基于单片机的直流电机调速系统设计与实现

摘要

在电子机械行业快速发展的今天，各类电子机械类产品以飞快的步伐进入到人们的视野中。为人们的生活带来极大的便利。同时也以各种不同的方式解放着生产力。在这些电子机械领域，电机无疑占着举足轻重的位置。现在各类工厂里的自动化生产线，如汽车生产线、生活用品生产线、阿里巴巴的智能仓库等等无不涉及电机的控制。当下最流行的各类机器人大赛，归根结底就是掌握对电机运动控制的比拼。因此，电机运动的控制的好坏对日常生产生活发展的影响就显得如此重要。
STM32单片机对电机运动的控制性能佳。因此，可作为对直流电机运动控制的核心芯片。同时，LabVIEW是VI公司新开发的一种软件编译环境，从开发至今，已经被广泛的应用于工业测试，学术研究等领域。该软件是一种非常实用的应用测量软件，可以以绝对低的成本获取所需要测量的数据。以及相应仪器的控制方面。因此可选为直流电机调速系统的上位机。将二者相结合，可以开发出一种界面友好，速度控制性能佳的直流电机调速系统。
本设计以stm32单片机作为核心控制板，以直流减速电动机作为控制对象，采用LabVIEW软件作为上位机，开发出一套基于单片机的直流电机调速系统。可以实现对直流电机速度控制的启停控制、加减速控制、速度显示功能、追踪直流电机速度曲线的功能。同时直流电机的速度曲线要具有较好的精度控制。最终形成一套具有良好速度控制功能的直流电机
调速系统。

关键字：直流电动机，stm32，LabVIEW，速度控制

ABSTRACT

With the rapid development of electronic machinery industry today, all kinds of electronic and mechanical products to the rapid pace of entering into the people’s vision. It brings great convenience to people’s life. At the same time in different ways. In the field of the liberation of the productive forces of electronic machinery, motor undoubtedly occupies a pivotal position. Now all kinds of factories. The automatic production line, such as automobile production lines, daily necessities and so on all production lines, intelligent warehouse Alibaba involved in motor control. Various types of robot contest the most popular, after all is the master of motor motion control competition. Therefore, the quality of the motor control effect on the development of daily life is so important.
The control performance of Stm32 single chip microcomputer for DC motor is good. Therefore, it can be used as the core chip of DC motor control. At the same time, LabVIEW is a new software development company VI compiler environment, from the development so far, has been widely used in industrial test, field of academic research. The software is a very practical application of measurement software, can obtain the data to be measured in the lowest cost and the control of the corresponding instrument. Therefore, the optional motor is the DC motor speed regulation system, and the combination of the two can develop a DC motor speed control system with friendly interface and good speed control performance.
This design takes the STM32 monolithic integrated circuit as the core control board, uses the DC motor as the control object, uses the LabVIEW software as the host computer, develops a set of DC motor speed control system. It can realize the speed control of DC motor start stop control, acceleration and deceleration control, speed display function, tracking DC motor speed curve function. At the same time, the speed curve of DC motor should have good precision control. Finally, a DC motor speed control system with good speed control function is formed.

KEY WORDS: DC motor, LabVIEW , STM32, Speed control

第一章绪论 1
1.1本课题的研究背景与意义 1
1.2本课题的国内外研究发展现状 1
1.3 本课题的研究方法 2
第二章直流电动机与LabVIEW介绍 3
2.1 直流电动机 3
2.1.1 直流电动机基本结构 3
2.1.2 直流电动机工作原理 4
2.1.3 直流电动机速度控制方法 4
2.2 LabVIEW概述 5
2.2.1 LabVIEW的简介 5
2.2.2 LabVIEW的优点 6
2.2.3 LabVIEW编程基础 6
第三章系统硬件电路设计 9
3.1 核心控制板 9
3.1.1 核心控制板的选择 9
3.1.2 核心控制板的引脚图 9
3.2 电源模块 10
3.3 电机驱动模块 11
3.4 编码器模块 11
第四章系统上位机的搭建 13
4.1 用户界面的设计 13
4.2 程序框图的设计 13
第五章系统软件设计 17
5.1 PWM脉冲控制技术 17
5.1.1 PWM控制的基本原理 17
5.1.2 直流电机的PWM控制技术 18
5.2 PID控制器的设计 19
5.2.1 PID控制的原理 19
5.2.2 PID参数的整定方法 19
5.3 系统的程序流程图 21
第六章系统测试 24
6.1 硬件电路测试 24
6.2 电机转速读数测定 27
6.3 电动机速度参数的调试 27
6.3.1 PID参数的调试 27
6.3.1 PID参数的调试过程中的速度波形图 28
总结与展望 34
1 研究成果 34
2 不足 34
3 展望 34
参考文献 36

第一章绪论

1.1本课题的研究背景与意义
在发展迅猛的工业过程中，电动机已经成为了一种主要的驱动设备。特别是直流电动机。即便它没有交流电动机应用那样广泛，但它凭借着优良的启动、平滑的调速性及其结构上的简单，依旧成为许多电器设备，如电梯，洗衣机，各类机器人等的驱动装置。在我们日常教学及实验室项目开发上，直流电动机也因为其具有良好的性能而被众多开发人员所青睐。在工业生产及生活方面有着不可取代的地位。
伴随着单片机技术和电力电子技术的发展，使得对直流电机的速度控制从模拟化向数字化转变。早期的模拟化电机控制方式逐渐消亡。取而代之的是现在被广泛应用的PWM脉宽调制控制方式。其控制方法是将控制芯片单片机产生的控制信号，通过控制晶闸管门极开关控制开关周期，进而调节整个过程中电动机的平均电压，从而达到对电机速度控制的目的。
同时，本课题采用了LabVIEW作为上位机，LabVIEW是一种图形化编程软件，隶属于虚拟仪器领域。随着近几年计算机技术的快速发展，LabVIEW做为一种图形化编程软件以其自身特有的优势在现代得到了快速的发展。并且在我们的生产生活中得到了广泛应用，如工程设计、实验研究，工业制造等。如今，如果采用LabVIEW这种图像化虚拟仪器搭建测试仪器，将大大省去工程设计中的许多不需要的繁琐过程，极大地方便了工程开发。它不仅性具有价比高，稳定性好的特点，而且在开发过程中具有开发效率高，可维护性强，节约投资等特点。同时在我们的生产过程中对于设备故障的检测，新产品性能的测试都具有不可比拟的优势。因此，如果将两者相结合，同时再融入相应的直流电机速度控制的算法，开发出一套直流电动机调速系统模型，这样对于我们生产生活方面电机控制方面的研究就显得意义重大。

