目錄

1.緒論

2.設(shè)計方案

3．系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

3.1整體電路設(shè)計

3.2最小單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計

3.2.1STM32F103復(fù)位電路

3.2.2電源電路

3.3電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計

3.4光電碼盤編碼器電路設(shè)計

3.5 顯示電路設(shè)計

3.6按鍵電路設(shè)計

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 PID算法

4.2電機(jī)速度采集算法

5.系統(tǒng)調(diào)試

5.1 軟件調(diào)試

5.2 系統(tǒng)測試與分析

6.總結(jié)與展望

附錄一

本文主要研究了利用STM32系列單片機(jī)，通過PWM方式控制直流電機(jī)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(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式，也是人們研究的熱點(diǎn)。由于當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒有了學(xué)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制方式來改變電壓的占空比實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)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(jī)。利用光電編碼盤器測得電機(jī)速度，然后反饋給單片機(jī)，在內(nèi)部進(jìn)行PID運(yùn)算，輸出控制量完成閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速控制。

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的任務(wù)和要求，設(shè)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(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，其中通過鍵盤將速度參數(shù)輸入到單片機(jī)中，并且通過控制器顯示到顯示器上。在運(yùn)行過程中控制器產(chǎn)生PWM脈沖送到電機(jī)驅(qū)動電路中，經(jīng)過放大后控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，同時利用速度檢測模塊將當(dāng)前轉(zhuǎn)速反饋到控制器中，控制器經(jīng)過數(shù)字PID運(yùn)算后改變PWM脈沖的占空比，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)時控制的目的。

圖1  系統(tǒng)方案框圖

單片機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對直流電動機(jī)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(fù)載兩端的電壓，進(jìn)而達(dá)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(jī)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(jī)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(jī)為核心，通過單片機(jī)控制，C語言編程實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)的平滑調(diào)速。

本直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)以單片機(jī)系統(tǒng)為依托，根據(jù)PWM調(diào)速的基本原理，以直流電機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)對直流電動機(jī)的平滑調(diào)速，并通過單片機(jī)控制速度的變化。本文所研究的直流電機(jī)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(chǔ)，它主要為軟件提供程序運(yùn)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(shí)現(xiàn)控制器所要實(shí)現(xiàn)的各項(xiàng)功能，達(dá)到控制器自動對電機(jī)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(jī)作為核心器件，轉(zhuǎn)速檢測模塊作為電機(jī)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(jī)處理，L298作為直流電機(jī)的驅(qū)動模塊，利用320×240TFTLCD顯示器和3個獨(dú)立按鍵作為人機(jī)接口。

圖2 系統(tǒng)電路連接及硬件資源分配圖

STM32F103ZETT6作為MCU，該芯片是STM32F103里面配置非常強(qiáng)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(qiáng)悍，并且還帶外部總線（FSMC）可以用來外擴(kuò)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。

STM32F103的復(fù)位電路如圖3所示：

因?yàn)镾TM32是低電平復(fù)位的，所以我們設(shè)計的電路也是低電平復(fù)位的，這里的R3和C12構(gòu)成了上電復(fù)位電路。同時，開發(fā)板把TFT_LCD的復(fù)位引腳也接在RESET上，這樣這個復(fù)位按鈕不僅可以用來復(fù)位MCU，還可以復(fù)位LCD。

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用于外部直流電源輸入，范圍是DC6~24V，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(fù)保險絲，用于保護(hù)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。

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(jī)的I/O口不能直接驅(qū)動電機(jī)，只有引入電機(jī)驅(qū)動模塊才能保證電機(jī)按照控制要求運(yùn)行，在這里選用L298N電機(jī)驅(qū)動芯片驅(qū)動電機(jī)，該芯片是由四個大功率晶體管組成的H橋電路構(gòu)成，四個晶體管分為兩組，交替導(dǎo)通和截止，用單片機(jī)控制達(dá)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(jī)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(jī)驅(qū)動電源。IN1-IN4輸入引腳為標(biāo)準(zhǔn)TTL 邏輯電平信號，用來控制H橋的開與關(guān)即實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，ENA、ENB引腳則為使能控制端，用來輸入PWM信號實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。其電路如圖5所示，利用兩個光電耦合器將單片機(jī)的I/O與驅(qū)動電路進(jìn)行隔離，保證電路安全可靠。這樣單片機(jī)產(chǎn)生的PWM脈沖控制L298N的選通端，使電機(jī)在PWM脈沖的控制下正常運(yùn)行，其中四個二極管對芯片起保護(hù)作用。

