东南大学机械本科设计论文4024505.docx

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东南大学机械本科设计论文4024505

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学士学位论文

基于MCU的通用控制器设计

东南大学毕业（设计）论文独创性声明

本人声明所呈交的毕业（设计）论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

东南大学毕业（设计）论文使用授权声明

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论文的公布（包括刊登）授权东南大学教务处办理。

基于MCU的通用控制器设计

摘要:

电机控制器的发展朝着集成化和通用化的方向发展着。

目前，电机控制专用集成电路芯片技术已经比较成熟，电机控制专用集成电路芯片的种类也十分齐全，但在通用性上还显得不足。

而且，电机控制专用集成电路品种规格繁多，产品资料和应用资料丰富，但是又很分散，需要花时间收集整理、分析消化，研究电机的通用控制器很有必要。

本次设计先用MATLAB对PID控制器进行仿真，计算，包括参数整定，加深对控制器和离散算法的认识，再进一步探索双闭环反馈的控制器算法。

然后在基于STM32的电机控制电路中进行检验，以便进一步优化算法。

这次设计的通用控制器其通用性主要体现在两个方面：

一是PID控制器结构的通用性即可以选择单闭环，双环，甚至三环控制，对不需要的控制只需要将该参数设置为0；二是PID参数的通用性，即可以很方便的对PID参数进行调整，以适应实际的需求。

就目前的研究结果来看，理论研究基本完成，亦根据实际情况拟合出了电机转速与占空比之间的函数关系，将这种关系应用在简单的单闭环控制中取得了很好的效果，在不使用这种关系，亦对PID参数进行了整定，还需要进一步检验PID算法对实际电机控制的效果，提高其通用性。

关键词;STM32；通用控制器；PID；MATLAB仿真

DesignofMCUBasedUniversalController

Abstract:

Themotorcontrollerisbecomingmoreandmoreintegratedanduniversal.Atpresent,thetechnologyofmotorcontrolASICchipisrelativelymature,thetypesarealsoverycomplete,butitlacksuniversalitypartly.Moreover,therearevarietiesspecifications,productinformationandapplicationdatabutveryscattered,ittakeslotsoftimetocollectandanalyzethem.Sothestudyoftheuniversalmotorcontrollerisnecessary.

Inthedesign,firstlytheMATLABisusedtoemulatethePIDcontroller,includingparametercalculation,toachieveabetterunderstandingonthecontrollerandthediscretealgorithm,andthenanalgorithmofdoubleclosed-loopcontrolsystemisexplored.AndthenacircuitofmotorcontrolbasedontheSTM32istested,inordertofurtheroptimizethealgorithm.

Theuniversalityoftheuniversalcontrollerismainlyreflectedinthetwosides:

First,thePIDcontrollerstructureisoptionalamongasingleclosedloopcontrolsystem,adoubleloopcontrolsystem,andeventhreeloopcontrolsystem;SecondistheversatilityofthePIDparameters,canadjustedfortheactualdemandinthefield.

Accordingtothecurrentresults,thetheoreticalstudyiscompleted,afunctionalrelationshipbetweenmotorspeedanddutycycleisdeterminedbasedontheactualsituation.Therelationshipisappliedinasingleclosed-loopcontrolsystemandachieveagoodeffect.ButfurtherexamineoftheeffectofthePIDalgorithm,italsoneedintheactualmotorcontrol.

Keywords:

STM32;UniversalController;PID;MATLABSimulation

1、绪论2

1.1引言2

1.2研究现状与发展趋势2

1.3本课题的研究目的和主要研究内容3

2、直流电机调速控制系统分析及MATLAB仿真4

2.1原理分析4

2.1.1直流电机基本调速方法与PWM4

2.1.2直流电机调速系统5

2.2MATLAB仿真6

2.2.1电机控制系统数学模型的推导6

2.2.2Simulink仿真7

2.3系统离散化16

2.4状态空间法与串行算法模拟并行的探索18

2.4.1状态空间法的启示18

2.4.2算法的探索19

3、实践设计篇21

3.1整体方案设计21

3.2硬件部分22

3.2.1STM32开发板22

3.2.2电机驱动电路22

3.2.3正交编码器测转速23

3.2.4稳压电源电路24

3.3软件模块25

3.3.1PWM生成子程序25

3.3.2串口模块—速度给定与速度显示26

3.3.3速度测定与方向判断子程序27

3.3.4PID算法模块27

4、实践检验篇29

4.1实物连接图29

4.2用MATLAB曲线拟合方法确定占空比与空载电机转速的关系29

4.3简单闭环控制试验32

4.4PID算法试验33

4.5第二次PID算法试验34

5、总结与改进37

5.1总结37

5.2改进的一些思路37

致谢39

参考文献40

基于MCU的通用控制器设计

1、绪论

1.1引言

运动控制系统是以机械运动的驱动设备——电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论指导下组成的电力传动自动控制系统，这类系统控制电机的转矩，转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的控制。

