PWM直流調(diào)速系統(tǒng)項(xiàng)目設(shè)計(jì)--畢業(yè)論文

1、.PWM直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)PWM直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)（ 電氣工程學(xué)院）摘要：根據(jù)直流電機(jī)調(diào)速的相關(guān)知識(shí),以及PWM基本原理和實(shí)現(xiàn)方法,本文介紹了一種基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng),選擇STM32單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心, 利用軟件產(chǎn)生PWM信號(hào),采用位置式PID算法控制直流電機(jī)的速度調(diào)節(jié),提高了調(diào)速系統(tǒng)的精度,增強(qiáng)了對(duì)直流電機(jī)速度的可控性。關(guān)鍵詞:STM32單片機(jī)、直流電機(jī)、調(diào)速在各類機(jī)電設(shè)備中,直流電動(dòng)機(jī)以其良好的調(diào)速特性、啟動(dòng)和制動(dòng)性能。在輕工、冶金、石油、機(jī)械制造等現(xiàn)代工業(yè)部門中得到廣泛應(yīng)用。本文所設(shè)計(jì)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng),是以STM32單片機(jī)作為電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的核心控制器,使用PWM信號(hào)來(lái)控制直流

2、電機(jī)的速度等方面來(lái)實(shí)現(xiàn)的。一、緒論1、項(xiàng)目過(guò)程概述單片機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的平滑調(diào)速。PWM是通過(guò)控制固定電壓的直流電源開關(guān)頻率，從而改變負(fù)載兩端的電壓，進(jìn)而達(dá)到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。通過(guò)改變PWM“占空比”來(lái)改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。本系統(tǒng)以STM32為核心，通過(guò)單片機(jī)控制，C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的平滑調(diào)速。2、項(xiàng)目目的 1）掌握PWM直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和具體設(shè)計(jì)方案；2）掌握元器件的選型依據(jù)與原則；3）掌握AutoCAD軟件的使用和原理框圖的繪制方法；4）掌握Altium Dsigner軟件的使用及PCD原理圖的繪制方法；5）學(xué)會(huì)至少運(yùn)用一種編程軟件

3、；6）掌握所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的安裝與調(diào)試；3、主要元器件名稱數(shù)量名稱數(shù)量導(dǎo)線若干整流橋1個(gè)排針1排驅(qū)動(dòng)1個(gè)保險(xiǎn)座1個(gè)電容2個(gè)保險(xiǎn)管1個(gè)穩(wěn)壓器2個(gè)電阻2個(gè)12v測(cè)速電機(jī)1個(gè)開發(fā)板1個(gè)電位器1個(gè)電源線1根仿真器1個(gè)電木板1個(gè)萬(wàn)用板2個(gè)4*4矩陣鍵盤1個(gè)開關(guān)1個(gè)2、 主要內(nèi)容1、電源部分：交流電源220V通過(guò)變壓器將電壓降為30V和15V后，在經(jīng)過(guò)整流橋變?yōu)橹绷麟妷?，之后?jīng)過(guò)兩個(gè)穩(wěn)壓管，分別提供12V和5V的直流電壓。原理圖如下所示。2、驅(qū)動(dòng)部分：驅(qū)動(dòng)部分處于控制與執(zhí)行之間，電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，一款H 橋元件的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，其中四個(gè)二極管對(duì)芯片起保護(hù)作用。芯片可連續(xù)提供5 A 的電流, 驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力較

4、強(qiáng)。芯片通過(guò)信號(hào)INlIN4控制H橋的輸入端（本項(xiàng)目只用到IN1和IN2）,該芯片的兩個(gè)輸出端引腳直接接小功率直流電機(jī)兩端后就可以控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。其中輸出腳用來(lái)連接電流檢測(cè)電阻，Vss接邏輯控制的電源。3、按鍵部分：根據(jù)設(shè)計(jì)需求，本系統(tǒng)中使用了16個(gè)獨(dú)立按鍵用以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的設(shè)定以及對(duì)電機(jī)啟動(dòng)、停止、加速、減速等的控制。4、顯示屏部分：1602LCD采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，各引腳說(shuō)明如下表所示：5、 編碼器部分：系統(tǒng)中運(yùn)用轉(zhuǎn)速反饋通過(guò)偏差進(jìn)行PID運(yùn)算，因此需要速度采集電路。本次設(shè)計(jì)中應(yīng)用了比較常見的光電測(cè)速方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，其具體做法是將電機(jī)軸上固定一圓盤，且其邊緣上有N個(gè)等分凹

