《基于單片機的直流電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)》6100字（論文）

[10]T=PWM輸出的電壓的占空比通過配置定時器TIMx_CCRn寄存器來調(diào)整，占空比的計算公式見下式占空比=接下來根據(jù)所選的電機控制方式配置驅(qū)動器的控制模式及控制參數(shù)，通過串口通信實現(xiàn)。企業(yè)版需要調(diào)整控制模式，通過改變信號源參數(shù)改變輸入的是PWM信號還是脈沖信號。選擇不同的控制模式，修改程序里的PID算法的比例、積分和微分系數(shù)。完成所有初始化工作后，就能夠?qū)崿F(xiàn)電機正反轉(zhuǎn)和啟停的控制。3.1.2編碼器程序STM32F103單片機中的通用定時器可以進行定時或者計數(shù)，改變定時器的接口模式，將定時器改到計數(shù)模式就可以對編碼器傳回來的信號進行計數(shù)。將編碼器A、B線信號輸入定時器CH1、CH2兩個定時器中，每次上升沿都會被計一次數(shù)。當定時器在編碼器接口的不同模式被使用時，電機如果正轉(zhuǎn)，定時器每次捕獲上升沿計數(shù)器的值就會加一，反之，如果電機反轉(zhuǎn)的話，計數(shù)器的值就會減小，旋轉(zhuǎn)速度就會以計數(shù)器數(shù)值的形式顯示出來。3.1.3調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計單片機直流調(diào)壓控制系統(tǒng)可完成對直流電動機的平滑調(diào)壓。PWM是指利用調(diào)節(jié)恒定電流下的直流電源開關(guān)頻率，從而使負載兩端電壓發(fā)生變化，以此來滿足控制系統(tǒng)所需要的一個電壓調(diào)節(jié)的方式。在PWM驅(qū)動方式控制的電壓調(diào)速系統(tǒng)中，按某個固定的頻率來導(dǎo)通和切斷電源，并按照要求變化在一個時段內(nèi)"導(dǎo)通"和"斷開"持續(xù)時間的長度。通過調(diào)整直流電機上電壓的"占空比"來調(diào)整在整個周期上電壓的大小，并以此調(diào)節(jié)電機的速度。本控制器以STM32f103單片機為內(nèi)核,使用單片機控制器，通過C語言編程完成了對直流電機的平滑調(diào)速。這種直流電動機調(diào)速系統(tǒng)以單片機系統(tǒng)為基礎(chǔ)，按照PWM調(diào)制的方法，改變直流電機電樞兩端施加電壓的占空比，再以此調(diào)節(jié)電機的速度變化為基礎(chǔ),完成了對直流電動機的均勻調(diào)壓,以及單片機調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的改變。本文中研究的基于STM32單片機直流電機調(diào)速系統(tǒng)，離不開硬件和軟件的相輔相成。如果把整個系統(tǒng)比作一個人的話，硬件是身體，是所有操作的執(zhí)行者，有了正確的硬件連接，軟件才能順利的運行起來。而軟件部分，則是一個人的靈魂，軟件需要接收硬件傳回的各種信息，對信息進行收集、分類、整理后，再輸出給硬件，控制硬件的動作，這樣才能實現(xiàn)單片機對電機轉(zhuǎn)速的控制。3.2PID算法在過程控制系統(tǒng)中，按偏差的比率P、積分I和微分D執(zhí)行調(diào)控的PID控制器，在日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用。它既具備基本容易實施,原理簡便，調(diào)整參量相互獨立性，適用性較廣，控制參數(shù)的選擇也比較簡單等優(yōu)勢，同時從理論也可證實，針對流程系統(tǒng)中的經(jīng)典對象"一階遲延+純遲延"與"二階遲延+純遲延"的調(diào)控對象，這種控制器也是比較優(yōu)秀的控制。而PID調(diào)整規(guī)律也是對連續(xù)過程系統(tǒng)動態(tài)質(zhì)量校正的一個有效方式，它的控制參數(shù)調(diào)整方法相對簡單，且結(jié)構(gòu)變化較靈活。本控制系統(tǒng)設(shè)計的核心算法是PID算法,它通過將本次采集的數(shù)值和設(shè)定值通過對比確定誤差en，對算出的誤差通過P、I、D計算并最終用算法結(jié)果調(diào)整PWM脈沖的占空比，來完成對加在電動機兩端電壓的調(diào)整，從而改變電動機速度。其計算公式為ut=Kp怎樣選取控制算法的參數(shù),應(yīng)按照具體過程的特點來確定。通常，要求被控過程是平穩(wěn)的，能快速和精確地跟隨給定參數(shù)的改變，超調(diào)量小，還要在不同情況下控制系統(tǒng)輸出應(yīng)能維持在指定數(shù)值，控制變量也不能太大，當控制系統(tǒng)和環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時控制過程要平穩(wěn)。顯然,要完全達到以上所有條件是非常困難的，因此需要針對實際過程的特點，解決各方面問題，并充分考慮其它方面。PID控制器是線性的，它通過給定的rt和實際輸出數(shù)值ctet用誤差的比例、積分、微分等進行線性組合算出控制量，并加到被控量對被控量加以控制，這就是PID控制。