基于arm直流电机闭环调速系统设计

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1、信息科学与工程学院课程设计报告信息科学与工程学院课程设计报告( 20142015 学年第 一 学期学年第 一 学期 )题 目基于题 目基于 ARM 的直流电机闭环调速系统的设计的直流电机闭环调速系统的设计院（系、部）控制系课 程 名 称电力拖动自动控制系统课程设计专业自动化 1 班年级2011 级学号1115103012姓名范潇宇指 导 老 师李平晏来成1115103012范潇宇11 自动化 1 班2引言引言本次课程设计本质就是控制电机的转速， 使电机输出我们想要的转速， 为此， 我们通过对基于 ARM stm32f103 的简单编程，同时与各种电路相互结合，达到对 电机的自动控制，同时可以对

2、电机进行加、减速的控制，输出转速。 本设计在硬件上采用了基于 PWM 技术的驱动电路， 解决了电机驱动的效率问 题，在软件上也采用较为合理的算法，提高了使用效率，在关于速度的反馈问题 上，用光电编码器作为测速反馈，通过对脉冲数的计算表达当前的转速，提供较 为直观的速度表示方式，与给定值行比较，可以更地控制电机稳定运行。1115103012范潇宇11 自动化 1 班3目录目录第第 1 章 直流电机调速系统设计章 直流电机调速系统设计4 1.1基于 ARM 的直流电机闭环调速系统的设计要求4 1.2直流电机闭环调速系统的结构图4 1.3解决相关问题的基本思路4 第第 2 章 系统硬件部分章 系统硬

3、件部分.5 2.1 直流电机5 2.2 驱动：L2985 2.3 测速方式：编码器7 2.4 显示模块8 2.5 控制器9 2.6 输入设备10 第第 3 章 软件部分设计章 软件部分设计.11 3.1 驱动程序流程图设计11 3.2 LCD 显示器部分11 3.3 定时器部分13 3.31 定时器timer2.13 3.32 定时器timer3.13 3.4 PID 参数调节方法.15 第第 4 章 调试结果及分析章 调试结果及分析.16 4.1 调试过程中遇到的问题16 4.2 实验结果16 4.3 问题与不足16 参考文献参考文献.17 附录：嵌入式程序附录：嵌入式程序181115103

4、012范潇宇11 自动化 1 班4第一章 直流电机调速系统设计第一章 直流电机调速系统设计1.1基于 ARM 的直流电机闭环调速系统的设计要求 具体要求如下： 1. 能够通过按键设定期望转速； 2. 能够显示当前速度值（通过数码管或 LCD 均可）； 3. 测量范围：30rpm-3000rpm； 4. 误差：5rpm; 1.2 系统的结构框图如下：图 1-2 电机驱动方式 1.3 解决的思路： 当转速降低（增大）时相应地提高（减小）电源电压； 问题的关键： 1. 如何获取大小可变的直流电源？ 2. 如何确定电源增减的量的大小？ 问题的解决： 1. 可调电源的获取图 1-31 获取可调电源 2.

5、 占空比的调整方法：图 1-32 占空比调整1115103012范潇宇11 自动化 1 班5第二章 系统硬件部分第二章 系统硬件部分2.1 直流电机 如图 2-1 所示图 2-1 直流电机2.2 电机驱动模块 器件：L298N 电机驱动模块 L298N 是 ST 公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用 15 脚封装。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达 46V；输出电流大，瞬间 峰值电流可达 3A，持续工作电流为 2A；额定功率 25W。内含两个 H 桥的高电压 大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感 性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个

6、使能控制端，在不受输入信号影 响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端， 使内部逻辑电路部分在 低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。使用 L298N 芯片 驱动电机，该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台 直流电机。该芯片逻辑电路图如图 2-2 所示图 2-21 L298N 逻辑电路图1115103012范潇宇11 自动化 1 班6L298N 实物图如图 2-22 所示 L298N 芯片引脚图如图 2-23 所示图 2-22 L298N 实物图图 2-23 L298N 芯片引脚图图 2-23 L298N 原理图 对直流电机的控制过程： 一个芯片

7、可以控制两个直流电机， 分别为 M1 和 M2。 引脚 A， B 可用于输入 PWM 脉宽调制信号对电机进行调速控制。（如果无须调速可将两引脚接 5V，使电机 工作在最高速状态，既将短接帽短接）实现电机正反转就更容易了，输入信号端 IN1 接高电平输入端 IN2 接低电平，电机 M1 正转。（如果信号端 IN1 接低电平， IN2 接高电平，电机 M1 反转。）控制另一台电机是同样的方式，输入信号端 IN3 接高电平，输入端 IN4 接低电平，电机 M2 正转。（反之则反转），PWM 信号 端 A 控制 M1 调速，PWM 信号端 B 控制 M2 调速本次电机调速只涉及到电机的 单向转动，没有

8、对反转进行设计。1115103012范潇宇11 自动化 1 班7图 2-24 对直流电机的控制参考表 2.3 测速方式 器件：编码器 编码器器型号:HN38-06-400A，如图 2-31,2-32 所示 工作原理： 电机每转一圈会产生 400 个脉冲，假设采样时间为 t，则电机实际转速可以表达为：t203 t60 400脉冲数脉冲数n图 2-31 HN38-06-400A 编码器图 2-32 HN38-06-400A 编码器测速电路原理图如图 2-33 所示1115103012范潇宇11 自动化 1 班8图 2-33 测速电路原理图 2.4 显示模块 器件：采用 1602LCD 液晶显示器