5、槽，在圓盤的一側(cè)固定一個(gè)發(fā)光二極管，其位置對(duì)準(zhǔn)凹槽處，在另一側(cè)和發(fā)光二極光平行的位置上固定一光敏三極管，如果電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)到凹槽處時(shí)，發(fā)光二極管通過(guò)縫隙將光照射到光敏三極管上，三極管導(dǎo)通，反之三極管截止，電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈在脈沖的輸出端就會(huì)產(chǎn)生N個(gè)低電平。這樣就可根據(jù)低電平的數(shù)量來(lái)計(jì)算電機(jī)此時(shí)轉(zhuǎn)速了。3、 總電路框圖設(shè)計(jì)1、系統(tǒng)整體控制方案的分析：本直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)以單片機(jī)系統(tǒng)為依托，根據(jù)PWM調(diào)速的基本原理，以直流電機(jī)電樞上電壓的占空比來(lái)改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的平滑調(diào)速，并通過(guò)單片機(jī)控制速度的變化。光電編碼器將測(cè)得的電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)變成電信號(hào)反饋給STM32單片機(jī)。

6、單片機(jī)系統(tǒng)自行給定轉(zhuǎn)速(內(nèi)給定),或者從占空比輸入電路獲得電機(jī)給定轉(zhuǎn)速(外給定)。系統(tǒng)根據(jù)給定的電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)與反饋速度信號(hào)比較,得出偏差,經(jīng)過(guò)增量式PID運(yùn)算得出控制變量改變PWM波占空比,也就是改變了直流電機(jī)電樞兩端的平均電壓,進(jìn)而調(diào)節(jié)的電機(jī)的轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)了STM32單片機(jī)對(duì)直流電機(jī)的PWM閉環(huán)調(diào)速。2、系統(tǒng)整體接線圖及原理圖光電編碼器四、軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)編程部分工作在keil4開發(fā)環(huán)境下完成，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，與各子程序作為實(shí)現(xiàn)各部分功能和過(guò)程的入口，完成PWM脈寬調(diào)速的控制。1、 按鍵配置程序#include "key.h"int Target_Speed=0; /設(shè)

7、定速度控制的目標(biāo)速度為50個(gè)脈沖每10msfloat Encoder_Speed=0;/左右編碼器的脈沖速度int Moto1=0;float Kp=0.35,Ki=0.8,Kd=0.4;u8 keyval=0;static u16 temp1;/* 名稱 : Keyscan()* 功能 : 實(shí)現(xiàn)按鍵的讀取。下面這個(gè)子程序是按處理 矩陣鍵盤 的基本方法處理的。* 輸入 : 無(wú)* 輸出 : 按鍵值*/u8 Keyscan(void) u8 i,j;for(j=0;j<4;j+) GPIO_ResetBits(GPIOE,0x01<<(j+11);for(i=0;i<4;i

8、+) if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOE,0x01<<(7+i)=0)Delay_ms(10); /延時(shí)消抖if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOE,0x01<<(7+i)=0)while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOE,0x01<<(7+i)=0); /松手檢測(cè)return (i+j*4+1); GPIO_SetBits(GPIOE,GPIO_Pin_11|GPIO_Pin_12|GPIO_Pin_13|GPIO_Pin_14);return 0; /*鍵值處理函數(shù)*/void keyc

9、huli(u8 keyval)/根據(jù)鍵值做出相應(yīng)處理 switch(keyval)case 1:Target_Speed-=200;break;case 2:Target_Speed+=200;break;case 3:Target_Speed=0;Target_Speed=Amplitude(Target_Speed,Target_Amplitude);/給定限幅break;case 4:Target_Speed=4000;Target_Speed=Amplitude(Target_Speed,Target_Amplitude);/給定限幅break;case 5:Target_Speed+

10、=1000;Target_Speed=Amplitude(Target_Speed,Target_Amplitude);/給定限幅break;case 6:Target_Speed+=100;Target_Speed=Amplitude(Target_Speed,Target_Amplitude);/給定限幅break;case 7:Target_Speed+=10;Target_Speed=Amplitude(Target_Speed,Target_Amplitude);/給定限幅break;case 8:Target_Speed+=1;Target_Speed=Amplitude(Targ

11、et_Speed,Target_Amplitude);/給定限幅break;case 9:Target_Speed-=1000;Target_Speed=Amplitude(Target_Speed,Target_Amplitude);break;case 10:Target_Speed-=100;Target_Speed=Amplitude(Target_Speed,Target_Amplitude);break;case 11:Target_Speed-=10;Target_Speed=Amplitude(Target_Speed,Target_Amplitude);break;case

