转速无静差调节的目的。 在系 统中采320X 240TFTLCE显示器作为显示部件，通过4个按键通

2、过界面切换方式设置 P、I 、D、V 四个参数和正反转控制，启动后可以通过显示部件了解电机当前的运行 状态和系统的CPU温度。该系统控制精度高，具有很强的抗干扰能力。关键词： PID 直流电机 反馈 调节Based on the STM32 PID speed control of dc motorAbstractMotor speed control occupies a crucial position in the motion control system, the design of the motor speed control for the study; in the basi

3、c PID control algorithm, STM32F103 microcontroller core, by the PID control algorithm generates a PWMpulse to achieve DCspeed control. At the sametime the use of photoelectric sensors to convert the motor speed to pulse frequency feedback to the microcontroller to achieve closed-loop speed control,

4、tospeed static error adjustme nt purposes. Mining 320x 240TFTLCD mon itor asa display unit in the system, through four key settings P, I, D, V four parameters and reversing control through the interface switching mode, start to understand the current state of the motor and the system through the dis

5、play unit CPU temperature. The system control and high precision, has a strong anti-jamming capability.Keywords: PID DC motor feedback regulation目录1. 绪论 1研究背景与意义 1本文主要研究方法 12. 设计方案与论证 2系统设计方案 2控制器模块设计方案 23. 系统硬件电路设计 整体电路设计 3整体理论 整体简单结构图和资源分配图 3最小单片机系统设计 4STM32F10复位电路 6电源电路 6电机驱动电路设计 7光电码盘编码器电路设计 7显示

6、电路设计 8按键电路设计 104. 系统软件设计 . 10PID 算法 10PID 参数整定方法 11电机速度采集算法 12程序流程图 . 125. 系统调试 13软件调试 13系统测试与分析 6. 总结与展望 . 参考文献 附录一 部分程序源程序 14.15161720附录二系统界面实物图和PCB图.1. 绪论1.1 研究背景与意义电动机在现代的工业中，是主要的驱动设备，尤其是直流电动机，由于它的 平滑调速性和结构上的简单，使其成为许多电器，如洗衣机，电梯等的驱动 。而 对于直流电机的控制，最流行的莫过于采用可控硅装置向电动机供电，即KZ D拖动系统。起初的控制系统是发电机电动机系统，相当的

7、笨重。随着电力电子技术和单片机的成熟应用 1 ，使得直流电机调速系统从模拟化 向数字化转变。而PWM脉宽调制，是现在应用最成熟的方法。它来源于电力电子 的桥式电路，通过单片机可进行简单的模拟，而将它们结合起来，由电力电子元 件组桥进行方向控制，而由单片机产生 PWM波控制晶闸管的门极。调节占空比就 能够控制电机的平均电压，从而控制电机的转速。直流电动机调速应用于实际中各个方面，工业，家电等，因为它能够在一个 相当大的范围内进行平滑调速。但是早起以模拟元件为控制装置的系统，由于模 拟元件本身的缺陷，导致硬件复杂，功能简单，不灵活，误差大，无法实行精确 的调速。单片机的应用解决了这个问题的一部分，

8、误差可由许多完善的算法来解 决，而且减小了硬件的复杂性 2 。使得直流调速逐步由模拟化向数字化转变，使 直流调速进入一个更加智能与可靠的新阶段。1.2 本文主要研究方法本文主要研究了利用STM32系列单片机，通过PW方式控制直流电机调速的 方法3。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。文章中采用了专门的芯片组成了 PWMI

9、号的发生系统，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. 设计方案与论证0系统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6 。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， 其中通过键盘将需要设置的 参数和状态输入到单片机中， 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

10、 比，实现电机转速实时控制的目的 7 。图 1 系统方案框图控制器模块设计方案根据设计任务，控制器主要用于产生占空比受数字 PID算法控制的PWM脉冲，并 对电机当前速度进行采集处理， 根据算法得出当前所需输出的占空比脉冲。 对于控制 器的选择有以下二种方案。方案一：采用FPGA（现场可编辑门列阵）作为系统的控制器， FPGA可以实现各 种复杂的逻辑功能， 模块大，密度高，它将所有器件集成在一块芯片上， 减少了体积， 提高了稳定性，并且可应用 EDA软件仿真、调试，易于进行功能控制。 FPGA采用并 行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。 通过输入模块将参数

