電子設(shè)備檢測(cè)與維修課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)《嵌入式系統(tǒng)綜合實(shí)踐》課程設(shè)計(jì)（報(bào)告）題目：基于ARM的直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)綜合實(shí)踐課程設(shè)計(jì)（報(bào)告）摘要本文的主要目的基于ARM的直流電機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。首先，提出了此次設(shè)計(jì)的背景及研究意義。其次，介紹了PWM驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的技術(shù)原理，即利用脈沖寬度調(diào)制即給直流電機(jī)輸入高速的開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)，文章中采用了專門(mén)的芯片組成了PWM信號(hào)的發(fā)生系統(tǒng)，并且對(duì)PWM信號(hào)的原理、產(chǎn)生方法以及如何通過(guò)軟件編程對(duì)PWM信號(hào)占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而控制其輸入信號(hào)波形等均作了詳細(xì)的闡述，改變脈沖信號(hào)開(kāi)關(guān)的比例，達(dá)到速度控制的效果來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)速度方向的調(diào)節(jié)。然后，對(duì)ARM和電位器之間的信號(hào)傳輸和電源電壓轉(zhuǎn)換做出了設(shè)計(jì)，并通過(guò)整流電路來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)方案的電源調(diào)配通過(guò)電位器輸入信號(hào)調(diào)節(jié)占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)速度方向調(diào)節(jié)要求。并且編輯了PWM脈寬調(diào)節(jié)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)方向的控制。關(guān)鍵詞：直流電機(jī)PWM信號(hào)脈沖寬度調(diào)制信號(hào)開(kāi)關(guān)目錄TOC\o"1-3"\h\u7855第1章緒論 第1章緒論1.1課題背景常用的控制直流電動(dòng)機(jī)有以下幾種:第一,最初的直流調(diào)速系統(tǒng)是采用恒定的直流電壓向直流電動(dòng)機(jī)電樞供電，通過(guò)改變電樞回路中的電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。這種方法簡(jiǎn)單易行設(shè)備制造方便，價(jià)格低廉。但缺點(diǎn)是效率低、機(jī)械特性軟、不能在較寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速，所以目前極少采用。第二，三十年代末，出現(xiàn)了發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)(也稱為旋轉(zhuǎn)變流組)，配合采用磁放大器、電機(jī)擴(kuò)大機(jī)、閘流管等控制器件，可獲得優(yōu)良的調(diào)速性能，如有較寬的調(diào)速范圍(十比一至數(shù)十比一)、較小的轉(zhuǎn)速變化率和調(diào)速平滑等，特別是當(dāng)電動(dòng)機(jī)減速時(shí)，可以通過(guò)發(fā)電機(jī)非常容易地將電動(dòng)機(jī)軸上的飛輪慣量反饋給電網(wǎng)，這樣，一方面可得到平滑的制動(dòng)特性，另一方面又可減少能量的損耗，提高效率。但發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是需要增加兩臺(tái)與調(diào)速電動(dòng)機(jī)相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)和一些輔助勵(lì)磁設(shè)備，因而體積大，維修困難等。第三，自出現(xiàn)汞弧變流器后，利用汞弧變流器代替上述發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，使調(diào)速性能指標(biāo)又進(jìn)一步提高。特別是它的系統(tǒng)快速響應(yīng)性是發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)不能比擬的。但是汞弧變流器仍存在一些缺點(diǎn):維修還是不太方便，特別是水銀蒸汽對(duì)維護(hù)人員會(huì)造成一定的危害等。第四，1957年世界上出現(xiàn)了第一只晶閘管，與其它變流元件相比，晶閘管具有許多獨(dú)特的優(yōu)越性，因而晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)立即顯示出強(qiáng)大的生命力。由于它具有體積小、響應(yīng)快、工作可靠、壽命長(zhǎng)、維修簡(jiǎn)便等一系列優(yōu)點(diǎn)，采用晶閘管供電，不僅使直流調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上和可靠性有所提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出很大的優(yōu)越性。晶閘管變流裝置的放大倍數(shù)在10000以上，比機(jī)組(放大倍數(shù)10)高1000倍，比汞弧變流器(放大倍數(shù)1000)高10倍;在響應(yīng)快速性上，機(jī)組是秒級(jí)，而晶閘管變流裝置為毫秒級(jí)。隨著現(xiàn)代化步伐的加快，人們生活水平的不斷提高，對(duì)自動(dòng)化的需求也越來(lái)越高，直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大。