目录
1引言 ............................................................................................................................................... 2 2单片机控制系统硬件组成 ............................................................................................................ 2
2.1微控制器 ............................................................................................................................. 2 2.2电机驱动芯片 ..................................................................................................................... 3 2.3按键输入和显示模块 ......................................................................................................... 4 2.3.1按键输入 .......................................................................................................................... 4
2.3.2显示模块 .................................................................................................................. 4 2.4直流伺服电动机 ................................................................................................................. 4 3.单片机控制系统软件设计 ............................................................................................................ 4
3.1主程序 ................................................................................................................................. 5 3.2键盘处理子程序 ................................................................................................................. 6 4.控制系统原理图及仿真 ................................................................................................................ 6
4.1控制系统方框图 ................................................................................................................. 6 4.2控制系统电路原理图 ......................................................................................................... 7 5.Simulink组件对直流伺服控制系统的仿真 ................................................................................ 7
5.1直流伺服电机数学模型 ..................................................................................................... 7 5.2系统Simulink模型及时域特性仿真 ................................................................................ 8
5.2.1 Simulink建模及仿真 .............................................................................................. 8 5.2.2单位负反馈系统Simulink建模及仿真 ................................................................. 9 5.3 PID校正 ........................................................................................................................... 10
5.3.1 PID参数的凑试法确定 ........................................................................................ 10 5.3.2比例控制器校正 .................................................................................................... 11 5.3.3比例积分控制器校正 ............................................................................................ 13 5.3.4 PID控制器校正 .................................................................................................... 15
5．小结........................................................................................................................................... 18 引用文献......................................................................................................................................... 18
直流伺服电机控制系统
1引言
本设计的直流伺服电机控制系统是一个随动控制系统。以STM32核心板为控制器，通过按键将设定值输入到单片机，采用超声波传感器采集小车前方物体的距离，单片机对设定值与测量距离求差后输出控制信号，双BTN7971大电流H桥驱动伺服电机工作，进而控制电机向着减小差值的方向转动。同时单片机处理的数字信号通过LCD来显示，实时显示超声波传感器的测量值。
另外本设计还利用了MATLAB软件，利用Simulink构造直流电机控制系统模型，通过对各个单元部件的参数进行设定，进而对直流伺服电机系统控制进行仿真，就其仿真结果对系统进行时域分析。
2单片机控制系统硬件组成
本系统是由一片单片机、矩阵式键盘、超声波模块HC-SR04、显示模块和一辆带有直流伺服电机的车模组成，另外通过Altinum Designer软件进行电路设计。
2.1微控制器
STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARMCortex-M3内核。按性能分成两个不同的系列：STM32F103“增强型”系列和STM32F101“基本型”系列。增强型系列时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品；基本型时钟频率为36MHz，以16位产品的价格得到比16位产品大幅提升的性能，是16位产品用户的最佳选择。两个系列都内置32K到128K的闪存，不同的是SRAM的最大容量和外设接口的组合。时钟频率72MHz时，从闪存执行代码，STM32功耗36mA，是32位市场上功耗最低的产品。
以下是STM32系列的内部结构图：
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直流伺服电机控制系统
2.2电机驱动芯片
模块上的EN端为H桥的使能端，需要外接5V电压，EN不可悬空，当EN都为高电平时电机驱动模块开始工作，EN端为低电平时，电机驱动停止工作。
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直流伺服电机控制系统
2.3按键输入和显示模块 2.3.1按键输入
采用自己设计的形如4×4矩阵式按键，按键用于设定某一数值。通过程序设置延时环节来消除按钮的抖动问题，这样做使矩阵式按钮硬件连线简单，同时按钮的软件设计也变的简单。
2.3.2显示模块
系统采用传统点阵式1602显示器，显示传感器的测量值以及键盘的输入设定值。
2.4直流伺服电动机
直流伺服电动机在伺服系统中控制机械元件转动.是一种补助马达间接变速装置。又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。其作用可使控制速度、位置精度非常准确。
直流伺服电动机的结构与直流电动机基本相同。只是为减小转动惯量，电机做得细长一些。所不同的是电枢电阻大，机械特性软、线性（电阻大，可弱磁起动、可直接起动）。供电方式是他励供电，即励磁绕组和电枢分别两个独立的电源供电。控制方式包括电枢控制和磁极控制，其中改变电枢电压U调速范围较大，直流伺服电机常用此方法调速。 直流伺服电动机转速的计算公式如下：
n?U?IRKe?式中：n为转速；Φ为磁通；U为外加电压；I、R为电枢电流和电阻；Ke为电势系数。
3.单片机控制系统软件设计
软件设计采用模块化设计，由主程序模块和功能实现模块两大部分组成。主程序通过读取键值与超声波传感器测量距离进行求差，结合PID控制算法输出至驱动模块以达到控制电机的目的；功能实现模块主要由主函数模块、键盘处理子程序和屏幕显示模块、PID控制算法子程序等组成。
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直流伺服电机控制系统
3.1主程序
主程序首先对键盘和显示模块的程序进行初始化，通过读取键值处理后与超声波传感器测量距离进行求差以达到控制电机的目的。主程序流程图如图3-1所示。
开始 显示模块初始化 键盘模块 程序初始化 键盘扫描程序 N 输入值是否有效？ Y 读取键值 与传感器测距求差进行秋茶 PID消除差值控制电机
图3-1主程序流程图
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计算机控制系统课程设计--直流伺服电机控制系统