在實際運用中，常依據(jù)被控量的性質(zhì)與限制條件，對P、I、D等基本的調(diào)節(jié)原理加以相應(yīng)綜合運用，以實現(xiàn)對被控對象實施合理調(diào)控的目的。只有線性調(diào)節(jié)就是P調(diào)節(jié)器，將P與I調(diào)節(jié)器相結(jié)合就是PI調(diào)節(jié)器，如果將P、I、D調(diào)節(jié)器都結(jié)合起來就是PID調(diào)節(jié)器等。調(diào)節(jié)器不一定越復(fù)雜越好，要按照實際情況選擇適合的調(diào)節(jié)器。ut=TD為微分時間常數(shù)，Kp是比例系數(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):瞬間反應(yīng)，誤差一經(jīng)產(chǎn)生,調(diào)節(jié)器馬上產(chǎn)生抑制功能以降低誤差，并且是比例控制(2)積分環(huán)節(jié):是無差控制，主要是為了抵消靜差,從而增加整個控制系統(tǒng)的無差度。積分時間常數(shù)TI改變積分效果，但是T(3)微分環(huán)節(jié):是超前調(diào)節(jié)，可在偏差的數(shù)值變動較大以前,在系統(tǒng)早期中引入一個針對特定誤差的調(diào)節(jié)信號,以便于提高系統(tǒng)的動態(tài)反應(yīng)速度,進而減少調(diào)節(jié)時間。第四章結(jié)果及說明本節(jié)我們主要闡述一下本次設(shè)計的主要結(jié)果。在上電之前將整個系統(tǒng)的接線仔細檢查，檢查無誤后再給單片機上電，同時將電機與電源模塊供電。STM32F103芯片發(fā)生PWM信號，通過L298N驅(qū)動器放大后驅(qū)動電機。利用編碼器測得速度后，反饋給單片機，經(jīng)過PID運算后輸出，完成速度的控制，把速度在彩色液晶顯示屏上顯示。對于速度的控制則可以用單片機上的四個按鈕控制電機啟停和加速減速。將電源模塊用公母轉(zhuǎn)接頭與L298N驅(qū)動模塊連接。然后將驅(qū)動模塊的使能端與單片機的對應(yīng)接口連接。電機的各接口也與驅(qū)動模塊與單片機相連，彩色液晶屏顯示模塊則直接插在單片機上。系統(tǒng)的總體硬件連接如圖4.1圖4.1硬件連接圖上電后啟動電機，編碼器就可將速度以及占空比返回，用串口調(diào)試軟件可看到返回的速度和占空比。編碼器將采集到的數(shù)據(jù)返回圖如圖4.2圖4.2速度及占空比返回圖速度在顯示屏上的圖像顯示見圖4.3圖4.2液晶屏顯示效果圖電機實際轉(zhuǎn)動效果圖如圖4.3圖4.3電機實際轉(zhuǎn)動圖總結(jié)在對程序不斷調(diào)整的過程中，經(jīng)常遇到問題，包括對PWM信號產(chǎn)生電路工作的調(diào)整以及用單片機改變電機轉(zhuǎn)向等重大問題。有很多問題比較難，在處理這些自己無法解決問題的時候，不斷地向指導(dǎo)老師和同學(xué)求助，借助大家的力量將軟件系統(tǒng)修改地更加完整，使整個電機調(diào)速系統(tǒng)的功能也更加完備。雖然經(jīng)過了很長時間的摸索，還有指導(dǎo)老師的引導(dǎo),很多重大問題都有所緩解，但編程中仍然沒有完成所需要完成的主要功能。經(jīng)過后來不斷地進行軟件調(diào)試，并認真總結(jié)后，終于找到了問題其實在執(zhí)行中斷程序時出現(xiàn)了比較嚴重的錯誤，進行調(diào)整后便可以達成對直流電機調(diào)壓的目的。通過此次軟件系統(tǒng)調(diào)試，我總結(jié)出了做軟件系統(tǒng)開發(fā)調(diào)試的最基本方式和過程:（1）仔細檢查源代碼，看是不是有文本或句法出錯。（2）逐段程序的分析，查找問題存在的部分,重點檢查。（3）尋找正確的方法，然后仔細地檢查程序,并分步調(diào)試直至程序成功完成參考文獻朱貴國.基于STM32單片機的直流電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計[D].中國民航大學(xué)機場學(xué)院，2013雷慧杰.基于STM32的直流電機PID調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計[D].安陽工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，2016王海星.基于LabVIEW和STM32的直流電機閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計[D].江南機電設(shè)計研究所，2019司開波.基于STM32的直流電機調(diào)速新方法[D].西京學(xué)院，2018施志榮.基于STM32F407的直流電機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計[D].漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程學(xué)院，2021邱恒.基于STM32單片機的直流電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計研究[D].湖北工程學(xué)院新技術(shù)學(xué)院，20