例如，軍事和宇航方面的雷達(dá)天線，火炮瞄準(zhǔn)，慣性導(dǎo)航，衛(wèi)星姿態(tài)，飛船光電池對(duì)太陽(yáng)得跟蹤等控制;工業(yè)方面的各種加工中心，專用加工設(shè)備，數(shù)控機(jī)床，工業(yè)機(jī)器人，塑料機(jī)械，印刷機(jī)械，繞線機(jī)，紡織機(jī)械，工業(yè)縫紉機(jī)，泵和壓縮機(jī)等設(shè)備的控制;計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備和辦公設(shè)備中的各種磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器，各種光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器，繪圖儀，掃描儀，打印機(jī)，傳真機(jī)，復(fù)印機(jī)等設(shè)備的控制;音像設(shè)備和家用電器中的錄音機(jī)，錄像機(jī)，數(shù)碼相機(jī)，洗衣機(jī)，冰箱，電扇等的控制。隨著計(jì)算機(jī)，微電子技術(shù)的發(fā)展以及新型電力電子功率器件的不斷涌現(xiàn)，電動(dòng)機(jī)的控制策略也發(fā)生了深刻的變化。電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展得力于微電子技術(shù)，電力電子技術(shù)，傳感器技術(shù)，永磁材料技術(shù)，微機(jī)應(yīng)用技術(shù)的最新發(fā)展成就。變頻技術(shù)和脈寬調(diào)制技術(shù)已成為電動(dòng)機(jī)控制的主流技術(shù)。正是這些技術(shù)的進(jìn)步使電動(dòng)控制技術(shù)在近二十年內(nèi)發(fā)生了很大的變化。其中，電動(dòng)機(jī)控制策略的模擬實(shí)現(xiàn)正逐漸退出歷史舞臺(tái)，而采用微處理器，通用計(jì)算機(jī)，F(xiàn)PGA/CPLD,DSP控制器等現(xiàn)代手段構(gòu)成的數(shù)字控制系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展。電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分所采用的功率器件經(jīng)歷了幾次的更新?lián)Q代以后，速度更快，控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT逐漸成為主流。功率器件控制條件的變化和微電子技術(shù)的使用也使新型的電動(dòng)機(jī)控制方法能夠得到實(shí)現(xiàn)。其中,脈寬調(diào)制(PWM方法，變頻技術(shù)在直流調(diào)速和交流調(diào)速系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。永磁材料技術(shù)的突破與微電子技術(shù)的結(jié)合又產(chǎn)生了一批新型的電動(dòng)機(jī)，如永磁直流電動(dòng)機(jī)，交流伺服電動(dòng)機(jī)，超聲波電動(dòng)機(jī)等。由于有微處理器和傳感器作為新一代運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的組成部分，所以又稱這種運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)為智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。所以應(yīng)用先進(jìn)控制算法，開(kāi)發(fā)全數(shù)字化智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)將成為新一代運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。在那些對(duì)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的性能要求較高的場(chǎng)合（如數(shù)控機(jī)床，工業(yè)縫紉機(jī)，磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器，打印機(jī)，傳真機(jī)等設(shè)備中，要求電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)精確定位，適應(yīng)劇烈負(fù)載變化)，傳統(tǒng)的控制算法已難以滿足系統(tǒng)要求。為了適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展，現(xiàn)有的電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)也在朝著高精度，高性能，網(wǎng)絡(luò)化，信息化，模糊化的方向不斷前進(jìn)。1.2研究目的和意義直流電機(jī)是常用的動(dòng)力提供元件，在日常生活中占據(jù)著重要的地位。研究直流電機(jī)的速度控制，有著非常重要的意義。ARM是近年來(lái)發(fā)展非常迅速的處理器，有很好的應(yīng)用前景。將其應(yīng)用于直流電機(jī)的調(diào)速控制，有極大的使用價(jià)值。以脈寬調(diào)制技術(shù)為代表的電機(jī)數(shù)字驅(qū)動(dòng)技術(shù)也在迅猛發(fā)展，將計(jì)算機(jī)應(yīng)用于這一領(lǐng)域正好可以發(fā)揮其在數(shù)字控制方面的優(yōu)勢(shì)。微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，為計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。可以這樣說(shuō)，沒(méi)有微處理器的儀器不能稱其為儀器，沒(méi)有微型機(jī)的控制系統(tǒng)更談不上現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)。隨著微型計(jì)算機(jī)、超大規(guī)模集成電路、新型電力電子開(kāi)關(guān)器件和傳感器的出現(xiàn)，以及自動(dòng)控制理論、電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的深入發(fā)展，電氣傳動(dòng)裝置日新月異地更新?lián)Q代，直流傳動(dòng)系統(tǒng)也在不斷地更新和發(fā)展。