摇床用无刷电机控制系统设计【字数：9226】
摘 要恒温生物摇床主要应用于生物和化学研究，通过摇床一定频率的振荡可以使溶液等反应剂更加充分的反应。由于摇床在使用过程中具有更换碳刷或电机的弊端，所以市场上普遍使用较为先进的无刷直流电机（永磁无刷电机）代替普通电机的摇床设备。本设计以BLD-120A驱动模块、 STM32 单片机作为调制核心，STM32拥有极高的性价比和可利用的多样的外设功能，充分利用其专为电机使用而设计的高级定时器TIM1、高速灵活的AD转换器和高效的中断控制器以及凭借STM32的运算处理能力，实现了基于PID算法稳定输出不同占空比的PWM波，以此来控制无刷直流电机的转速。并且通过RS485串口实现通用终端的串口通信，将CPU采集的信号实现液晶显示。本文主要阐述了无刷电机的硬件控制系统和软件程序设计，使用PID增量算法啊保证了无刷电机的稳速。保证系统可以恒功率输出，对于单片机+驱动模块的设计，可以大大降低无刷电机控制系统的成本，且能够保证系统的可靠性，具有丰富的市场前景。
目录
1. 绪论 1
1.1研究背景与意义 1
1.2摇床研究的现状 1
1.3课题研究内容及章节安排 1
1.3.1论文主要研究内容 1
1.3.2论文章节安排 2
1.4本章小结 2
2.系统设计方案 3
2.1课题研究任务和解决思路 3
2.2系统设计方案选择 3
2.2.1 方案一 3
2.2.2 方案二 3
2.3 方案分析 4
2.4 功能模块图 4
3.硬件设计 6
3.1驱动控制电机模块 6
3.2电机速度采样模块 7
3.3串口通信模块 9
3.4单片机最小系统 9
3.4.1 MCU电路 9
3.4.2 复位电路 10
3.4.3 晶振电路 11
3.4.4 稳压电路 11
3.4.5 STM32单片机电源电路 12
3.4.6 电源接口电路 12
3.5端口配置 13
3.6 本章小结 13
4.软件设计 15 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
4.1主程序设计 15
4.2串口通信 16
4.3 PWM控制 17
4.4 速度采样 18
4.5 恒速控制 19
4.6 本章小结 20
5.系统调试 21
5.1硬件测试 21
5.2 软件测试 22
5.3 困难及解决办法 22
6.结语 24
参考文献 25
致谢 26
1. 绪论
1.1研究背景与意义
恒温生物摇床主要应用于生物和化学研究，通过摇床一定频率的振荡可以使溶液等反应剂更加充分的反应。主要应用于悬浊液、环境研究（废水和油分析）、提取处理、发酵（制药，生物技术，DNA和酶）、细菌的蛋白检测、溶解、着色和脱色等领域。具有可以数字显示并且可以调节振荡频率、具有一定安全性能的恒温摇床，是生物化学实验室中必备的仪器，是科研教育和生产部门中不可或缺的实验器材。[20]
由于摇床在使用过程中具有需要更换碳刷或电机的弊端，所以现在人们用更加高新的永磁无刷电机代替传统的电机。那么一款优质可靠地无刷电机控制系统就变的尤为重要，电机专用驱动DSP将所有模块集成在一块板子上，便于携带，其次运行速度也会更加迅速。缺点就是价格昂贵，并不能随着功率改变而改变输出功率。单片机+DSP的方式，在运行速度方面可能会有所减弱，但是可以根据需求随意在开发板上进行设计。
1.2摇床研究的现状
近些年来，小型恒温摇床在国内外越来越受到欢迎，小型恒温摇床体积小便于携带并且可以完美达到市场需求。在生物化学实验研究，小型恒温摇床充分体现了自身的潜能。首先这种摇床体积小不占用实验室的空间，可以将实验室空间尽可能最大化的利用，其次这种摇床可以让培养液与菌体或者化学试剂充分混合以此达到最佳的实验效果，如此我们便可以得到更加精确的数据以及结果。
