直流电机调速模块软件设计(附件)【字数：9067】
摘 要直流电机在现今时代具有广泛的使用性，不管是专业性的自动控制系统，还是日常生活中的家用电器，甚至孩子们的电子玩具。直流电机拥有可调速性，可以使用直流电或者交流电进行调速控制。直流电动机的可调速性拥有以下各个特点范围比较大，比较方便，承受过载的能力比较大，所以直流电机可以使用无极变速，灵活的在起制动还有正反转之间切换运行状态，可以解决各种生产和生活问题。当今时代快速发展，控制系统的各种性能对人们来说越发重要，尤其是调速方面，如何调整电机速度也成为现今人类研究的重要问题。直流电机的调速问题，在现今的技术发展下，一定程度上已经有了一些较为成熟的解决方法。本次设计用的就是现在最普遍的方法利用STM32F103单片机控制脉宽调制信号，再由脉宽调制来调整占空比，最后由占空比的控制L298N驱动电路，由L298N驱动电路控制直流电机的加速、减速，从而直流电机调速的目的。这也是本次设计主要研究的内容，本设计通过对单片机以及脉宽调制控制原理的理解，从而编写程序实现直流电机调速。
目 录
第一章? 直流电机概述 1
1.1直流电机发展历史概述 1
1.2调速原理 1
1.3 控制程序设计 3
第二章 ?系统设计原理及单片机选择 4
2.1系统总体设计原理 4
2.2 STM32F103单片机 4
第三章? 驱动电路基本原理 7
3.1 PWM基本原理 7
3.2 H桥驱动电路 7
3.3 L298N驱动电路简介 8
第四章 系统硬件设计 10
4.1系统设计方案 10
4.2控制器模块设计方案 10
4.3 STM32F103复位电路设计 11
4.4 电动机驱动电路设计 12
4.5 光电码盘编码器电路设计 12
4.6霍尔传感器测量原理 13
第五章 系统软件设计 15
5.1 PID算法 15
5.2 PID参数整定方法 15
5.3 电机速度采集方法 16
5.4 主程序设计原理 17
第六章 系统调试 18
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6.1软件调试 18
6.2 系统测试与分析 18
结束语 20
致谢 21
参考文献 22
第一章? 直流电机概述
1.1直流电机发展历史概述
最早出现的是有刷直流电机，但是随着需求的增加，对于直流电机的要求也逐渐提升，有刷直流电机在许多场合的应用均受到了限制，由于有刷直流电机限制了人类的发展，所以人们想把有刷直流电机的电刷取代掉，就是因为这个，人类进行了长时间的研发。但是这种电机的弊端也较多，工作效率低，可靠性差，装置复杂繁重，所以没有太大的实际性意义。
科技技术随着时代的要求不断进步，半导体技术也在科技技术中得到了卓越的提升，无刷直流电机的研制成功来源于开关型晶体管的研制成功。由于发展非常快的半导体技术，让美国人霍尔在1879年发现的霍尔效应再次进入人们的眼球并且对此产生了浓厚的兴趣。后来出现了磁敏二极管，这种二极管比霍尔元件灵敏了一千多倍，在七十年代初期，又凭借磁敏二极管完成换流的无刷直流电机被研制成功。虽然人们一直在研制各个不同类型的位置传感器，但是人们一直想要实现一种无刷直流电机，是一种没有加位置传感器的直流电机。1968年原联邦德国W.Mieslinger想要用另外一种技术实现换流，那项技术就需要用到电容相移。基于这个基础，原联邦德国 R.Hanitsh终于凭借数字式环形分配器组合上过零鉴别器实现了换流，这样的无刷直流电机就不需要加上位置传感器了。
因为利用了半导体的发展，人们简化了外围电路的设计特别是驱动电路模块，这样就为了让无刷直流电机投入广泛实用奠定了无比坚实的基础。
1.2调速原理?