本課題將對(duì)基于ARM微處理器的直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)做深入研究，并對(duì)其設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、調(diào)試方面做出研究。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用模擬元件，雖在一定程度上滿足了生產(chǎn)要求，但是因?yàn)樵菀桌匣驮谑褂弥幸资芡饨绺蓴_影響，并且線路復(fù)雜、通用性差，控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響，故系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性及準(zhǔn)確性得不到保證，甚至出現(xiàn)事故。目前，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)走向?qū)嵱没?，伴隨著電子技術(shù)的高度發(fā)展，促使直流電機(jī)調(diào)速逐步從模擬化向數(shù)字化轉(zhuǎn)變，特別是單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，使直流電機(jī)調(diào)速技術(shù)又進(jìn)入到一個(gè)新的階段，智能化、高可靠性已成為它發(fā)展的趨勢(shì)。1.3性能參數(shù)1.16/32位ARM7TDMI-S核，LQFP144封裝。2.16kB片內(nèi)靜態(tài)RAM。3.串行boot裝載程序通過(guò)UART0來(lái)實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)下載和編程。4.EmbeddedICE-RT和嵌入式跟蹤接口使用片內(nèi)RealMonitor軟件對(duì)任務(wù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)試并支持對(duì)執(zhí)行代碼進(jìn)行無(wú)干擾的高速實(shí)時(shí)跟蹤。5.8路10位A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間低至2.44μs。6.2個(gè)32位定時(shí)器（帶4路捕獲和4路比較通道）、PWM單元（6路輸出）、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和看門(mén)狗。7.多個(gè)串行接口，包括2個(gè)16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART、高速I(mǎi)C接口（400kbit/s）和2個(gè)SPI接口。8.向量中斷控制器?？膳渲脙?yōu)先級(jí)和向量地址。9.通過(guò)外部存儲(chǔ)器接口可將存儲(chǔ)器配置成4組，每組的容量高達(dá)16Mb，數(shù)據(jù)寬度為8/16/32位。10.多達(dá)76個(gè)通用I/O口（可承受5V電壓），9個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷引腳。11.通過(guò)片內(nèi)鎖相環(huán)（PLL）可實(shí)現(xiàn)最大為60MHz的CPU操作頻率。片內(nèi)晶振頻率范圍：1～30MHz。12.2個(gè)低功耗模式：空閑和掉電。13.通過(guò)外部中斷將處理器從掉電模式中喚醒。14.可通過(guò)個(gè)別使能/禁止外部功能來(lái)優(yōu)化功耗。15.雙電源－CPU操作電壓范圍：1.65～1.95V(1.8V0.15V)－I/O操作電壓范圍：3.0～3.6V(3.3V10%)，可承受5V電壓。

第2章系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1直流電機(jī)的PWM調(diào)速原理2.1.1PWM技術(shù)簡(jiǎn)介在直流電機(jī)系統(tǒng)中，開(kāi)關(guān)放大器提供驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需要的電壓和電流，通過(guò)改變加在電動(dòng)機(jī)上的電壓的平均值來(lái)控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。在開(kāi)關(guān)放大器中，常采用晶體管作為開(kāi)關(guān)器件，晶體管如同開(kāi)關(guān)一樣，總是處在接通和斷開(kāi)的狀態(tài)。在晶體管處在接通時(shí)，其上的壓降可以略去;當(dāng)晶體管處在斷開(kāi)時(shí)，其上壓降很大，但是電流為零，所以不論晶體管接通還是斷開(kāi)，輸出晶體管中的功耗都是很小的。一種比較簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)放大器是按照一個(gè)固定的頻率去接通和斷開(kāi)放大器，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開(kāi)”的相位寬窄，這樣的放大器被稱為脈沖調(diào)制放大器。PWM(PulseWidthModulation)脈沖寬度調(diào)制技術(shù)就是通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制,來(lái)等效地獲得所需要波形(含形狀和幅值)的技術(shù)。根據(jù)PWM控制技術(shù)的特點(diǎn)，到目前為止主要有八類方法:相電壓控制PWM、線電壓控制PWM、電流控制PWM、空間電壓矢量控制PWM、矢量控制PWM、直接轉(zhuǎn)矩控制PWM、非線性控制PWM、諧振軟開(kāi)關(guān)PWM。本文研究的SPWM(SinusoidalPWM)屬于相電壓控制PWM。采樣控制理論中有一個(gè)重要結(jié)論:沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。SPWM法就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，通過(guò)改變調(diào)制波的頻率和幅值就能調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。