基于Cortex-M3微控制器的直流電機調(diào)速系統(tǒng)設計.doc

畢業(yè)設計（論文）I基于Cortex-M3微控制器的直流電機調(diào)速系統(tǒng)設計摘要微控器滲透到人們生活的各個領域，當今時代幾乎很難找到哪個領域沒有它的蹤跡。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)更是應用廣泛，利用微處理器和一些外圍電路構成了數(shù)字式控制系統(tǒng)以取代模擬式控制，具有傳統(tǒng)模擬式無法比擬的性能價格比。通過工業(yè)中直流電機控制系統(tǒng)的研究以及對直流電機調(diào)速的分析，提出一種以ARMCortex-M3內(nèi)核的STM32F103RBT6微控制器為核心，對直流電機轉速大小進行控制，利用STM32F103RBT6中的定時器功能，輸出可調(diào)寬的PWM波，經(jīng)過電機驅動器實現(xiàn)PWM對電動機轉速大小控制。而采用數(shù)字PID算法進行轉速調(diào)節(jié)控制的方案，借用PID控制所得到的動、靜態(tài)性能，實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準確性、快速性。關鍵詞：ARM；Cortex-M3；STM32F103RBT6；PID；PWM；直流電機調(diào)速基于Cortex-M3微控制器的直流電機調(diào)速系統(tǒng)設計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)設計（論文）目錄摘要.IABSTRACT.II第1章緒論.11.1電力拖動自動控制系統(tǒng)概述.11.2現(xiàn)狀及展望.1第2章直流電機調(diào)速原理.32.1直流電機概述.32.1.1直流電機的用途.32.1.2直流電機的結構.32.1.3直流電機的工作原理.42.2直流電機的調(diào)速原理.62.3PWM調(diào)速原理.92.3.1PWM簡介.92.3.2PWM控制的基本原理.92.3.3直流電機的PWM調(diào)速原理.10第3章直流電機調(diào)速系統(tǒng)的總體方案設計.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)硬件部分設計.174.1STM32F103RBT6微控制器簡介.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)設置部分.214.4電機驅動電路部分.224.4.1L298N驅動器原理.224.4.2L298N應用電路.234.5測速電路部分.244.5.1測速基本原理.244.5.2測速電路組成.244.6LCD液晶電路顯示部分.26第5章系統(tǒng)軟件部分設計.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程序設計.325.3STM32F103RBT6外設操作與運用.335.3.1系統(tǒng)時鐘配置.335.3.2GPIO操作.335.3.3通用定時器操作.345.3.4系統(tǒng)滴答時鐘操作.34基于Cortex-M3微控制器的直流電機調(diào)速系統(tǒng)設計5.3.5主函數(shù).35第6章結束語.376.1總結.376.2展望.37致謝.39參考文獻.40附錄：程序清單.42畢業(yè)設計（論文）1第1章緒論1.1電力拖動自動控制系統(tǒng)概述電能在生產(chǎn)和使用中，電機起著十分重要的角色。從能量轉換角度看，電機中有發(fā)電機和電動機。把機械能轉換為電能的電機為發(fā)電機；相反，把電能轉換為機械能的電機為電動機，交/直流電動機就是將交/直流電能轉換成機械能的電機。電能利用中，絕大多數(shù)負載都要求將電能轉換為機械能加以使用，即由電動機來拖動各種用途的生產(chǎn)機械。電動機拖動生產(chǎn)機械運轉完成既定的工藝要求，稱為電力拖動1。生產(chǎn)的不斷發(fā)展，對生產(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、制動和反轉等。這些要求均通過控制設備控制電機來實現(xiàn)，因此，形成了由電機、傳動結構、生產(chǎn)機械、控制設備及電源等主要部分組成的電力拖動自動控制系統(tǒng)。電力拖動的特點：方便經(jīng)濟：電能的生產(chǎn)、變換、傳輸都比較經(jīng)濟，分配、檢測和使用比較方便；效率高：電力拖動比蒸汽、壓縮空氣的拖動效率要高，且傳動機構簡單。調(diào)節(jié)性能好：電機的種類很多，具有各種運行特性，可適應不同的生產(chǎn)機械的需要，且電力拖動自動控制系統(tǒng)的啟動、制動、調(diào)速、反轉等控制簡便、迅速，能實現(xiàn)較理想的控制目的。易于實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化：由于電力拖動可以實現(xiàn)遠距離控制與自動調(diào)節(jié)，且各種非電量（如位移、速度、溫度）都可以通過傳感器轉變?yōu)殡娏孔饔糜谕蟿酉到y(tǒng)，因而能實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化。在國民經(jīng)濟的各行各業(yè)當中使用的生產(chǎn)機械，諸如各種機床、軋鋼機、礦井提示機、球磨機、風機、水泵、壓縮機、鐵路牽引機車、電動工具乃至家用電器等等，數(shù)不勝數(shù)，都采用電力拖動自動控制系統(tǒng)2。