基于Cortex-M3微控制器的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc

畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）I基于Cortex-M3微控制器的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要微控器滲透到人們生活的各個(gè)領(lǐng)域，當(dāng)今時(shí)代幾乎很難找到哪個(gè)領(lǐng)域沒(méi)有它的蹤跡。在現(xiàn)今的工業(yè)控制系統(tǒng)中，以微控器作為控制核心的系統(tǒng)更是應(yīng)用廣泛，利用微處理器和一些外圍電路構(gòu)成了數(shù)字式控制系統(tǒng)以取代模擬式控制，具有傳統(tǒng)模擬式無(wú)法比擬的性能價(jià)格比。通過(guò)工業(yè)中直流電機(jī)控制系統(tǒng)的研究以及對(duì)直流電機(jī)調(diào)速的分析，提出一種以ARMCortex-M3內(nèi)核的STM32F103RBT6微控制器為核心，對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速大小進(jìn)行控制，利用STM32F103RBT6中的定時(shí)器功能，輸出可調(diào)寬的PWM波，經(jīng)過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)PWM對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速大小控制。而采用數(shù)字PID算法進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制的方案，借用PID控制所得到的動(dòng)、靜態(tài)性能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、快速性。關(guān)鍵詞：ARM；Cortex-M3；STM32F103RBT6；PID；PWM；直流電機(jī)調(diào)速基于Cortex-M3微控制器的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)IIABSTRACTThemicrocontrolsamachinetoseepthroughpeopleliveofeachrealm,theagealmostcanhardlyfindoutnowadayswhichrealmhavenoitstrace.Intheindustrialcontrolsysteminpresent,controlmachineasthesystemthatcontrolsnucleustoapplymorebymicroextensive,madeuseofmicroprocessorandsomeoutercircletelephonestoconstituteafiguretypecontrolsystemwithreplaceasimulationtypecontrol,havetraditionsimulation,thetypecannotcompareoftheperformanceratecompare.PassthesearchofcontinuouscurrentdynamocontrolsystemintheindustryandproposeakindofvstheanalysisofthecontinuouscurrentdynamovelocitymodulationwithARMcheckinsideCortex-M3ofSTM32F103RBT6microcontrollersfornucleus,carryonacontroltothedimensionofcontinuouscurrentdynamorevolvingspeed,makeuseofthetimerfunctionintheSTM32F103RBT6,outputthePWMwaveofadjustablebreadth,itisvsthemotorrevolvingspeedtocarryoutPWMafterdynamodriversizecontrol.ButtheadoptionfigurePIDalgorithmprogressrevolvingspeedconditioningcontrolofscheme,useaPIDcontroltogainofmove,quiescentperformance,carryoutthestability,accuracyandrapidofsystem.Keywords:ARM；Cortex-M3；STM32F103RBT6；PID；PWM；DC-motorspeedmodification畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）目錄摘要.IABSTRACT.II第1章緒論.11.1電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)概述.11.2現(xiàn)狀及展望.1第2章直流電機(jī)調(diào)速原理.32.1直流電機(jī)概述.32.1.1直流電機(jī)的用途.32.1.2直流電機(jī)的結(jié)構(gòu).32.1.3直流電機(jī)的工作原理.42.2直流電機(jī)的調(diào)速原理.62.3PWM調(diào)速原理.92.3.1PWM簡(jiǎn)介.92.3.2PWM控制的基本原理.92.3.3直流電機(jī)的PWM調(diào)速原理.10第3章直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì).133.1系統(tǒng)方案選定.133.2系統(tǒng)組成.143.3系統(tǒng)工作原理.16第4章系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì).174.1STM32F103RBT6微控制器簡(jiǎn)介.174.1.1STM32F103RBT6的功能特性.174.1.2STM32F103RBT6的引腳分布及描述.194.2控制主電路部分.214.3參數(shù)設(shè)置部分.214.4電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路部分.224.4.1L298N驅(qū)動(dòng)器原理.224.4.2L298N應(yīng)用電路.234.5測(cè)速電路部分.244.5.1測(cè)速基本原理.244.5.2測(cè)速電路組成.244.6LCD液晶電路顯示部分.26第5章系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì).275.1系統(tǒng)軟件總體概述.275.2PID控制.285.2.1PID控制的基本原理.285.2.2數(shù)字PID控制算法.305.2.3數(shù)字PID程序設(shè)計(jì).325.3STM32F103RBT6外設(shè)操作與運(yùn)用.335.3.1系統(tǒng)時(shí)鐘配置.335.3.2GPIO操作.335.3.3通用定時(shí)器操作.345.3.4系統(tǒng)滴答時(shí)鐘操作.34基于Cortex-M3微控制器的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.3.5主函數(shù).35第6章結(jié)束語(yǔ).376.1總結(jié).376.2展望.37致謝.39參考文獻(xiàn).40附錄：程序清單.42畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）1第1章緒論1.1電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)概述電能在生產(chǎn)和使用中，電機(jī)起著十分重要的角色。