該方法的實(shí)現(xiàn)有以下兩種方案:⑴等面積法等面積法是用同樣數(shù)量的等幅但不等寬的矩形脈沖序列代替正弦波，然后計(jì)算各脈沖的寬度和間隔，并把這些數(shù)據(jù)存于微機(jī)中，通過(guò)查表的方式生成PWM信號(hào)控制開(kāi)關(guān)器件的通斷，以達(dá)到預(yù)期的目的。由于此方法是以SPWM控制的基本原理為出發(fā)點(diǎn)，可以準(zhǔn)確地計(jì)算出各開(kāi)關(guān)器件的通斷時(shí)刻，其所得的的波形也很接近正弦波。(2)硬件調(diào)制法硬件調(diào)制法其原理就是把所希望的波形作為調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波，通過(guò)對(duì)載波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作為載波，當(dāng)調(diào)制信號(hào)波為正弦波時(shí)，所得到的就是SPWM波形。其實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單，可以用模擬電路構(gòu)成三角波載波和正弦調(diào)制波發(fā)生電路，用比較器來(lái)確定它們的交點(diǎn),在交點(diǎn)時(shí)刻對(duì)開(kāi)關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制,就可以生成SPWM波。但是，這種模擬電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)精確的控制。2.1.2直流電機(jī)電樞的PWM調(diào)壓原理隨著計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域，以及新型的電力電子功率元器件的不斷出現(xiàn)，采用全控型的開(kāi)關(guān)功率元件進(jìn)行脈寬調(diào)制的PWM控制方式已成為主流。這種控制方式很容易在單片機(jī)控制中實(shí)現(xiàn)，從而為直流電動(dòng)機(jī)控制數(shù)字化提供了契機(jī)。直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方法可分為兩類:對(duì)勵(lì)磁磁通進(jìn)行控制的勵(lì)磁控制法和對(duì)電樞電壓進(jìn)行控制的電樞控制法。其中勵(lì)磁控制法在低速時(shí)受磁極飽和的限制，在高速時(shí)受換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制，并且勵(lì)磁線圈電感較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，所以這種控制方法用得很少。本文介紹的方法就是在勵(lì)磁恒定不變的情況下，通過(guò)調(diào)節(jié)電樞電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速。大多數(shù)直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)采用開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方式。開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方式是使半導(dǎo)體功率器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，通過(guò)脈寬調(diào)制PWM來(lái)控制電動(dòng)機(jī)電樞電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。圖2-1是利用開(kāi)關(guān)管對(duì)直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行PWM調(diào)速控制的原理圖。當(dāng)開(kāi)關(guān)管DI的柵極輸入高電平時(shí)，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組兩端有電壓US。t1秒后，柵極輸入變?yōu)榈碗娖?，開(kāi)關(guān)管截止，電動(dòng)機(jī)電樞兩端電壓為0。t2秒后，柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖剑_(kāi)關(guān)管的動(dòng)作重復(fù)前面的過(guò)程。圖2.1如圖所示。圖2.1PWM調(diào)控原理圖新一代的單片機(jī)增加了許多功能，其中包括PWM功能。單片機(jī)通過(guò)初始化設(shè)置，使其能自動(dòng)地發(fā)出PWM脈沖波，只有在改變占空比時(shí)CPU才進(jìn)行干預(yù)。系統(tǒng)采用此方法產(chǎn)生PWM信號(hào)等面積法是用同樣數(shù)量的等幅但不等寬的矩形脈沖序列代替正弦波，然后計(jì)算各脈沖的寬度和間隔，并把這些數(shù)據(jù)存于微機(jī)中，通過(guò)查表的方式生成PWM信號(hào)控制開(kāi)關(guān)器件的通斷，以達(dá)到預(yù)期的目的。由于此方法是以SPWM控制的基本原理為出發(fā)點(diǎn)，可以準(zhǔn)確地計(jì)算出各開(kāi)關(guān)器件的通斷時(shí)刻，其所得的的波形也很接近正弦波。從PWM控制技術(shù)出現(xiàn)之日起，就有芯片制造商生產(chǎn)專用的PWM集成電路芯片，現(xiàn)在市場(chǎng)上已有許多種。這些芯片除了有PWM信號(hào)發(fā)生功能外，還有“死區(qū)”調(diào)節(jié)功能、保護(hù)功能等。在單片機(jī)控制直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中，使用專用PWM集成電路可以減輕單片機(jī)負(fù)擔(dān)，工作也更可靠。2.2主控及硬件選擇2.2.1主控芯片選擇LPC2210是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI-SCPU。