直流电机定子部分主要由主磁极,电刷装置和换向极等组成,转子部分主要由电枢绕组,换向器和转轴等构成，如图11所示：
图11 直流电机工作原理图
因为励磁方式一般可以分成自励以及他励这两种类型，所以直流电机同样能分成这两种类型。这两种励磁方式各有各的特点，但是直流电机转速的计算方法只有一种如图12所示：
图12 直流电机转速公式图
由以上式子可以知道，直流电机控制速度的方法有两种，第一种是电枢控制法，第二种是磁场控制法。这两种方法各有各的益处也各有各的弊端，相比于电枢控制法来讲，磁场控制法的控制功率比较小，当直流电机转速比较低的时候磁极那里会受到饱和的限制，但是在直流电机转速特别快的时候，又会被限制于换向器结构和换向火花。因此相比而言，在广泛使用性上说磁场控制法完全不如电枢控制法使用的多。
脉宽调制（PWM）在直流电机的调速中起到了无可替代的作用，在目前直流电机的调速控制中都拥有脉宽调制的身影。因为直流电动机拥有交流电动机所没法代替的低转速大力矩的优点，所以通常使用直流调速器来调整直流电机的转速，这样的直流电机在日常生活生产中的使用频率更加频繁。
电枢控制的工作原理是在稳定的励磁电压稳定的状态下，在电枢上加上信号——控制电压的信号，用来监督和控制直流电机的旋转速度是否正常运转。在广泛的使用中，电枢控制法已接近脉宽调制均得到了普遍的使用，脉宽调速的工作理念是通过频率来判断，以此来决定电源被接通或者被断开，而且经由过程来改变同一个周期内的电源的供电还是不供电，那就取决于由脉宽调制所控制的占空比，再通过占空比反馈来控制电源所输出的电压的大小以及电源是否供电。从而实现调整直流电机的转速。
图13 直流电机脉宽调制图
如图13所表示，直流电机的最大转速为 Vmax 的时候，就是电源一直接通电动机的时候 ，占空比为D= t1/T，因此电机 T 的平均速度为： VD = Vmax * D 由此可见想要实现调速，只有修改占空比 D，获得不同的直流电机旋转速度后才能实现。
1.3 控制程序设计
定时中断是这个软件设计时主要运用的。当直流电机通电时，电机并不会运转，而是由单片机控制，进入准备工作状态。只有单片机给出运转指令时，直流电机才会执行相应的命令。PWM 为主体控制电路的调制脉宽：脉宽调制在直流电机调速系统中起到主要作用。本次设计的脉宽调制是通过单片机最终以软件形式体现，同样起到控制占空比的作用。同时占空比决定了电枢端电压，电枢端电压又决定了直流电机的转速，所以可以认为利用脉宽调制间接控制了直流电机的转速。
目 录
第一章? 直流电机概述 1
1.1直流电机发展历史概述 1
1.2调速原理 1
1.3 控制程序设计 3
第二章 ?系统设计原理及单片机选择 4
2.1系统总体设计原理 4
2.2 STM32F103单片机 4
第三章? 驱动电路基本原理 7
3.1 PWM基本原理 7
3.2 H桥驱动电路 7
3.3 L298N驱动电路简介 8
第四章 系统硬件设计 10
4.1系统设计方案 10
4.2控制器模块设计方案 10
4.3 STM32F103复位电路设计 11
4.4 电动机驱动电路设计 12
4.5 光电码盘编码器电路设计 12
4.6霍尔传感器测量原理 13
第五章 系统软件设计 15
5.1 PID算法 15
5.2 PID参数整定方法 15
5.3 电机速度采集方法 16
5.4 主程序设计原理 17
第六章 系统调试 18
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
6.1软件调试 18
6.2 系统测试与分析 18
结束语 20
致谢 21
参考文献 22
第一章? 直流电机概述
1.1直流电机发展历史概述
