arm的直流电机调速系统设计软件部分
直流电动机具有良好的性能，在电力拖动领域中得到了广泛的应用。数字化是直流调速系统的发展方向。ARM单片机具有体积小，功能强大等优点。本课题的设计目的是通过ARM单片机来对直流电机的转速进行有效的调控，并且能够经受一定的外加干扰，从而实现对直流电机的各种应用。本文通过分析直流调速机系统的组成，列出用来调节转速的PID方程，对其建立数学模型，并用matlab进行仿真，然后通过其来对PWM的占空比进行调节，控制来实现对直流电机的调速。关键词 调速系统，ARM，PID，仿真
目 录
1 引言 1
1.1 课题研究背景和意义 1
1.2 研究现状和发展趋势 1
1.3 直流电机调速系统的发展 2
1.4 双闭环系统的介绍 3
1.5 ARM单片机 4
2 总体设计 4
3 硬件设计 4
3.1 总体框图 4
3.2 硬件介绍 4
4 基于ARM的直流电机调速系统的软件设计 9
4.1 主程序设计 9
4.2 PWM驱动程序设计 10
4.3 按键子程序设计 12
4.4 软件调试 12
5 MATLAB仿真 13
5.1 设计调节器的惯例 15
5.2 Ⅰ型与Ⅱ型系统的功能比较 16
5.3 电流调节器的设计 17
5.4 转速调节器的设计 18
5.5 matlab概述 19
5.6 SIMULINK仿真 20
6 软硬件联调 25
结论 29
致谢 30
参考文献 31
附录A 32
1 引言
1.1 课题研究背景和意义
很多工业上所用的生产机械设备需要其拥有良好的稳态、动态性能，同时能在确定的范围内对速度进行平滑的调节[1]。为此就 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
诞生了调速范围宽广的直流调速系统，因为其有出色的稳定性，转速的变化率小，动态变形规律受外部作用小，所以能很好的适用在工业上。而随着系统的不断发展，在此基础上还发展出了双闭环系统，现在大多数都是用的这种系统[2]。它具有转速平稳、响应快等优点。闭环控制的原理是经过调控，使得输出值尽量接近目标值，所以系统复杂，但也因此抗干扰的能力好。而单闭环的系统虽然在采取转速负反馈（PI调节器调节）的方法后也可以实现系统的转速变化率很小而且稳定，但随着工业的发展，对系统的性能要求更高，这时单闭环就捉襟见肘了[3]。这其中的关键就是单闭环的系统，在其启动后，其在运转过程中的电流也是动态的，给调控增加了难度，无法实现精确控制。在启动电机时，我们希望启动时速度快并且稳定，这就要求电流也要在限定的范围内迅速达到最大且稳定，这样电机在启动的时候速度就很快，在启动完成后，电流就要马上降下来，达到平衡使得电机平稳运转[4]。而在单闭环的系统中，用来控制电流的负反馈环节，只会在电流超过限定值后才会进行调节，而且电流有波动，不稳定，无法满足要求[5]。在电机启动的过程中，电流是很重要的一个因素，电流温不稳定一个直观的方法就是看其波形，若能呈现方波，就能很好的满足我们的要求，这时，电机的转速也能线性增长[6]。
随着社会的现代化，工厂的生产要求越来越严格，这就对电机调速系统提出了更严苛的要求，所以，不断的优化调速系统，让它能适应各种任务，要求，是我们一个很重要的使命。
1.2 研究现状和发展趋势
在20世纪60年代，直流调速系统由于晶闸管的出现表现出了很强的潜力，所以，为了能够先别人一步抢占市场，相关的各个部门投入了大量的人力，物力，资金来对其进行研究，也正是因为这样，很快核心为晶闸管的系统得到了广泛应用，而因为晶闸管装置的高放大倍数，也开始向大功率的设备方向发展。核心为晶闸管调速的直流电机系统也开始向着产品标准规范、占地面积小、集成程度高、智能度高的方向发展。对一些中小功率的装置来说，电机与控制的一体化是发展的方向也是最终成果。
所以，在国外，直流调速系统的数字化开始大规模的涌现出来。在业界享有盛誉的西门子公司，三菱公司，东芝公司等电气公司方面的领头人都纷纷研发出了一系列产品标准规范、集成度高、智能化的直流调速装置，使得直流调速系统又迈上了一个新的篇章。