對(duì)代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用可使用16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過(guò)30%，而性能的損失卻很小。由于LPC2210的144腳封裝、極低的功耗、多個(gè)32位定時(shí)器、8路10位ADC、PWM輸出以及多達(dá)9個(gè)外部中斷使它們特別適用于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)、訪問(wèn)控制和電子收款機(jī)（POS）。通過(guò)配置總線，LPC2210最多可提供76個(gè)GPIO。由于內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口，LPC2210也非常適合于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、嵌入式軟件調(diào)制解調(diào)器以及其它各種類型的應(yīng)用。LPC2210原理圖如圖2.2所示：圖2.2LPC2210原理圖LPC2210給片選信號(hào)CS和讀信號(hào)RD一個(gè)低電平開(kāi)始讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，把6路數(shù)據(jù)讀完，退出中斷，等待定時(shí)器下一次定時(shí)到，啟動(dòng)下一次轉(zhuǎn)換，待128次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完之后，暫停定時(shí)計(jì)數(shù)，開(kāi)始計(jì)算。計(jì)算結(jié)束后，再次啟動(dòng)定時(shí)，完成下一個(gè)周期128次數(shù)據(jù)采集。支持單邊沿控制和/或雙邊沿控制的PWM輸出，單邊沿控制PWM輸出在每個(gè)周期開(kāi)始時(shí)總是為高電平，除非輸出保持恒定低電平，雙邊沿控制PWM輸出可在一個(gè)周期內(nèi)的任何位置產(chǎn)生邊沿，這樣可同時(shí)產(chǎn)生正和負(fù)脈沖。脈沖周期和寬度可以是任何的定時(shí)器計(jì)數(shù)值，這樣可實(shí)現(xiàn)靈活的分辨率和重復(fù)速率的設(shè)定，所有PWM輸出都以相同的重復(fù)率發(fā)生，雙邊沿控制的PWM輸出可編程為正脈沖或負(fù)脈沖。匹配寄存器更新與脈沖輸出同步，防止產(chǎn)生錯(cuò)誤的脈沖，軟件必須在新的匹配值生效之前將它們釋放，如果不使能PWM模式，可作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)定時(shí)器帶可編程32位預(yù)分頻器的32位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，當(dāng)輸入信號(hào)跳變時(shí)4個(gè)捕獲寄存器可取得定時(shí)器的瞬時(shí)值，也可選擇使捕獲事件產(chǎn)生中斷。2.2.2LPC2290模塊硬件設(shè)計(jì)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片介紹：本次設(shè)計(jì)采用的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片為L(zhǎng)9110。L9110是為控制和驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)的兩通道推挽式功率放大專用集成電路器件，將分立電路集成在單片IC之中，使外圍器件成本降低，整機(jī)可靠性提高。該芯片有兩個(gè)TTL/CMOS兼容電平的輸入，具有良好的抗干擾性；兩個(gè)輸出端能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正反向運(yùn)動(dòng)，它具有較大的電流驅(qū)動(dòng)能力，每通道能通過(guò)750～800mA的持續(xù)電流，峰值電流能力可達(dá)1.5～2.0A；同時(shí)它具有較低的輸出飽和壓降；內(nèi)置的鉗位二極管能釋放感性負(fù)載的反向沖擊電流，使它在驅(qū)動(dòng)繼電器、直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)或開(kāi)關(guān)功率管的使用上安全可靠。L9110被廣泛應(yīng)用于玩具汽車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和開(kāi)關(guān)功率管等電路上?？傇韴D如2.3所示：圖2.3LPC2290總原理圖各功能模塊的具體功能如下：（1）PWM波的產(chǎn)生：采用lpc2290自帶的定時(shí)器產(chǎn)生PWM波，設(shè)定GPB0輸出引腳的第2功能TOUT0，自動(dòng)產(chǎn)生PWM波。（2）按鍵處理：采用中斷形式來(lái)處理開(kāi)啟、關(guān)閉、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)等功能，沒(méi)有采用鍵盤(pán)掃描方式，大大節(jié)省了CPU的使用資源，提高了CPU的利用率。通過(guò)按鍵修改PWM波的占空比和頻率（即TCNTBn和TCMPBn的值），正反轉(zhuǎn)則修改TCON寄存器中TOUT0的倒相功能即可。（3）顯示模塊：并通過(guò)LPC2290的I/O口進(jìn)行片選。沒(méi)有使用CD4511顯示譯碼器，采用了直接輸出8位碼進(jìn)行顯示。這樣節(jié)省了硬件成本，并且充分的運(yùn)用了LPC2290的資源。（4）直流電機(jī)控制模塊：輸出的PWM波經(jīng)過(guò)H橋后輸出給電機(jī)，從而對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。直流電機(jī)控制模塊如圖2.4所示：硬件模塊總結(jié):通過(guò)原理圖可知,本實(shí)驗(yàn)箱所應(yīng)的直流電機(jī)模塊方法為H橋構(gòu)建。1.二極管的作用：四個(gè)二極管利用了反向泄露原理:當(dāng)反向加入電源高壓時(shí),二極管擊穿,從而保護(hù)三極管,當(dāng)電壓降低時(shí),二極管恢復(fù)工作,繼續(xù)反向截止,有穩(wěn)壓的作用。馬達(dá)是電感元件，H橋是由開(kāi)關(guān)管組成，4個(gè)二極管是用來(lái)保護(hù)開(kāi)關(guān)管的，防止馬達(dá)的反激電壓擊穿開(kāi)關(guān)管。