基于霍尔传感器和 STM32 的直流电机调速系统的设计.docx
- 文档编号:29243771
- 上传时间:2023-07-21
- 格式:DOCX
- 页数:16
- 大小:436.18KB
基于霍尔传感器和 STM32 的直流电机调速系统的设计.docx
《基于霍尔传感器和 STM32 的直流电机调速系统的设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于霍尔传感器和 STM32 的直流电机调速系统的设计.docx(16页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
基于霍尔传感器和STM32的直流电机调速系统的设计
信息科学与工程学院
课程设计报告
(2016~2017学年第一学期)
题目基于霍尔传感器和STM32的直流电机调速系统的设计
院(系、部)控制系
课程名称电力拖动自动控制系统课程设计
专业自动化2班
年级2013级
学号1315322008
姓名丁爽
指导老师晏来成徐园园(聂卓赟)
一、课题训练内容
以Cortex-M3处理器为核心,包括3个外围电路的设计,首先是霍尔传感器电路的制作,掌握信号转换电路的制作,然后是掌握转速采样电路的原理和制作和数码管电路的制作,掌握将转换的数字信号换算成实际转速的方法,相应电路的程序编写。
二、设计(论文)任务和要求(包括说明书、论文、译文、计算程序、图纸、作品等数量和质量的具体要求
1.能够通过按键设定期望转速;
2.能够显示当前速度值(通过数码管或LCD均可);
3.测量范围:
200rpm-3000rpm;
4.误差:
10rpm;
5.系统的结构框图如下:
1.绪论
1.1设计的目的和意义
转速的测量是一切应用的前提,然而当今世界高速的发展,追求的是测量的稳定,精确,速度快等等。
现在的控制设备都是计算机,而计算机只能处理数字量,所以如今处理我们一般要求输出的信号都是数字量,而霍尔传感器输出的信号就是开关量1和0,我们可以将输出的信号进行整合,输出有效的TTL电平给单片机进行处理。
其实这设计可以理解为一个工业上的一个模型,在一个工厂一个机器都有一个甚至多个电机,我们可以实现对多个机器的监控,实现一个人多个设备的监控,而且后续我们可以将一个外设变为多个外设,将有线的串口通信改变为无线通信,获红外通信,蓝牙通信等等。
同时也可以将现在火热的只能家具联系起来,一个直流电机就相当于一个外设,我们可以添加多个外设,然后做用于的手机APP终端获电脑网站终端,对家用电器进行监控,当然这涉及到通信等等领域。
总之,转速测量的参数是很多应用设备的前提,在许多方面有很多应用,在生产和生活有重要的意义。
1.2数字式转速测量系统的发展背景
在现代电子产品中,自动控制系统,电子仪器设备、家用电器、电子玩具等等方面,直流电机都得到了广泛的应用。
大家熟悉的录音机、电唱机、录相机、电子计算机等,都不能缺少直流电机。
所以直流电机的控制是一门很实用的技术。
直流电机,大体上可分为四类:
几相绕组的步进电机、永磁式换流器直流电机、伺服电机、两相低电压交流电机 直流电机具有良好的启动性能和调速特性,它的特点是启动转矩大,最大转矩大,能在宽广的范围内平滑、经济地调速,转速控制容易,调速后效率很高。
与交流调速相比,直流电机结构复杂,生产成本高,维护工作量大。
随着大功率晶体管的问世以及矢量控制技术的成熟,使得矢量控制变频技术获得迅猛发展,从而研制出各种类型、各种功率的变频调速装置,并在工业上得到广泛应用。
适用范围:
直流调速器在数控机床、造纸印刷、纺织印染、光缆线缆设备、包装机械、电工机械、食品加工机械、橡胶机械、生物设备、印制电路板设备、实验设备、焊接切割、轻工机械、物流输送设备、机车车辆、医疗设备、通讯设备、雷达设备、卫星地面接受系统等行业广泛应用。
