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附录A 译文
基于ARM的直流电机调速设计
摘 要
本文主要研究了基于ARM的直流电机调速系统的设计。采用STM32微控制器设计相应的硬件外围电路，并对微控制器进行编程，用硬件电路实现相应的功能。采用速度闭环PID控制算法，可以调节直流电机的速度，改善电机的动态特性。实际运行结果表明，本课题的设计是为了满足电机的启停、正反转、加减速、无稳态误差等控制要求。
关键词 ARM；PID控制算法；直流电机；调速系统
1.绪论
1.1引言
直流电机的调速越来越向智能化、全数字化、高度集成化方向发展。与由模拟离散元件组成的控制系统相比，采用微控制器的直流电机调速系统具有许多优点。例如，微控制器的控制方式更为灵活，软件控制方式可以快速改变控制方式。此外，微控制器内部处理信号是一种数字信号，因此其抗干扰能力、控制精度、速度、可靠性和稳定性比模拟速度控制系统要好得多。
为了满足系统对直流电机快速响应和速度精度的要求，本文主要研究采用PID控制算法的微处理机来控制电机的速度，直流电机控制系统在工业控制、农业生产和我们的日常生活中有着广泛的应用，如直流电机在工业控制、农业生产中的应用。智能汽车，即直流电机控制直流电机的速度时，涉及到直流电机的速度控制。电机是否转动由三极管开关电路控制，通过控制三极管开关电路的通断，可以控制直流电机的旋转和停止。直流电机的速度可以通过改变电机两端的电压来控制。控制速度有两种方法：一种是通过通过降低直流电机两端的电压来调节电机的转速。这种方法需要电路中的电阻来承受一部分电能，而这部分电能是白白浪费的。这种方法不可取。另一种方案是利用脉宽调制波调节直流电机的转速。脉宽调制是脉宽调制的缩写，即脉宽调制。脉宽调制（PWM）是开关稳压电源的一个术语。这是根据电压稳定的控制方式分类的，除了PWM型，还有PFM型、PWM型、PFM混合型。脉宽调制（PWM）开关稳压电路是在控制电路输出频率恒定的情况下，通过电压反馈来调整其占空比，从而宏观地改变电路两端的平均电压。在直流电机调速系统中，PWM波调速是在输出方波频率不变的情况下改变其占空比。在单位循环时间内，80%的传导时间高于20%的传导时间，在电机两端的等效直流电压下，直流电机也旋转得更快，因此可以通过改变占空比来调节直流电机。
1.2研究背景和意义
在当今社会，汽车在工业生产和人民生活中发挥着重要作用。无论是在劳动生产、物流、运输、航海、航空航天、医疗设备或智能家居，都有多种电机。早期，基于模拟电路，设计了以运算放大器、非线性集成电路和少量数字电路为核心的直流电机控制系统。该系统不仅复杂，而且功能单一，调试难度大。因此，电机控制技术的发展非常缓慢。。随着微电子技术的飞速发展，超大规模集成电路得到了广泛的应用，传感器技术也得到了迅速的发展，基于微机的电机控制技术也得到了很好的推广。近20年来，电机控制技术和控制方式发生了重大变化。电机的控制部分已由单片机取代，外围驱动电路形成了一种新的电机控制方式，形成了数模混合控制系统。预计在不久的将来，它将走向全部数字化发展。脉宽调制控制技术的基本原理非常简单，即利用半导体器件连续开关，连续直流电压成为一系列电压脉冲，通过控制周期和宽度可以改变电压。近年来，电力拖动的脉宽调制控制技术已成为自动控制领域的研究热点。随着超大规模集成电路的发展，数以亿计的器件被集成到一个非常小的芯片中，计算机的体积越来越小。现在，以单片机为代表的微控制处理器
计算机已成为许多领域的主力军。在电机控制领域，单片机已成为电机调速不可缺少的组成部分。单片机有许多优点，除了体积小、易于携带事故、功能强大、计算能力强、稳定性强、控制方式灵活外，它还可以结合软件控制的主要优点，控制准确，价格越来越便宜。目前单片机已广泛应用于电机调速系统中。
1.3嵌入式系统简介
1.3.1概念
嵌入式系统是将计算机嵌入到对象系统中，实现嵌入式对象的智能化。嵌入式系统诞生于微型计算机中。它融合了计算机技术、通信技术和微电子技术。随着半导体器件的快速发展和超大规模集成电路制造技术的成熟，制造高性能微型计算机成为可能。随着部分系统的发展，嵌入式系统将得到越来越广泛的应用。