2.三極管:三極管在此電路模塊中的作用可謂是必不可少.沒(méi)有了三極管的開(kāi)關(guān)特效,便無(wú)法構(gòu)成H橋的模型,也就無(wú)法完成電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn).4個(gè)三極管起到了控制電機(jī)的正轉(zhuǎn),反轉(zhuǎn),加速,停止。而為了防止三極管燒毀,加了4個(gè)二極管進(jìn)行保護(hù)。3.速測(cè)量模塊:作為一種光電傳感檢測(cè)元件的光電編碼器，具有精度高、反應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定可靠等顯著的優(yōu)點(diǎn)，它通常用于角位移和線位移的測(cè)量系統(tǒng)中，但由于件和成本的考慮，本系統(tǒng)將自行搭建測(cè)速電路以代替光電編碼器的基本功能。光電碼盤(pán)通過(guò)直流電機(jī)的帶動(dòng)，經(jīng)過(guò)光電開(kāi)關(guān)產(chǎn)生脈沖，再經(jīng)過(guò)集成運(yùn)算放大器，通過(guò)調(diào)整參考電壓，對(duì)不穩(wěn)定的脈沖波進(jìn)行整形放大，再將信號(hào)送給光電耦合器進(jìn)光電隔離，最后輸出標(biāo)準(zhǔn)的矩形脈沖波形，接入單片機(jī)形成中斷信號(hào)。

第3章直流電機(jī)模塊軟件設(shè)計(jì)3.1控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)步驟1、明確所要解決的問(wèn)題：根據(jù)問(wèn)題的要求，將軟件分成若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分，并合理設(shè)計(jì)軟件的總體結(jié)構(gòu)2、合理配置系統(tǒng)的資源：與基于8位或16位微控制器的系統(tǒng)相比較，基于32位微控制器的系統(tǒng)資源要豐富得多，但合理的資源配置可最大的限度發(fā)揮系統(tǒng)的硬件潛能，提高系統(tǒng)的性能。對(duì)于一個(gè)特定的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其系統(tǒng)資源，如Flash、EEPROM、SDRAM、中斷控制等，都是有限的，應(yīng)合理配置系統(tǒng)資源。3、程序的設(shè)計(jì)、調(diào)試與優(yōu)化：根據(jù)軟件的總體結(jié)構(gòu)編寫(xiě)程序，同時(shí)采用各種調(diào)試手段，找出程序的各種語(yǔ)法和邏輯錯(cuò)誤，最后應(yīng)使各功能程序模塊化，縮短代碼長(zhǎng)度以節(jié)省存儲(chǔ)空間并減少程序的執(zhí)行時(shí)間。系統(tǒng)的軟件程序是通過(guò)對(duì)硬件設(shè)備的控制來(lái)完成控制任務(wù)的，只有充分了解硬件系統(tǒng)的工作過(guò)程才能確定軟件的任務(wù)，最終達(dá)到完美的統(tǒng)一。在進(jìn)行軟件程序編寫(xiě)之前首先要進(jìn)行系統(tǒng)的需求分析，以確定系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能，明確系統(tǒng)最終的任務(wù)指標(biāo)。在本課題中，軟件主要實(shí)現(xiàn)的是驅(qū)動(dòng)電機(jī)、數(shù)據(jù)處理、通信、PWM信號(hào)產(chǎn)生等功能。顯示器普遍地用于直觀地顯示數(shù)字系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和工作數(shù)據(jù),按照材料及

產(chǎn)品工藝，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中常用的顯示器有:發(fā)光

二二極管LED顯示器、液晶

LCD顯示器、CRT顯示器等。LED

顯示器是現(xiàn)在最常用的顯示器之一，發(fā)光二極管(LED)由特殊的半導(dǎo)體材料砷化鎵、磷砷化鎵等制成，可以單獨(dú)使用，也可以組裝成分段式或點(diǎn)陣式LED顯示器件(半導(dǎo)體顯示器)。分段式顯示器(LED

數(shù)碼管)由7條線段圍成8字型，每一段包含一個(gè)發(fā)光二極管。外加正向電壓時(shí)二極管導(dǎo)通，發(fā)出清晰的光。只要按規(guī)律控制各發(fā)光段亮、滅，就可以顯示各種

字形或符號(hào)。LED

數(shù)碼管有共陽(yáng)、共陰之分。3.2程序及各電路設(shè)計(jì)3.2.1程序設(shè)計(jì)當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，會(huì)判斷鍵盤(pán)是否有按鍵被按下，當(dāng)有按鍵被按下時(shí)，系統(tǒng)會(huì)判斷是數(shù)字鍵0－9還是功能鍵，如果是數(shù)字鍵中所設(shè)定的鍵值將鍵值存入到pwm中，進(jìn)行加速然后繼續(xù)輸入做比較，若相同，則繼續(xù)提速,重復(fù)4次后,當(dāng)達(dá)到速度闕值時(shí),led報(bào)警閃爍并體制電機(jī)。程序流程圖如圖3.1所示：圖3.1程序流程圖當(dāng)PWM匹配寄存器用于產(chǎn)生PWM信號(hào)時(shí)，PWM鎖存使能寄存器用于控制PWM匹配寄存器的更新。當(dāng)定時(shí)器處于PWM模式時(shí),如果軟件對(duì)PWM匹配寄存器位置執(zhí)行寫(xiě)操作，則寫(xiě)入的值將保存在下一個(gè)映像寄存器中。當(dāng)PWM匹配0事件發(fā)生時(shí)(在PWM模式下，通常也會(huì)復(fù)位定時(shí)器)，如果對(duì)應(yīng)的鎖存使能寄存器已經(jīng)置位，那么映像寄存器的內(nèi)容將傳送到實(shí)際的匹配寄存器中。此時(shí)，新的值將生效并決定下一個(gè)PWM周期。當(dāng)發(fā)生新值傳送時(shí),PWMLER中的所有位都自動(dòng)清零。在PWMLER中相應(yīng)位置位和PWM匹配О事件發(fā)生之前，任何寫(xiě)入PWM匹配寄存器的值都不會(huì)影響PWM操作。