市场上这种生物摇床定价为中低等级，本着小巧玲珑的理念，将生物摇床的各种功能可以完美体现，所以市场上颇为流行。
1.3课题研究内容及章节安排
1.3.1论文主要研究内容
本文以摇床用无刷直流电机控制系统为研究对象，通过BLD120A驱动模块，以STM32为主控芯片，运用PID算法可以控制电机以一定的速度输出，然后通过输出PWM波来调节无刷电机的转速，并且由RS485串口通信协议将操作终端连接。
1.3.2论文章节安排
本文章总共分为六个章节，具体安排如下所示:
第一章:绪论。大体介绍了无刷电机的研究背景和意义以及摇床的现状。
第二章:系统设计方案。将整个项目分割为不同模块。通过比较不同方案找到最合理的方案，并以此方案作为研究方向。
第三章:无刷直流电机的硬件设计。选择STM32为主控芯片设计电源电路、MCU及其辅助电路、RS485串口通信电路。
第四章:无刷直流电机的软件设计。设计主程序程序、中断服务程序，研究PID控制算法，开发输出PWM程序。
第五章:系统调试。及时发现系统所出现的问题，由硬件到软件逐步进行调试。
第六章:总结与展望。
1.4本章小结
本章主要介绍了摇床用无刷电机控制系统课题的研究背景和意义，然后对国内摇床的现状做了一定的了解，在市场前景优越的前提下决定开发一套自主无刷电机的控制系统。
2.系统设计方案
在了解了无刷电机的基本原理之后，慢慢明确了此次设计的中心思想，通过BLD120A的外部调速使无刷电机进行调速，随之附带的是进行液晶显示和按键设置。于是把整个设计分割成不同的模块，先将每个模块的功能实现，然后再组装起来，实现统一的功能。
2.1课题研究任务和解决思路
当今摇床在生物化学领域越来越广泛的应用，因此一款好的摇床是市场非常渴求的。一般摇床所具有的功能必须要能够按键输入调节摇床速度，能把摇床的实时速度进行监控进行图像显示和分析。而在当摇床负载增加时，摇床也能够稳定振荡频率，保证摇床内部正常工作。
在明确了课题研究任务之后，开始了解到摇床主要有电机进行带动摇床进行振荡，于是将课题分解为以下几个模块：（1）电机选择（2）驱动电机模块（3）电机调速模块（4）串口通信模块
2.2系统设计方案选择
2.2.1 方案一
针对摇床振荡问题的研究，选用异步电机，异步电机结构简单便于学习内部结构系统、坚固比较耐用、很少会出现内部错误、几乎没有噪音，但是内部没有传感器，需要复杂的驱动电路。
目录
1. 绪论 1
1.1研究背景与意义 1
1.2摇床研究的现状 1
1.3课题研究内容及章节安排 1
1.3.1论文主要研究内容 1
1.3.2论文章节安排 2
1.4本章小结 2
2.系统设计方案 3
2.1课题研究任务和解决思路 3
2.2系统设计方案选择 3
2.2.1 方案一 3
2.2.2 方案二 3
2.3 方案分析 4
2.4 功能模块图 4
3.硬件设计 6
3.1驱动控制电机模块 6
3.2电机速度采样模块 7
3.3串口通信模块 9
3.4单片机最小系统 9
3.4.1 MCU电路 9
3.4.2 复位电路 10
3.4.3 晶振电路 11
3.4.4 稳压电路 11
3.4.5 STM32单片机电源电路 12
3.4.6 电源接口电路 12
3.5端口配置 13
3.6 本章小结 13
4.软件设计 15 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
4.1主程序设计 15
4.2串口通信 16
4.3 PWM控制 17
4.4 速度采样 18
4.5 恒速控制 19
4.6 本章小结 20
5.系统调试 21
5.1硬件测试 21
5.2 软件测试 22
5.3 困难及解决办法 22
6.结语 24
参考文献 25
致谢 26
1. 绪论
1.1研究背景与意义