11、输入给 FPGA FPGAffi过程序设计控制PWM脉冲的占空比，但是 由于本次设计对数据处理的时间要求不高，FPGA勺高速处理的优势得不到充分体现， 并且由于其集成度高， 使其成本偏高， 同时由于芯片的引脚较多， 实物硬件电路板布 线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作 8方案二：采用STM32F103乍为系统控制的方案。STM32F10单片机算术运算功能 强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制。 相对于 FPGA 来说，它的芯片引脚少，在硬件很容易实现。并且它还具有功耗低、体积小、技术成 熟和成本低等优点，在各个领域中应用广泛。综合上述两种方案比较，采用STM32F

12、10作为控制器处理输入的数据并控制电机 运动较为简单，可以满足设计要求。因此在本次设计选用方案二。3系统硬件电路设计整体电路设计整体理论单片机直流电机调速简介：单片机直流调速系统可实现对直流电动机的平滑调 速。PWM!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PWMg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 89C52单片机为核心，通

13、过单片机控制，c语言编程实现对直流电机的平滑调速9。系统控制方案的分析：本直流电机调速系统以单片机系统为依托， 根据PW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。整体简单结构图和资源分配图本系统硬件资源分

14、配见图2所示，简单结构如图4。采用STM32F10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 10，通过STM32F103勺PA（A相）和PA7（B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320 X 240TFTLC显示器和4个独立按键作为人机接口图2 系统电路连接及硬件资源分配图最小单片机系统设计STM32F103ZETT作为MCU该芯片是STM32F10連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

15、口、1个USB 1个CAN 3个12位ADC 1个12位DAC 1个SDIO接口、1个FSM（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区动LCD可以显着提高LCD的刷屏速度，是STM32F傢 族常用型号里面，最高配置的芯片了。MCI部分的原理图如图3所示：图3 MCU最小系统设计图3.2.1 STM32F10；复位电路STM32F10的复位电路如图4所示：图 4 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

16、勺复位引脚也接在RESET 上，这样这个复位按钮不仅可以用来复位 MCU还可以复位LCD3.2.2 电源电路STM32F10板载的电源供电部分，其原理图如图5所示：图 5 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-D（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为开发板的总电源开关，F1为1000m自恢复保险丝，用于保护USB U12为稳压芯片，给开发板提供电源，而 U15则 是稳压芯片，供VS1053勺CVD使用。3.3 电机驱动电路设计驱动模

17、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11。其中输出脚（SENSE和SENSE）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PW

18、M!号实现电机调速。其电路如图6所示，禾U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PW脉冲控制L298N的选通端12，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 6 电机驱动电路3.4 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7所示，在圆盘的一侧固定一个发光二极管，其位置对准凹槽

19、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8所示，从图中可以得出电机每转一圈在 PA6（或PA7）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 13 。例如当电机以一定的转速运行时，PA6（或PA7）将输出如图所示的脉冲，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 7 电机速度采集方案图 8 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系统各项参数和电机运行状态进行显示， 因此在电路中加入显 示模块是非常必要的

20、 14 。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320X 240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320X 240全点阵液晶显示器组成，可完成汉字显示和图形显 示，模块原理图如图 9。图9寸TFTLCD莫块原理图从图9可以看出，ALIENTEK TFTLC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， 尤其在显示图片的时候， 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。图 10 还列出了触摸屏芯片的接口。图1

21、0寸TFTLCD模块接口图3.6 按键电路设计根据设计需求，本系统中使用了 4个独立按键用以实现对P、I、D三个参数和电 机正反转的设定，以及对电机启动、停止、暂停、继续的控制，其电路原理图如图 11 所示。图11 按键与STM32连接原理图键盘操作说明：在系统开始运行时，320X 240TFTLCD将显示开机界面，按KEY_DOW控制正反转，按KEY_LIFT减少速度，按KEY_RIGH增加速度，若按住设置 键(KEY_UP不放显示屏进入参数设置界面，并且可以显示当前 CPU温度，待所有量 设置完成后放开设置键，设置完成。4. 系统软件设计PID 算法本系统设计的核心算法为 PID 算法，它