12、12:arget_Speed-=1;Target_Speed=Amplitude(Target_Speed,Target_Amplitude);break;case 13:Kd-=0.1;break;case 14:Kd+=0.1;break;case 15:Ki-=0.1;break;case 16:Ki+=0.1;break;default:break;LCD_disp_SPEED(8,0,Encoder_Speed);LCD_disp_Encoder_SPEED(8,1,Target_Speed);int Amplitude(int motol,int Amplitude)/SPEED限

13、幅if(motol<-Amplitude) motol=-Amplitude;if(motol>Amplitude) motol=Amplitude;return motol;2、位置式PI控制器入口參數(shù)：編碼器測(cè)量位置信息，目標(biāo)位置返回值：電機(jī)PWM根據(jù)位置式離散PID公式 pwm=Kp*e(k)+Ki*e(k)+Kde（k）-e(k-1)e(k)代表本次偏差 e(k-1)代表上一次的偏差 e(k)代表e(k)以及之前的偏差的累積和;其中k為1,2,k;pwm代表輸出在我們的位置控制閉環(huán)系統(tǒng)里面，只使用PI控制pwm=Kp*e(k)+Ki*e(k)int Position_PI(

14、int Encoder,int Target) static int Bias,Speed,Integral_bias,Last_bias;Bias=Target-Encoder; /計(jì)算偏差I(lǐng)ntegral_bias+=Bias; /求出偏差的積分Speed=Kp*Bias+Ki*Integral_bias+Kd*(Bias-Last_bias); /位置式PI控制器Last_bias=Bias;return Speed; /增量輸出void TIM2_IRQHandler(void)static u16 temp1;if (TIM_GetITStatus(TIM2,TIM_IT_Updat

15、e)!=RESET) TIM_ClearITPendingBit(TIM2,TIM_FLAG_Update); Encoder_Speed=300*Read_Encoder()/256;Moto1=Position_PI(Encoder_Speed,Target_Speed);/位置式PI控制器Moto1=Amplitude(Moto1,Speed_Amplitude);/SPEED限幅PWM_SPEED(Moto1); 3、LCD設(shè)置void LCD_init(void) /初始化 LCD_writecmd(0x38);Delay_ms(5);LCD_writecmd(0x38);Delay

16、_ms(5);LCD_writecmd(0x38);Delay_ms(5);LCD_writecmd(0x38); /顯示模式設(shè)置LCD_writecmd(0x08); /顯示關(guān)閉 LCD_writecmd(0x0c); /顯示開、光標(biāo)不顯示 LCD_writecmd(0x06); /顯示光標(biāo)移動(dòng)設(shè)置 LCD_writecmd(0x01); /顯示清屏 void LCD_check_busy(void) LCD_EL; LCD_RSL; LCD_RWH; GPIOD->ODR|=0X00FF; LCD_EH; while(BUSY=1);void LCD_writecmd(u8 cmd)

17、 /低8位 u16 temp; temp=GPIOD->ODR&0XFF00; temp+=cmd; GPIOD->ODR=temp; LCD_RSL; LCD_RWL; LCD_EL; Delay_ms(1); LCD_EH;Delay_ms(1);void LCD_writedata(u8 dat) u16 temp; temp=GPIOD->ODR&0XFF00; temp+=dat; GPIOD->ODR=temp; LCD_RSH; LCD_RWL; LCD_EL;Delay_ms(1); LCD_EH;Delay_ms(1);void LCD

18、_disp_char(u8 x,u8 y,u8 dat) u8 address; if(y=0) address=0x80+x; else address=0xc0+x; LCD_writecmd(address); LCD_writedata(dat);void LCD_disp_string(u8 x,u8 y,u8 *string)u8 address;if(y=0) address=0x80+x; else address=0xc0+x; LCD_writecmd(address);while(*string) LCD_writedata(*string); string+; void

19、 LCD_ClearScreen(void)LCD_writecmd(0x01);void LCD_disp_WELCOME(void) LCD_disp_string(5,0,"WELCOME"); LCD_disp_string(3,1,"The 5 Group");void LCD_disp_SPEED(u8 x,u8 y,int speed)u8 s5;if(speed>0)s0='+'else speed=-speed;s0='-'s1=(u8)(speed/1000)+0x30);s2=(u8)(spee

20、d%1000)/100)+0x30);s3=(u8)(speed%100)/10)+0x30);s4=(u8)(speed%10)+0x30);LCD_disp_string(x,y,s);LCD_disp_string(2,1,"INPUT"); LCD_disp_string(2,0,"OUTPUT");void LCD_disp_Encoder_SPEED(u8 x,u8 y,int Encoder_Speed)u8 s5;if(Encoder_Speed>0)s0='+'else Encoder_Speed=-Encoder