1.2本课题的国内外研究发展现状
直流电机是人们最早控制的运动装置，从早期的模拟器件控制经过快速发展到了现在流行的数字方式控制。主要是利用电子器件的发展，通过核心控制板的控制产生PWM波，从而实现对电机的精确控制。通过纵观直流电机发展历史，人们对电机的研究应该是个老生常谈的话题了。
关键是因为直流电动机在人们的生活中无处不在，为人们的生产生活提供了巨大的便捷。同时直流电机还因为具有能在较大范围内进行平滑调速等特点，一直以来被各大公司，学校机构所追捧。成为研究的热点。近几年对直流电动机的研究主要集中在电子控制器件，直流电动机控制理论以及对计算机辅助技术的研究。
在控制理论方面，在工业及研究领域，被经常使用是PID控制算法，因为其算法具有简单，容易被操作，技术发展较为成熟，适应性强等特点。但最近今年也有出现一些新的对直流电机控制的算法，如模糊控制，鲁棒控制理论等，但这些技术因为没有成熟的理论形成。在市场中应用不是很广泛。
在计算机辅助方面，随着现代计算机技术日益更新，现代计算机已经拥有了强大的功能。为系统设计和开发而提供的软件行业越来越多。值得一提的有现在特别强大的MATLAB和

LabVIEW技术。MATLAB在经济金融分析行业和各类电子产品仿真方面有着不错的影响。应用范围也比较广。而LabVIEW最近几年在电子产品领域有着不错的发展。但目前我们对于这种虚拟技术方面的探索很多还只是停留在仿真层面上，在实际的日常生活中应用并不多，有待研究。
在电子器件方面，众所周知，对于弱电设备的控制好坏，很大一部分取决于电力电子器件的好坏。如今的电力电子器件已经走出了以前笨重，缓慢的状态，向着反应快速，智能控制的方向发展。
本课题综合上面情况，采用LabVIEW这种新的控制界面，以单片机STM32为基础，以现在被广泛应用于生活家电方面的直流电动机为控制对象，融入流行的PID控制算法，开发出一套实用性强的直流电机调速系统。

1.3 本课题的研究方法
现在，PWM技术被较为广泛的使用在工业控制领域，有着其简单、灵活、动态响应好等特点。也成为人们研讨的热点。在科学技术日益发展的今天，各门类学科之间的界限已没有了明显的区别，同时，现代控制思想与实现无谐振开关技术相结合的技术，将会成为PWM控制技术发展的一种重要方向。
本课题主要研究了利用STM32单片机为平台，结合LabView为上位机，通过PWM控制方式调节直流电机速度的方法。进而开发出一套直流电机速度调节系统。通过上位机可以实现对电机的加减速控制，速度曲线追踪等功能。主要利用霍尔编码器盘测得直流电机速度，然后通过串口发送将信号传输到STM32单片机，在单片机内部进行相应PID控制运算，最终输出控制信号通过控制电机驱动完成电动机转速闭环控制。

第二章直流电动机与LabVIEW介绍

首先，直流电动机和LabVIEW是本次设计的两件重要组成工具。其中，直流电动机是本次设计的被控对象，而LabVIEW也是本次上位机设计的重要工具。因此，很有必要先对这两样工具进行介绍了解，在这些基础上开展本次设计研究。
2.1 直流电动机
2.1.1 直流电动机基本结构
直流电动机重要的组成部分是定子与转子，其中定子主要产生令转子能够转动的磁场，由主磁极、换向极、机座、和电刷装置等组成；在电动机内部，转动的部分我们称之为转子，通常称为电枢，作用是产生电磁转矩和感应电动势，由电枢铁心和电枢绕组、换向器、轴及风扇等组成。

图2-1 直流电动机结构图
另外，直流电机的转速一般都是一分钟几千上万转，所以，要想获得我们期望的速度，就必须安装一种名叫减速器的装置，来降低电机原始转速，同时降低转速也能够增加转矩。减速后的直流电动机可控性更强。一般情况下，电动机减速器按照级数不同有单级和多级之分。按照类型有齿轮减速器、蜗杆减速器和行星齿轮减速器之分。

图2-2 齿轮减速器图2-3 蜗杆减速器图2-4 行星齿轮减速器
齿轮减速箱体积小，传递扭矩大，但是在操作过程中有一定的回程误差。蜗轮蜗杆类型的减速器具有减速比较大的优点，而且可以自锁。但此减速器一般比较笨重，传动效果不是很好。行星减速器较其他减速器有机械结构紧凑，准确性好，回程间隙小，使用年限长，额定输出扭矩大的特点，但其也有一定缺点，那就是价格较贵。

2.1.2 直流电动机工作原理
直流电动机的工作原理是建立在安培定律基础上的。即载流导体在磁场中受力产生一种电磁力从而产生电磁转矩的过程。为了使电机持续转动，因此要使电机获得恒定方向上的转矩。显然，
为了使直流电动机受到一个方向上的力，那么，就必须让流过线圈中的电流不断切换，以使得在同一磁极下的线圈电流方向保持不变，这样，就可以使线圈中的电流始终受到一个方向上的力，从而使直流电动机连续不断地转动。即进行所谓的换向，为实现这个功能，只需在直流电动机装置中添加一个换向器即可。这样就实现了电动机能连续地旋转。

2.1.3 直流电动机速度控制方法
关于直流电动机速度控制方法，主要有以下三种方法：改变电枢回路电阻调速、改变励磁电流调速、改变电枢电压调速。
（1）改变电枢回路电阻调速
对于直流电机的调速都可采用改变电枢回路电阻来实现。其稳态转速表达式2-1所示和机械特性图如图2-5所示。

                                                           (公式2-1)