9、1602LCD 的基本参数及引脚功能： 1602LCD 分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为 HD44780，带背光的比 不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，两者尺寸差别如图 2-41 所示图 2-41 1602LCD 液晶显示器 1602LCD 主要技术参数： 显示容量:162 个字符 芯片工作电压:4.55.5V 工作电流:2.0mA(5.0V) 模块最佳工作电压:5.0V 字符尺寸:2.954.35(WH)mm1115103012范潇宇11 自动化 1 班9引脚功能说明： 第 1 脚：VSS 为地电源。 第 2 脚：VDD 接 5V 正电源。 第 3 脚：VL 为液晶显示器对

10、比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比 度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个 10K 的电位器调整 对比度。 第 4 脚：RS 为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存 器。 第 5 脚：R/W 为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当 RS 和 R/W 共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当 RS 为低电平 R/W 为高电 平时可以读忙信号，当 RS 为高电平 R/W 为低电平时可以写入数据。 第 6 脚：E 端为使能端，当 E 端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。 第 714 脚：D0D7 为 8 位双向数据线。 第 1

11、5 脚：背光源正极。 第 16 脚：背光源负极。2.5 控制器 器件：stm32 系列 ARM Cortex-M3 如图 2-51 所示图 2-51 stm32f103 控制器图 2-52 stm32f103 引脚图 参数： 2V-3.6V 供电 容忍 5V 的 I/O 管脚 优异的安全时钟模式 带唤醒功能的低功耗模式 内部 RC 振荡器 内嵌复位电路 工作温度范围：1115103012范潇宇11 自动化 1 班10-40C 至+85C 或 105C Stm32f103 性能 特点 内核：ARM32 位 Cortex-M3 CPU，最高工作频率 72MHz，1.25DMIPS/MHz。单周期

12、乘法和硬件除法。 存储器：片上集成 32-512KB 的 Flash 存储器。6-64KB 的 SRAM 存储器。 时钟、复位和电源管理：2.0-3.6V 的电源供电和 I/O 接口的驱动电压。POR、PDR 和可编程的电压探测器（PVD）。4-16MHz 的晶振。内嵌出厂前调校的 8MHz RC 振荡电路。内部 40 kHz 的 RC 振荡电路。用于 CPU 时钟的 PLL。带校准用于 RTC 的 32kHz 的晶振。 低功耗：3 种低功耗模式：休眠，停止，待机模式。为 RTC 和备份寄存器供电的 VBAT。 调试模式：串行调试（SWD）和 JTAG 接口。 DMA：12 通道 DMA 控制

13、器。支持的外设：定时器，ADC，DAC，SPI，IIC 和 UART。 2 个 12 位的 us 级的 A/D 转换器（16 通道）：A/D 测量范围：0-3.6 V。双采样 和保持能力。片上集成一个温度传感器。 2 通道 12 位 D/A 转换器：STM32F103xC,STM32F103xD,STM32F103xE 独有。 最多高达 112 个的快速 I/O 端口：根据型号的不同，有 26，37，51，80，和 112 的 I/O 端口，所有的端口都可以映射到 16 个外部中断向量。除了模拟输入，所 有的都可以接受 5V 以内的输入。 最多多达 11 个定时器：4 个 16 位定时器，每个

14、定时器有 4 个 IC/OC/PWM 或者脉 冲计数器。2 个 16 位的 6 通道高级控制定时器：最多 6 个通道可用于 PWM 输出。 2 个看门狗定时器（独立看门狗和窗口看门狗）。Systick 定时器：24 位倒计数 器。2 个 16 位基本定时器用于驱动 DAC。 最多多达 13 个通信接口： 2 个 IIC 接口 （SMBus/PMBus） 。 5 个 USART 接口 （ISO7816 接口，LIN，IrDA 兼容，调试控制）。3 个 SPI 接口（18 Mbit/s），两个和 IIS 复用。CAN 接口（2.0B）。USB 2.0 全速接口。SDIO 接口。 ECOPACK 封

15、装：STM32F103xx 系列微控制器采用 ECOPACK 封装形式。 2.6 输入设备 器件：4*4 矩阵键盘 如图 2-61 所示在本次设计中, 按键s13到s16对应输入数字0到3， 按键 s9 到 s12 对应输入数字 4 到 7， 按键 s5 到 s6 对应输入数字 8 到 9， 按键 s7 对应开始按钮。图 2-61 4*4 矩阵键盘1115103012范潇宇11 自动化 1 班11第三章 软件程序部分设计第三章 软件程序部分设计3.1 驱动程序部分 流程图如图 3-1 所示：图 3-1 驱动程序流程图 3.2 LCD 部分 流程图如图 3-2 所示图 3-2 LCD 工作流程图

16、开始初始化设置周期从键盘读取数据Count=256Count=count+1驱动芯片输出脉冲恢复现场返回开始LCD 初始化延时设第一行显示位置显示第一行内容设第二行显示位置显示第二行内容Input speedOutput speed1115103012范潇宇11 自动化 1 班12LCD 程序部分：int main(void)char str1=“INPUTSPEED:“;char str2=“OUTPUTSPEED:“;int a=0,b=0,c=0,flag=0,sp=0;RCC_Configuration();GPIO_Configuration();Timer3Ch1GPioInit();EXT5_Init();Timer2Init();LCD_Init();LCD_Setpos_DispString(1,1,str1);LCD_Setpos_DispString(2,1,str2);key();while(1) delay_nms(100);if(key()=-1) continue;else flag+;if(flag