基于STM的直流电机PID调速系统设计

3.3
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。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5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，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。
（3）微分环节：能反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。
4.2
本系统中电机速度采集是一个非常重要的部分，它的精度直接影响到整个控制的精度。在设计中采用了光电传感器做为测速装置，其计算公式为：
v= r/min（3）
3.2
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：64KBSRAM、512KBFLASH、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，可以显着提高LCD的刷屏速度，是STM32F1家族常用型号里面，最高配置的芯片了。
3.4光电码盘编码器电路设计6
3.5显示电路设计6
3.6按键电路设计7
4.系统软件设计7
4.1PID算法7
4.2电机速度采集算法8
5.系统调试8
5.1软件调试8
5.2系统测试与分析9
6.总结与展望10
附录一11
附录二16
1.
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。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。
图5电机驱动电路
3.4
在本系统中由于要将电机本次采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6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7所示，从图中可以得出电机每转一圈在PA3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。例如当电机以一定的转速运行时，PA3将输出如图7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4电源电路
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U13DC-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。
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。采用的芯片组成了PWM信号的发生系，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。
2
根据系统设计的任务和要求，设计系统方框图如图1所示。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，其中通过键盘将速度参数输入到单片机中，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。
式中，速度v的误差主要是由圆盘边缘上的凹槽数的多少决定的，为了减少系统误差应尽量提高凹槽的数量，在本次设计中取凹槽数N为260，采样时间t为10ms。
5.
5.1
在程序编写的过程中，出现了很多问题，包括键盘扫描处理、PWM信号发生电路的控制、以及单片机控制直流电机的转动方向等问题，虽然问题不是很大，但是也让我研究了好长时间，在解决这些问题的时候，我不断向老师和同学请教，希望能通过大家一块的努力把软件编写的更完整，让系统的功能更完备。经过多天的努力探索，也经过老师的指导，大部分问题都已经解决，就是程序还是不能实现应该实现的功能，这让我很着急。后来经过一点一点的调试，并认真总结，发现了问题其实在编写中断处理程序时出现了错误，修改后即可实现直流电机调速的目的。总结这次软件调试，让我认识到了做软件调试的基本方法与流程：
PID调节器是一种线性调节器，它根据给定值 与实际输出值 构成的控制偏差： = － （2）
将偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制，故称为PID调节器。在实际应用中，常根据对象的特征和控制要求，将P、I、D基本控制规律进行适当组合，以达到对被控对象进行有效控制的目的。例如，P调节器，PI调节器，PID调节器等。
模拟PID调节器的控制规律为
（3）
式中， 为比例系数， 为积分时间常数， 为微分时间常数。
简单的说，PID调节器各校正环节的作用是：
（1）比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号 ,偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减少偏差；
（2）积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数 ， 越大，积分作用越弱，反之则越强；
《电气控制技术》
研究生课程设计报告
题目基于STM32的直流电机PID调速系统
学院机械与汽车工程学院
专业班级车辆工程
学号
学生姓名李跃轩
指导教师康敏
完成日期2017年01月03日
1.绪论1
2.设计方案1
3．系统硬件电路设计2
3.1整体电路设计2
3.2最小单片机系统设计3
复位电路3
3.2.2电源电路4
3.3电机驱动电路设计5
3.2.1
STM32F103的复位电路如图3所示：
图3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
STM32F103板载的电源供电部分，其原理图如图4所示：
图6电机速度采集方案
图7传感器输出脉冲波形
3.5
根据设计要求要对电机的转速进行读取，因此在电路中加入显示模块是很有必要的。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。
本系统硬件资源分配见图2所示。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，通过STM32F103的PA1(A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3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
图1系统方案框图
3
3.1
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STM32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。
（1）认真检查源代码，看是否有文字或语法错误
（2）逐段子程序进行设计，找出错误出现的部分，重点排查
（3）找到合适的方法，仔细检查程序，分步调试直到运行成功
5.2
为了确定系统与设计要求的符合程度，需要进行系统测试与分析，下面以PID调节器为例，具体说明经验法的整定步骤：
①让调节器参数积分系数 =0，实际微分系数 =0，控制系统投入闭环运行，由小到大改变比例系数 ，让扰动信号作阶跃变化，观察控制过程，直到获得满意的控制过程为止。
②取比例系数 为当前的值乘以5，由小到大增加积分系数 ，同样让扰动信号作阶跃变化，直至求得满意的控制过程。
③积分系数 保持不变，改变比例系数 ，观察控制过程有无改善，如有改善则继续调整，直到满意为止。否则，将原比例系数 增大一些，调整积分系数 ，力求改善控制过程。如此反复，直到找到满意的比例系数 和积分系数 为止。
④引入适当的实际微分系数 和实际微分时间 ，此时可适当增大比例系数 和积分系数 。和前述步骤相同，微分时间的整定也需反复调整，直到控制过程满意为止。
根据上诉方法，通过观察得出该系统比较合适的P、I、D三者的参数值为: =5, =0.00105, =0。