21、_Speed;s0='-'s1=(u8)(Encoder_Speed/1000)+0x30);s2=(u8)(Encoder_Speed%1000)/100)+0x30);s3=(u8)(Encoder_Speed%100)/10)+0x30);s4=(u8)(Encoder_Speed%10)+0x30);LCD_disp_string(x,y,s);4、 延時(shí)程序void Delay_us(u16 xus)u16 x,y;for(x=xus; x>0; x-)for(y=14; y>0; y-);void Delay_ms(u32 xms)u32 x,y;for

22、(x=xms; x>0; x-)for(y=14396; y>0; y-);5、 PWM產(chǎn)生程序：本設(shè)計(jì)中采用STM32F103的定時(shí)器TIM3定時(shí)器來(lái)產(chǎn)生PWM波形void TIM2_NVIC_Configuration(void) NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure; NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_0); NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn; NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptio

23、nPriority = 0; NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3; NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);void TIM2_Configuration(void) RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2 , ENABLE); TIM_DeInit(TIM2); TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period=20000;/* 自動(dòng)重裝載寄存

24、器周期的值(計(jì)數(shù)值) */ /* 累計(jì) TIM_Period個(gè)頻率后產(chǎn)生一個(gè)更新或者中斷 */ TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler= (720 - 1); /* 時(shí)鐘預(yù)分頻數(shù) 72M/72 */ TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1; /* 采樣分頻 */ TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up; /* 向上計(jì)數(shù)模式 */ TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructur

25、e); TIM_ClearFlag(TIM2, TIM_FLAG_Update);/* 清除溢出中斷標(biāo)志 */ TIM_ITConfig(TIM2,TIM_IT_Update,ENABLE); TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);/* 開啟時(shí)鐘 */void TIM3_Config(void) / make PWM /* PWM信號(hào)電平跳變值 */GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; GPIO_AFIODeInit();/* TIM3 clock enable */PCLK1經(jīng)過(guò)2倍頻后作為TIM3的時(shí)鐘源等于72MHzRCC_APB1PeriphC

26、lockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE); /* GPIOA and GPIOB clock enable */RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO|RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE); GPIO_PinRemapConfig(GPIO_FullRemap_TIM3, ENABLE); /重新映射到PB4和5/*GPIOA Configuration: TIM3 channel 1 and 2 as alternate function push-pull */GPIO_InitStruct

27、ure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; / 復(fù)用推挽輸出GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure); /* Time base configuration */ TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 10000; /當(dāng)定時(shí)器從0計(jì)數(shù)到999，即為1000次，為一個(gè)定時(shí)周期TIM_TimeBase

28、Structure.TIM_Prescaler = 71; /設(shè)置預(yù)分頻：不預(yù)分頻，即為72MHz 每0.01s產(chǎn)生一個(gè)中斷TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1 ;/設(shè)置時(shí)鐘分頻系數(shù)：不分頻TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; /向上計(jì)數(shù)模式TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);TIM_ClearFlag(TIM3, TIM_FLAG_Update); /* 清除溢出中斷標(biāo)志 *

29、/TIM_ITConfig(TIM3,TIM_IT_Update,ENABLE);/* PWM1 Mode configuration: Channel1 */TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1; /配置為PWM模式1TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse =0; /設(shè)置跳變值，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到這個(gè)值時(shí)，電平發(fā)生跳變TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM

30、_OCPolarity_High; /當(dāng)定時(shí)器計(jì)數(shù)值小于CCR1_Val時(shí)為低電平 TIM_OC1Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure); /使能通道1TIM_OC1PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable);/* PWM1 Mode configuration: Channel2 */TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse =0; /設(shè)置通道2的電平跳變值，輸出另外一個(gè)占空比的P

31、WMTIM_OC2Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure); /使能通道2TIM_OC2PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable);TIM_ARRPreloadConfig(TIM3, ENABLE); / 使能TIM3重載寄存器ARR/* TIM3 enable counter */ TIM_Cmd(TIM3, ENABLE); /使能定時(shí)器3void PWM_SPEED(int speed)if(speed>0)/正轉(zhuǎn) TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0;TIM_OC2Init(T

32、IM3, &TIM_OCInitStructure);TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse =speed; TIM_OC1Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure); /使能通道3else/反轉(zhuǎn) TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0;TIM_OC1Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);speed=-speed;TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = speed; TIM_OC2Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure); /使能通道36、 主程序：系統(tǒng)的主程序是一個(gè)循環(huán)程序int main(void)u8 keyval=0;LED