图2-5 电枢串电阻机械特性
(2)改变励磁电流调速
我们可以通过直流电动机稳态转速表达式得知，改变电机的励磁磁通也可以达到实现调速的目的。我们知道电动机的转速和励磁磁通成反比，即当电枢电压恒定时，励磁磁通增大时，转速n便会降低。反之，电动机转速会因磁通减小而上升。通常我们可以采用改变励磁电流的方式来实现励磁磁通的变化。进而改变电动机转速。但通过改变励磁磁通的方式实现电机速度的调节有一定的缺点。即虽然减弱磁通能够实现较为平滑的速度调节控制，但可调节的范围有限，通常这种方法只是配合调压方法，在额定转速情况下，进行小范围电机转速调节。
（3）改变电枢电压调速
在我们平常生产生活中，对于电机调速，都要求其能够实现无级平滑调速。因此，在这三种速度调节方式中，调节电枢电压的方式以改变电机转速方式最好。其机械特性如图（2-6）。这种电机速度调节方式在我们的生活中应用的也最为广泛。

图2-6 调节电压调速机械图

2.2 LabVIEW概述
2.2.1 LabVIEW的简介
随着电子计算机技术和软件开发技术的日新月异，计算机对数据信号的在线分析与处理方面，及对数据的显示方面，都有着传统仪器仪表所不能比拟的地方。与此同时，伴随着计算机技术的不断发展，其性价比正在不断攀升，而我们工业中所使用的较为传统的仪器由于其功能较为单一，并且价格昂贵，性价比差，所以发展现代虚拟仪器已经变成了一种重要的方向，趋势。虚拟仪器是现代计算机软硬件技术飞速发展的产物，这种虚拟仪器正以迅速的步伐取代较为传统的电子仪器仪表。成为现代仪器仪表的重要发展方向。而LabVIEW就是目前重要的一种虚拟仪器工具。它是一种由美国VI公司研制设计的一种软件开发环境，和C语言环境相似。但LabVIEW与其他计算机语言之间存在着显著地差别，一般情况下，大多数程序语言设计都是在文本的基础上开发程序，而LabVIEW则采用了一种易操作的图示化语言来开发代码。它最终形成的的程序语言是以框图的形式展现出来。具体来说我们可以将LabVIEW分为两个部分，其中一个称为前面板，也可以叫做用户界面。另一个后置面板称为程序框图，在这部分内容上，设计者可以对用户界面上的控件进行逻辑操作，以实现相应的控制功能，因为这种编程方式与我们所画的流程图结构较为相似，因此也被称为程序框图代码。
LabVIEW这种软件可以被广泛的用于我们日常工程的的开发测量及控制测试方面。LabVIEW软件由于内嵌了较为丰富的操作工具。可以帮助开发人员或工程师解决试验中所遇到的相关问题，进而可以提高其工作效率。下图2-7是LabVIEW的启动后对话框。

图2-7 LabVIEW启动后对话框

2.2.2 LabVIEW的优点
首先，LabVIEW具备其他一些虚拟仪器的通用优点，例如，开放性，可与计算机保持同步发展、该软件升级维护方面与日常我们所使用的软件类似，较为方便。在使用性能方面，用户可根据自己的需求来设置组合相应仪器功能、同时与传统仪器仪表相比兼具维护费用低等优点。同时，LabVIEW在测试测量方面和控制方面有很好的应用。使用LabVIEW可以很好的完成各种测试测量需要和编写各种控制所需要的程序。另外，LabVIEW中包含了丰富的数学运算，也非常适合对一些控制进行模拟操作。例如在高校教学过程中，可通过此软件进行模拟，也能够达到和实践一样的效果。如果在生产生活中有需要跨平台操作时，LabVIEW也是上佳的选择。因为它具有良好的兼容性。总而言之，LabVIEW本身具有很多不错的优点，使得它在现在的生产生活中有着不错的表现。

2.2.3 LabVIEW编程基础
首先，LabVIEW它是一种虚拟仪器的开发平台，是一种软件，因此它和C语言等开发平台有着非常类似的地方。如在C语言中开发的程序叫C程序，文件后缀“.C”.那么利用LabVIEW平台所设计的程序，其后缀为“.vi”。在LabVIEW程序语言开发过程中设计开发者一般接触到的有用户界面，程序框图界面，选项板这三类操作工具。
（1）前面板
前面板也称用户面板。它是LabVIEW是VI的一个重要组成部分，在这个面板上我们主要是按照自己的需要增添一些我们所需要的控件，如按钮、指示灯、波形图等。以此来设计自己想要的操作界面，它与C++中的用户操作界面大致相同。前面板窗口如下图2-8所示。

图2-8 前面板

（2）程序框图
程序框图就是除了前置面板的另一块操作界面。在这个界面上我们主要进行VI编程工作。进行一些逻辑运算处理。将从前面板上获得的数据信号进行处理，然后再将处理后的数据信号输出到前面板的控件上。它类似于C++中的C语言程序设计。程序框图可以说是整个VI设计的核心，我们只有将这部分内容设计处理好，整个VI编程工作才能顺利运行。程序框图如2-9所示。

                        图2-9 程序框图

（3）选项板
LabVIEW软件操作中所使用到的工具有选项板、函数选项板及控件选项板这三种选项工具。这三种选项操作工具我们都可以在“查看”菜单下找到。对于这三种选项板的操作方法，我们只需在找到相应的空间之后，将鼠标放到相应的控件之上，即会显示相应的功能介绍。工具选项板如图2-10，控件选项板如图2-11，函数选项板如图2-12。

图2-10 工具选项板图2-11 控件选项板

图2-12 函数选项板

第三章系统硬件电路设计

本设计中，我以STM32单片机为基础平台进行直流电动机调速系统的开发。通过利用PWM信号对电机驱动开关进行控制进而控制其开断时间，调节直流电动机所获得的平均电压，最终达到对电动机转速控制的目的。在本次设计中，硬件是整个系统执行的基础，有着举足轻重的地位。该硬件设计部分主要由核心控制板STM32、电源供电部分、电动机驱动、霍尔编码器模块组成。该直流电机调速系统设计的总体硬件框图如图3-1所示。

