直流电机调速模块硬件设计(附件)【字数：7560】
摘 要直流电机在现代工业领域中被广泛使用，因其具有良好的启动和制动性能，并且调速稳定可靠，在电机领域有着一定的使用价值。同时随着电机控制技术的进步，其控制方式也越来越多样化。本文设计的是基于PWM脉宽调制对直流电机进行电枢电压控制，以此来实现对直流电机的速度控制。由于调极和调频这两种调速方式已经不满足现在工业电机控制的精度需求，本设计提出以STM32F103单片机为核心，输出PWM脉宽信号，经L298芯片对占空比进行放大后，输出模拟量驱动直流电机正反转以及调速。最后用计算机进行仿真，使用了XCOM通信软件与单片机进行数据通信，在计算机XCOM通信软件的界面上进行参数设置和状态监控，实现直流电机调速以及正反转的控制。系统调试结果表明控制系统整体设计合理，软件编程可实现功能，达到了相应的控制要求。
目 录
第一章 绪论 3
1.1 研究背景 3
1.2 研究意义 3
第二章 系统总体设计 5
2.1 系统整体框图 5
2.2 STM32F103单片机 5
2.3 直流电机调速方法 7
第三章 驱动模块基本原理 8
3.1 直流电机工作原理 8
3.2 PWM信号产生和直流电机调速原理 8
3.3 直流电机正反转原理 9
3.4 电机驱动模块 10
第四章 硬件设计 14
4.1 硬件设计思路 14
4.2 STM32单片机最小系统 14
4.2.1 复位模块 14
4.2.2 时钟模块 15
4.2.3 电源模块 15
4.3 电机控制模块 16
4.3.1 转速以及正反转控制 16
4.3.2 允许转动控制 16
第五章 软硬件调试 17
5.1 软件仿真调试 17
5.2 硬件仿真测试 17
5.2.1 测试结果 18
结束语 20
致 谢 21
参考文献 22
附录A 硬件实物图 23
附录B 源代码 24
绪论 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
研究背景
近些年来，直流电机对我国的工业发展做出了巨大贡献，中国市场在汽车领域、医疗设备领域以及航空航天领域都对直流电机有着非常大的需求。电机通常分为交流电机和直流电机，其中交流电机比直流电机结构简单并且运行稳定，但因其启动性能差和调速性能不理想的缺点，使得现在直流电机成为机械应用领域的主流。直流电机具有卓越的机械性能和转动效率，并因其具有启动转矩大、过载能力强、调速性能好的优点，被广泛应用到控制精度较高的系统中。随着科技的不断进步以及现代工业生产力的发展，很多工业领域对直流电机的调速范围和控制精度要求也越来越高。
单片机（MCU）是一种单晶硅制作的微型处理器，具有体积小、重量轻、功能丰富的优点，并且因其控制简单，使得基于单片机的直流电机调速系统得到了广泛的应用。单片机是通过控制脉冲宽度信号，达到控制直流电机的正反转和调速的效果。脉冲宽度调制这种方法是通过控制半导体开关的导通和断开使得直流电压随着开关变化而电压发生变化。半导体开关闭合时，直流电压输出为高电平；当半导体开关截止时，直流电压降为低电平。这种半导体通断带来的电平变化呈现脉冲形式的方波信号，根据这个原理改变半导体通断的时间，使得直流电压高低电平的宽度或者频率发生改变，从而改变输出电压的平均值。
研究意义
在1821年9月，法拉第进行水银杯转动实验，首次利用电磁效应将电能转化为旋转运动的机械能，就此直流电机被发现。而直流电机和直流发电机的结构在一开始是呈现五花八门的变化并且各自发展，但自从电机可逆性的原理被发现，使得人们认知到发电机和电动机是可逆的，并且它们的结构趋于相同。到了19世纪末，直流电机的结构基本已经定型，呈现出现代直流电机的样式，并且直流电机在满足快速启动、停止、加速、减速以及正反转的同时，因其启动稳定、制动性能好、调速响应灵敏度高的优点，在数字化控制领域得到了广泛的使用。随着工业技术不断进步，自动化控制的需求也在不断地提高。通过频繁改变电枢电压和回路绕组来满足工业上的需求显得十分的笨重和繁琐，于是基于单片机控制的直流电机调速模块诞生了。