最早出现的是有刷直流电机，但是随着需求的增加，对于直流电机的要求也逐渐提升，有刷直流电机在许多场合的应用均受到了限制，由于有刷直流电机限制了人类的发展，所以人们想把有刷直流电机的电刷取代掉，就是因为这个，人类进行了长时间的研发。但是这种电机的弊端也较多，工作效率低，可靠性差，装置复杂繁重，所以没有太大的实际性意义。
科技技术随着时代的要求不断进步，半导体技术也在科技技术中得到了卓越的提升，无刷直流电机的研制成功来源于开关型晶体管的研制成功。由于发展非常快的半导体技术，让美国人霍尔在1879年发现的霍尔效应再次进入人们的眼球并且对此产生了浓厚的兴趣。后来出现了磁敏二极管，这种二极管比霍尔元件灵敏了一千多倍，在七十年代初期，又凭借磁敏二极管完成换流的无刷直流电机被研制成功。虽然人们一直在研制各个不同类型的位置传感器，但是人们一直想要实现一种无刷直流电机，是一种没有加位置传感器的直流电机。1968年原联邦德国W.Mieslinger想要用另外一种技术实现换流，那项技术就需要用到电容相移。基于这个基础，原联邦德国 R.Hanitsh终于凭借数字式环形分配器组合上过零鉴别器实现了换流，这样的无刷直流电机就不需要加上位置传感器了。
因为利用了半导体的发展，人们简化了外围电路的设计特别是驱动电路模块，这样就为了让无刷直流电机投入广泛实用奠定了无比坚实的基础。
1.2调速原理?
直流电机定子部分主要由主磁极,电刷装置和换向极等组成,转子部分主要由电枢绕组,换向器和转轴等构成，如图11所示：
图11 直流电机工作原理图
因为励磁方式一般可以分成自励以及他励这两种类型，所以直流电机同样能分成这两种类型。这两种励磁方式各有各的特点，但是直流电机转速的计算方法只有一种如图12所示：
图12 直流电机转速公式图
由以上式子可以知道，直流电机控制速度的方法有两种，第一种是电枢控制法，第二种是磁场控制法。这两种方法各有各的益处也各有各的弊端，相比于电枢控制法来讲，磁场控制法的控制功率比较小，当直流电机转速比较低的时候磁极那里会受到饱和的限制，但是在直流电机转速特别快的时候，又会被限制于换向器结构和换向火花。因此相比而言，在广泛使用性上说磁场控制法完全不如电枢控制法使用的多。
脉宽调制（PWM）在直流电机的调速中起到了无可替代的作用，在目前直流电机的调速控制中都拥有脉宽调制的身影。因为直流电动机拥有交流电动机所没法代替的低转速大力矩的优点，所以通常使用直流调速器来调整直流电机的转速，这样的直流电机在日常生活生产中的使用频率更加频繁。
电枢控制的工作原理是在稳定的励磁电压稳定的状态下，在电枢上加上信号——控制电压的信号，用来监督和控制直流电机的旋转速度是否正常运转。在广泛的使用中，电枢控制法已接近脉宽调制均得到了普遍的使用，脉宽调速的工作理念是通过频率来判断，以此来决定电源被接通或者被断开，而且经由过程来改变同一个周期内的电源的供电还是不供电，那就取决于由脉宽调制所控制的占空比，再通过占空比反馈来控制电源所输出的电压的大小以及电源是否供电。从而实现调整直流电机的转速。
图13 直流电机脉宽调制图
如图13所表示，直流电机的最大转速为 Vmax 的时候，就是电源一直接通电动机的时候 ，占空比为D= t1/T，因此电机 T 的平均速度为： VD = Vmax * D 由此可见想要实现调速，只有修改占空比 D，获得不同的直流电机旋转速度后才能实现。
1.3 控制程序设计
定时中断是这个软件设计时主要运用的。当直流电机通电时，电机并不会运转，而是由单片机控制，进入准备工作状态。只有单片机给出运转指令时，直流电机才会执行相应的命令。PWM 为主体控制电路的调制脉宽：脉宽调制在直流电机调速系统中起到主要作用。本次设计的脉宽调制是通过单片机最终以软件形式体现，同样起到控制占空比的作用。同时占空比决定了电枢端电压，电枢端电压又决定了直流电机的转速，所以可以认为利用脉宽调制间接控制了直流电机的转速。
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