电机调速系统的软件设计【字数：10067】
摘 要随着电子控制技术和算法理论的不断发展和进步，尤其是PWM调制和PID控制算法的发展，使更多的电子系统得到完善和创新。在本设计中，基于PWM调制技术和PID控制算法通过C语言编程实现电机速度的控制和测量。本设计采用四个功能模块，第一部分是定时器脉宽调制，通过向上计数定时器输出PWM；第二部分是外部触发中断，通过检测按键的按下，对速度设定变量进行修改；第三部分是OLED显示，在外部中断中回调，实时显示速度设定和检测情况；第四部分是PID算法，在定时器中调用，用于速度的闭环调控。通过这四个模块的组合，进行PID数值调节从而实现电机调速系统的设计。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究与意义 1
1.2 研究现状 1
1.3 本文研究的内容和方法 2
第二章 电机调速系统软件设计 3
2.1系统电机调速软件方案概述 3
2.2系统电机调速软件原理分析 3
2.2.1 PID程序模块 3
2.2.2 模拟I2C程序模块 4
2.2.3 PWM程序模块 6
2.2.4 按键程序模块 6
第三章 软件系统搭建 7
3.1 开发工具介绍 7
3.2 人机交互代码实现 7
3.3 驱动代码实现 8
3.3.1 PWM初始化 8
3.3.2 定时器初始化 9
3.3.3 中断处理程序 9
3.4 PID代码实现 10
第四章 系统搭建测试 10
4.1 系统整体搭建 10
4.1.1 工程建立和路径添加 10
4.1.2 主函数添加 11
4.2 系统整体测试 11
4.2.1 PID调试 12
总结与展望 13
参考文献 14
致 谢 15
附录 程序代码 16
第一章 绪论
1.1 课题研究与意义
随着工业技术的不断发展，PWM控制调制技术运用的技术范围也越来越大。所谓PWM控制，就是我们指的脉冲宽度调制 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
技术，通过调制一系列脉冲宽度等效地获得所需波形。假设PWM是单斜率，则最大计数设置为80。我们将比较值设置为10，然后T/C计数从0到10（计数器仍然计数直到计数达到设定值80），并且微控制器控制IO口是输出1还是根据用户的设置输出0或端口计数器，这是PWM基本原理[1]。
不仅PWM技术的使用率很高，模拟信号的应用也涉及多领域，模拟信号的值可连续变化，幅度以及时间的分辨率不会受到约束。 例如一个具有一定电压值的电池为一个模拟设备，其输出电压不会完全等于其额定电压，但它随时间变化获得的电压值可为范围内任何数值[2]。同样我们也可以推断出电流也不会局限于一系列可能值。
模拟电压和电流可用于控制系统，例如扬声器的音量大小控制，音量旋钮连接到可变电阻，当旋转旋钮时，电阻值会发生变化，导致电阻电流的变化，从而改变扬声器的电流值，这样便间接地使音量变大或变小，实现了控制功能。但模拟电路也存在一些弊端，比如容易随时间漂移，难以调整[3]，在使用过程中也可能会产生大量热，再者模拟电路也可能会受到外部噪声的影响改变了电流值[4]。
随着控制理论的发展，模糊理论和神经网络理论逐渐应用于PID参数整定[5]。业内很多学者和研究者对于这一方面做了深层次的探索与研究，取得了丰富的研究成果并积累了大量的经验。
从当前PID参数调整方法和使用状况来看，以下几个方面将是研究和运用的重点：
1、对于单输入和单输出控制对象，有必要研究不稳定对象的PID参数调整方法或受控过程中的大扰动，以及流程信息和更简单的操作可以进行更好的调整。
2、对于多输入和多输出控制对象，研究具有显着耦合的多变量过程的多变量PID参数调整方法是很有必要的，以此来减少所需的先验信息量，从而降低设置线路的复杂度。
3、结合自适应和自整定，使其具有自动诊断功能，结合理论和经验，完善原有的PID调节器设计思路和调整方法。
1.2 研究现状
近年来，人们对于PID调节器参数的调整的关注度愈来愈高。中国有许多比较完善的参数调整理论[6]。目标响应特征时间用于平衡标准中的误差项的顺序和变化项的误差率，并且获得更好的控制和影响[7]。
除此以外，上海交通大学的李永南教授提出了一种在响应时延过程中设计PID调节器的新方法[8]。根据提出来的所需的闭环传递函数，便能够分析并推导出PID调节器的形式。国内典型的具有代表性的文章是基于李立祥2006年提出的混沌蚁群算法的PID参数调整。结合蚁群动态，群组织和优化机制，形成新的参数调整方法[9]。首先，PID型迭代学习控制用于跟踪和控制所需的轨迹，然后，根据输入输出数据序列，通过强跟踪滤波器识别参数并优化，这样便可获得与期望轨迹对应的PID控制参数[10]。设计的PID方法能够符合多个指标并得到相应的改进，提高了PID调节器的控制性能。除此以外，量子遗传算法开始应用于PID控制器的参数优化[11]。在不断发展和优化的过程中，PID参数的调整已经得到了很多崭新的进展。
1.3 本文研究的内容和方法
（1）主要设计内容：
本课题的研究对象之一是直流电动机，其速度受到控制。直流电机的启动性能和制动性能都相当不错。本课题采用以STM32系列单片机为控制板的直流电机脉宽调制速度控制系统。系统包括核心控制板和显示部分，实现对电机正转，反转，急停，加速或减速的控制，再者用户可通过显示部分和控制系统进行交互，实时显示电机是前进还是后退以及转速的状态。
主要设计思路：