单片机于20世纪70年代出现，其技术发展经历了SCM、MCU、SOC三个阶段。SCM指的是单片微型计算机（Single Chip Microcumpter），这个阶段主要是寻求最佳单片形态嵌入式系统的最佳体系结构；MCU则是代表着微处理器（Micro Contoller Unit），该阶段主要是围绕单片机来搭建硬件结构和软件程序，同样为了满足各种软件功能的需求，单片机在电路扩展和外围接口增加的同时，朝着智能化和兼容化的方向发展。早期的单片机仅仅是可以存放8位的芯片，并且芯片只能执行一些单线程的操作，且没有串行通信的接口。1980年Intel公司推出了MCS51单片机也就是“51单片机”，现在也被称之为“最经典的单片机”，到至今还被广泛的应用在单片机教学当中。直到90年代32位单片机诞生，嵌入式系统才开始呈现出井喷式的发展。因为基于单片机控制的直流电机调速模块系统不仅所需要的元器件比较常见，而且电路结构简单，更因其系统控制灵活且稳定性高的优点被广泛应用在工业领域当中。况且单片机可以通过串行通信的方式与电脑主机进行数字通信交互，使得一些参数的修改变得十分快捷，促进了工业化的发展。因此直流电机的调速模块设计对未来的工业领域发展有着重大的意义。
本设计是利用单片机为控制核心，来实现对直流电机的调速控制。经过这次毕业设计，进一步加深对直流电机控制方面的理解和应用，并对以后的学习研究和工作能力的培养有了极大的提高。
系统总体设计
系统整体框图
基于STM32F103单片机的直流电机PWM调速系统结构图如图21所示，该系统主要由STM32F103ZET6单片机、直流电机占空比设定电路、功率驱动电路、运行方式设置电路以及直流电机等几个部分组成。
系统运行时，单片机首先进行初始化；再由系统软件生成PWM信号，然后系统对运行方式的设置进行判断，接着通过PE13、PE15引脚输出相应的控制信号和PWM信号，最后由功率驱动电路输出模拟量控制直流电机正反转和加速减速。
图21 系统结构图
STM32F103单片机
单片机是集成了中央处理器、存储器系统（RAM和ROM）、定时/计数器、并行接口、串行接口、中断系统以及一些特殊功能寄存器（SFR）的元器件。模块中使用的单片机是意法半导体公司的STM32F103Zet6，单片机在直流电机调速系统的核心作用是产生PWM信号，从而改变直流电机的速度和方向。引脚图如图22所示。
目 录
第一章 绪论 3
1.1 研究背景 3
1.2 研究意义 3
第二章 系统总体设计 5
2.1 系统整体框图 5
2.2 STM32F103单片机 5
2.3 直流电机调速方法 7
第三章 驱动模块基本原理 8
3.1 直流电机工作原理 8
3.2 PWM信号产生和直流电机调速原理 8
3.3 直流电机正反转原理 9
3.4 电机驱动模块 10
第四章 硬件设计 14
4.1 硬件设计思路 14
4.2 STM32单片机最小系统 14
4.2.1 复位模块 14
4.2.2 时钟模块 15
4.2.3 电源模块 15
4.3 电机控制模块 16
4.3.1 转速以及正反转控制 16
4.3.2 允许转动控制 16
第五章 软硬件调试 17
5.1 软件仿真调试 17
5.2 硬件仿真测试 17
5.2.1 测试结果 18
结束语 20
致 谢 21
参考文献 22
附录A 硬件实物图 23
附录B 源代码 24
绪论 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
研究背景
近些年来，直流电机对我国的工业发展做出了巨大贡献，中国市场在汽车领域、医疗设备领域以及航空航天领域都对直流电机有着非常大的需求。电机通常分为交流电机和直流电机，其中交流电机比直流电机结构简单并且运行稳定，但因其启动性能差和调速性能不理想的缺点，使得现在直流电机成为机械应用领域的主流。直流电机具有卓越的机械性能和转动效率，并因其具有启动转矩大、过载能力强、调速性能好的优点，被广泛应用到控制精度较高的系统中。随着科技的不断进步以及现代工业生产力的发展，很多工业领域对直流电机的调速范围和控制精度要求也越来越高。
