基于STM32的直流電機PID調(diào)速系統(tǒng)設計

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上電氣控制技術(shù)研究生課程設計報告題 目 基于STM32的直流電機PID調(diào)速系統(tǒng) 學 院 機械與汽車工程學院 專業(yè)班級 車輛工程 學 號 0 學生姓名 李躍軒 指導教師 康 敏 完成日期 2017年01月03日 目錄專心-專注-專業(yè)1.緒論本文主要研究了利用STM32系列單片機，通過PWM方式控制直流電機調(diào)速的方法。PWM控制技術(shù)以其控制簡單、靈活和動態(tài)響應好的優(yōu)點而成為電力電子技術(shù)最廣泛應用的控制方式，也是人們研究的熱點。由于當今科學技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒有了學科之間的界限，結(jié)合現(xiàn)代控制理論思想或?qū)崿F(xiàn)無諧振軟開關(guān)技術(shù)將會成為PWM控制技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。本文就是利用這種控

2、制方式來改變電壓的占空比實現(xiàn)直流電機速度的控制。采用的芯片組成了PWM信號的發(fā)生系，然后通過L298N放大來驅(qū)動電機。利用光電編碼盤器測得電機速度，然后反饋給單片機，在內(nèi)部進行PID運算，輸出控制量完成閉環(huán)控制，實現(xiàn)電機的調(diào)速控制。2.設計方案根據(jù)系統(tǒng)設計的任務和要求，設計系統(tǒng)方框圖如圖1所示。圖中控制器模塊為系統(tǒng)的核心部件，鍵盤和顯示器用來實現(xiàn)人機交互功能，其中通過鍵盤將速度參數(shù)輸入到單片機中，并且通過控制器顯示到顯示器上。在運行過程中控制器產(chǎn)生PWM脈沖送到電機驅(qū)動電路中，經(jīng)過放大后控制直流電機轉(zhuǎn)速，同時利用速度檢測模塊將當前轉(zhuǎn)速反饋到控制器中，控制器經(jīng)過數(shù)字PID運算后改變PWM脈沖的占

3、空比，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速實時控制的目的。圖1 系統(tǒng)方案框圖3系統(tǒng)硬件電路設計3.1整體電路設計單片機直流調(diào)速系統(tǒng)可實現(xiàn)對直流電動機的平滑調(diào)速。PWM是通過控制固定電壓的直流電源開關(guān)頻率，從而改變負載兩端的電壓，進而達到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。在PWM驅(qū)動控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)“接通”和“斷開”時間的長短。通過改變直流電機電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速。因此，PWM又被稱為“開關(guān)驅(qū)動裝置”。本系統(tǒng)以STM32單片機為核心，通過單片機控制，C語言編程實現(xiàn)對直流電機的平滑調(diào)速。本直流電機調(diào)速系統(tǒng)以單片機系統(tǒng)為依托，

4、根據(jù)PWM調(diào)速的基本原理，以直流電機電樞上電壓的占空比來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速為依據(jù)，實現(xiàn)對直流電動機的平滑調(diào)速，并通過單片機控制速度的變化。本文所研究的直流電機調(diào)速系統(tǒng)主要是由硬件和軟件兩大部分組成。硬件部分是前提，是整個系統(tǒng)執(zhí)行的基礎，它主要為軟件提供程序運行的平臺。而軟件部分，是對硬件端口所體現(xiàn)的信號，加以采集、分析、處理，最終實現(xiàn)控制器所要實現(xiàn)的各項功能，達到控制器自動對電機速度的有效控制。本系統(tǒng)硬件資源分配見圖2所示。采用STM32F103單片機作為核心器件，轉(zhuǎn)速檢測模塊作為電機轉(zhuǎn)速測量裝置，通過STM32F103的PA1(A相)將電脈沖信號送入單片機處理，L298