随着现代化的不断推进，工业技术不断提升，对产品的工业要求也不断提高，传统的电机控制系统以及相关的算法等方面已经无法胜任。在能够满足各种各样的需求这个前提下，电机系统也纷纷在往具有更高的性能，更高的精确度，同时，网络化，信息化以及智能化的大方向发展，单片机的出现则很好的满足了这些要求[7]。
微处理器可以用来实现数字控制器的功能，因为微处理器不仅可以完成数字运算，还可以完成PID的功能和其他各种控制算法，同时，能够储存和计算在不同条件下的速度设定值和其变化规律[8]。另外，还能够对各种工艺参数进行显示、检测和报警等，通过总线控制的方法，还能够用一台计算机来实现控制多个调速装置的功能，这些无一不表现出了调速系统从模拟向数字化的方向发展[9]。现在，大部分的数字控制器已经使用上了例如单片机 DSP8 ,CPLDFPGA9, PLC10、以及ARM等。但是，因为单片机的体型小，后期系统需要升级，增加设置带来不方便而产生额外的费用，所以，CPLDFPGA和PLC在电机控制方面的发展前景不是很有优势[10]。而DSP的集成度虽然比单片机要高，但由于其对象的局限性，在增添外部设置、控制界面、通用性等方面，与ARM相比，两者各有千秋[11]。
总而言之，在将来，直流电机调速装置将向着集成程度高，功能多样，占地面积小不断努力。
1.3 直流电机调速系统的发展
控制直流电机的转速最方便的方法是控制电流，所以，一开始，通过改变回路中的电阻来改变电流，从而控制电机转速。采用这样的方法，设备不仅价格低廉，而且制造起来简便易行[12]。但凡事有利就有弊，通过改变电阻的方法实现转速的控制，由于电阻变化范围有限，而且这样改变的电流波动大，速度变化时不平稳，所以很快就淘汰了这种电机。到了1930年以后，则出现了旋转变流机组（由发电机和电动机组成），其原理，是因为电机的转速和电压有关，而对发电机的电流调控就能改变供给电机的电压，控制调速[13]。较之最初的直流调速系统，优点是有了更宽的调速范围，平滑的调速等，但由于需要增加发电机以及其他相关的辅助设备使得造价昂贵、占地面积大、安装困难、有噪音、维修困难等缺点。
目 录
1 引言 1
1.1 课题研究背景和意义 1
1.2 研究现状和发展趋势 1
1.3 直流电机调速系统的发展 2
1.4 双闭环系统的介绍 3
1.5 ARM单片机 4
2 总体设计 4
3 硬件设计 4
3.1 总体框图 4
3.2 硬件介绍 4
4 基于ARM的直流电机调速系统的软件设计 9
4.1 主程序设计 9
4.2 PWM驱动程序设计 10
4.3 按键子程序设计 12
4.4 软件调试 12
5 MATLAB仿真 13
5.1 设计调节器的惯例 15
5.2 Ⅰ型与Ⅱ型系统的功能比较 16
5.3 电流调节器的设计 17
5.4 转速调节器的设计 18
5.5 matlab概述 19
5.6 SIMULINK仿真 20
6 软硬件联调 25
结论 29
致谢 30
参考文献 31
附录A 32
1 引言
1.1 课题研究背景和意义
很多工业上所用的生产机械设备需要其拥有良好的稳态、动态性能，同时能在确定的范围内对速度进行平滑的调节[1]。为此就 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