1.3.2特点
根据嵌入式系统的概念，嵌入式系统具有嵌入式、专用性和计算机化三个基本特征。嵌入式意味着嵌入式系统是从微型计算机早期的嵌入式计算机应用发展而来的。这意味着计算机可以嵌入到对象系统中，实现对对象系统的智能控制。嵌入式也可以理解为将计算机嵌入对象系统以实现智能控制。“计算机化”标志着嵌入式系统是以计算机技术为基础，核心是计算机处理器，这是嵌入式对象系统智能控制的根本保证。随着单片机处理能力的不断提高，单片机嵌入式操作系统已成为一种方便管理软硬件资源的较好方式。随着越来越多的外围接口电路和控制单元的出现，现代微处理器电子系统已经从一个只使用计算机的系统发展起来。“专用性”是指一个特定的嵌入式系统在开发后经常被用于一个固定的场景中，因此它只需要满足这个目标的要求，在这种情况下，它可以简化硬件和软件，可以节省开发成本，使系统运行更加平稳。
1.3.3嵌入式系统的应用及发展趋势
在当今社会的现代化进程中，嵌入式系统已广泛应用于各行各业以及人们生活的方方面面。它改变了许多传统工业，提高了生产率，并且提高了许多领域的技术水平。嵌入式系统在工业中的应用主要体现在工业自动化控制、电网安全设备和石油化工等领域。人们密切相关的消费电子领域也是嵌入式系统的杰作。无论是用于手机通讯，音乐播放的音频设备，还是用于拍摄照片和视频的图像处理设备，都需要嵌入式系统进行处理。即使在航空航天、环境检测等领域，嵌入式系统也发挥着重要作用。
虽然嵌入式系统已经得到了广泛的应用，但其市场前景仍然十分广阔。智能家居、机器人技术、智能汽车等领域需要进一步发展，以满足人们的需求。一般来说，嵌入式系统有以下发展趋势。首先，为了方便嵌入式应用程序的开发，嵌入式系统制造商不仅需要在硬件上提供更强大的处理器，还需要提供更方便的开发工具平台和软件工具包。其次，随着互联网进入人们的生活，嵌入式系统需要进一步完善网络支持功能，物联网就是为此目的。它是构想和提出的。
2.直流电机工作原理及控制方法
直流电机是将直流电能转化为机械能（直流电机）或机械能转化为直流电能（直流发电机）的旋转电机。它是一种可以实现直流电能与机械能相互转换的电动机。当它作为电动机运行时，它是一个将电能转化为机械能的直流电动机；当它作为发电机运行时，它是一个将机械能转化为电能的直流发电机。把直流电能转换成机械能的旋转装置。电机定子提供磁场，直流电源向转子绕组提供电流，换向器保持转子电流方向和磁场产生的转矩不变。直流电动机根据是否装有普通的刷式换向器，可分为刷式直流电动机和无刷直流电动机两类。无刷直流电机（BLDCM）是近年来随着微处理器技术的发展和开关频率高、功耗低的新型电力电子器件的应用，以及控制方法的优化和低成本永磁材料的出现而发展起来的一种新型直流电机。无刷直流电机不仅保持了传统直流电机良好的调速性能，而且具有无滑触和换向火花、可靠性高、使用寿命长、噪声低等优点，广泛应用于航空航天、数控机床、机器人、电动汽车、计算机外围设备和家用电器等领域。NCES。根据供电方式的不同，无刷直流电机可分为两类：方波无刷直流电机，其反电动势波形和供电电流波形均为矩形波，又称矩形波永磁同步电机；正弦波无刷直流电机，其反电动势波形和供电电流波形均为正弦波。
2.1冲击直流电机工作原理及调速方法
（a） （b）
图1 直流电机工作原理
如图1（a）所示，直流电源的电流从碳刷A流入。由于碳刷A和换向板1彼此接触，电流从换向板2流过换向板1、2触点的线圈ABCD，最后一个电流从刷子B流出。从电磁感应定律可以看出，线圈一侧的导体AB和导体CD受到电磁力的影响，电磁力的方向可以用左手定则判断。导线两端的力形成逆时针扭矩，使电机转子逆时针旋转。两相混合式步进电机的旋转原理是定子相绕组通电后，电流的电磁效应在相绕组上产生磁场。定子和转子之间的磁极相互吸引和排斥，定子和转子之间的复合磁场产生的电磁转矩促进电机转子的旋转。只要给定的子线圈的每相绕组按一定的顺序转动，定子磁场的极性就可以每次改变，在定子空间内产生旋转磁场，使转子获得持续的转矩，步进电机转子就可以按规定的方向连续转动。虽然电源是直流电源，但由于电刷和换相器之间的相互作用，在电机线圈中流动的电流是交替的。励磁线圈在磁场中产生的转矩方向不变，电机按给定的旋转方向旋转。
