基于STM32的电机驱动系统的设计毕业设计论文

毕业设计论文

基于STM32的电机驱动系统的设计

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：日期：

指导教师签名：日期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：日期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：日期：年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：日期：年月日

导师签名：日期：年月日

注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：（签名）单位：（盖章）

年月日

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：（签名）单位：（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：□优□良□中□及格□不及格教研室主任（或答辩小组组长）：（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：（签名）

年月日

目录

引言......................................................................................................... 错误！未定义书签。

1 绪论....................................................................................................... 错误！未定义书签。

1.1 课题研究的背景和意义................................................................ 错误！未定义书签。

1.2 视频处理器的发展前景................................................................ 错误！未定义书签。

1.3 论文主要工作概述................................... 错误！未定义书签。

1.4 论文的组织结构..................................... 错误！未定义书签。

2 基于STM32的电机驱动系统总体设计................................... 错误！未定义书签。

2.1 设计需求......................................................................................... 错误！未定义书签。

2.2 方案选择......................................................................................... 错误！未定义书签。

2.3 主处理器的选择(STM32F103) ........................................................ 错误！未定义书签。

2.4 系统编程软件功能介绍（Keil） .................................................. 错误！未定义书签。

2.5 小结................................................................................................. 错误！未定义书签。

3 系统硬件电路设计........................................................................... 错误！未定义书签。

3.1 STM32F103功能介绍.................................. 错误！未定义书签。

3.2.1 STM32F103的特点及功能描述.................... 错误！未定义书签。

3.2.2 STM32F103的。。。。。。...................... 错误！未定义书签。

3.2.3 STM32F103的。。。。。。...................... 错误！未定义书签。

3.2.4 STM32F103的。。。。。。...................... 错误！未定义书签。

。。。。。。 STM32F103的。。。。。。............... 错误！未定义书签。

3.2 STM32F103电源电路设计.............................. 错误！未定义书签。

3.3 STM32F103时钟电路设计.............................. 错误！未定义书签。

3.5 STM32F103 LED数码管驱动电路设计.................... 错误！未定义书签。

3.5 电机驱动电路设计（ULN2003）........................ 错误！未定义书签。

3.6 本章小结........................................... 错误！未定义书签。

4 系统开发软件及设备驱动程序设计.......................................... 错误！未定义书签。

4.1 Keil概述........................................... 错误！未定义书签。

4.2 动态LED数码管驱程序设计........................... 错误！未定义书签。

4.3 电机驱动程序设计................................... 错误！未定义书签。

4.4本章小结............................................ 错误！未定义书签。

5 硬件电路调试实验与整体运行调试.......................................... 错误！未定义书签。

5.1 各个子系统调试..................................... 错误！未定义书签。

5.1.1 电源调试..................................... 错误！未定义书签。

5.1.2 时钟调试..................................... 错误！未定义书签。

5.1.3 LED数码管驱动调试........................... 错误！未定义书签。

5.1.4 电机驱动模块调试............................. 错误！未定义书签。

5.2系统联调............................................ 错误！未定义书签。

5.3 本章小结........................................... 错误！未定义书签。结论 ........................................................................................................... 错误！未定义书签。致谢 ........................................................................................................... 错误！未定义书签。参考文献 .................................................................................................... 错误！未定义书签。附录源程序 ............................................................................................. 错误！未定义书签。

注意：目录中的页码是随着你写的内容而不同的，总页数在60也左右，给我留出删除的空间，我修改后，最终页数应大于50页。

摘要

近年来，随着微电子技术、电力电子技术、现代控制技术、材料技术的迅速发展以及电机制造工艺水平的逐步提高，交流永磁同步电机以其体积小、结构简单等特点在工农业、日常生活以及许多高科技中迅速得到了广泛的应用。因此，研究设计高精度、高性能的永磁同步电机成为现代电伺服驱动系统的一个发展趋势。

纵观MCU市场，目前最主流的构架方式可以分为两类，自主知识产权构架和基于ARM构架的MCU。前者主要包括英特尔的X86构架,飞思卡尔的Power PC，MicroChip的PIC系列，Atmel的AVR系列等，后者则由众多开发基于ARM构架的厂商组成，包括ST,NXP,NEC以及收购了Luminary的TI等。在众多基于ARM构架开发的产品当中，STM32F103无疑是其中最成功的产品之一。意法半导体MCU市场部经理张军辉在大会中场介绍说，在Google,Baidu 等搜索引擎上查看以STM32F103以及Cortex M3为关键词的搜索次数，你很容易就能发现，基于STM32F103的直接搜索量比Cortex M3高出很多倍。“很多人可能不知道Cortex M3，但是却听说过STM32。现在STM32已经成了Cortex M3最好的一张名片。”