22、根据本次采样的数据与设定值进行比较得 出偏差e(n)，对偏差进行P、I、D运算最终利用运算结果控制 PWI脉冲的占空比来实 现对加在电机两端电压的调节 15 ，进而控制电机转速。其运算公式为：u(n)KPe(n) e(n 1) KIe(n) KDe(n) 2e(n 1) e(n 2) u0因此要想实现 PID 控制在单片机就必须存在上述算法，其程序流程如图 12 所 示 ,PID 控制原理图如图 13。图 13 PID 控制原理图4.2 PID 参数整定方法如何选择控制算法的参数， 要根据具体过程的要求来考虑 16 。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

23、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r(t)与实际输出值c(t)构成的控制 偏差：e(t) = r(t) c(t)(1)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

24、器的控制规律为u(t) Kpe(t) 丁 te(t)dt Td 響(2)Ti odt式中，Kp为比例系数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数。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 e(t),偏差一旦产生，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Ti，Ti越大，积分作用越弱，反之则越强；(3) 微分环节：能反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号的 值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度， 减少调节时间。PI

25、D参数调节有下面的口诀：参数整定找最佳，从小到大顺序查；先是比例后积分，最后再把微分加；曲线振荡很频繁，比例度盘要放大；曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳；曲线偏离回复慢，积分时间往下降；曲线波动周期长，积分时间再加长；曲线振荡频率快，先把微分降下来；动差大来波动慢，微分时间应加长。4.3 电机速度采集算法本系统中电机速度采集是一个非常重要的部分，它的精度直接影响到整个控制的精度17。在设计中采用了光电传感器做为测速装置，其计算公式为：v=-N t从这里可以看出速度v的误差主要是由圆盘边缘上的凹槽数的多少决定的，为了减少系统误差应尽量提高凹槽的数量，在本次设计中取凹槽数N为120,采样时间t为，则

26、速度计算具体程序流程如图14所示。图14测速程4.4 程序流程图在一个完整的系统中，只有硬件部分是不能完成相应设计任务的， 所以在该系统 中软件部分是非常重要的，按照要求和系统运行过程设计出主程序流程如图15所示。图 15 主程序流程5. 系统调试软件调试在程序编写的过程中，出现了很多问题，包括键盘扫描处理、PWM信号发生电路的控制、 以及单片机控制直流电机的转动方向等问题， 虽然问题不是很大， 但是也让 我研究了好长时间， 在解决这些问题的时候， 我不断向老师和同学请教， 希望能通过 大家一块的努力把软件编写的更完整，让系统的功能更完备。经过多天的努力探索， 也经过老师的指导， 大部分问题都

27、已经解决， 就是程序还是不能实现应该实现的功能， 这让我很着急。 后来经过一点一点的调试， 并认真总结， 发现了问题其实在编写中断 处理程序时出现了错误，修改后即可实现直流电机调速的目的。总结这次软件调试， 让我认识到了做软件调试的基本方法与流程：（1）认真检查源代码，看是否有文字或语法错误（2）逐段子程序进行设计，找出错误出现的部分，重点排查（3）找到合适的方法，仔细检查程序，分步调试直到运行成功系统测试与分析为了确定系统与设计要求的符合程度，需要进行系统测试与分析，下面以 PID 调节器为例，具体说明经验法的整定步骤： 让调节器参数积分系数 K I =0，实际微分系数 K D =0，控制系

28、统投入闭环运行， 由小到大改变比例系数 K P ，让扰动信号作阶跃变化，观察控制过程，直到获得满意 的控制过程为止。 取比例系数 K P 为当前的值乘以，由小到大增加积分系数 K I ，同样让扰动信号 作阶跃变化，直至求得满意的控制过程。 积分系数 K I 保持不变，改变比例系数 K P ，观察控制过程有无改善，如有改善 则继续调整，直到满意为止。否则，将原比例系数 K P 增大一些，再调整积分系数 K I ， 力求改善控制过程。如此反复试凑，直到找到满意的比例系数 K P 和积分系数 K I 为 止。 引入适当的实际微分系数 K D 和实际微分时间 TD ，此时可适当增大比例系数 Kp和积分

