基于STM32的直流电机PID调速系统设计课程设计

《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

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。

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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。

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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。

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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

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

Based on the STM32 PID speed control of dc motor

Abstract

Motor speed control occupies a crucial position in the motion control system, the design of the motor speed control for the study; in the basic PID control algorithm, STM32F103 microcontroller core, by the PID control algorithm generates a PWM pulse to achieve DC speed control. At the same time the use of photoelectric sensors to convert the motor speed to pulse frequency feedback to the microcontroller to achieve closed-loop speed control, to speed static error adjustment purposes. Mining 320 ×240TFTLCD monitor as a display unit in the system, through four key settings P, I, D, V four parameters and reversing control through the interface switching mode, start to understand the current state of the motor and the system through the display unit CPU temperature. The system control and high precision, has a strong anti-jamming capability.

Keywords: PID DC motor feedback regulation

目录

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)

5.2系统测试与分析 (14)

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。

键盘模块控制器模块显示模块电机驱动模块直流电机

速度检测模块PWM 脉冲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：64KB SRAM 、512KB FLASH 、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： PG PD 320x240TFTLCD 显示模块

PE1PE0电机驱动模块

54个独立按键UP: PA0Left: PE2 PA7

STM32

PA6电机转速检测

Down: PE3Right: PE4

PA2out2

out1pwm

图3 MCU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

A 1A 2SEN111Y121Y23Vs 4

1A151EN 61A27GND 8

Vcc 9

2A1102A2122EN 112Y1132Y214SEN215U 5

L298N D 4D 3

D 1D 2C1020μF C9

20μF +5V +12V +12V R1

470R25K R45K R3470R5

470MG1P2.7

P2.6P2.5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U13 DC-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。

圆盘光敏三极管发光二极管+5V P3.3

470Ω200ΩR1

R2

图9 2.8寸TFTLCD模块原理图

从图9可以看出，ALIENTEK TFTLCD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10 2.8寸TFTLCD模块接口图