高性能的交流传动应用比重逐年上升,在工业部门中,用可调速交流传动取代直流传动将成为历史的必然。
1.3主要研究内容
(1)首先研究各个测量方法,分析各个方法的利弊,综合提出设计方案,在仿真软件上进行测试,包括硬件的测试和软件的测试。
(2)根据stm32单片机的设计方案,然后在洞洞板上进行实物的焊接实验,先对各个模块的测试,通过之后,对测量或者控制给予评估。
(3)根据系统要求和原理图设置各控制字,用C语言编制程序,包括主程序流程,显示中断程序流程,转速测量中断程序。
并用软件的方法对计数和定时进行同步,在不改变硬件的条件下,使软硬件达到理想的效果。
(4)利用Keil3软件和集成环境对系统对工作软件进行编译、调试,程序不断的修改和优化。
(5)最后利用AltiumDesignerSummer09进行绘画原理图和PCB图,买好开发板,再焊接上元器件,烧录之前调试好的程序,运行。
2.系统总体方案设计与论证
2.1控制器模块选择
控制器主要用于各模块控制显示、抢答、音乐等。
选择采用ARM的Cortex-M3处理器的CPU方案。
Stm32单片机的计算功能强大,程序编程灵活、价格便宜、自由度大,可以利用软件编程完成各种算法和逻辑控制,并且由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点,使其在各个领域应用广泛。
2.2电源方案的选择
系统需要多个电源,stm32的工作电压(VDD)为2.0~3.6V。
通过内置的电压调节器提供所需的1.8V电源。
当主电源VDD掉电后,通过Vbat脚为实时时钟(RTC)和备份寄存器提供电源。
所以简单方便,也不需要购买电池。
2.3键盘的选择
键盘是单片机不可缺少的输入设备,是实现人机对话的桥梁。
键盘按结构形式可以分为分别由硬件和软件控制的非编码式键盘和编码式键盘,而本系统设计比较简单,所以我们才用编码式的键盘,硬件结构简单,也减少了程序的复杂性。
2.4显示模块的选择
对于LED显示电路设计,LED数码管其实是一种半导体发光器件,基本器件是发光二极管,通过对其不同的管脚输入相对的电流,会发亮,从而显示出数字,可以显示时间、日期、温度等可以用数字代替的参数。
2.5驱动模块选择
H型全桥式电路是直流电机驱动电路使用最常见的电路,这种驱动电路可以很方便实现直流电机的四象限运行,分别对应正转、反转、正转制动、反转制动。
2.6PWM控制
PWM(脉冲宽度调制)控制,一般我们配合桥式驱动电路实现直流电机驱动,非常简单,且调速范围大,它的原理就是直流斩波原理。
由于电机的转速与电机两端的电压成比例,而电机两端的电压与控制波形的占空比成正比,因此电机的速度与占空比成比例,占空比越大,电机转得越快,当占空比α=1时,电机转速最大。
PWM控制波形的实现可以通过模拟电路或数字电路实现,例如用555搭成的触发电路,但是,这种电路的占空比不能自动调节,不能用于自动控制小车的调速。
而目前使用的大多数单片机都可以直接输出这种PWM波形,或通过时序模拟输出,最适合小车的调速。
脉冲宽度调制模式可以产生一个由TIMx_ARR寄存器确定频率、由TIMx_CCRx寄存器确定占空比的信号。
在TIMx_CCMRx寄存器中的OCxM位写入’110’(PWM模式1)或’111’(PWM模式2),能够独立地设置每个OCx输出通道产生一路PWM。
必须通过设置TIMx_CCMRx寄存器的OCxPE位使能相应的预装载寄存器,最后还要设置TIMx_CR1寄存器的ARPE位使能自动重装载的预装载寄存器(在向上计数或中心对称模式中)。
因为仅当发生一个更新事件的时候,预装载寄存器才能被传送到影子寄存器,因此在计数器开始计数之前,必须通过设置TIMx_EGR寄存器中的UG位来初始化所有的寄存器。