從能量轉(zhuǎn)換角度看，電機(jī)中有發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)。把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的電機(jī)為發(fā)電機(jī)；相反，把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的電機(jī)為電動(dòng)機(jī)，交/直流電動(dòng)機(jī)就是將交/直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的電機(jī)。電能利用中，絕大多數(shù)負(fù)載都要求將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能加以使用，即由電動(dòng)機(jī)來(lái)拖動(dòng)各種用途的生產(chǎn)機(jī)械。電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)完成既定的工藝要求，稱(chēng)為電力拖動(dòng)1。生產(chǎn)的不斷發(fā)展，對(duì)生產(chǎn)工藝也提出了更高的要求，如加工精度高、調(diào)速范圍廣、快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)等。這些要求均通過(guò)控制設(shè)備控制電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此，形成了由電機(jī)、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)機(jī)械、控制設(shè)備及電源等主要部分組成的電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)。電力拖動(dòng)的特點(diǎn)：方便經(jīng)濟(jì)：電能的生產(chǎn)、變換、傳輸都比較經(jīng)濟(jì)，分配、檢測(cè)和使用比較方便；效率高：電力拖動(dòng)比蒸汽、壓縮空氣的拖動(dòng)效率要高，且傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單。調(diào)節(jié)性能好：電機(jī)的種類(lèi)很多，具有各種運(yùn)行特性，可適應(yīng)不同的生產(chǎn)機(jī)械的需要，且電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的啟動(dòng)、制動(dòng)、調(diào)速、反轉(zhuǎn)等控制簡(jiǎn)便、迅速，能實(shí)現(xiàn)較理想的控制目的。易于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化：由于電力拖動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制與自動(dòng)調(diào)節(jié)，且各種非電量（如位移、速度、溫度）都可以通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏孔饔糜谕蟿?dòng)系統(tǒng)，因而能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化。在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各行各業(yè)當(dāng)中使用的生產(chǎn)機(jī)械，諸如各種機(jī)床、軋鋼機(jī)、礦井提示機(jī)、球磨機(jī)、風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)、鐵路牽引機(jī)車(chē)、電動(dòng)工具乃至家用電器等等，數(shù)不勝數(shù)，都采用電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)2。1.2現(xiàn)狀及展望在用電系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)作為主要的動(dòng)力設(shè)備而廣泛地應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防、科技及社會(huì)生活等各個(gè)方面。電動(dòng)機(jī)負(fù)荷約占總發(fā)電量的70%，為用電量最多的電氣設(shè)備。由于電能分直流電與交流電，所以電動(dòng)機(jī)也分交流電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)基于Cortex-M3微控制器的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)2機(jī)?，F(xiàn)今交流電動(dòng)機(jī)的擁有量為最多，憑借著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、工作可靠、維護(hù)方便、慣量小、效率高等特點(diǎn)，交流電動(dòng)機(jī)在拖動(dòng)系統(tǒng)中的控制對(duì)象中被廣泛運(yùn)用。不過(guò)，直流電動(dòng)機(jī)在以下優(yōu)點(diǎn)當(dāng)中運(yùn)用也十分廣泛：調(diào)速范圍廣，易于平滑調(diào)速；啟動(dòng)、制動(dòng)和過(guò)載轉(zhuǎn)矩打；易于控制，可靠性較高。直流電動(dòng)機(jī)多用于調(diào)速要求較高的生產(chǎn)機(jī)械中，如軋鋼機(jī)、電車(chē)、電氣鐵道牽引、挖掘機(jī)械、紡織機(jī)械等。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)包括直流拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)和交流拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)，還分模擬和數(shù)字控制系統(tǒng)。