在本系統(tǒng)中由于要將電機(jī)本次采樣的速度與上次采樣的速度進(jìn)行比較，通過偏差進(jìn)行PID運(yùn)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(shè)計中應(yīng)用了比較常見的光電測速方法來實(shí)現(xiàn)，其具體做法是將電機(jī)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(zhǔn)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(jī)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(dǎo)通，反之三極管截止，電路如圖7所示，從圖中可以得出電機(jī)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(jī)此時轉(zhuǎn)速了。例如當(dāng)電機(jī)以一定的轉(zhuǎn)速運(yùn)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(jī)轉(zhuǎn)速。

圖6 電機(jī)速度采集方案

根據(jù)設(shè)計要求要對電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)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(yùn)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(diǎn)陣液晶顯示器,主要由行驅(qū)動器/列驅(qū)動器及320×240全點(diǎn)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?yàn)椴势恋臄?shù)據(jù)量比較大，如果用8位數(shù)據(jù)線，就會比16位方式慢一倍以上，我們當(dāng)然希望速度越快越好，所以我們選擇16位的接口。

根據(jù)設(shè)計需求，本系統(tǒng)中使用了3個獨(dú)立按鍵用以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的設(shè)定以及復(fù)位功能。

鍵盤操作說明：在系統(tǒng)開始運(yùn)行時，320×240TFTLCD將顯示開機(jī)界面，按KEY_2增加速度，按KEY_3減少速度，按KEY_RESET鍵是復(fù)位，使程序回到初始狀態(tài)。

本系統(tǒng)設(shè)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(shè)定值進(jìn)行比較得出偏差，對偏差進(jìn)行P、I、D運(yùn)算最終利用運(yùn)算結(jié)果控制PWM脈沖的占空比來實(shí)現(xiàn)對加在電機(jī)兩端電壓的調(diào)節(jié)，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。其運(yùn)算公式為：

（1）

如何選擇控制算法的參數(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(zhǔn)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(yīng)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(yīng)保持穩(wěn)定。顯然，要同時滿足上述各項(xiàng)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(shí)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(jìn)行控制，故稱為PID調(diào)節(jié)器。在實(shí)際應(yīng)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(jìn)行適當(dāng)組合，以達(dá)到對被控對象進(jìn)行有效控制的目的。例如，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(yīng)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(qiáng)弱取決于積分時間常數(shù)，越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)；

（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。

本系統(tǒng)中電機(jī)速度采集是一個非常重要的部分，它的精度直接影響到整個控制的精度。在設(shè)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(yīng)盡量提高凹槽的數(shù)量，在本次設(shè)計中取凹槽數(shù)N為260，采樣時間t為10ms。

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(jī)控制直流電機(jī)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(xué)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)過老師的指導(dǎo)，大部分問題都已經(jīng)解決，就是程序還是不能實(shí)現(xiàn)應(yīng)該實(shí)現(xiàn)的功能，這讓我很著急。后來經(jīng)過一點(diǎn)一點(diǎn)的調(diào)試，并認(rèn)真總結(jié)，發(fā)現(xiàn)了問題其實(shí)在編寫中斷處理程序時出現(xiàn)了錯誤，修改后即可實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速的目的。總結(jié)這次軟件調(diào)試，讓我認(rèn)識到了做軟件調(diào)試的基本方法與流程：

（1）認(rèn)真檢查源代碼，看是否有文字或語法錯誤

（2）逐段子程序進(jìn)行設(shè)計，找出錯誤出現(xiàn)的部分，重點(diǎn)排查

（3）找到合適的方法，仔細(xì)檢查程序，分步調(diào)試直到運(yùn)行成功

為了確定系統(tǒng)與設(shè)計要求的符合程度，需要進(jìn)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(yàn)法的整定步驟：

①讓調(diào)節(jié)器參數(shù)積分系數(shù)=0，實(shí)際微分系數(shù)=0，控制系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行，由小到大改變比例系數(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。

②取比例系數(shù)為當(dāng)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。

③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(fù)，直到找到滿意的比例系數(shù)和積分系數(shù)為止。

④引入適當(dāng)?shù)膶?shí)際微分系數(shù)和實(shí)際微分時間，此時可適當(dāng)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(fù)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, =0.00105, =0。

這一段時間過的無比的充實(shí)，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(shè)計細(xì)節(jié)都要仔細(xì)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(xué)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(xué)習(xí)的基礎(chǔ)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(jìn)行了一次回顧，對知識又有了新的認(rèn)識！真是受益匪淺！

通過本次課程設(shè)計，我學(xué)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(shè)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(xué)到了許多。知道了PID算法的應(yīng)用，以前總覺得PID就是像做數(shù)學(xué)一樣，不知道實(shí)際應(yīng)用。通過本次設(shè)計，讓我很好的鍛煉了理論與具體項(xiàng)目、課題相結(jié)合開發(fā)、設(shè)計產(chǎn)品的能力。既讓我們懂得了怎樣把理論應(yīng)用于實(shí)際，又讓我們懂得了在實(shí)踐中遇到的問題怎樣用理論去解決。