无刷直流电机的水泵控制设计【字数：13503】
摘 要随着科技的不断进步，自动化工业制造领域也向着越来越精细化控制的方向发展。在日常的生产过程中，很多方面都需要应用到对水泵的控制。因此如何直接有效地对水泵进行控制，从而达到提高生产效率的问题成为人们研究的热点。本课题以变频器和STM32单片机为控制核心，采用变频器驱动无刷直流电机，设计出高效无刷直流电机控制系统，能够更加有效地控制水泵，从而达到提高生产效率的作用。本设计主要研究和实现的内容如下（1）利用A/D模块对水位和水压进行数据采集；（2）通过STM32单片机对采集数据进行分析反馈，将实际采集到的数据信息与预设的水位要求相匹配；（3）通过单片机的水流量数据反馈，调整变频器驱动水泵，调节水位高度。
目录
一、 绪论 1
1.1 课题的背景和意义 1
1.2 发展现状及研究概况 1
1.3 课题的主要工作和内容安排 2
二、系统的总体设计 3
2.1 系统的总体设计 3
2.2 系统的工作流程 3
2.3 方案论证 4
2.3.1控制方案论证 4
2.3.2 单片机的选型 5
三、系统的硬件设计 6
3.1 STM32F103系列单片机简介 6
3.2上位机简介 6
3. 3 STM32单片机最小系统 6
3.4 A/D模块设计 7
3.5通讯电路设计 8
3.6开关量输入检测设计 9
3.7继电器输出设计 9
四、系统的软件设计 10
4.1 编程软件的简介 10
4.2端口配置 11
4.3 I/O配置 14
4.4通讯配置 17
4.4.1通讯协议 17
4.4.2通讯代码配置 19
4.5频率控制 22
4.6数据存储 26
五、系统调试 29
5.1 系统运行 29
5.2 结果分析 29
六、总结与展望 31
6.1 总结 31
6.2 对环境及社会可持续发展的影响 31
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七、参考文献 33
致谢 35
附录 36
一、 绪论
1.1 课题的背景和意义
变频器在控制过程中，通过对水泵的调节, 控制水箱中的水流量以及水位高度, 便于用户对生产过程可以及时监测，促使产品满足生产要求，从而保证系统经济稳定运行[1]。水流量调节的执行机构由变频器与水体温度传感器、水压传感器、流量检测开关、控制器、驱动电路以及电源共同构成，实现了对水泵的监测与控制。
无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成[2]，通过其机电一体化的设计，满足了诸多的日常生产的需要。新型的直流电机取消了碳刷、滑环等结构[3]，如此不仅继承了原有的电机的优点，还消除了多级减速耗。与此同时，更是增加了其可靠性，拓宽了其应用范围，维修与保养也是非常简单。因此无刷直流电机作为水泵的控制系统在能效及安全稳定性等方面有着大大的改善[4]。本课题基于无刷直流电机的水泵控制设计，主要是通过变频器、无刷电机、STM32单片机等控制器件进行综合控制，使得水箱中的水体水位、水温符合预设要求，优化整个系统，提高系统的稳定性。
1.2 发展现状及研究概况
在社会科学技术的发展的长期的过程，有刷直流电机始终占据一席之地以其优良的转矩控制特性[5]，并且它具有在运动控制领域不可动摇的地位。然而，具有机械触点电刷换向器一直是直流电动机的发展中无法超越和突破瓶颈。其结果是，它也造成在实际生产过程中的波动，从而导致系统的不稳定，这在很大程度上限制了可以应用的应用程序。为了找到替换刷机械换向装置直流电动机[6]，辛勤工作的科学家们从未停止过自己的进步。早在19世纪初，科学家Bolgior提出了整流器取代有刷直流电机的机械刷的想法，这表明科学家将使人们已经长途跋涉的道路上一个巨大的突破。十九世纪中叶,美国科学家DHarrison等一干科学探索家们用晶体管换相线路代替有刷直流电动机的机械电刷，应用于实物设计[7]，当代无刷直流电动机氤氲而生，从此人们的生产生活便被无刷直流电机所取代了。后世传统得以继承,涌现出一批在该领域有所建树的人才。
目前，电力电子装置在朝着集成的方向发展[8]。在功率集成电路中集成了整个驱动、控制、保护电路和电源装置，在很大的程度上简化了驱动电路。随着电力电子行业中兴，虽然生产半导体高功率管的开发成本一直在下降，但他们的表现有了很大的提高。尽管无刷直流电机已经应用到实际生活中的各个方面[9]，人们却从未放弃过对无刷直流电机以及优良控制系统的探寻。为创造更大的社会效益和经济效益，科学家们将全部的精力都投放到如下三点之中。（1）从电机设计和控制策略等方面出发，研究无刷直流电机转矩波动抑制方法[10]，提高其伺服精度，扩大其应用范围；（2）设计出可靠、小巧、通用维屈的集成化无刷直流电机控制器；（3）研究无位置传感器控制技术以提高系统的可靠性，并进一步缩小电机控制系统的尺寸与重量。
1.3 课题的主要工作和内容安排
课题的主要工作：根据已有的基于无刷直流电机的水泵控制系统，利用无刷电机的水泵进行变频调试控制，并对水流量进行采集处理，并反馈给控制系统，从而实现一个闭环的调速过程，对系统进行控制调节，完成电控软硬件的设计。
掌握项目开发中的基本流程，发现问题、了解问题、查找资料、绘制线路板原理图和PCB图、选择电子元件，对模拟信号与数字信号进行采集并处理，制作编写程序，调试并解决发生的问题，直至完成项目。