5、作為直流電機的驅(qū)動模塊，利用320×240TFTLCD顯示器和3個獨立按鍵作為人機接口。圖2 系統(tǒng)電路連接及硬件資源分配圖3.2最小單片機系統(tǒng)設計STM32F103ZETT6作為MCU，該芯片是STM32F103里面配置非常強大的了，它擁有的資源包括：64KB SRAM、512KB FLASH、2個基本定時器、4個通用定時器、2個高級定時器、2個DMA控制器（共12個通道）、3個SPI、2個IIC、5個串口、1個USB、1個CAN、3個12位ADC、1個12位DAC、1個SDIO接口、1個FSMC接口以及112個通用IO口。該芯片的配置十分強悍，并且還帶外部總線（FSMC）可以用來外

6、擴SRAM和連接LCD等，通過FSMC驅(qū)動LCD，可以顯著提高LCD的刷屏速度，是STM32F1家族常用型號里面，最高配置的芯片了。3.2.1STM32F103復位電路STM32F103的復位電路如圖3所示： 圖3 復位電路圖因為STM32是低電平復位的，所以我們設計的電路也是低電平復位的，這里的R3和C12構(gòu)成了上電復位電路。同時，開發(fā)板把TFT_LCD的復位引腳也接在RESET上，這樣這個復位按鈕不僅可以用來復位MCU，還可以復位LCD。3.2.2電源電路STM32F103板載的電源供電部分，其原理圖如圖4所示：圖4 電源電路圖中，總共有3個穩(wěn)壓芯片：U12/U13/U15，DC_IN用于

7、外部直流電源輸入，范圍是DC624V，輸入電壓經(jīng)過U13 DC-DC芯片轉(zhuǎn)換為5V電源輸出，其中D4是防反接二極管，避免外部直流電源極性搞錯的時候，燒壞開發(fā)板。K2為開發(fā)板的總電源開關(guān)，F(xiàn)1為1000ma自恢復保險絲，用于保護USB。U12為3.3V穩(wěn)壓芯片，給開發(fā)板提供3.3V電源，而U15則是1.8V穩(wěn)壓芯片，供VS1053的CVDD使用。3.3電機驅(qū)動電路設計驅(qū)動模塊是控制器與執(zhí)行器之間的橋梁，在本系統(tǒng)中單片機的I/O口不能直接驅(qū)動電機，只有引入電機驅(qū)動模塊才能保證電機按照控制要求運行，在這里選用L298N電機驅(qū)動芯片驅(qū)動電機，該芯片是由四個大功率晶體管組成的H橋電路構(gòu)成，四個晶體管分為

8、兩組，交替導通和截止，用單片機控制達林頓管使之工作在開關(guān)狀態(tài)，通過調(diào)整輸入脈沖的占空比，調(diào)整電動機轉(zhuǎn)速。其中輸出腳（SENSEA和SENSEB）用來連接電流檢測電阻，Vss接邏輯控制的電源。Vs為電機驅(qū)動電源。IN1-IN4輸入引腳為標準TTL 邏輯電平信號，用來控制H橋的開與關(guān)即實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)，ENA、ENB引腳則為使能控制端，用來輸入PWM信號實現(xiàn)電機調(diào)速。其電路如圖5所示，利用兩個光電耦合器將單片機的I/O與驅(qū)動電路進行隔離，保證電路安全可靠。這樣單片機產(chǎn)生的PWM脈沖控制L298N的選通端，使電機在PWM脈沖的控制下正常運行，其中四個二極管對芯片起保護作用。圖5 電機驅(qū)動電路3.4光

9、電碼盤編碼器電路設計在本系統(tǒng)中由于要將電機本次采樣的速度與上次采樣的速度進行比較，通過偏差進行PID運算，因此速度采集電路是整個系統(tǒng)不可缺少的部分。本次設計中應用了比較常見的光電測速方法來實現(xiàn)，其具體做法是將電機軸上固定一圓盤，且其邊緣上有N個等分凹槽如圖6所示，在圓盤的一側(cè)固定一個發(fā)光二極管，其位置對準凹槽處，在另一側(cè)和發(fā)光二極光平行的位置上固定一光敏三極管，如果電動機轉(zhuǎn)到凹槽處時，發(fā)光二極管通過縫隙將光照射到光敏三極管上，三極管導通，反之三極管截止，電路如圖7所示，從圖中可以得出電機每轉(zhuǎn)一圈在PA3的輸出端就會產(chǎn)生N個低電平。這樣就可根據(jù)低電平的數(shù)量來計算電機此時轉(zhuǎn)速了。例如當電機以一定的