纵观运动控制系统的发展历程，交，直流两大电气传动并存于各个工业领域，虽然各个时期科学技术的发展使他们所处的地位，所起的作用不同，但他们始终是随着工业的发展，特别是电力电子和微电子技术的发展，在相互竞争，相互促进中，不断完善并发生着变化。

由于历史上最早出现的是直流电动机，所以19世纪80年代以前，直流电气传动是唯一的电气传动方式。

直到19世纪末，出现了交流电动机，这才使得交流电气传动在工业中逐步得到广泛应用。

随着生产技术的发展，对电气传动在启制动，正反转以及调速精度，调速范围，静态特性，动态响应等方面提出了更高的要求，这就要求大量使用调速系统，由于直流电动机的调速性能和转矩控制性能好，从20世纪30年代起，就开始使用直流调速系统。

它的发展过程是这样的，由最早的旋转交流机组控制发展为放大机，磁放大机控制；再进一步，用静止的晶闸管变流装置和模拟控制器实现直流调速；再后来，用可控整流和大功率晶体管组成的PWM控制电路实现数字化的直流调速，使系统的快速性，可靠性，经济性不断提高。

调速性能的不断提高，使直流调速系统的应用非常广泛，然而由于直流电动机具有电刷和换向器，制造工艺复杂且成本高，维护麻烦，使用环境受到限制等缺点，并且很难向高转速，高电压，大容量发展，逐渐显示出直流调速的弱点。

普遍应用于恒速运行场合的交流电动机，可以弥补直流电动机的不足。

于是人们又开始了新一轮交流调速的研究。

仅对占传动总量三分之一强的风机，水泵设备而言，如果改恒速为调速的话，就可以节电30%左右。

近三四十年来，随着电力电子技术，微电子技术，现代控制理论的发展，为交流调速产品的开发创造了有利条件，并实现了产品的系列化。

从调速性能看，完全可与直流调速系统媲美[]。

现代电动机自动控制的真正的发展是以电力电子器件的发展和应用为基础的。

而微处理器的应用使电气传动控制技术再次发生了巨大地变革，使用微处理器实现数字化控制不仅可以简化控制硬件，而且可以加入人工智能对系统运行状态进行诊断，这对电气传动控制系统的发展产生了深远影响[]。

1.2研究现状与发展趋势

微处理器诞生于上个世纪七十年代，随着集成电路大规模及超大规模集成电路制造工艺的迅速发展，微处理器的性价比越来越高。

此外，由于电力电子技术的发展，制作工艺的提升，使得大功率电子器件的性能迅速提高。

为微处理器普遍用于控制电机提供了可能，利用微处理器控制电机完成各种新颖的、高性能的控制策略，使电机的各种潜在能力得到充分的发挥，使电机的性能更符合工业生产使用要求，还促进了电机生产商研发出各种如步进电机、无刷直流电机、开关磁阻电动机等便于控制且实用的新型电机，使电机的发展出现了新的变化。

对于简单的微处理器控制电机，只需利用用微处理器控制继电器、电子开关元器件，使电路开通或关断就可实现对电机的控制。

现在带微处理器的可编程控制器，已经在各种的机床设备和各种的生产流水线中普遍得到应用，通过对可编程控制器进行编程就可以实现对电机的规律化控制。

对于复杂的微处理器控制电机,则要利用微处理器控制电机的电压、电流、转矩、转速、转角等，使电机按给定的指令准确工作。

通过微处理器控制，可使电机的性能有很大的提高。

目前相比直流电机和交流电机他们各有所长，如直流电机调速性能好，但带有机械换向器，有机械磨损及换向火花等问题；交流电机，不论是异步电机还是同步电机，结构都比直流电机简单，工作也比直流电机可靠，但在频率恒定的电网上运行时，它们的速度不能方便而经济地调节。

高性能的微处理器如DSP（DigitalSignalProcessor）即数字信号处理器）的出现，为采用新的控制理论和控制策略提供了良好的物质基础，使电机传动的自动化程度大为提高。

在先进的数控机床等数控位置伺服系统，已经采用了如DSP等的高速微处理器，其执行速度可达数百万