29、系数Ki。和前述步骤相同，微分时间的整定也需反复调整，直到控制过 程满意为止。根据上诉方法，通过观察得出该系统比较合适的 P、I、D三者的参数值为：K p =, K I =, K D =。6. 总结与展望这一段时间过的无比的充实，每天都在忙碌着，查阅资料，翻看文档，了解相关的 知识， 每一个设计细节都要仔细的考虑， 每一个环节都要查阅相关的资料， 争取做到 完美。在这个系统中以前学的很多东西现在都用上了， 数码管的移位显示等等都是在 以前学习的基础上慢慢调试出来的， 所以在写这篇论文的时候又让我对以前的知识进 行了一次回顾，对知识又有了新的认识！真是受益匪浅！通过本次课程设计， 我学到了许多了

30、东西， 知道光靠书本上的东西是不够的， 需额 外去查资料。无论是在硬件、软件还是设计思路上，我都遇到了不少的问题，在克服 困难的过程中，我学到了许多。知道了 PID算法的应用，以前总觉得PID就是像做数 学一样，不知道实际应用。通过本次设计，让我很好的锻炼了理论与具体项目、课题 相结合开发、 设计产品的能力。 既让我们懂得了怎样把理论应用于实际， 又让我们懂 得了在实践中遇到的问题怎样用理论去解决。参考文献1 李建忠，余新拴，吴耀华 . 单片机原理及应用（第二版） M. 西安电子科技大学出版社 ,.2 刘军，张洋，严汉字.STM32F併发指南-库函数版本M.北京航空航天大学出版社， 谭浩强.C

31、程序设计（第三版） M. 清华大学出版社， .4 阎石. 数字电子技术基础（第五版） M. 高等教育出版社 ,.5 张友德 . 单片机原理应用与实验 M. 复旦大学出版社6 张毅刚，彭喜源，谭晓钧，曲春波. MCS51 单片机应用设计 M. 哈尔滨工业大学出版社7 宋庆环，才卫国，高志 .89C51 单片机在直流电动机调速系统中的应用 M. 唐山学院，8 陈 锟，危立辉 .基于单片机的直流电机调速器控制电路 J. 中南民族大学学报 , 自然科学 版，.9 李维军韩小刚 李晋.基于单片机用软件实现直流电机PW碉速系统J.维普资讯，.张俊谟 . 单片机中级教程 M. 北京：10 李杰 51系列单片

32、机输出 PWM勺两种方法DB/DL.北京航空航天大学出版社，2006: 96.12何立民 MCS-51系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术M. 北京：北京航空航天大学出版社， 1990: 83-87.13风标电子 Proteus 使用手册DB/OL. 2008-5-9 王伟，张晶涛，柴天佑 PID参数先进整 定方法综述J.自动化学报，2000,(3) : 347-35.15 韩京清非线性PID控制器J.自动化学报，1994,(4) : 487-490.16 万佑红，李新华用遗传算法实现PID参数整定J自动化技术与应用，2004,23：7-8.， 2001：17 Behzad of An a

33、log CMOS and In tegrated CircuitsM.McGraw-Hill Compa nies28-36.附录一 部分程序源程序主程序：#include ""#include ""#include ""#include "" .");key=update_font(20,110,16,0);从 SD卡更新while(key)/ 更新失败LCD_ShowString(60,110,200,16,16,"Font Update Failed!");delay_ms(200);LCD_Fill(20,110,200+20,110+16,WHITE);delay_ms(200);LCD_ShowString(60,110,200,16,16,"Font Update Success!"); delay_ms(1500);LCD_Clear(WHITE);/ 清屏while(1) startPID();/* 显示网格 */_Display_Grid(RED);PID 调节程序：long int PID(int setpoin