图3-1 系统总体硬件框图
3.1 核心控制板
3.1.1 核心控制板的选择
方案一：起初，我考虑用AT89C51这种类型的单片机作为此次毕业设计的核心控制板。虽然它和AT89S51这种型号单片机一样都具有编程灵活、成本较低,操作方便等特点，但是这种类型单片机的频率较低、运行速度较慢，存储空间小等缺陷。本毕业设计恰巧需要运行速度快，效率高的单片机作为核心控制板。此外，AT89C51这类芯片并没有直接接受编码器脉冲信号的端口。所以如果采用这类芯片，必然要进行外部扩展。
方案二：方案二是选用STM32单片机作为系统控制板。STM32系列控制芯片是专为要求高要求性能、低功耗的嵌入式应用而专门开发设计的控制中心。内含ARM Cortex-0内核，其性价比高，含有丰富的定时器功能和12通道DMA控制器。
因为STM32的价格和51系列相差无几。但其性能卓越，并且在电机控制方面STM32有着绝对的优势，对数据处理能力方面有着绝对的优势。而在本次毕业设计中，有大量的信号处理任务，如电机速度的测量计算，对电动机速度控制的相关运算，与上位机进行数据收发的通讯任务。为保证本次设计的质量，因此本设计中选择了STM32单片机作为核心控制板。来承担重要的数据处理与上位机进行通信的任务。

3.1.2 核心控制板的引脚图
它拥有的资源有：STM32F103型单片机拥有最高72MHZ的工作频率， 64K的SRAM，并行LCD接口，兼容8086/6800模式。具有3个12位D/A转换器，1微秒的快速转换时间。12通道DMA控制器，支持定时器、ADC、DAC、SPI、I2C和USART。几乎所有端口均可以容忍5V信号。多达11个定时器，其中有4个16位定时器，每个定时器有多达4个用于输入捕获/输出比较/PWM或脉冲计数的通道和增量编码器输入，2个16位基本定时器用于驱动DAC。由此可以确定，用这种型号的单片机作为控制板，足以完成本次毕业课题设计中对直流电机速度的调节控制。STM32F103型单片机具体引脚结构图见图3-2。

                       图3-2 STM32F103引脚图

3.2 电源模块
在本次毕业设计中，因为整个系统需要提供12V的电源。为此，通过硬件电路设计，实现了交流220V转12V的电源转换模块，通过变压为整个系统提供12V电压。电源模块由变压部分、滤波模块、稳压模块组成。其电路原理图见图3-3。

图3-3 220V转12V电路原理图
3.3 电机驱动模块
我们都知道单片机的I/O并不能直接去驱动直流电机进行转动。它只能作为一种控制信号进行输出。因此，为使电机按照要求运行，还需要在核心控制板与直流电动机之间加入电机驱动模块。在此，我们选用了性价比较好的集成电机控制芯片L298N作为直流电动机的PWM驱动器件。
L298N电机驱动特点：
特点：1.易于实现电机正反转以及调速。
2.电机启动性能好，启动转矩大。
3.工作电压和电流可以分别达到36V、4A。
4.可同时驱动两台电机。
5. 适用于驱动小型直流电机。电路原理图见图3-4。

图3-4 L298N电机驱动电路

将电池的负极接到GND（模块上有两个，任意一个都可以，是相连的，为了接线方便所以做了两个GND插针），正极接+7.2V那个端，然后做如下操作：
ENA IN2 接到+5V那个端上（IN1悬空）电机接到OUT1和OUT2电机转。
ENA IN1 接到+5V那个端上（IN2悬空）电机接到OUT1和OUT2电机转。
ENB IN4 接到+5V那个端上（IN3悬空）电机接到OUT3和OUT4电机转。
ENB IN3 接到+5V那个端上（IN4悬空）电机接到OUT3和OUT4电机反转
+5V那个端实际上就是一个AMS1117将7.2V的电压稳压成+5V输出的，+5V代表高电平，0代表低电平
例如:ENA和IN2接到+5V表示给ENA和IN2置高电平IN1悬空L298N默认是低电平的。

3.4 编码器模块
从本次课题的名称我们就可以知道速度的测量在本次毕业设计中占的重要地位。我们要对电动机的转速进行实时测量和并发送至上位机进行显示。同时在控制转速方面要将直流电动机的采样速度与上次采样速度进行比较计算，通过对转速的偏差进行PID算法运算，输出控制信号调节电机的转速。由此可见，转速在本次设计中是一个非常重要的变量。
编码器是一种获取电动机转速的传感器，其原理就是将旋转物体角速度转换成一连串电数字脉冲信号，通过对这些数字脉冲信号进行采集及进行相应的运算，获取旋转物体的转速大小，还可以通过脉冲序列顺序获得旋转物体的旋转方向。常见的有光电编码器和霍尔编码器。
光电编码器是一种通过对脉冲输出信号进行采集并进行相应的运算，获取电机转速的光传感器，其原理是将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲。由单片机进行数据处理进而获得电机具体的速度值。它由光码盘和光检测装置组成。码盘上有若干等分的长方形孔，由于光电码盘与电机同轴，所以，当电动机转动时就会带动码盘一块转动，而光检测装置此时会检测到若干脉冲信号，另外，电机转动的方向可以从两组脉冲的相位差来判断。
霍尔编码器也是一种通过对脉冲输出信号进行采集并进行处理，获取电动机速度的传感器，其原理是将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量，再由单片机进行运算处理进而获得电机具体的转速大小。霍尔编码器与光电编码器的区别在于两者所采用的测试物质性质不同，但原理是一致的。霍尔编码器是由霍尔码盘与霍尔元件组成。霍尔码盘上有等分布的不同磁极，霍尔码盘与电动机同轴，这样，当电动机转动时，霍尔码盘就会同步转动，此时检测元件就能检测到输出的若干脉冲信号，电机转动的方向可以从输出的两组方波的相位差来判断。其原理如图3-5与图3-6所示。

     图3-5 光电编码器原理图                    图3-6 光电编码器结构图

第四章系统上位机的搭建

上位机的搭建是完成直流电机调速系统的重要组成部分。本次设计采用了LabVIEW软件进行上位机的开发。本次设计撇去了传统设计中用按键方法进行调速。而是将调速控制集成到上位机界面上。用户只需在上位机上进行操作即可完成对电机的所有控制。因此开发出一个界面友好的上位机对于本次设计的开发显得至关重要。

