论文总字数：20419字

摘 要

直流电机在人们的日常生活中应用的非常广泛，特别是在现在的一些电子产品上，如相机镜头的自动调焦功能，手机的震动功能以及激光打印机的打字功能，这些电子设备都用到了直流电机作为驱动马达。今后，世界将向更加智能，更加便捷高效的方向发展，机器人就成了一个不得不研究的课题，而机器人主要也是由直流电机来驱动的，怎样能更好的控制直流电机的转速也就成了一个非常重要的课题，本文就是以Arduino控制器控制直流电机为主，并且将Arduino控制器与LabVIEW虚拟仪器结合起来，探究了如何能够实现基于Arduino与LabVIEW以及运用PWM和PID控制算法对的直流电机速度的控制。

关键词：直流电机；PID；Arduino控制器；LabVIEW虚拟仪器；PWM；

The dc motor speed control system based on the Arduino and LabVIEW

Abstract

Dc motor is widely applied in People"s Daily lives, especially on some of electronic products, such as the function of lens of automatic focus camera, the function of the mobile phone vibration and the function of printer type laser, these electronic devices are used in the DC motor as the drive motor. In the future, the world will be more intelligent, more convenient and efficient direction, and the robot had become a subject of study, the robot is largely driven by a DC motor, how to better control the DC motor speed will become a very important issue, this paper is to Arduino-based DC motor controller, and the Arduino controller and LabVIEW virtual instruments combine to explore how to achieve based on Arduino and LabVIEW and the use of PWM and PID control algorithm DC motor speed control.

Keywords: DC motor; PID; Arduino controller; LabVIEW virtual instrument; PWM;

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 引 言 1

1.1本课题研究的背景与意义 1

1.2本课题的发展现状 1

1.3本课题研究的主要内容 2

第二章 认识Arduino与LabVIEW 3

2.1 Arduino的简单介绍 3

2.1.1 Arduino简史 3

2.1.2 Arduino控制器系列 3

2.1.3 Arduino软件 3

2.1.3.1 Arduino IDE 3

2.1.3.2 Arduino语言程序说明 4

2.2 LabVIEW简单介绍 5

2.2.1什么是LabVIEW 5

2.2.2数据流与图形化编程 5

第三章 PWM脉宽调制和PID控制算法 6

3.1 PWM脉宽调制 6

3.1.1 PWM脉宽调制的定义 6

3.1.2 PWM脉宽调制的基本工作原理 6

3.1.3 PWM脉宽调制的优点 7

3.2 PID控制算法 7

3.2.1 PID控制系统组成 7

3.2.2 PID控制原理 8

3.2.3 PID控制器参数对系统性能的影响 8

第四章 直流电机转速控制系统的设计 10

4.1 利用PWM对直流电机实现转速控制 10

4.1.1 Arduino控制器的选择 10

4.1.2 L298N电机驱动板 11

4.1.3 PWM电机转速控制实物连接方式 12

4.1.4 软件程序设计 14

4.1.4.1 Arduino软件部分 14

4.1.4.2 LabVIEW上位机程序 15

4.2 电机转速的比例控制系统设计 16

4.2.1 电机转速测量的方法 16

4.2.2 测速方法的设计 17

4.2.3 硬件部分的搭建 17

4.2.4 转速比例控制的程序设计 18

4.2.5 比例参数Kp的分析与整定 21

第五章 结束语 24

致 谢 25

参考文献 26

附 录 27

第一章 引 言

1.1本课题研究的背景与意义

随着世界上各种科学技术的迅速发展，中国已经步入了信息化时代。在人们的日常生活中，我们都已经离不开各式各样电子产品，这些电子产品使我们的生活变得更加便捷，更加美好，而这都是由于芯片技术和计算机技术的发展才使得电子产品的体积越来越小，功能越来越强大。芯片从早期非常简单的单片机，到现在非常先进的多核处理器，处理的性能和速度已经变得越来越强大。早期的51单片机对于现在来说早已被人们熟知，它那陈旧的结构和落后的性能已经不能满足学生们对它的渴望。于是有一种新型的开发平台出现了，并且很快就得到了爱好者的掌声和认可，它就是Arduino开发平台，它开发起来简单，操作方便，并且硬件电路成本比较低。由于它可靠的控制性能和低廉的价格，现在广泛用于智能机器人和智能小车上。对于智能机器人和智能小车，直流电机是最主要的动力来源，但是不同的直流电机在相同的电压下所得到的转速是不同的，即使是同一型号的直流电机转速也可能不相同，因为同一型号的直流电机出厂时参数也是有一定差异的，而且在带负载或者是所带的负载不同的情况下，电机转速的区别就更大了。电机转速不同就会导致Arduino控制的轮式机器人不能沿直线行走，因为通常对直流电机转速的控制只是一个开环控制，没有反馈信号返回，如果给直流电机加上反馈器件，也就是加上一个能够测量电机当前转速的编码器，然后将这个测量出的转速与设定的转速进行计算求差值，并通过PID控制算法计算得到新的控制信号，从而就可以更精确的控制电机转速。

LabVIEW是虚拟仪器概念的首创者，由于LabVIEW拥有特殊的图形语言程序，并且开发接口简单易懂，能够缩短开发时间并且维护方便，因此受到许多系统开发人员的喜爱。我们可以利用LabVIEW将它作为上位机，Arduino控制器作为下位机，来对直流电机的转速进行控制。如果再加上无线传输模块，就可以实现对电机的无线控制，就可以设计出能够自主行驶的轮式机器人，这些轮式机器人对我们未来有很大的帮助，它们可以应用于不适合人类工作的环境中，比如灾难救援，户外探险等等，所以研究虚拟仪器对直流电机转速的控制有着极大的意义。

1.2本课题的发展现状

怎样更好的控制电机已经是一个相对较为成熟的课题，但这个课题也还在迅速发展中，控制电机的方式有很多，近些年来研究对电机的控制也是国内外诸多学校以及企业探索的热点。目前，国内外主要是通过围绕电机控制的理论和所用的控制器以及计算机辅助等这几个方面来研究怎样对直流电机来进行更好的控制。

在电机控制理论方面，由于PID控制算法比较简单，技术成熟，结构改变灵活，适应性强，可靠性高等特点，而得到了广泛的应用。另一方面随着理论研究的发展，各种经过改进的控制算法层出不穷，例如目前研究得很热门的模糊控制算法、自适应控制算法、神经网络控制算法、鲁棒控制理论等等。

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