本文分别介绍了永磁同步电机矢量控制系统的硬件和软件设计。详细的介绍了以STM32为控制核心的控制电路，主回路由脉宽调制逆变器、永磁同步电动机、电流检测电路、速度检测电路组成的永磁同步电机调速控制系统的硬件电路。细致地蟾酥了稳重的软件设计思

路，包括系统的主程序、中断控制程序以及各项子程序的软件设计。通过对仿真结果的分析，验证所采用的控制算法的可行性和正确性。

关键字：永磁同步电动机，矢量控制，ARM，正弦脉冲宽度调制

Abstract

In recent years, with microelectronics technology, power electronic technology, modern control technology, material technology rapid development and motor manufacturing process of gradually raise the level, and exchange the permanent magnet synchronous motor with its small size, simple structure and so on characteristics of industry and agriculture, in daily life and many high-tech quickly in a wide range of applications. Therefore, the design of high performance, high precision of permanent magnet synchronous motor become modern electric servo drive system of a development trend.

Throughout MCU market, at present the most mainstream architecture means can be divided into two classes, independent intellectual property rights structure and based on the ARM architecture MCU. The former mainly include Intel's X86 architecture, freescale's Power PC, the MicroChip PIC series, Atmel AVR series of, the latter by numerous based on the development of the ARM architecture of manufacturers, including ST, NXP, NEC and acquired Luminary of TI, etc. Based on the ARM architecture development in many of the product in the center, STM32F103 undoubtedly is one of the most successful one of the products. Stmicroelectronics MCU marketing manager ZhangJunHui congress introduced in midfield, said in the Google and Baidu search engines such as check to STM32F103 and Cortex M3 for keywords search times and it was easy to find, STM32F103 based on the direct search volume than Cortex M3 many times higher. "A lot of people probably don't know Cortex M3, but heard STM32. Now STM32 has become one of the best Cortex M3 card."

This paper introduces the permanent magnet synchronous motor vector control system hardware and software design. Detailed introduces the STM32 as control core control circuit, the main loop by pulse width modulation inverter, permanent magnet synchronous motor, electric current detection circuit, speed detection circuit composed of permanent magnet synchronous motor speed control system hardware circuit. Detailed the sedate software design of toads ideas, including the system of the main program, interrupt control procedures and the procedure of the software design. Through the analysis of simulation results, confirmation USES the correctness and feasibility of the control algorithm.

Key word: permanent magnet synchronous motor;vector control; ARM; sine pulse width modulation

引言

近年来，随着微电子技术、电力电子技术、现代控制技术、材料技术的迅速发展以及电机制造工艺水平的逐步提高，交流永磁同步电机以其体积小、结构简单等特点在工农业、日常生活以及许多高科技中迅速得到了广泛的应用。因此，研究设计高精度、高性能的永磁同步电机成为现代电伺服驱动系统的一个发展趋势。

伺服驱动器按照功能特征可分为功率板和控制板两个独立的模块，本文在分析交流永磁同步电机控制性能的基础上分别对控制单元和功率驱动单元进行了具体的设计。控制单元作为伺服系统的核心，要求有较高的性能，为此，论文采用意法半导体推出的STM32作为控制核心芯片。它是基于ARM先进架构的Cortex-M3为内核的32位微处理器，主频可高达72 MHz。强大的内核及其丰富的外设使其在马达控制应用领域得到广泛的使用。功率驱动单元应用了IPM(智能功率模块)，与以往的IGBT相比较，IPM FSAM20SH60A内部集成欠电压、过电流和温度检测等保护电路，简化了伺服系统单元的设计，实现了伺服系统的模块化和微型化。

而在MCU市场，这项包含技术难点最多也拥有最广泛市场潜力的技术产物从一开始就注定了将会面临比其他技术更强有力的争夺与冲击。纵观MCU市场，目前最主流的构架方式可以分为两类，自主知识产权构架和基于ARM构架的MCU。前者主要包括英特尔的X86构架,飞思卡尔的Power PC，MicroChip的PIC系列，Atmel的AVR系列等，后者则由众多开发基于ARM构架的厂商组成，包括ST,NXP,NEC以及收购了Luminary的TI等。

在众多基于ARM构架开发的产品当中，STM32无疑是其中最成功的产品之一。意法半导体MCU市场部经理张军辉在大会中场介绍说，在Google,Baidu 等搜索引擎上查看以STM32以及Cortex M3为关键词的搜索次数，你很容易就能发现，基于STM32的直接搜索量比Cortex M3高出很多倍。“很多人可能不知道Cortex M3，但是却听说过STM32。现在STM32已经成了Cortex M3最好的一张名片。”