1.2現(xiàn)狀及展望在用電系統(tǒng)中，電動機作為主要的動力設備而廣泛地應用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防、科技及社會生活等各個方面。電動機負荷約占總發(fā)電量的70%，為用電量最多的電氣設備。由于電能分直流電與交流電，所以電動機也分交流電動機和直流電動基于Cortex-M3微控制器的直流電機調(diào)速系統(tǒng)設計2機?，F(xiàn)今交流電動機的擁有量為最多，憑借著結構簡單、成本低廉、工作可靠、維護方便、慣量小、效率高等特點，交流電動機在拖動系統(tǒng)中的控制對象中被廣泛運用。不過，直流電動機在以下優(yōu)點當中運用也十分廣泛：調(diào)速范圍廣，易于平滑調(diào)速；啟動、制動和過載轉矩打；易于控制，可靠性較高。直流電動機多用于調(diào)速要求較高的生產(chǎn)機械中，如軋鋼機、電車、電氣鐵道牽引、挖掘機械、紡織機械等。電力拖動自動控制系統(tǒng)包括直流拖動自動控制系統(tǒng)和交流拖動自動控制系統(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、數(shù)據(jù)通信和故障診斷等模擬控制系統(tǒng)無法實現(xiàn)的功能。近年來，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，然而直流拖動系統(tǒng)無論在理論上和實踐上都比較成熟，并且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎，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，研究直流微機數(shù)字調(diào)速控制系統(tǒng)對于在高要求方面有獨特的好處，當今世界，有可能會出項很多復雜情況，比如突發(fā)事故、自然災害等，所以一個良好穩(wěn)定性、可靠性與控制行能就顯得尤為重要。比如現(xiàn)在的多功能無線遙控車、多功能的微機控制的小型消防車等高科技運用的場合，他們的意義在于可以為人民貢獻更多的幫助，在人類不能到達的地方，在遠程控制下他們可以到達排除隱患以及解救人類，使人們的財產(chǎn)及生命又多一個保護的屏障。畢業(yè)設計（論文）3第2章直流電機調(diào)速原理2.1直流電機概述2.1.1直流電機的用途把機械能轉變?yōu)橹绷麟娔艿碾姍C是直流發(fā)電機；而把直流電能轉變?yōu)闄C械能的電機是直流電機。在電機的發(fā)展史上，直流電機發(fā)明得較早，1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應現(xiàn)象，奠定了現(xiàn)代電機的基本理論基礎。從19世紀40年代研制成功第一臺直流電機，經(jīng)過大約17年的時間，直流電機技術才趨于成熟。后來才出現(xiàn)了交流電機，當發(fā)明了三相交流電以后，交流電機得到迅速的發(fā)展。但是，迄今為止，工業(yè)領域里仍有使用直流電機的，這是由于直流電機具有以下突出的優(yōu)點：調(diào)速范圍廣，易于平滑調(diào)速；啟動、制動和過載轉矩大；易于控制，可靠性較高。直流電動機多用于對調(diào)速要求較高的生產(chǎn)機械上，如軋鋼機、電車、電氣鐵道牽引、挖掘機械、紡織機械等。直流發(fā)電機可用來作為直流電機以及交流的發(fā)電機的勵磁直流電源以及化工業(yè)中的電鍍、電解等設備的直流電源。直流電機的主要缺點是換向問題，它限制了直流電機的極限容量，又增加了維護的工作量。為了克服這個缺點，許多人研究交流電機的調(diào)速，取得了一定的效果，在某些調(diào)速場合可以代替直流電機。但是，直流電動機由于其性能優(yōu)越，在電力拖動自動控制系統(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機仍在調(diào)速系統(tǒng)中迅速地發(fā)展。2.1.2直流電機的結構直流電機由靜止的定子和可以轉動的轉子兩大部分組成。在定子和轉子之間存在一個間隙，稱作氣隙。定子的作用是產(chǎn)生磁場和支撐電機，轉子的作用是用來產(chǎn)生感應電動勢和電磁轉矩，實現(xiàn)機電能量的轉換，通常也被稱作電樞，定子基于Cortex-M3微控制器的直流電機調(diào)速系統(tǒng)設計4和轉子各部件見圖2-1。圖2-1直流電機結構圖由直流電動機和發(fā)電機示意圖可以看到，直流電機運行時靜止不動的部分稱為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場，由機座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運行時轉動的部分稱為轉子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉矩和感應電動勢，是直流電機進行能量轉換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風扇等組成。2.1.3直流電機的工作原理一、直流發(fā)電機工作原理直流發(fā)電機的工作原理就是把電樞線圈中感應的交變電動勢，靠換向器配合電刷的換向作用，使之從電刷端引出時變?yōu)橹绷麟妱觿莸脑?。感應電動勢的方向按右手定則確定（磁感線指向手心，大拇指指向導體運動方向，其他四指的指向就是導體中感應電動勢的方向）畢業(yè)設計（論文）5圖2-2直流發(fā)電機原理圖在圖2-2所示瞬間，導體ab、cd的感應電動勢方向分別由b指向a和由d指