单片机（MCU）是一种单晶硅制作的微型处理器，具有体积小、重量轻、功能丰富的优点，并且因其控制简单，使得基于单片机的直流电机调速系统得到了广泛的应用。单片机是通过控制脉冲宽度信号，达到控制直流电机的正反转和调速的效果。脉冲宽度调制这种方法是通过控制半导体开关的导通和断开使得直流电压随着开关变化而电压发生变化。半导体开关闭合时，直流电压输出为高电平；当半导体开关截止时，直流电压降为低电平。这种半导体通断带来的电平变化呈现脉冲形式的方波信号，根据这个原理改变半导体通断的时间，使得直流电压高低电平的宽度或者频率发生改变，从而改变输出电压的平均值。
研究意义
在1821年9月，法拉第进行水银杯转动实验，首次利用电磁效应将电能转化为旋转运动的机械能，就此直流电机被发现。而直流电机和直流发电机的结构在一开始是呈现五花八门的变化并且各自发展，但自从电机可逆性的原理被发现，使得人们认知到发电机和电动机是可逆的，并且它们的结构趋于相同。到了19世纪末，直流电机的结构基本已经定型，呈现出现代直流电机的样式，并且直流电机在满足快速启动、停止、加速、减速以及正反转的同时，因其启动稳定、制动性能好、调速响应灵敏度高的优点，在数字化控制领域得到了广泛的使用。随着工业技术不断进步，自动化控制的需求也在不断地提高。通过频繁改变电枢电压和回路绕组来满足工业上的需求显得十分的笨重和繁琐，于是基于单片机控制的直流电机调速模块诞生了。
单片机于20世纪70年代出现，其技术发展经历了SCM、MCU、SOC三个阶段。SCM指的是单片微型计算机（Single Chip Microcumpter），这个阶段主要是寻求最佳单片形态嵌入式系统的最佳体系结构；MCU则是代表着微处理器（Micro Contoller Unit），该阶段主要是围绕单片机来搭建硬件结构和软件程序，同样为了满足各种软件功能的需求，单片机在电路扩展和外围接口增加的同时，朝着智能化和兼容化的方向发展。早期的单片机仅仅是可以存放8位的芯片，并且芯片只能执行一些单线程的操作，且没有串行通信的接口。1980年Intel公司推出了MCS51单片机也就是“51单片机”，现在也被称之为“最经典的单片机”，到至今还被广泛的应用在单片机教学当中。直到90年代32位单片机诞生，嵌入式系统才开始呈现出井喷式的发展。因为基于单片机控制的直流电机调速模块系统不仅所需要的元器件比较常见，而且电路结构简单，更因其系统控制灵活且稳定性高的优点被广泛应用在工业领域当中。况且单片机可以通过串行通信的方式与电脑主机进行数字通信交互，使得一些参数的修改变得十分快捷，促进了工业化的发展。因此直流电机的调速模块设计对未来的工业领域发展有着重大的意义。
本设计是利用单片机为控制核心，来实现对直流电机的调速控制。经过这次毕业设计，进一步加深对直流电机控制方面的理解和应用，并对以后的学习研究和工作能力的培养有了极大的提高。
系统总体设计
系统整体框图
基于STM32F103单片机的直流电机PWM调速系统结构图如图21所示，该系统主要由STM32F103ZET6单片机、直流电机占空比设定电路、功率驱动电路、运行方式设置电路以及直流电机等几个部分组成。
系统运行时，单片机首先进行初始化；再由系统软件生成PWM信号，然后系统对运行方式的设置进行判断，接着通过PE13、PE15引脚输出相应的控制信号和PWM信号，最后由功率驱动电路输出模拟量控制直流电机正反转和加速减速。
图21 系统结构图
STM32F103单片机
单片机是集成了中央处理器、存储器系统（RAM和ROM）、定时/计数器、并行接口、串行接口、中断系统以及一些特殊功能寄存器（SFR）的元器件。模块中使用的单片机是意法半导体公司的STM32F103Zet6，单片机在直流电机调速系统的核心作用是产生PWM信号，从而改变直流电机的速度和方向。引脚图如图22所示。
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