恒温生物摇床主要应用于生物和化学研究，通过摇床一定频率的振荡可以使溶液等反应剂更加充分的反应。主要应用于悬浊液、环境研究（废水和油分析）、提取处理、发酵（制药，生物技术，DNA和酶）、细菌的蛋白检测、溶解、着色和脱色等领域。具有可以数字显示并且可以调节振荡频率、具有一定安全性能的恒温摇床，是生物化学实验室中必备的仪器，是科研教育和生产部门中不可或缺的实验器材。[20]
由于摇床在使用过程中具有需要更换碳刷或电机的弊端，所以现在人们用更加高新的永磁无刷电机代替传统的电机。那么一款优质可靠地无刷电机控制系统就变的尤为重要，电机专用驱动DSP将所有模块集成在一块板子上，便于携带，其次运行速度也会更加迅速。缺点就是价格昂贵，并不能随着功率改变而改变输出功率。单片机+DSP的方式，在运行速度方面可能会有所减弱，但是可以根据需求随意在开发板上进行设计。
1.2摇床研究的现状
近些年来，小型恒温摇床在国内外越来越受到欢迎，小型恒温摇床体积小便于携带并且可以完美达到市场需求。在生物化学实验研究，小型恒温摇床充分体现了自身的潜能。首先这种摇床体积小不占用实验室的空间，可以将实验室空间尽可能最大化的利用，其次这种摇床可以让培养液与菌体或者化学试剂充分混合以此达到最佳的实验效果，如此我们便可以得到更加精确的数据以及结果。
市场上这种生物摇床定价为中低等级，本着小巧玲珑的理念，将生物摇床的各种功能可以完美体现，所以市场上颇为流行。
1.3课题研究内容及章节安排
1.3.1论文主要研究内容
本文以摇床用无刷直流电机控制系统为研究对象，通过BLD120A驱动模块，以STM32为主控芯片，运用PID算法可以控制电机以一定的速度输出，然后通过输出PWM波来调节无刷电机的转速，并且由RS485串口通信协议将操作终端连接。
1.3.2论文章节安排
本文章总共分为六个章节，具体安排如下所示:
第一章:绪论。大体介绍了无刷电机的研究背景和意义以及摇床的现状。
第二章:系统设计方案。将整个项目分割为不同模块。通过比较不同方案找到最合理的方案，并以此方案作为研究方向。
第三章:无刷直流电机的硬件设计。选择STM32为主控芯片设计电源电路、MCU及其辅助电路、RS485串口通信电路。
第四章:无刷直流电机的软件设计。设计主程序程序、中断服务程序，研究PID控制算法，开发输出PWM程序。
第五章:系统调试。及时发现系统所出现的问题，由硬件到软件逐步进行调试。
第六章:总结与展望。
1.4本章小结
本章主要介绍了摇床用无刷电机控制系统课题的研究背景和意义，然后对国内摇床的现状做了一定的了解，在市场前景优越的前提下决定开发一套自主无刷电机的控制系统。
2.系统设计方案
在了解了无刷电机的基本原理之后，慢慢明确了此次设计的中心思想，通过BLD120A的外部调速使无刷电机进行调速，随之附带的是进行液晶显示和按键设置。于是把整个设计分割成不同的模块，先将每个模块的功能实现，然后再组装起来，实现统一的功能。
2.1课题研究任务和解决思路
当今摇床在生物化学领域越来越广泛的应用，因此一款好的摇床是市场非常渴求的。一般摇床所具有的功能必须要能够按键输入调节摇床速度，能把摇床的实时速度进行监控进行图像显示和分析。而在当摇床负载增加时，摇床也能够稳定振荡频率，保证摇床内部正常工作。
在明确了课题研究任务之后，开始了解到摇床主要有电机进行带动摇床进行振荡，于是将课题分解为以下几个模块：（1）电机选择（2）驱动电机模块（3）电机调速模块（4）串口通信模块
2.2系统设计方案选择
2.2.1 方案一
针对摇床振荡问题的研究，选用异步电机，异步电机结构简单便于学习内部结构系统、坚固比较耐用、很少会出现内部错误、几乎没有噪音，但是内部没有传感器，需要复杂的驱动电路。
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