编写直流电机调速系统的软件控制程序，利用PWM调速原理及方法，实现直流电机转速测量与调速功能。本系统采用STM32系列芯片控制数据输出，通过PWM信号发生电路产生PWM信号，要注意的是在软件设计中规避同时使能正反转两个通道的问题，电机连接欧姆龙编码器，编码器向STM32单片机发送四相脉冲波形，单片机通过正交解码转换速度并执行PID操作，实现电动机速度和转向的控制，同时也实现了DC电动机速度调节的目的。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究与意义 1
1.2 研究现状 1
1.3 本文研究的内容和方法 2
第二章 电机调速系统软件设计 3
2.1系统电机调速软件方案概述 3
2.2系统电机调速软件原理分析 3
2.2.1 PID程序模块 3
2.2.2 模拟I2C程序模块 4
2.2.3 PWM程序模块 6
2.2.4 按键程序模块 6
第三章 软件系统搭建 7
3.1 开发工具介绍 7
3.2 人机交互代码实现 7
3.3 驱动代码实现 8
3.3.1 PWM初始化 8
3.3.2 定时器初始化 9
3.3.3 中断处理程序 9
3.4 PID代码实现 10
第四章 系统搭建测试 10
4.1 系统整体搭建 10
4.1.1 工程建立和路径添加 10
4.1.2 主函数添加 11
4.2 系统整体测试 11
4.2.1 PID调试 12
总结与展望 13
参考文献 14
致 谢 15
附录 程序代码 16
第一章 绪论
1.1 课题研究与意义
随着工业技术的不断发展，PWM控制调制技术运用的技术范围也越来越大。所谓PWM控制，就是我们指的脉冲宽度调制 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
技术，通过调制一系列脉冲宽度等效地获得所需波形。假设PWM是单斜率，则最大计数设置为80。我们将比较值设置为10，然后T/C计数从0到10（计数器仍然计数直到计数达到设定值80），并且微控制器控制IO口是输出1还是根据用户的设置输出0或端口计数器，这是PWM基本原理[1]。
不仅PWM技术的使用率很高，模拟信号的应用也涉及多领域，模拟信号的值可连续变化，幅度以及时间的分辨率不会受到约束。 例如一个具有一定电压值的电池为一个模拟设备，其输出电压不会完全等于其额定电压，但它随时间变化获得的电压值可为范围内任何数值[2]。同样我们也可以推断出电流也不会局限于一系列可能值。
模拟电压和电流可用于控制系统，例如扬声器的音量大小控制，音量旋钮连接到可变电阻，当旋转旋钮时，电阻值会发生变化，导致电阻电流的变化，从而改变扬声器的电流值，这样便间接地使音量变大或变小，实现了控制功能。但模拟电路也存在一些弊端，比如容易随时间漂移，难以调整[3]，在使用过程中也可能会产生大量热，再者模拟电路也可能会受到外部噪声的影响改变了电流值[4]。
随着控制理论的发展，模糊理论和神经网络理论逐渐应用于PID参数整定[5]。业内很多学者和研究者对于这一方面做了深层次的探索与研究，取得了丰富的研究成果并积累了大量的经验。
从当前PID参数调整方法和使用状况来看，以下几个方面将是研究和运用的重点：
1、对于单输入和单输出控制对象，有必要研究不稳定对象的PID参数调整方法或受控过程中的大扰动，以及流程信息和更简单的操作可以进行更好的调整。
2、对于多输入和多输出控制对象，研究具有显着耦合的多变量过程的多变量PID参数调整方法是很有必要的，以此来减少所需的先验信息量，从而降低设置线路的复杂度。
3、结合自适应和自整定，使其具有自动诊断功能，结合理论和经验，完善原有的PID调节器设计思路和调整方法。
1.2 研究现状
近年来，人们对于PID调节器参数的调整的关注度愈来愈高。中国有许多比较完善的参数调整理论[6]。目标响应特征时间用于平衡标准中的误差项的顺序和变化项的误差率，并且获得更好的控制和影响[7]。
除此以外，上海交通大学的李永南教授提出了一种在响应时延过程中设计PID调节器的新方法[8]。根据提出来的所需的闭环传递函数，便能够分析并推导出PID调节器的形式。国内典型的具有代表性的文章是基于李立祥2006年提出的混沌蚁群算法的PID参数调整。结合蚁群动态，群组织和优化机制，形成新的参数调整方法[9]。首先，PID型迭代学习控制用于跟踪和控制所需的轨迹，然后，根据输入输出数据序列，通过强跟踪滤波器识别参数并优化，这样便可获得与期望轨迹对应的PID控制参数[10]。设计的PID方法能够符合多个指标并得到相应的改进，提高了PID调节器的控制性能。除此以外，量子遗传算法开始应用于PID控制器的参数优化[11]。在不断发展和优化的过程中，PID参数的调整已经得到了很多崭新的进展。
1.3 本文研究的内容和方法
（1）主要设计内容：
本课题的研究对象之一是直流电动机，其速度受到控制。直流电机的启动性能和制动性能都相当不错。本课题采用以STM32系列单片机为控制板的直流电机脉宽调制速度控制系统。系统包括核心控制板和显示部分，实现对电机正转，反转，急停，加速或减速的控制，再者用户可通过显示部分和控制系统进行交互，实时显示电机是前进还是后退以及转速的状态。
主要设计思路：
编写直流电机调速系统的软件控制程序，利用PWM调速原理及方法，实现直流电机转速测量与调速功能。本系统采用STM32系列芯片控制数据输出，通过PWM信号发生电路产生PWM信号，要注意的是在软件设计中规避同时使能正反转两个通道的问题，电机连接欧姆龙编码器，编码器向STM32单片机发送四相脉冲波形，单片机通过正交解码转换速度并执行PID操作，实现电动机速度和转向的控制，同时也实现了DC电动机速度调节的目的。
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