4.1 用户界面的设计
LabVIEW中的用户界面，它是操作用户进行控制的终端平台。用户在这个界面上可以完成对电机的各种控制，具体有：电动机启动与停止控制、电动机转速的加减控制、设置速度控制和对追踪速度变化曲线的功能。因此，用户界面的设计是此次直流电机调速系统设计的门面，重要性不言而喻。直流电机调速系统用户操作界面见下图4-1。在这个界面上，有速度仪表盘，实时速度的显示，电机速度曲线的跟踪功能。

图4-1 用户界面的设计
用户界面中各个功能部件的介绍：
（1）左侧部分有COM端选项口，在这个部分中，用户可以通过刷新来获取与上位机与单片机进行通信所需要的端口。
（2）在COM端口选项框下是波特率设置，用户可以在这个部分输入通信设置的波特率数值。
（3）左侧最下方的是电动机转速实时显示框。在这个显示框中用户可以直观的观察到直电
机的转速大小情况。
（4）中间的大表盘，是模拟的现实生活中机车上的速度仪表盘，它可以非常直观并清晰的展示出电机转速的变动情况。
（5）用户界面的最右边是电动机实时速度显示曲线波形图，在这部分可以完整的看到电机速度的变化细节，也是整个电机调速系统中，重要的观测调试指标。
4.2 程序框图的设计
正如我们平常听到的一样，好的电机要有好的驱动才完美，才能够正常工作。相比之下，这句话对于我们用户界面的设计也同样适用。程序框图部分完成的工作主要有对前置面板上的控件进行参数设置，对控件与控件之间的关系进行编程。这样才能将用户操作界面与核心板STM32相连，进而对直流电机进行控制。该系统的程序框图见下图4-2。

图4-2 程序框图的设计
后置板程序框图各个子VI实现的的功能简介：
（1）程序运行思路：最外边是一个While循环，一直检测是否有数据发送过来，若检测到有数据发送过来，在短暂延时之后就进行读串口工作，并根据if框图中的条件决定是否进行数据的显示处理功能。 “停止采集”则是条件结构中的While循环的终止条件。当此按键被按下时，上位机就停止数据的接收。
（2）串口配置模块：如图4-3所示，在串口配置模块中，我们完成对串口的初始化设置，这些数据可以按照需要来进行设计，在这里，可以选择串口发送端口号，将串口发送的波特率设置为9600，发送的数据位设置为8位。

图4-3 串口配置模块

（3）串口读取模块：如图4-4所示。在此部分功能模块中主要完成对串口发送过来的数据进行读取，以方便进行下一步对数据的处理显示。这个功能模块的输入端包括VISA输入资源名称，输入字节数。输出端口包括VISA资源名称输出及相应数据读取缓冲区，返回数端口及错误输出端口。

图4-4 串口读取模块

（4）数据处理模块：如图4-5所示。在此模块外围设置一个if条件。正常情况下，if条件为真，然后对采集到的数据进行处理显示。首先，将采集到的字符型数据转化成浮点型数据，然后进行显示，其中包括仪表盘显示，电机速度串口波形图的显示。

图4-5 数据处理模块

（5）串口关闭模块：如图4-6所示。此部分执行的功能就是结束数据接收，完成串口关闭功能。主要的端口有VISA资源名称输入端口，错误输入端口。

图4-6 串口关闭模块

第五章系统软件设计

5.1 PWM脉冲控制技术
PWM(Pulse Width Modulation)脉冲控制技术就是对脉冲的宽度进行调制，以期等效的获得形状和幅值相同波形的技术。

5.1.1 PWM控制的基本原理
我们曾在电力电子中学过有关PWM控制的一些原理，具体为：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上，其效果基本相同。冲量在这里指的是所获得的脉冲的面积。效果基本相同，是指施加在惯性环节上输出效果波形大致相同。下图中5-1的(a)(b)©(d)分别代表矩形脉冲、三角形脉冲、正弦波脉冲、单位脉冲函数。它们的面积（即冲量）都等于1。采用图5-2中的电路，e（t）为电压脉冲，其形状和面积分别是图5-2中的(a)(b)©(d)，这些脉冲所对应的电流输出响应分别为(a)(b)©(d)对应的波形。不难得出，各脉冲信号除在上升略有差别外，其他基本相同。而且脉冲越窄，各i（t）的波形差异也越小。在用我们学过的傅氏级数进行拆分后分析可得，各i（t）除在高频阶段有所差别外，在低频段特性将非常相近，这个定理我们称为面积等效原理。

图5-1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲

图5-2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形

5.1.2 直流电机的PWM控制技术
在我们平时所接触的变压调速系统中，主要可分为直流PWM调速系统与可控直流调速系统两类。在两者相比较条件下直流PWM调速系统更具有以下特点：PWM调速系统在低速情况下的转速稳定性、准确性都有不错的效果。在操作过程中依靠电感的滤波效果就可以得到较为稳定的电流。同时，所采用的电力电子器件开关频率高,可以获得很快的输出响应及不错的抗干扰性。电力电子开关器件由于只工作在开关状态，由此产生的电路损耗小，从而提升了整个装置的效率；
从目前的发展形势来看，由于PWM调速控制系统具有以上的优势特点，并伴随着电力电子开关器件性能的不断提升，直流电机脉宽调制技术拥有着不错的应用前景。
根据上面介绍的相关知识可知，利用其在惯性负载上的等效原理。因此，如果在短时间T内脉冲宽度为,幅值为U，由图5-3可求得此时间内脉冲的等效直流电压为：

图5-3 PWM脉冲
，若令，即为占空比，则上式可化为：
(U为脉冲幅值) （公式5-1）
若PWM脉冲为如图5-4所示周期性矩形脉冲，则其等价的直流电压计算方法与上面的公式相同。即
（为矩形脉冲占空比）（公式5-2）