數(shù)字控制系統(tǒng)與模擬控制系統(tǒng)相比，數(shù)字控制系統(tǒng)有更好的穩(wěn)定性、可靠性，可以提高控制性能，此外還擁有信息存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信和故障診斷等模擬控制系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能。近年來(lái)，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，然而直流拖動(dòng)系統(tǒng)無(wú)論在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，并且從反饋閉環(huán)控制的角度來(lái)看，它又是交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，所以直流調(diào)速系統(tǒng)在生產(chǎn)生活中有著舉足輕重的作用。因此，研究直流微機(jī)數(shù)字調(diào)速控制系統(tǒng)對(duì)于在高要求方面有獨(dú)特的好處，當(dāng)今世界，有可能會(huì)出項(xiàng)很多復(fù)雜情況，比如突發(fā)事故、自然災(zāi)害等，所以一個(gè)良好穩(wěn)定性、可靠性與控制行能就顯得尤為重要。比如現(xiàn)在的多功能無(wú)線(xiàn)遙控車(chē)、多功能的微機(jī)控制的小型消防車(chē)等高科技運(yùn)用的場(chǎng)合，他們的意義在于可以為人民貢獻(xiàn)更多的幫助，在人類(lèi)不能到達(dá)的地方，在遠(yuǎn)程控制下他們可以到達(dá)排除隱患以及解救人類(lèi)，使人們的財(cái)產(chǎn)及生命又多一個(gè)保護(hù)的屏障。畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）3第2章直流電機(jī)調(diào)速原理2.1直流電機(jī)概述2.1.1直流電機(jī)的用途把機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娔艿碾姍C(jī)是直流發(fā)電機(jī)；而把直流電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的電機(jī)是直流電機(jī)。在電機(jī)的發(fā)展史上，直流電機(jī)發(fā)明得較早，1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，奠定了現(xiàn)代電機(jī)的基本理論基礎(chǔ)。從19世紀(jì)40年代研制成功第一臺(tái)直流電機(jī)，經(jīng)過(guò)大約17年的時(shí)間，直流電機(jī)技術(shù)才趨于成熟。后來(lái)才出現(xiàn)了交流電機(jī)，當(dāng)發(fā)明了三相交流電以后，交流電機(jī)得到迅速的發(fā)展。但是，迄今為止，工業(yè)領(lǐng)域里仍有使用直流電機(jī)的，這是由于直流電機(jī)具有以下突出的優(yōu)點(diǎn)：調(diào)速范圍廣，易于平滑調(diào)速；啟動(dòng)、制動(dòng)和過(guò)載轉(zhuǎn)矩大；易于控制，可靠性較高。直流電動(dòng)機(jī)多用于對(duì)調(diào)速要求較高的生產(chǎn)機(jī)械上，如軋鋼機(jī)、電車(chē)、電氣鐵道牽引、挖掘機(jī)械、紡織機(jī)械等。直流發(fā)電機(jī)可用來(lái)作為直流電機(jī)以及交流的發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁直流電源以及化工業(yè)中的電鍍、電解等設(shè)備的直流電源。直流電機(jī)的主要缺點(diǎn)是換向問(wèn)題，它限制了直流電機(jī)的極限容量，又增加了維護(hù)的工作量。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，許多人研究交流電機(jī)的調(diào)速，取得了一定的效果，在某些調(diào)速場(chǎng)合可以代替直流電機(jī)。但是，直流電動(dòng)機(jī)由于其性能優(yōu)越，在電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中仍占有很重要的地位，利用可控硅整流電源配合直流電動(dòng)機(jī)仍在調(diào)速系統(tǒng)中迅速地發(fā)展。2.1.2直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)直流電機(jī)由靜止的定子和可以轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子兩大部分組成。在定子和轉(zhuǎn)子之間存在一個(gè)間隙，稱(chēng)作氣隙。定子的作用是產(chǎn)生磁場(chǎng)和支撐電機(jī)，轉(zhuǎn)子的作用是用來(lái)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換，通常也被稱(chēng)作電樞，定子基于Cortex-M3微控制器的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)4和轉(zhuǎn)子各部件見(jiàn)圖2-1。圖2-1直流電機(jī)結(jié)構(gòu)圖由直流電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)示意圖可以看到，直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)靜止不動(dòng)的部分稱(chēng)為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場(chǎng)，由機(jī)座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的部分稱(chēng)為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以通常又稱(chēng)為電樞，由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風(fēng)扇等組成。2.1.3直流電機(jī)的工作原理一、直流發(fā)電機(jī)工作原理直流發(fā)電機(jī)的工作原理就是把電樞線(xiàn)圈中感應(yīng)的交變電動(dòng)勢(shì)，靠換向器配合電刷的換向作用，使之從電刷端引出時(shí)變?yōu)橹绷麟妱?dòng)勢(shì)的原理。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向按右手定則確定（磁感線(xiàn)指向手心，大拇指指向?qū)w運(yùn)動(dòng)方向，其他四指的指向就是導(dǎo)體中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）5圖2-2直流發(fā)電機(jī)原理圖在圖2-2所示瞬間，導(dǎo)體ab、cd的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向分別由b指向a和由d指