10、轉(zhuǎn)速運行時，PA3將輸出如圖7所示的脈沖，若知道一段時間t內(nèi)傳感器輸出的低脈沖數(shù)為n，則可求出電機轉(zhuǎn)速。 圖6 電機速度采集方案 圖7 傳感器輸出脈沖波形3.5 顯示電路設計根據(jù)設計要求要對電機的轉(zhuǎn)速進行讀取，因此在電路中加入顯示模塊是很有必要的。在系統(tǒng)運行過程中需要顯示的數(shù)據(jù)比較多，而且需要漢字顯示，在這里選用320×240液晶顯示器比較適合，它是一種圖形點陣液晶顯示器,主要由行驅(qū)動器/列驅(qū)動器及320×240全點陣液晶顯示器組成，可完成漢字顯示。TFTLCD模塊采用16位的并方式與外部連接，之所以不采用8位的方式，是因為彩屏的數(shù)據(jù)量比較大，如果用8位數(shù)據(jù)線，就會比16位

11、方式慢一倍以上，我們當然希望速度越快越好，所以我們選擇16位的接口。3.6按鍵電路設計根據(jù)設計需求，本系統(tǒng)中使用了3個獨立按鍵用以實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的設定以及復位功能。鍵盤操作說明：在系統(tǒng)開始運行時，320×240TFTLCD將顯示開機界面，按KEY_2增加速度，按KEY_3減少速度，按KEY_RESET鍵是復位，使程序回到初始狀態(tài)。4.系統(tǒng)軟件設計4.1 PID算法本系統(tǒng)設計的核心算法為PID算法，它根據(jù)本次采樣的數(shù)據(jù)與設定值進行比較得出偏差，對偏差進行P、I、D運算最終利用運算結(jié)果控制PWM脈沖的占空比來實現(xiàn)對加在電機兩端電壓的調(diào)節(jié)，進而控制電機轉(zhuǎn)速。其運算公式為： （1）如何選擇控

12、制算法的參數(shù)，要根據(jù)具體過程的要求來考慮。一般來說，要求被控過程是穩(wěn)定的，能迅速和準確地跟蹤給定值的變化，超調(diào)量小，在不同干擾下系統(tǒng)輸出應能保持在給定值，操作變量不宜過大，在系統(tǒng)和環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時控制應保持穩(wěn)定。顯然，要同時滿足上述各項要求是很困難的，必須根據(jù)具體過程的要求，滿足主要方面，并兼顧其它方面。PID調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，它根據(jù)給定值與實際輸出值構(gòu)成的控制偏差： = （2）將偏差的比例、積分、微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對控制對象進行控制，故稱為PID調(diào)節(jié)器。在實際應用中，常根據(jù)對象的特征和控制要求，將P、I、D基本控制規(guī)律進行適當組合，以達到對被控對象進行有效控制的目的。例如，

13、P調(diào)節(jié)器，PI調(diào)節(jié)器，PID調(diào)節(jié)器等。模擬PID調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律為 （3）式中，為比例系數(shù)，為積分時間常數(shù)，為微分時間常數(shù)。簡單的說，PID調(diào)節(jié)器各校正環(huán)節(jié)的作用是：（1）比例環(huán)節(jié)：即時成比例地反應控制系統(tǒng)的偏差信號,偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用以減少偏差；（2）積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)，越大，積分作用越弱，反之則越強；（3）微分環(huán)節(jié)：能反映偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。4.2電機速度采集算法本系統(tǒng)中電機速度采集是一個非常重要