OCx的极性可以通过软件在TIMx_CCER寄存器中的CCxP位设置,它可以设置为高电平有效或低电平有效。
OCx的输出使能通过(TIMx_CCER和TIMx_BDTR寄存器中)CCxE、CCxNE、MOE、OSSI和OSSR位的组合控制。
详见TIMx_CCER寄存器的描述。
在PWM模式(模式1或模式2)下,TIMx_CNT和TIMx_CCRx始终在进行比较,(依据计数器的计数方向)以确定是否符合TIMx_CCRx≤TIMx_CNT或者TIMx_CNT≤TIMx_CCRx。
根据TIMx_CR1寄存器中CMS位的状态,定时器能够产生边沿对齐的PWM信号或中央对齐的PWM信号。
2.7系统的最终方案
主控制器模块:
采用stm32控制。
显示模块:
数码管显示。
电源方案的选择:
采用USB供电。
控制模块:
独立式键盘。
驱动模块:
采用H桥式驱动。
速度调节:
PWM波调速。
如图2-1所示。
图2-1系统的最终方案
3.硬件电路设计
3.1STM32介绍
核心
−ARM32位的Cortex-M3™CPU
−36MHz,1.25DMIPS/MHz(Dhrystone2.1)
0等待的存储器访问
−单周期乘法和硬件除法
■存储器
−从32K字节至128K字节闪存程序存储器
−从6K字节至16K字节SRAM
■时钟、复位和供电管理
−2.0至3.6伏供电和I/O管脚
−上电/断电复位(POR/PDR)、可编程电压
监测器(PVD)
−内嵌4至16MHz高速晶体振荡器
−内嵌经出厂调校的8MHzRC振荡器
−内部40kHz的RC振荡器
−PLL供应CPU时钟
−带校准的32kHzRTC振荡器
■低功耗
−睡眠、停机和待机模式
−VBAT为RTC和后备寄存器供电
■调试模式
−串行线调试(SWD)和JTAG调试接口
■DMA
−7通道DMA控制器
−支持的外设:
定时器、ADC、SPI、I2C和USART
■1个12位模数转换器,1us转换时间(16通道)
−转换范围是0至3.6V
−温度传感器
■多达80个快速I/O口
−26/37/51/80个多功能双向5V兼容的I/O
−所有I/O口可以映像到16个外部中断
■多达6个定时器
−多达3个16位定时器,每个定时器有多达
4个用于输入捕获/输出比较/PWM或脉
冲计数的通道
−2个16位看门狗定时器(独立的和窗口型的)
−系统时间定时器:
24位自减型
■多达7个通信接口
−多达2个I2C接口(SMBus/PMBus)
−多达3个USART接口,支持ISO7816,
LIN,IrDA接口和调制解调控制
−多达2个SPI同步串行接口(18兆位/秒)
3.2电源复位
当以下事件中之一发生时,产生电源复位:
1.上电/掉电复位(POR/PDR复位)
2.从待机模式中返回
电源复位将复位除了备份区域外的所有寄存器。
图中复位源将最终作用于RESET管脚,并在复位过程中保持低电平。
复位入口矢量被固定在地址0x0000_0004。
3.3霍尔传感器简介
霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。
1879年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应,但是由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。
随着半导体技术的发展,开始用半导体材料制作霍尔元件,由于他的霍尔效应显著而得到应用和发展。
霍尔传感器是一种当交变磁场经过时产生输出电压脉冲的传感器。
脉冲的幅度是由激励磁场的场强决定的。
因此,霍尔传感器不需要外界电源供电。
霍尔传感器的应用非常的广泛,在测量领域,可用于测量磁场、电流、位移、压力、振动、转速等。