图5-4 周期性PWM矩形脉冲
通过我们上述的讨论可知，如果我们想要获得自己需要的等效电压值大小，可以通过两种方法进行，一是改变脉冲的幅值，二是改变一个开断周期内的占空比大小。因为在我们日常实际系统设计中，所施加的脉冲幅值一般是一定的，所以主要是通过改变电力电子开关器件一个周期内的开关时间比来获得期望的电压值。实现施加在电机两端的等效电压在0～U之间任意调节，最终完成对直流电机转速的控制调节。
5.2 PID控制器的设计
本次毕业设计所采用的核心算法为PID算法。PID简单来说就是利用比例、积分、微分手段对系统误差进行调节控制，使其迅速准确的达到期望值。在现在工业应用中，PID控制算法之所以能够成为主流的控制算法，就是因为它具有很强的稳定性及较好的可靠性。当我们对将要控制的对象结构等不是特别了解的情况下，如果应用PID控制技术应该会取得不错的效果。

5.2.1 PID控制的原理
关于PID算法的原理。它的运行原理主要是通过采取需要的数据，然后将所得到的数据与我们刚开始设定的值进行运算比较，获得相应的偏差数据e。通过对偏差进行P、I、D运算，得到运算结果，进而用这个值去调节被控对象。PID的控制原理见图5-5。

图5-5 PID控制原理图
（1）比例P：比例部分其实就是对期望值与反馈值的差值进行放大。比例控制能够很快的做出反应，从而减少误差，但其并不能消除误差，同时如果比例系数过大的话，会引起系统的不稳定。
（2）积分I：积分部分就是对期望值与反馈值之间的差值在时间上进行积分，从而调节输出量，进而消除误差。它的作用主要是消除控制对象的稳态误差，但如果积分作用太大的情况下，会使控制系统的超调增加，甚至可能会导致使系统出现上下震荡的情况。
（3）微分D：微分部分就是求电机转速当前的变化速率，就是将两次采样获得的误差值进行相减所到的数据。微分项可以根据差值变化速率，通过运算赋予控制对象一个提前的调节动作。微分项主要在减少控制系统超调量及提高控制系统动态性能方面发挥着重要作用。

5.2.2 PID参数的整定方法
不难看出，PID参数的整定是本次直流电机调速系统设计成功的的重要部分。控制算法参数的好坏，将直接影响直流电动机的调速性能。一般来说，利用PID控制算法控制的系统都要求控制系统的动态相应效果好并且这个过程中超调量要足够低。在有干扰的影响下，控制系统的输出量要能维持在之前设定的值附近，变化量不宜太大。在系统和环境参数发生变化时控制应能够保持足够的稳定。
通过查阅资料可知，整定PID参数的方法很多，但总体上可归为两类，一是理论计算法，二是工程整定方法。在使用理论整定PID参数时，需要能够获得被控对象的数学模型，但被控对象的较为精准的数学模型一般难以获得，因此，在通常情况下，都使用的是工程整定法。它的优势在于整定参数过程不需要依靠对象的数学模型，方便操作。下面就介绍两种常用的工程整定方法。
（1）扩充临界比例度法
这种方法通常应用于需要有自平衡特性的被控对象。在整定过程中，主要的确定参数的步骤为：
①首先要确定一个尽量小的采样间隔，最好选在被控制系统对象纯滞后时间的十分之一以下。
②用选定的采样周期使系统工作：我们首先需要被控系统工作在纯比例作用的情况下，不要微分与积分环节，然后慢慢控制比例环节的大小，最终使系统控制在临界震荡状态，然后我们需要做的工作就是记录此时的临界比例度及临界振荡周期。
③选择控制度：所谓控制度就是以模拟调节器为基准，将DDC的控制效果与模拟调节器的控制效果相比较。控制效果的评价函数通常用误差平方面积表示。
控制度＝（公式5-3）
在我们平常的实际工程中，通常并不计算这两个误差的平方面积大小。控制度仅仅反映被控制对象控制效果的一种概念。一般情况下，当我们计算的控制度大小为1.05时，我们就可以认为DDC与模拟控制效果大致一样；但当计算出的控制度为2.0时，这反应DDC控制效果效果较差。
④根据选定的控制度，由表5-1求得T、、、的值。
表5-1 控制度及相应的控制规律表
控制度控制规律 T
1.05 PI 0.03 0.53 0.88
1.05 PID 0.014 0.63 0.49 0.14
1.20 PI 0.05 0.49 0.91
1.20 PID 0.043 0.047 0.47 0.16
1.50 PI 0.14 0.42 0.99
1.50 PID 0.09 0.34 0.43 0.20
2.00 PI 0.22 0.36 1.05
2.00 PID 0.16 0.27 0.40 0.22

（2）经验法
我们之前提到的经验法是指在实际工程中操作人员根据自身的经验及对被控对象及被控过程的熟悉度，参照被控对象相应的测量值，不断变化调整P、I、D三者参数，最终获取相应的参数值，具体操作如下
下面以PID调节器为例，通过具体说明介绍经验法的整定过程：
①第一步和上述方法的第一步相同，让微分项与积分项都等于0，然后让系统工作在闭环控制状态，从小到大调整比例系数，观察整个控制过程及输出效果，不断调试，直到最终获得不错的控制效果为止。
②取比例系数为当前的值乘以0.83，由小到大增加积分系数，同样让扰动信号作阶跃变化，观察输出效果，直到获得满意的控制过程为止。
③第三步就是保持积分系数保持不变，逐渐变化比例系数，观察调节控制过程变化情况，直到取得预期效果为止。否则，将比例系数增大一些，再进行适当调整积分系数，力求改善控制过程。不断测试，一直到取得较为理想的速度曲线，确定相应的比例系数和积分系数。
④第四步就是可以确定合适的实际微分系数和实际微分时间，然后可以适当增大比例系数和积分系数。和前述步骤相同，不断地调节微分时间数值，观察被控对象的输出效果，最终确定自己预期的参数数值。
PID算法参数具体的确定，主要与被制止对象的数学模型及结构有着绝对的联系。如我们日常生活中的大烘房的温度控制，一般情况下，对于大惯性的控制对象，P可在10以上,I在（3、10）之间,D在1左右。而对于一个小电机闭环控制，一般P可以在（1、10）之间,I在（0、5）之间,D在（0.1、1）之间,具体的控制参数一般情况下要视具体的控制对象而定。