诞生了调速范围宽广的直流调速系统，因为其有出色的稳定性，转速的变化率小，动态变形规律受外部作用小，所以能很好的适用在工业上。而随着系统的不断发展，在此基础上还发展出了双闭环系统，现在大多数都是用的这种系统[2]。它具有转速平稳、响应快等优点。闭环控制的原理是经过调控，使得输出值尽量接近目标值，所以系统复杂，但也因此抗干扰的能力好。而单闭环的系统虽然在采取转速负反馈（PI调节器调节）的方法后也可以实现系统的转速变化率很小而且稳定，但随着工业的发展，对系统的性能要求更高，这时单闭环就捉襟见肘了[3]。这其中的关键就是单闭环的系统，在其启动后，其在运转过程中的电流也是动态的，给调控增加了难度，无法实现精确控制。在启动电机时，我们希望启动时速度快并且稳定，这就要求电流也要在限定的范围内迅速达到最大且稳定，这样电机在启动的时候速度就很快，在启动完成后，电流就要马上降下来，达到平衡使得电机平稳运转[4]。而在单闭环的系统中，用来控制电流的负反馈环节，只会在电流超过限定值后才会进行调节，而且电流有波动，不稳定，无法满足要求[5]。在电机启动的过程中，电流是很重要的一个因素，电流温不稳定一个直观的方法就是看其波形，若能呈现方波，就能很好的满足我们的要求，这时，电机的转速也能线性增长[6]。
随着社会的现代化，工厂的生产要求越来越严格，这就对电机调速系统提出了更严苛的要求，所以，不断的优化调速系统，让它能适应各种任务，要求，是我们一个很重要的使命。
1.2 研究现状和发展趋势
在20世纪60年代，直流调速系统由于晶闸管的出现表现出了很强的潜力，所以，为了能够先别人一步抢占市场，相关的各个部门投入了大量的人力，物力，资金来对其进行研究，也正是因为这样，很快核心为晶闸管的系统得到了广泛应用，而因为晶闸管装置的高放大倍数，也开始向大功率的设备方向发展。核心为晶闸管调速的直流电机系统也开始向着产品标准规范、占地面积小、集成程度高、智能度高的方向发展。对一些中小功率的装置来说，电机与控制的一体化是发展的方向也是最终成果。
所以，在国外，直流调速系统的数字化开始大规模的涌现出来。在业界享有盛誉的西门子公司，三菱公司，东芝公司等电气公司方面的领头人都纷纷研发出了一系列产品标准规范、集成度高、智能化的直流调速装置，使得直流调速系统又迈上了一个新的篇章。
随着现代化的不断推进，工业技术不断提升，对产品的工业要求也不断提高，传统的电机控制系统以及相关的算法等方面已经无法胜任。在能够满足各种各样的需求这个前提下，电机系统也纷纷在往具有更高的性能，更高的精确度，同时，网络化，信息化以及智能化的大方向发展，单片机的出现则很好的满足了这些要求[7]。
微处理器可以用来实现数字控制器的功能，因为微处理器不仅可以完成数字运算，还可以完成PID的功能和其他各种控制算法，同时，能够储存和计算在不同条件下的速度设定值和其变化规律[8]。另外，还能够对各种工艺参数进行显示、检测和报警等，通过总线控制的方法，还能够用一台计算机来实现控制多个调速装置的功能，这些无一不表现出了调速系统从模拟向数字化的方向发展[9]。现在，大部分的数字控制器已经使用上了例如单片机 DSP8 ,CPLDFPGA9, PLC10、以及ARM等。但是，因为单片机的体型小，后期系统需要升级，增加设置带来不方便而产生额外的费用，所以，CPLDFPGA和PLC在电机控制方面的发展前景不是很有优势[10]。而DSP的集成度虽然比单片机要高，但由于其对象的局限性，在增添外部设置、控制界面、通用性等方面，与ARM相比，两者各有千秋[11]。
总而言之，在将来，直流电机调速装置将向着集成程度高，功能多样，占地面积小不断努力。
1.3 直流电机调速系统的发展
控制直流电机的转速最方便的方法是控制电流，所以，一开始，通过改变回路中的电阻来改变电流，从而控制电机转速。采用这样的方法，设备不仅价格低廉，而且制造起来简便易行[12]。但凡事有利就有弊，通过改变电阻的方法实现转速的控制，由于电阻变化范围有限，而且这样改变的电流波动大，速度变化时不平稳，所以很快就淘汰了这种电机。到了1930年以后，则出现了旋转变流机组（由发电机和电动机组成），其原理，是因为电机的转速和电压有关，而对发电机的电流调控就能改变供给电机的电压，控制调速[13]。较之最初的直流调速系统，优点是有了更宽的调速范围，平滑的调速等，但由于需要增加发电机以及其他相关的辅助设备使得造价昂贵、占地面积大、安装困难、有噪音、维修困难等缺点。
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