在通讯领域,可用于放大器、振荡器、相敏检波、混频、分频已经微波功率测量等。
在自动化技术领域,可用于无刷直流电机、速度传感、位置传感、自动记数、接近开关、霍尔自整角机构成的伺服系统和自动电力拖动系统等。
1工作原理:
是利用半导体材料的霍尔效应进行测量的一种磁敏式传感器。
它可以直接测量磁场和微位移量,应用于电池测量、压力、加速度、振动等方面的测量领域。
目前霍尔传感器已从分立元件发展到集成电路的阶段,正越来越受人们的重视,应用日益广泛。
2测量误差补偿:
常见的产生误差的因素有:
半导体本身固有的特性、半导体制造工艺水平、环境温度变化、霍尔传感器的安装是否合理等,测量误差一般表现为零误差和温度误差。
零位误差极其补偿:
当霍尔元件的激励电流I不再为零时,若所处位置的磁感应强度B为零。
则霍尔电势仍应为零,但实际中若不为零,则此时空载的霍尔电势称为零位误差。
它一般由一下两种电势组成。
温度误差及补偿:
由于半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度都随温度而变化,用此材料制成的霍尔元件的性能参数必然随温度而变化,致使霍尔电势变化,产生温度误差。
为了减小温度误差,除选用温度系数较小的材料如砷化茵外,还可以采取一些恒温措施。
或者采用恒流源或恒压源配合补偿电阻供电,这样可以减小元件内阻随温度变化而引起的控制电流变化。
3.4霍尔传感器的采集信号电路设计
由于我们用的控制芯片是stm32单片机,而stm32单片机只能接受TTL电平信号的输入,我们选用的霍尔传感器30344E是输出的正弦波信号,传感器模块自动转换为方波输出。
分别如图3-1和3-2所示。
图3-1霍尔传感器信号转换的电路设计
图3-2霍尔传感器模块的电路设计
3.5按键显示电路模块
图3-3TM1638按键数码管LED显示模块
3.5.1模块介绍
1.含有8个按键;
2.含有8个LED灯;
3.含有8位数码管共阴极LED数码管;
该模块使用芯片为TM1638,集合了以上3种单片机常见外围电路,特点是只需要占用单片机3个IO口,扫描显示和按键扫描不需要单片机干预只需要读写寄存器,节省MCU资源。
是带键盘扫描接口的LED(发光二极管显示器)驱动控制专用电路,内部集成有MCU数字接口、数据锁存器、LED高压驱动、键盘扫描等电路。
主要应用于冰箱、空调、家庭影院等产品的高段位显示屏驱动。
管脚定义
图3-4TM1638管脚
3.5.2显示部分
驱动共阴极数码管
图3-5共阴极数码管
图3-5给出共阴数码管的连接示意图,如果让该数码管显示“0”,那你需要在GRID1为低电平的时候让SEG1,SEG2,SEG3,SEG4,SEG5,SEG6为高电平,SEG7为低电平,查看显示地址表格,只需在00H地址单元里面写数据3FH就可以让数码管显示“0”。
图3-6显示表
3.5.3按键部分
图3-7键扫矩阵为8×3bit
键扫数据储存地址如下所示,先发读键命令后,开始读取按键数据BYTE1—BYTE4字节,读数据从低位开始输出;芯片K和KS引脚对应的按键按下时,相对应的字节内的BIT位为1。
图3-7键扫数据储存地址
3.6驱动电路设计
本设计采用的驱动电路是H桥,它的基本原理图如图3-8所示。
图3-8H桥电路
H桥驱动电路利用了4个开关的断开和闭合实现对电机的正转、反转制动和反转、正转制动,S1和S2为一组,S3和S4为一组,当S3和S4断开,S1和S2闭合时,就实现了电机的正转或者反转制动。
而当相反时,就实现了电机的反转或者正转制动,而对于导通的波形图,这个过程可用图3-9说明。
因此,为了避免直通短路且保证各个开关管动作之间的协同性和同步性,两组控制信号在理论上要求互为倒相的逻辑关系,而实际上却必须相差一个足够的死区时间,这个矫正过程既可以通过硬件实现,即在上下桥臂的两组控制信号之间增加延时,也可以通过软件实现(具体方法参看后文)。
