基于STM32的直流电机PID调速系统设计解读.docx

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基于STM32的直流电机PID调速系统设计解读

《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：

12034320515

姓名：

任课教师：

完成时间：

2015.11.18——2015.12.30

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，STM32F103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320×240TFTLCD显示器作为显示部件，通过4个按键通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

BasedontheSTM32PIDspeedcontrolofdcmotor

Abstract

Motorspeedcontroloccupiesacrucialpositioninthemotioncontrolsystem,thedesignofthemotorspeedcontrolforthestudy;inthebasicPIDcontrolalgorithm,STM32F103microcontrollercore,bythePIDcontrolalgorithmgeneratesaPWMpulsetoachieveDCspeedcontrol.Atthesametimetheuseofphotoelectricsensorstoconvertthemotorspeedtopulsefrequencyfeedbacktothemicrocontrollertoachieveclosed-loopspeedcontrol,tospeedstaticerroradjustmentpurposes.Mining320×240TFTLCDmonitorasadisplayunitinthesystem,throughfourkeysettingsP,I,D,Vfourparametersandreversingcontrolthroughtheinterfaceswitchingmode,starttounderstandthecurrentstateofthemotorandthesystemthroughthedisplayunitCPUtemperature.Thesystemcontrolandhighprecision,hasastronganti-jammingcapability.

Keywords:

PIDDCmotorfeedbackregulation

1.绪论1

1.1研究背景与意义1

1.2本文主要研究方法1

2.设计方案与论证2

2.1系统设计方案2

2.2控制器模块设计方案2

3.系统硬件电路设计3

3.1整体电路设计3

3.1.1整体理论3

3.1.2整体简单结构图和资源分配图3

3.2最小单片机系统设计4

3.2.1STM32F103复位电路6

3.2.2电源电路6

3.3电机驱动电路设计7

3.4光电码盘编码器电路设计7

3.5显示电路设计8

3.6按键电路设计10

4.系统软件设计10

4.1PID算法10

4.2PID参数整定方法11

4.3电机速度采集算法12

4.4程序流程图12

5.系统调试13

5.1软件调试13

6.总结与展望15

参考文献16

附录一部分程序源程序17

附录二系统界面实物图和PCB图20

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，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PWM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[4]。

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PWM信号的发生系统[5]，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

2.1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脉冲的占空比，实现电机转速实时控制的目的[7]。

图1系统方案框图

2.2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输入给FPGA，FPGA通过程序设计控制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的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作为系统控制的方案。

STM32F103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STM32F103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

3.1整体电路设计

3.1.1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89C52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[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。

3.1.2整体简单结构图和资源分配图

本系统硬件资源分配见图2所示，简单结构如图4。

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[10]，通过STM32F103的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320×240TFTLCD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

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：

64KBSRAM、512KBFLASH、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。

MCU部分的原理图如图3所示：

图3MCU最小系统设计图

3.2.1STM32F103复位电路

STM32F103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DC6~24V，输入电压经过U13DC-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[11]。

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6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[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3.5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[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320×240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320×240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92.8寸TFTLCD模块原理图

从图9可以看出，ALIENTEKTFTLCD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102.8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，320×240TFTLCD将显示开机界面，按KEY_DOWN控制正反转，按KEY_LIFT减少速度，按KEY_RIGHT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

4.1PID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：

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13PID控制原理图

4.2PID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

构成的控制偏差：

=

－

（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调节器的控制规律为

（2）

式中，

为比例系数，

为积分时间常数，

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

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

，

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。

PID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=

r/min

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0.5s，则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

5.1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

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：

①让调节器参数积分系数

=0，实际微分系数

=0，控制系统投入闭环运行，由小到大改变比例系数

，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。

②取比例系数

为当前的值乘以0.83，由小到大增加积分系数

，同样让扰动信号作阶跃变化，直至求得满意的控制过程。

③积分系数

保持不变，改变比例系数

，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

增大一些，再调整积分系数

，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

和积分系数

为止。

④引入适当的实际微分系数

和实际微分时间

，此时可适当增大比例系数

和积分系数

。

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:

=4.0,

=0.9,

=1.0。

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。

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