14、的部分，它的精度直接影響到整個控制的精度。在設計中采用了光電傳感器做為測速裝置，其計算公式為： v= r/min （3）式中，速度v的誤差主要是由圓盤邊緣上的凹槽數(shù)的多少決定的，為了減少系統(tǒng)誤差應盡量提高凹槽的數(shù)量，在本次設計中取凹槽數(shù)N為260，采樣時間t為10ms。5.系統(tǒng)調(diào)試5.1 軟件調(diào)試在程序編寫的過程中，出現(xiàn)了很多問題，包括鍵盤掃描處理、PWM信號發(fā)生電路的控制、以及單片機控制直流電機的轉(zhuǎn)動方向等問題，雖然問題不是很大，但是也讓我研究了好長時間，在解決這些問題的時候，我不斷向老師和同學請教，希望能通過大家一塊的努力把軟件編寫的更完整，讓系統(tǒng)的功能更完備。經(jīng)過多天的努力探索，也經(jīng)過老

15、師的指導，大部分問題都已經(jīng)解決，就是程序還是不能實現(xiàn)應該實現(xiàn)的功能，這讓我很著急。后來經(jīng)過一點一點的調(diào)試，并認真總結(jié)，發(fā)現(xiàn)了問題其實在編寫中斷處理程序時出現(xiàn)了錯誤，修改后即可實現(xiàn)直流電機調(diào)速的目的?？偨Y(jié)這次軟件調(diào)試，讓我認識到了做軟件調(diào)試的基本方法與流程：（1）認真檢查源代碼，看是否有文字或語法錯誤（2）逐段子程序進行設計，找出錯誤出現(xiàn)的部分，重點排查（3）找到合適的方法，仔細檢查程序，分步調(diào)試直到運行成功5.2 為了確定系統(tǒng)與設計要求的符合程度，需要進行系統(tǒng)測試與分析，下面以PID調(diào)節(jié)器為例，具體說明經(jīng)驗法的整定步驟：讓調(diào)節(jié)器參數(shù)積分系數(shù)=0，實際微分系數(shù)=0，控制系統(tǒng)投入閉環(huán)運行，由小到大

16、改變比例系數(shù)，讓擾動信號作階躍變化，觀察控制過程，直到獲得滿意的控制過程為止。取比例系數(shù)為當前的值乘以5，由小到大增加積分系數(shù)，同樣讓擾動信號作階躍變化，直至求得滿意的控制過程。積分系數(shù)保持不變，改變比例系數(shù)，觀察控制過程有無改善，如有改善則繼續(xù)調(diào)整，直到滿意為止。否則，將原比例系數(shù)增大一些，調(diào)整積分系數(shù)，力求改善控制過程。如此反復，直到找到滿意的比例系數(shù)和積分系數(shù)為止。引入適當?shù)膶嶋H微分系數(shù)和實際微分時間，此時可適當增大比例系數(shù)和積分系數(shù)。和前述步驟相同，微分時間的整定也需反復調(diào)整，直到控制過程滿意為止。根據(jù)上訴方法，通過觀察得出該系統(tǒng)比較合適的P、I、D三者的參數(shù)值為: =5, =0.00

17、105, =0。6.總結(jié)與展望這一段時間過的無比的充實，每天都在忙碌著，查閱資料，翻看文檔，了解相關(guān)的知識，每一個設計細節(jié)都要仔細的考慮，每一個環(huán)節(jié)都要查閱相關(guān)的資料，爭取做到完美。在這個系統(tǒng)中以前學的很多東西現(xiàn)在都用上了，數(shù)碼管的移位顯示等等都是在以前學習的基礎上慢慢調(diào)試出來的，所以在寫這篇論文的時候又讓我對以前的知識進行了一次回顧，對知識又有了新的認識！真是受益匪淺！通過本次課程設計，我學到了許多了東西，知道光靠書本上的東西是不夠的，需額外去查資料。無論是在硬件、軟件還是設計思路上，我都遇到了不少的問題，在克服困難的過程中，我學到了許多。知道了PID算法的應用，以前總覺得PID就是像做數(shù)學