但是就是这张Cortex M3最好的名片在新一轮市场争夺战中也面临着拓展的问题。怎样更好的符合消费者使用习惯？哪些领域会成为下一个新的市场热点？除了强调功耗的Energy Lite?,强调性能的Performance Line，强调应用的Access Line,STM32未来还将有哪些产品链路？

依据永磁同步电动机在dq旋转坐标系下的数学模型，在MATLAB/Simulink仿真工具下建立了永磁同步电机矢量控制系统的

仿真模型。仿真模型是基于三角波比较跟踪的电流滞环控制方式，产生PWM信号控制逆变器。通过对仿真结果的分析，验证所采用的控制算法的可行性和正确性。

1 绪论

1.1 课题的研究背景

电机是一种能够进行机电能量装换的机械设备，它有效地将电能转换成机械能，使得电机可以实现各种运作。因而被广泛地应用于工农业生产、国防工业及社会生活等各个领域。按照电机类型的不同划分电机控制类型，电机调速控制可分为直流调速和交流调速两类。

直流调速即是对直流电动机的调速控制。众所周知，因为直流电动机中产生转矩的两个要素励磁磁通和电枢电流相互间没有耦合的关系，所以直流电机可通过控制相应电流从而就可非常容易的实现电机转速的控制和调节。因此直流电动机调速时易获得良好的静态和动态调速特性。在变速转动领域中，直流电动机调速长期以来都是占据着主导地位。然而由于直流电机本身结构机械换向器和电刷存在重大的缺陷，致使直流电机调速系统的应用推广受到了限制。

交流调速则是对交流电动机的速度控制。由于交流电机结构简单、坚固耐用、运行可靠，特别是它克服了直流电机存在电刷和机械换向器而带来的各种限制，因此在工农业生产中得到了极为广泛地推广。

但是，由于长期以来受到实现技术的制约，交流电机作为调速电机的应用受到了很大的限制。不过，科学技术的迅猛发展为交流调速的发展创造了有利的技术条件和物质基础。交流电动机可通过采用参数重构和状态重构的现代控制理论概念来实现交流电动机定子电流的励磁分量和转矩分量之间的解耦，这就实现了将交流电机的控制过程等效为直流电机的控制过程，使得交流调速系统的动态性能得到了显著地改善和提高。

转子采用永磁材料的永磁同步电机，控制系统相对于异步电机而言比较简单，容易实现高性能的控制。稀土永磁电机因而具有结构简单；运行可靠；效率高等显著有点，因而广泛应用于工农业生产、航天航空和日常生活等各个领域。近年来在永磁材料的生产方面出现了突破性的进展，高性能永磁同步电动机的研制也随之有了长足的发展。永磁电机的发展史与永磁材料的发展密切相关的。

永磁电机的研究和开发大致分成三个阶段[4]0

(1) 60年代后期和70年代，由于稀土钻永磁材料价格昂贵，研究开发重

点是航空、航天使用电机和要求高性能的高科技领域。

(2) 80年代，特别是1983年出现价格相对较低的钦铁硼永磁材料后，国内外的研究开发重点转到工业和民用电机上。稀土永磁的优异磁性能，加上电力电子技术和微机控制技术的迅猛发展，不仅使得许多传统的励磁电机纷纷用稀土永磁电机来取代，而且可以实现传统的电励磁电机所难以达到的高性能。

(3)进入90年代以来，随着永磁材料性能的不断提高，特别是钦铁硼永磁材料的热稳定性和耐腐蚀性的改善，价格的逐步降低以及电力电子技术的进一步发展，加上永磁电机研究开发经验的逐步成熟，使得永磁电机在国防、工农业生产和日常生活等方面获得广泛的应用外，也使稀土永磁电机的研究开发进入新阶段。一方面，稀土永磁电机的开发向大功率化、高功能化和微型化方向发展;另一方面，永磁电机的结构工艺和控制技术等方面的研究工作出现了崭新的局面，有关的学术论文和科研成果大量涌现，形成了一整套的研究方法。

随着永磁同步电机在各个领域的广泛应用，对永磁同步电机控制系统的性能也有了高要求，既希望控制系统能有较高的控制精度和较好的稳态性能，又希望控制系统的成本尽可能得低。鉴于此，国内外许多的专家学者提出了各种永磁同步电机的控制策略，部分已获得了很好的实际效果

1.2 视频处理器的发展前景

现代交流调速系统由交流电机、电力电子功率变换器、控制器和检测器等四大部分组成。其中，电力电子功率变换器与控制器及检测器合起来称之为变频调速装置。

按照交流电机的分类，交流调速系统可划分为以下两类:异步电动机调速系统和同步电动机调速系统。同步电动机转速公式。= 60 f, /n p(其中f,为定子供电频率，n，为电动机极对数)可知，同步电动机是靠变频调速的。在调速系统中采用同步电动机有以下优点:

(1)同步电动机的转速与电源的基波频率保持着严格的同步关系，

只要精确地控制变频电源的频率就能准确地控制电机速度;

(2)同步电动机比异步电动机对转矩扰动具有较强的承受能力，能做出较J决反应;

(3)同步电机的调速范围比异步电机宽;

(4)同步电动机能够利用电动机的反电动势实现负载换流。

因为同步电动机拥有出众的优点，所以同步电动机调速系统越来越受世人的关注。根据频率控制方式的不同，又可将同步电机调速控制系统分为两类，即他控式变频调速和自控式变频调速。

他控式变频调速:用独立的变频装置做永磁同步电动机的变频电源，电动机的转速严格跟随电源频率的变化而变化。他控式变频调速常用于开环控制系统。自控式变频调速:采用频率闭环方式的同步电动机调速系统叫做自控式同步电动机调速系统，是用电机轴上所装转子位置检测器来控制变频装置触发脉冲，从而使得同步电动机可以工作在自同步状态[[7l。自控式同步电动机变频调速与他控式变频调速相比最大的不同就是能从根本上消除同步电动机转子振荡和失步的隐患。这得益于控制方式本身，因为转子位置检测器控制为同步电动机定子供电的变频装置的输出频率，即定子旋转磁场的转速和转子旋转的转速相

等，始终保持同步，因此不会因负载冲击等原因造成失步现象[[810 自控式变频同步电动机调速系统可分为两类:一类是大、中容量的调速系统，一般采用普通的电励磁结构，通过电刷和滑环引入励磁电流。另一类是小型调速系统，多采用结构更为简单的磁阻式或永磁

式同步电动机[[910

永磁同步电动机控制方法的研究开始于八十年代，由于其与直流电动机相比具有多变量、非线性和强祸合的特性，常用的调速方法不再适用于永磁同步电动机调速控制系统，需采用新的控制算法。国内外的专家学者开始对逆变器供电的永磁同步电动机进行深入的研究。逆变器供电的永磁同步电机与直接起动的永磁同步电机的结构基本相同，但在大多数情况下无阻尼绕组。阻尼绕组有以下特点:第一，阻尼绕组产生热量，使永磁材料温度上升;第二，阻尼绕组增大转动惯量、使电机力矩惯量比下降;第三，阻尼绕组的齿槽使电机脉动力矩增大。在逆变器供电情况下，永磁同步电机的原有特性将会受到影响，其稳态特性和暂态特性与恒定频率下的永磁同步电机相比有不同的特点E"]. 1980年后发表了大量的论文研究永磁同步电机的数学模型、稳态特性、动态特性。A.V.Gumaste等研究了电压型逆变器供电的永磁同步电动机稳态特性及电流型逆变器供电的永磁同步电动机稳态特性【川。

由于电子电力科学技术的限制，同步电机的调速技术也受到了相应地制约。然而，随着对永磁同步电机调速系统性能要求的不断提高，需要设计出高效率、高力矩惯量比、高能量密度的永磁同步电机，G.R.Slemon等人针对调速系统快速动态性能和高效率的要求，提出了现代永磁同步电机的设计方法〔12-13]。随着电力电子技术的飞速发展，各种容量和形式的变频电源、逆变装置的研制成功以及计算机技术、控制理论的发展，因而对永磁同步电机控制系统的性能也有了高

要求，即希望控制系统能有较高的控制精度和较好的稳态性能。

鉴于此，许多国内外专家学者提出了各种永磁同步电机的控制策略如矢量控制、转矩直接控制等。这些新的控制方法进一步地改进了交流电机的控制性能，使得现代高性能的交流永磁调速系统的动态性能静态性能和动态性能得到了显著的改善，完全能够达到甚至是超过直流电机调速系统静态性能和动态性能的水平

1.3 论文主要工作概述

本课题是基于ARM Cortex-M3控制芯片对永磁同步电机调速控制系统进行

设计。在掌握调速控制系统工作原理和组成、永磁同步电动机动态数学模型等

基础上，设计一基于ARM Cortex-M3的永磁同步电动机调速控制系统。ARM

Cortex-M3芯片可实现电机的矢量控制。为了验证此系统的设计方案的正确性和

可行性，利用MATLAB仿真软件进行建模和仿真。论文的研究内容包括以下几

个方面:

(1)完成永磁同步电机调速控制系统总体方案的设计;

(2)完成永磁同步电机调速控制系统的硬件电路的设计;

(3)给出永磁同步电机调速控制系统的软件设计流程;

(4)利用MATLAB/Simulink仿真工具，实现永磁同步电动机矢量