5.3 系统的程序流程图
本部分根据此次设计的功能设计了相应的程序流程图。主要包括：主程序流程图、电机调速子程序流程图、速度采集子程序流程图。
在总体方案中，主要的设计思路是这样的，以STM32单片机作为控制板，来进行速度信息的读取及处理、进行速度算法的一些运算、利用相应的I/O进行与上位机LabVIEW的数据通信、通过相应的PWM端口输出PWM信号来控制电机驱动的输入信号。在这里，我使用的电机驱动是自己设计的电机驱动电路，它通过接收单片机发出来的信号，判断并输出相应的电压值，来控制直流电动机的转速。关于直流电动机部分，我所采用的是自带霍尔编码器的直流减速电机，它可以直接输出方波给单片机端口，只需进行相应的运算即可获得电动机的速度值。上位机LabVIEW部分，利用全双工通信与单片机之间进行数据的交换。进而可以利用上位机处理并显示直流电动机的速度值。此设计的简要总体方案设计系统框图如下图5-6所示。
（1）总体方案设计系统框图

图5-6 系统总体方案框图

（2）主程序流程图

图5-7 主程序流程图

（3）电机调速子程序流程图

图5-8 电机调速子程序流程图

第六章系统测试

6.1 硬件电路测试
在这部分测试中，主要通过检查硬件电路是否与系统原理图相同，在没有误差的情况下检查自己所焊接的电路板有没有虚焊。下图6-1为电机驱动PCB板图，图6-2为电机驱动电路板正面图，图6-3为电机驱动背面图，图6-4为焊接后的电机驱动板，图6-5为最终的整体硬件图。

图6-1 电机驱动PCB板图

图6-2 电机驱动电路板正面图

图6-3 电机驱动电路板反面图

图6-4 焊接后的电机驱动板图

图6-5 最终的整体硬件图

在这部分电机硬件测试中，首先要从该设计的供电电源开始，通过用万用表测试供电电源的输出端口是不是输出12V稳压电源。以确保供电电压的可靠性，第二，测试自己设计并焊接的电机驱动电路板是否有虚焊，或者焊接错误的地方，主要步骤是：将12V供电电源接到电机驱动板上，打开电机驱动电路板开关，观察电机驱动电路板指示灯是否点亮，经过测试，LED指示灯确实亮起。然后用万用表测量稳压芯片输出的电压是否为预期值，经测量稳压芯片输出的稳压值确实为12V电压，接着接入直流电机，给定几组特定的PWM信号，观察直流电机转速是否有变化，并用万用表测量所输入的PWM信号值与电机驱动控制输出电压值是否为预期的对应关系，经测量有小范围的误差，大概偏差值在0.4V左右。另外，在测试过程中发现一个小问题，就是，在电机驱动电路板工作时间较长情况下，L298N芯片会有些发热。但并不影响实验测试的进行，经过排查，认为这个问题大概是由于焊接过程所引起的小问题吧。

6.2 电机转速读数测定
首先我对电机稳定后的转速进行了测定，观察直流电动机的相关速度性能以及检查电机转速的波动是否在正常波动范围之内，以便为后续的电机调速扫除不必要的干扰。通过测定记录了以下相关转速数据，如表6-1所示。
表6-1 稳定后电机转速测试结果（单位 r/min）

实验次数 1 2 3 4 5 6 7 8
设定转速 100 100 100 100 200 200 200 200
实际转速 102 98 100 101 200 202 201 202
误差 2% 2% 0% 1% 0% 1% 0.5% 1%

实验次数 9 10 11 12 13 14 15 16
设定转速 300 300 300 300 350 350 350 350
实际转速 299 302 298 299 349 348 351 352
误差 0.33% 0.66% 0.66% 0.33% 0.28% 0.57% 0.28% 0.57%

6.3 电动机速度参数的调试
6.3.1 PID参数的调试

我们在电动机速度控制方面使用了PID算法，所以这里的电动机速度参数的调试其实主要是PID参数的整定。对于PID具体参数调节整定过程，我主要采用了实际工程中常用的经验法对被控对象进行调节整定，通过观察记录电机转速情况，达到对PID参数整定的目的。
在此小电机调速过程中，由于电机的额定转速为450转，但在测试过程中，发现电机在高速旋转时会出现一些不稳定。因此为防止电机在高速旋转时发生不稳定现象，就将电机的转速最高设置在350转。这样可以给电机留出一定的裕量。这种做法也比较符合实际中对电机所进行的操作。下列表中，记录了对电机调速过程中的一些重要数据。如超调量、PID相应参数，调整时间等有关速度性能参数。如表6-2所示。

表6-2 电机调试过程中的部分相应参数
次数设定设定设定设定（r/min）超调量调节时间（s）误差
1 1 0.3 0.2 100 4％ 0.1
2 3 0.5 0.1 100 6％ 0.5
3 4 1 0.1 100 10％ 0.11
4 1 1 0.1 100 2％ 0.6
5 0 2.2 0.1 100 1％ 0.12
6 2 1.1 0.2 100 2％ 0.4
7 2 0 0.2 100 3% 0.25
8 2 3.3 0.2 100 2％ 0.5
9 1 0 0 200 5％ 0.7
10 2 0 0 200 8％ 0.6
11 4 0 0 200 13% 09
12 2 1.1 0 200 5% 0.6
13 2 2.2 0 200 4% 0.4
14 2 1.8 0.5 200 4% 0.4
15 3 1.8 0.8 200 5% 0.3
16 2 1.8 0.6 200 3% 0.4

6.3.1 PID参数的调试过程中的速度波形图
在直流电动机速度控制调试过程中，设定不同的比例、积分、微分参数，就会得到极不相同的电动机速度波形曲线。在这里，我将列举直流电动机速度调试过程中出现的不同速度波形曲线。
当比例参数P较大时，就会出现下面电动机速度曲线超调量过大的情况。如图6-4所示。

图6-4 P值较大时，超调量较大的速度曲线

（1）速度从50r/min调到150r/min时，调节较好的电动机速度波形图，如图图6-5（a）和6-5（b）所示。

图6-5（a）50r/min 到150r/min速度变化整体图

图6-5（b）50r/min到100r/min速度调节局部图

（2）速度从150r/min调到250r/min时，调节较好的电动机速度波形图，如图6-6（a）和6-6（b）所示。

图6-6（a）150r/min 到250r/min速度变化整体图

图6-6（b）150r/min到250r/min速度调节局部图

（3）速度从250r/min调到350r/min时，调节较好的电动机速度波形图，如图6-7（a）和6-7（b）所示。

图6-7（a）250r/min 到350r/min速度变化整体图

图6-7（b）250r/min到350r/min速度调节局部图

（4）在电动机速度分步调节好之后，对整个直流电动机速度波形曲线进行一个整体联调，以确保直流电动机速度参数已调节到尽可能好的状态。具体见图6-8（a）与图6-8（b）。