图3-9波形图
驱动电流不仅可以通过主开关管流通,而且还可以通过续流二极管流通。
当电机处于制动状态时,电机便工作在发电状态,转子电流必须通过续流二极管流通,否则电机就会发热,严重时烧毁。
开关管的选择对驱动电路的影响很大,开关管的选择宜遵循以下原则:
(1)由于驱动电路是功率输出,要求开关管输出功率较大;
(2)开关管的开通和关断时间应尽可能小;
(3)使用的电源电压不高,因此,开关管的饱和压降应该尽量低。
在实际制作中,如果我们队电机的驱动能力要求高,我们选用大功率达林顿管TIP122,效果都还不错,为了使电路简化,建议使用集成有桥式电路的电机专用驱动芯片,如L298,性能比较稳定。
由于我们的电机对驱动没有要求,一直是空转,所以我们用三极管就可以了。
一组5V给单片机和控制电路供电,另外一组9V给电机供电。
在控制部分和电机驱动部分之间用光耦隔开,以免影响控制部分电源的品质,并在达林顿管的基极加三极管驱动,可以给达林顿管提供足够大的基极电流。
4.电机测速系统的软件设计
4.1电机测速系统流程图
该系统软件采用C语言编制,模块化设计,分为主程序,转速计算程序,键盘程序,时钟中断程序,显示程序。
在速度计数中断程序中完成计量工作,时钟程序每0.5秒钟向stm32发出中断请求,因为为了保证直流电机的运行稳定,我在电机的扇叶上安装了2组相对的磁铁,每转一圈就会产生2个脉冲,也就是2个下降沿触发计数。
在中断程序中完成计时工作或者时钟显示工作。
键盘中断程序用于完成各次营运数据的查寻工作,显示程序完成显示工作。
软件设计框图如下图4-1所示。
定时器T1(串口通信)和T2(外部计数)初始化
扫描按键或按钮是否按下
是
否
定时器T0初始化
电机不转
电机转动
结束
数码管转速显示
开始
图4-1软件设计流程图
4.2系统主程序
在主程序模块中,需要完成对各参量和接口的初始化、速度计算初始化以及中断、计算、循环等工作。
另外,在主程序模块中还需要设置启动/清除标志寄存器,并对它们进行初始化。
然后,主程序将根据各标志寄存器的内容,分别完成启动、清除、计算和显示等不同的操作。
4.3中断程序
4.3.1中断计数程序
当计数器对脉冲计满一定数值时,就由计数中断电路向微机发出中断请求,使微机进入计数中断服务程序中。
每当霍尔传感器输出一个低电平信号就使单片机中断一次,当计数器对脉冲计满1000次时,进入计数中断服务程序中,变量加一。
主函数中总金额也相应地变化。
4.3.2显示程序
程序利用定时器每1ms产生一次中断,相应变量置位,点亮一个数码管,显示一位数据,利用主函数内的循环,实现动态扫描显示,同时根据数码管余辉和人眼暂留现象,即可实现显示。
4.3.3键盘程序
键盘采用查询的方式,放在主程序中,当没有按键按下的时候,单片机循环主程序,一旦有按键按下,便转向相应的子程序处理,处理结束再返回。
5.实物制作
6.总结
经过这段时间的系统的设计,电路板的焊接,程序的编写和调试,我对单片机知识,软件的绘图能力,C语言程序的编写有了很大的提高和巩固。
在毕业设计的过程中,碰到了许多的问题。
比如,对于一些相关的应用软件没能熟练掌握,在电机系统的硬件设计上,尤其是在显示电路和信号采集模块掌握的不好;对于程序的编写和调试经验不足。
经过老师的精心指导和同学的帮助,以及参考相关的资料,最终还是把问题解决了。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于霍尔传感器和 STM32 的直流电机调速系统的设计 基于 霍尔 传感器 直流电机 调速 系统 设计
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)