系統(tǒng)使用PWM4和PWM6輸出控制兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，改變對(duì)應(yīng)的PWM輸出，就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度的控制。輸出的PWM波經(jīng)過(guò)H橋后輸出給電機(jī)，從而對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。3.2.2晶振電路設(shè)計(jì)XTAL1和XTAL2分別用就能夠提供振蕩電路的反相器輸入和輸出端。在使用內(nèi)部振蕩電路時(shí)，這兩個(gè)端子用來(lái)外接時(shí)鐘石英晶體，振蕩頻率為晶振頻率，振蕩信號(hào)送至內(nèi)部時(shí)鐘電路產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖信號(hào),時(shí)鐘頻率選用110592MHz,電容選30pF，阻選1M。電路圖如圖3.2所示：圖3.2晶振電路圖3.2.3ARM電源設(shè)計(jì)LPC2114基本電路要求兩組電源，其引腳有7個(gè)電源引腳:1.8V內(nèi)核電源，其作用為內(nèi)部電路電源;模擬1.8V內(nèi)核電源，也為內(nèi)部電路電源電壓。它與1.8V內(nèi)核電源相同，但為了降低噪聲和出錯(cuò)幾率，兩者應(yīng)該隔離。3.3V端口電源其作用為IO口電源電壓;模擬3.3V端口電源;其作用與3.3V端口電源相同，但為了降低噪聲和出錯(cuò)幾率，兩者應(yīng)該隔離。設(shè)計(jì)電路如圖3.3所示：圖3.3電源抗干擾電路和電源電源圖PWM脈沖調(diào)寬方式有三種:定頻調(diào)寬、定寬調(diào)頻和調(diào)寬調(diào)頻。系統(tǒng)采用了定頻調(diào)寬方式，采用這種方式，電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)比較穩(wěn)定，并且在采用單片機(jī)產(chǎn)生PWM脈沖的軟件實(shí)現(xiàn)上比較方便,系統(tǒng)采用ARM處理器實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)的產(chǎn)生。單邊沿控制PWM輸出在每個(gè)周期開(kāi)始時(shí)總是高電平，除非輸出保持恒定低電平。雙邊沿控制PWM輸出可在一個(gè)周期內(nèi)的任何位置產(chǎn)生邊沿，這樣可同時(shí)產(chǎn)生正脈沖和負(fù)脈沖。雙邊沿控制的PWM輸出可編程為正脈沖或負(fù)脈沖，輸出規(guī)則為:(1)在一個(gè)PWM周期結(jié)束時(shí)(與下一個(gè)PWM周期的開(kāi)始重合的時(shí)間點(diǎn))，使用下一個(gè)PWM周期的匹配值;(2)等于0或當(dāng)前PWM速率(與匹配通道О的值相同)的匹配值有表時(shí)的下隆規(guī)則(3)。例如，在PWM周期開(kāi)始時(shí)的下降沿請(qǐng)求與PWM周期結(jié)’的的下沿請(qǐng)求等效;(3)當(dāng)匹配值正在改變時(shí)，如果其中有一個(gè)舊匹配值等于PWM選年以PH新的匹配值不等于О或PWM速率，舊的匹配值個(gè)等于0，那么舊的匹宜付竹次被使用;(4)如果同時(shí)請(qǐng)求PWM輸出置位和清零，則清零優(yōu)先。當(dāng)置位和清零匹配值相同，或者置位或清零等于0并且其它值等于PWM速率時(shí)，可能發(fā)生這種狀況。匹配寄存器更新與脈沖輸出同步，防止產(chǎn)生錯(cuò)誤的脈沖。軟件必須在新的匹配值生效之前將它們釋放。3.2.4整體電路設(shè)計(jì)圖3.4整體電路圖直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓為12V,驅(qū)動(dòng)芯片L298N為5V,ARM的兩組電源為3.3V和1.8V，電位器驅(qū)動(dòng)電壓為5V。而我們所用的外部電源一般為220V的交流電壓，所以為了提供合適的電源，需設(shè)計(jì)一種整流電路，來(lái)實(shí)現(xiàn)交流電源電壓和直流電源電壓轉(zhuǎn)換。第4章系統(tǒng)調(diào)試4.1應(yīng)用程序流程圖圖4.1應(yīng)用程序一個(gè)完整的系統(tǒng)，除了必需的硬件條件以外，還需要相應(yīng)的軟件配合才能完成其功能。因此，本章將在硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上討論系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)，主要包括LPC2114及L298N兩塊芯片和外圍設(shè)備進(jìn)行程序編寫(xiě)。4.2調(diào)試結(jié)果占空比為10時(shí)的波形圖：圖4.2占空比10結(jié)果圖占空比為25時(shí)波形圖：圖4.3占空比25結(jié)果圖占空比為60時(shí)波形圖：圖4.4占空比60結(jié)果圖占空比為80時(shí)波形圖：圖4.5占空比80結(jié)果圖由以上結(jié)果可以看出，編譯好的PWM調(diào)節(jié)程序在LPC2114開(kāi)發(fā)板中運(yùn)行良好可以知道PWM程序設(shè)計(jì)是可行的，驗(yàn)正了程序設(shè)計(jì)可行性。結(jié)論通過(guò)一段時(shí)間的努力，在指導(dǎo)老師和同學(xué)的幫助下，終于完成了此次設(shè)計(jì)本文對(duì)直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行分析，詳細(xì)介紹系統(tǒng)的工作原理及其實(shí)現(xiàn)方法，闡述了利用ARM處理器對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制的方式和實(shí)現(xiàn)的方法。