图6-8（a）电动机整个速度调节范围内的联调图

图6-8（b）电动机整个速度调节范围内的联调图

总结与展望

1 研究成果
本设计以STM32单片机与直流减速电动机为平台，搭建了生活中常用到的直流电机调速控制系统。通过了解掌握了直流电机结构原理，工作原理。熟悉了当下较为流行的LabVIEW图形化编程软件及其图形化的编程方式。熟悉利用PCB自行设计硬件电路的方法，搭建自己的硬件平台。掌握关于STM32单片机相应的编程方法。对开发出一套小型直流电机调速系统打下基础。
通过对以上知识的学习，完成了对直流电机调速系统硬件平台的设计。主要包括按键控制模块、单片机最小系统、直流电机驱动模块、稳压电源模块。然后将以上这些模块进行整理连接，为进一步软件设计做好坚实的硬件准备工作。
软件部分先通过设计相应的模块程序，实现对各部分功能的控制，最终将整个程序进行整合连接完成了对整个系统的控制。其中通过接收外部的按键操作信号控制电动机的转速参数值。通过LabVIEW设计虚拟仪表盘及电机转速跟踪曲线，实现串口通信下电机转速的动态显示。最重要的是通过相应PID算法的设计及调试，使系统的稳态值接近于设定值，并保持空载速度曲线的稳定性。同时，通过对直流电机的超调，快速响应性能，稳定性能进行调试，使其满足了本次设计最初的目的，达到设计要求。
本毕业课题设计的直流电动机能够满足实际应用所要求的控制精度，能够胜任实际的生产要求，满足现代化生产的需要。而且能够防止用户的误操作，增强了系统运行的安全性和稳定性，具有一定的应用生产价值。

2 不足
经过较长时间对直流电机国内国外发展状况的了解，使我对直流电机有了更深层次的理解。认识到其在人们的日常生活中无处不见，扮演着不可或缺的角色。同时通过对直流电机结构及其工作原理的理解与掌握。让自己从对电机的了解层面上升到掌握控制的层面上。在这次毕业设计中，通过对新软件LabVIEW与STM32编程方法的认识与学习，结合自己设计的硬件电路，经过不断摸索，开发出了一套较为实用的直流电机调速系统，实现了电机转速的控制。但这之间还存在着些许不足与改进之处。具体体现在以下几点：
1.在直流电机调速系统的硬件方面，或许是自己手工设计并焊接的原因，电机驱动输出口存在轻微电压波动。虽然对电机控制影响不大，但还是误差的一种存在。
2.由于本次设计选用的是一种小型直流减速电机，所以在获取电机转速精度方面有轻微误差，但这种误差可以采用其他方法将其降至最低。同时，由于所选用的这款直流电机结构问题，导致该直流减速电机在高速旋转时，电机的转速抖动值比较大，为此，将电机最高转速限制到一定可接受的范围，消除电机自身因素的影响。
3．最后一个就是软件方面，在编程方面对于软件的优化还是有些欠佳。如可以在程序中加入一些滤波手段，以提高所采集到的数据的准确性，为后续控制电机转速的数据处理做好铺垫。
同时，在电机转速数据处理方面的程序优化也有待进一步提高。

3 展望
通过本次毕业设计的学习经历，让我了解到一些控制直流电机的方法与技巧，同时还锻炼了自己设计硬件电路的能力。相信，在以后的学习生活中，可以根据以上对本次设计提出的不足之处，对直流电机调速系统进行完善。从而设计出更加符合实际应用，控制精度更加准确，控制性能更加好的直流电机调速系统。同时，我觉得这对于编程技巧还是控制理念都有一定的提升。

致谢

在文章的结尾，还是要写上自己的感想与感触。首先，在这里要先感谢我在做毕业设计过程中给予过我帮助的同学们和老师们。因为有了你们的热情帮助，使得我在本次毕业设计过程中能够直面遇到的各种技术难题，然后将其一一解决。最后完成毕业设计的实物制作及毕业论文的撰写。在此，要特别感谢的是我的毕业设计指导老师—-李杰老师。从最初开始的毕业设计题目的选取、英文资料的翻译工作、方案的讨论、制作过程的监督与督促，都有李杰老师的陪伴。在我做毕业设计没有头绪时，李杰老师会和我一起探讨，在我做毕业设计过程中遇到不懂的问题时，李杰老师都能及时耐心的与我讨论，指导我解决不懂的问题。同时，在做这次毕业设计过程中，李杰老师经常召集我们几个开会讨论，询问我们毕设的进展，以及遇到的困难，最后一块探讨将问题解决。在和李杰老师接触的这段时间里，老师身上的严谨的学术思维，热情的工作态度都极大的影响、鼓舞着我。相信这些品质会让我获益匪浅。真心感谢李杰老师在本次毕业设计中的悉心指导。
除了感谢老师外，同时也要感谢电控学院所有的任课老师，要是没有你们这四年里严谨的言传身教，也不可能为此次顺利完成毕业设计打下坚实的基础。同时最重要的是，在这四年的学习生活中，不仅仅从老师身上学到了相关知识，更让我学到了理念与思想。我想，这无论在学业还是以后生活中都对我有着深远的影响。
最后，要感谢我的室友们，同学们。在做毕设的这段时间里，你们在我的学习和生活方面对我都有所帮助。当我遇到不会的难题时，你们都会帮助我查阅资料，和我一起探讨问题的解决方法，最终将问题解决掉。同时，在他们遇到解决不了的问题时，我也会尽全力去帮助他们，所以我们不管是在学习还是生活中都能够互帮互助，营造了良好的氛围。我想正是上面这些因素的共同作用，最终促使我顺利的完成了这篇论文。
最后，在这里我还是要真心的感谢每一个帮助我和关心我的老师，同学和朋友，谢谢你们！

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