研究符合客户生产要求的基于无刷直流电机的水泵控制系统原理[11]，查找需要了解的知识点及资料。通过自主学习和向工程师请教等学习手段，消化知识点，之后在现场工程师的指导之下进行软硬件开发设计，绘制硬件原理图和PCB图[12]、软件流程图，运用编程软件编写软件代码。梳理整个系统的控制逻辑，编制控制程序。若是条件允许的话，请在专业工程师的协助下对实物进行调试运行。本文的主要内容：
目录
一、 绪论 1
1.1 课题的背景和意义 1
1.2 发展现状及研究概况 1
1.3 课题的主要工作和内容安排 2
二、系统的总体设计 3
2.1 系统的总体设计 3
2.2 系统的工作流程 3
2.3 方案论证 4
2.3.1控制方案论证 4
2.3.2 单片机的选型 5
三、系统的硬件设计 6
3.1 STM32F103系列单片机简介 6
3.2上位机简介 6
3. 3 STM32单片机最小系统 6
3.4 A/D模块设计 7
3.5通讯电路设计 8
3.6开关量输入检测设计 9
3.7继电器输出设计 9
四、系统的软件设计 10
4.1 编程软件的简介 10
4.2端口配置 11
4.3 I/O配置 14
4.4通讯配置 17
4.4.1通讯协议 17
4.4.2通讯代码配置 19
4.5频率控制 22
4.6数据存储 26
五、系统调试 29
5.1 系统运行 29
5.2 结果分析 29
六、总结与展望 31
6.1 总结 31
6.2 对环境及社会可持续发展的影响 31
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
七、参考文献 33
致谢 35
附录 36
一、 绪论
1.1 课题的背景和意义
变频器在控制过程中，通过对水泵的调节, 控制水箱中的水流量以及水位高度, 便于用户对生产过程可以及时监测，促使产品满足生产要求，从而保证系统经济稳定运行[1]。水流量调节的执行机构由变频器与水体温度传感器、水压传感器、流量检测开关、控制器、驱动电路以及电源共同构成，实现了对水泵的监测与控制。
无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成[2]，通过其机电一体化的设计，满足了诸多的日常生产的需要。新型的直流电机取消了碳刷、滑环等结构[3]，如此不仅继承了原有的电机的优点，还消除了多级减速耗。与此同时，更是增加了其可靠性，拓宽了其应用范围，维修与保养也是非常简单。因此无刷直流电机作为水泵的控制系统在能效及安全稳定性等方面有着大大的改善[4]。本课题基于无刷直流电机的水泵控制设计，主要是通过变频器、无刷电机、STM32单片机等控制器件进行综合控制，使得水箱中的水体水位、水温符合预设要求，优化整个系统，提高系统的稳定性。
1.2 发展现状及研究概况
在社会科学技术的发展的长期的过程，有刷直流电机始终占据一席之地以其优良的转矩控制特性[5]，并且它具有在运动控制领域不可动摇的地位。然而，具有机械触点电刷换向器一直是直流电动机的发展中无法超越和突破瓶颈。其结果是，它也造成在实际生产过程中的波动，从而导致系统的不稳定，这在很大程度上限制了可以应用的应用程序。为了找到替换刷机械换向装置直流电动机[6]，辛勤工作的科学家们从未停止过自己的进步。早在19世纪初，科学家Bolgior提出了整流器取代有刷直流电机的机械刷的想法，这表明科学家将使人们已经长途跋涉的道路上一个巨大的突破。十九世纪中叶,美国科学家DHarrison等一干科学探索家们用晶体管换相线路代替有刷直流电动机的机械电刷，应用于实物设计[7]，当代无刷直流电动机氤氲而生，从此人们的生产生活便被无刷直流电机所取代了。后世传统得以继承,涌现出一批在该领域有所建树的人才。
目前，电力电子装置在朝着集成的方向发展[8]。在功率集成电路中集成了整个驱动、控制、保护电路和电源装置，在很大的程度上简化了驱动电路。随着电力电子行业中兴，虽然生产半导体高功率管的开发成本一直在下降，但他们的表现有了很大的提高。尽管无刷直流电机已经应用到实际生活中的各个方面[9]，人们却从未放弃过对无刷直流电机以及优良控制系统的探寻。为创造更大的社会效益和经济效益，科学家们将全部的精力都投放到如下三点之中。（1）从电机设计和控制策略等方面出发，研究无刷直流电机转矩波动抑制方法[10]，提高其伺服精度，扩大其应用范围；（2）设计出可靠、小巧、通用维屈的集成化无刷直流电机控制器；（3）研究无位置传感器控制技术以提高系统的可靠性，并进一步缩小电机控制系统的尺寸与重量。
1.3 课题的主要工作和内容安排
课题的主要工作：根据已有的基于无刷直流电机的水泵控制系统，利用无刷电机的水泵进行变频调试控制，并对水流量进行采集处理，并反馈给控制系统，从而实现一个闭环的调速过程，对系统进行控制调节，完成电控软硬件的设计。
掌握项目开发中的基本流程，发现问题、了解问题、查找资料、绘制线路板原理图和PCB图、选择电子元件，对模拟信号与数字信号进行采集并处理，制作编写程序，调试并解决发生的问题，直至完成项目。
研究符合客户生产要求的基于无刷直流电机的水泵控制系统原理[11]，查找需要了解的知识点及资料。通过自主学习和向工程师请教等学习手段，消化知识点，之后在现场工程师的指导之下进行软硬件开发设计，绘制硬件原理图和PCB图[12]、软件流程图，运用编程软件编写软件代码。梳理整个系统的控制逻辑，编制控制程序。若是条件允许的话，请在专业工程师的协助下对实物进行调试运行。本文的主要内容：
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