在此次畢業(yè)設(shè)計(jì)中其主要的研究結(jié)果如下:(⑴)介紹了PWM直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理,對(duì)使用L298N型直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行分析和闡述;并利用LPC2114ARM開(kāi)發(fā)板輸出控制L298N驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)而控制直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，詳細(xì)說(shuō)明其原理和接線圖;(2)針對(duì)LPC2114ARM的片內(nèi)外設(shè)PWM端口寫(xiě)出了驅(qū)動(dòng)程序;同時(shí)編寫(xiě)了ARM及L298N的初始化、復(fù)位等子程序。(3)完成了對(duì)直流電機(jī)硬件模塊設(shè)計(jì)，它包括電位器，LPC2114、L298N及電機(jī)四個(gè)部分，設(shè)計(jì)了整體驅(qū)動(dòng)電路以及ARMLPC2114的外圍電路(包括晶振電路，復(fù)位電路等)。雖然本次設(shè)計(jì)基本上完成了，但在設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了許多的問(wèn)題，直流電機(jī)的調(diào)速控制是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及許多學(xué)科領(lǐng)域。用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的PWM調(diào)速控制是其中一個(gè)研究熱點(diǎn)。在研究過(guò)程中，由于客觀原因主要有如下幾個(gè)方面的問(wèn)題：(1)雖然直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路L298N能直接和ARM開(kāi)發(fā)板引腳相連，但干擾因素比較多?？紤]在電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和ARM開(kāi)發(fā)板之間加入濾波電路，以增強(qiáng)抗擾能力及更好地保護(hù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路;(2)由于LPC2114是沒(méi)有內(nèi)存管理單元(MMU)的ARM7TDMI內(nèi)核,在一些經(jīng)常調(diào)用且需要快速處理的模塊要使用匯編完成;(3)電位器和LPC2114ARM開(kāi)發(fā)板之間信號(hào)傳輸問(wèn)題，如電位器信號(hào)發(fā)送和電位器刻度標(biāo)示問(wèn)題，這種問(wèn)題對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制誤差有很大的影響。參考文獻(xiàn)[1]周立功.ARM微控制器基礎(chǔ)與實(shí)戰(zhàn)(第二版).北京航空航天大學(xué)出版社,2005.8,203-221.[2]張曉青.直流電動(dòng)機(jī)數(shù)字PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京機(jī)械工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2000,1(10):44～48.[3]王曉明.電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2002，121～142.[4]邱丹，王東.直流電機(jī)PWM閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng).青島大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，15(1):10～12.[5]李錫雄，陳婉兒.脈寬調(diào)制技術(shù).武漢:華中理工大學(xué)出版社，1996，54~98.[6]杜春雷.ARM體系結(jié)構(gòu)與編程.北京:清華大學(xué)出版社，2003，56～68.[7]沈官秋.直流電機(jī).西安:陜西科技出版社，1979，63~97.[8]陳國(guó)呈.PWM變頻調(diào)速及軟開(kāi)關(guān)電力變換技術(shù).北京:機(jī)械工業(yè)出版社，華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文2001，45～58.[9]王水平，周培志，張耀進(jìn).PWM控制與驅(qū)動(dòng)器使用指南及應(yīng)用電路―單端控制與驅(qū)動(dòng)器部分.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2005，50～70.[10]SGS公司。L298N參考指南和用戶.Guide.pdf.20051～13.[11]鄭軍，謝國(guó)棟PWM控制無(wú)刷直流電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1<<20//定義按鍵#defineP0_22 1<<22//GPIO/*PWM周期及占空比設(shè)置值*/#defineCYCLE_DATA 200000 //定義周期#defineDUTY_CYCLE_DATA 20000 //定義基本占空比參數(shù)#defineLED11<<16//P2.16#defineLED21<<17 //P2.17#defineLED3 1<<18 //P2.18#defineLED4 1<<19 //P2.19#defineLED5 1<<20//P2.20#defineLED6 1<<21 //P2.21#defineLED7 1<<22 //P2.22#defineLED8 1<<23 //P2.23#defineLEDCON 0x00ff0000constuint32DISP_TAB[8]={0xff01ffff,0xff02ffff,0xff04ffff,0xff08ffff,0xff10ffff,0xff20ffff,0xff40ffff,0xff80ffff};voidDelayNS(uint32dly);/*****************************************************************************名稱：main()*功能：主函數(shù)****************************************************************************/intmain(void){uint8i=1;uint8b=1;IO2DIR=LEDCON;