电机电压平衡方程：Ua Ea IaRa (1)
电枢绕组中的反电动势： Ea= CePhi;n (2)
了解电机转速计算公式：n=Ua -IaRa/CePhi; (3)
n：电机转速，单位为r/min；ua：电机电枢供电电压，单位为V；ia：电枢电流，单位为A；r a：电枢内阻，单位为Omega;；ce：电机电动势常数；Phi;：电机磁通，单位为Wb。
2.2 PID控制器设计
2.2.1 PID控制原理
本文对PID控制器进行了软件编程，实现了其控制算法，必须对传统的模拟控制器进行离散化。因此，我们需要用离散差分方程代替连续微分方程。假设采样时间短，可以使用一阶差分代替一阶差分，使用累积代替积分。
PID参数的主要作用如下：
（1）kp：比值参数的作用是加快系统响应速度，提高系统调节精度。
（2）ki：积分参数ki的作用是消除系统的稳态误差。Ki值越大，系统的静态误差消除越快。Ki值需要以实际系统调试为基础，直到达到满意的控制效果。
（3）Kd：微分参数的作用是提高系统的动态性能。如果kd值太大，响应过程会提前制动，从而延长系统的调整时间，降低系统的抗干扰性能。
总之，在PID参数的调整中，应注意各参数在系统响应过程中的作用及其内在的关系，在实际应用中根据实际系统进行连续调试和验证，最终能够得到满足。
具有控制效果。根据系统的开环传递函数，确定系统的根轨迹。在开环传递函数中，开环零点的位置和根轨迹增益由PID参数决定。根据开环传递函数的零点位置，粗略地确定了系统的主极，通过对主极的分析，确定了系统的性能。
在工程中，主极点的概念常被用于高阶系统的近似分析。系统的动态性能基本上由接近虚轴的闭环极点决定。系统调整时间主要取决于最接近虚轴的闭环复极点；如果实极点最接近虚轴且周围没有实零点，调整时间主要取决于实极点的模。
为了便于以后的计算，本文主要讨论了闭环实主极的作用。闭环实际控制极点的作用相当于增加系统的阻尼，当峰值时间延迟时，超调量减小。如果实数比共轭复极点更接近原点坐标，则振荡过程甚至可以转化为非振荡过程。实际极点离坐标原点越近，效果越强。
2.2.2反积分饱和PID控制器设计
由于PID控制器的积分功能，当系统在一个方向上出现偏差时，PID控制器的输出将继续增加，使电机转速达到极限值。如果控制器的输出继续增加，且电机的转速已达到极限，不随控制器输出的增加而增加，则控制器输出进入饱和区。然后，如果系统显示相反方向的偏差，控制器的输出将逐渐退出饱和区。控制器输出进入饱和区越深，退出饱和区所需的时间越长。执行器（电机）的输出不产生相应的变化，立即出现反向偏差，使系统控制性能恶化，这就是积分饱和的现象。本设计采用反积分PID控制算法。
- 硬件电路设计
3.1硬件电路设计总体框图
系统总体硬件电路设计如图2所示，主要由电源电路、液晶电路、电机驱动电路、下载调试电路、编码器速度电路组成。
图2 系统硬件设计图
3.2系统模块电路设计
3.2.1主芯片选择
本项目使用的主要芯片是STM32F103RCT6。该芯片的功能包括：2个基本定时器、256KB闪存、4个通用定时器、2个DMA控制器、2个高级定时器、3个SPI、5个串行端口、1个12位DAC、3个12位ADC、51个通用IO端口和一个SDIO接口。
3.2.2晶体和复位电路设计
图3 晶体振荡器电路 图4 复位电路
本次设计的系统晶体振荡器电路如图3所示，主频率晶体振荡器采用8米石英，带有C1、C2和1米并联电阻，为系统提供稳定的时钟源。时钟采用32.678kHz晶体振荡器，主要用于定时、系统待机或低功耗。图4为系统复位电路，系统刚通电，电源VCC3.3通过电阻r2向电容器c4充电，复位点电压逐渐升高，直到电压达到芯片高低压，系统复位后，系统开始执行程序，此后复位点电压继续Ri。SE至3.3V左右，当按下复位按钮复位时，复位点电位变低，电容器C4也释放存储的电荷，然后释放复位按钮，C4充电，复位点逐渐上升至3.3V，系统手动复位完成。
3.2.3系统电源电路设计
Power circular socket
图5 12V至5V电路lt;
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