18、一樣，不知道實際應用。通過本次設計，讓我很好的鍛煉了理論與具體項目、課題相結(jié)合開發(fā)、設計產(chǎn)品的能力。既讓我們懂得了怎樣把理論應用于實際，又讓我們懂得了在實踐中遇到的問題怎樣用理論去解決。附錄一 部分程序源程序<Main.c>#include "stm32f10x.h"#include "delay.h"#include "exti.h"#include "lcd.h"#include "text.h"#include <DCMotor_PWM.h>#include <

19、;PID_Controller.h>float WishSpeedMax=360;float WishSpeedMin=0;float WishSpeed;extern float U_Out2;u8 WishSpeedChar11;u8 RealSpeedChar11;int main(void)SystemInit();delay_init(72);NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);EXTI_Config();PID_ParameterReckon();Tim3_Init();DCMotor_Init(); DCMotor_

20、Out(U_Out0);WishSpeed=200; POINT_COLOR=BLUE;BACK_COLOR=WHITE; LCD_Init();LCD_Clear(WHITE);LCD_ShowString(30,50,"Wished Speed",POINT_COLOR);WishSpeedLCDShow();LCD_ShowString(30,90,"Real Speed",POINT_COLOR);while(1)Add_PID_Control();PID_Controller.c#include <PID_Controller.h>

21、#include <DCMotor_PWM.h>extern float WishSpeed;extern float RealSpeed;float U_OutMAX=1000;/Õ¼¿Õ±È100%float U_OutMIN=0;float Kp;float Ki;float Kd;float Error3;float U_Out2;float U_Add;void PID_ParameterReckon(void)Kp=5;Ki=0.00105;Kd=0; U_Out0=0.0;Error2=0.0;Error1=

22、0.0;Error0=0.0;void Add_PID_Control(void)Error2=WishSpeed-RealSpeed;if(Error2>(-0.05*WishSpeed)&&(Error2<(0.05*WishSpeed)Error2=0;U_Add=Kp*(Error2-Error1)+Ki*Error2+Kd*(Error2-2*Error1+Error0);U_Out1=U_Add+U_Out0;if(U_Out1>U_OutMAX)U_Out1=U_OutMAX;if(U_Out1<U_OutMIN)U_Out1=U_OutM

23、IN;DCMotor_Out(int16_t)(U_Out1); U_Out0=U_Out1;Error0=Error1;Error1=Error2;Dcmotor_PWM.c#include <DCMotor_PWM.h>#include "delay.h"extern float U_Out2;int InPWM_HzNew;int InPWM_HzOld;int16_t OutPWM;static void Tim2_Init(void)TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;TIM_OCInitType

24、Def TIM_OCInitStructure;RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE); TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period=1000-1; TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler=4-1; TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=0; TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up; TIM_TimeBaseInit(TIM2,&TIM_TimeBaseS

25、tructure); TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode=TIM_OCMode_PWM1; TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState=TIM_OutputState_Enable; TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse=0; TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity=TIM_OCPolarity_High; TIM_OC4Init(TIM2,&TIM_OCInitStructure); TIM_OC4PreloadConfig(TIM2,TIM_OCPreload_Enable);

26、 TIM_ARRPreloadConfig(TIM2,ENABLE); TIM_Cmd(TIM2,ENABLE); static void Tim5_Init(void)TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM5, ENABLE); RCC_AP

27、B2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_1; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IPD;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_0);TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period=65536-1; TIM_Ti

28、meBaseStructure.TIM_Prescaler=72-1; TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1; TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up; TIM_TimeBaseInit(TIM5,&TIM_TimeBaseStructure);TIM_ICInitStructure.TIM_Channel=TIM_Channel_2;TIM_ICInitStructure.TIM_ICPolarity=TIM_ICPolarity_Rising

29、;TIM_ICInitStructure.TIM_ICSelection=TIM_ICSelection_DirectTI;TIM_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler=TIM_ICPSC_DIV1;TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter=0;TIM_ICInit(TIM5,&TIM_ICInitStructure);NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel=TIM5_IRQn;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=2;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority=0;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd=ENABLE;NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);TIM_ITConfig(TIM5,TIM_IT_CC2,ENABLE);TIM_Cmd(TIM5,ENABLE);void Tim3_Init(void)TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;R