基于ARM的PWM电机调速系统软件设计.docx
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基于ARM的PWM电机调速系统软件设计
基于ARM的PWM电机调速系统软件设计
摘要：
直流电机在工业测控领域中得到广泛应用，现代工控系统中的直流电机驱动，多采用数字PWM，即脉冲宽度调制技术。
PWM（PulseWidthModulation）是在控制电路输出周期不变的情况下，通过对PWM功能寄存器的设置，就可以设置占空比的大小、定时频率的高低，可以通过调整PWM的周期、PWM的占空比而达到控制转速。
从而达到实现电压的目的。
以往的控制系统需要对输入电压进行模数转换，这样就使电路复杂、成本高，且不好控制。
本文介绍了基于lpc2378，利用PWM无需数模转换，通过PWM来调节直流电机的转速，并将其工作状态显示在LCD显示屏上。
关键词：
PWM；直流电机；调速
DCmotorsspeedgoverningsystemDesigner
OfPWMBasedonARM
Abstract：
DCmotorsarethemostcommontypeofmotor,invariousfieldshasbeenwidelyused.StudyofDCmotorcontrolandmeasurementmethod,toimprovethecontrolaccuracyandresponsespeed,energyconservationisimportantandsoon.Pulsewidthmodulation（PWM）controlcircuitintheoutputofthecycleremainunchanged,byenteringadifferentdutycyclesettings,changetheoutputsoastoachievethepurposeofDCvoltage.Previouscontrolsystemneedtoinputvoltageconversionmodule,thismakescomplexcircuit,thehighcost,andbadcontrol.Thispaperintroducesthelpc2378basedon,usingPWMwithoutanalog-to-digitalconversionandthestrongabilityofnoiseresistance,suchalreadyextendedthecommunicationdistance,andmakesthedcmotorspeedtoautomaticallyadjusttheeffect,sothattherotationofthedcmotormovingsmoothly.
Keywords:
PWM;DCMotor;speedgoverning
1绪论
PWM主要是利用微处理器的数字输出对电路进行的一种有效的控制广泛应用于通信、功率控制与变换等多个领域。
PWM脉宽调制，是靠改变脉冲宽度来控制输出电压，通过改变周期来控制其输出频率，通过改变此脉冲的调制的周期来实现输出频率的变化。
这样，使调压和调频两个作用配合一致，且于直流环节无关，因而加快了调节速度，改善了动态性能。
通过PWM对占空比的调节，来控制直流电机的转速，并在LCD显示屏上当前的工作状态。
PWM有着精确控制的优点，因此被广泛用于工业控制领域。
1.1研究技术背景
20世纪70年代以前，以晶闸管为基础组成的相控整流装置是运动控制系统直流传动中主要使用的变流装置，但由于晶闸管属于半控型器件，使其构成的V-M系统的性能受到限制。
20世纪70年代以后，随着电力电子技术的发展，出现了全控制器件—门极可关断晶闸管（GTO）、电力场效应晶体管（Power-MOSFET）、绝缘栅极双极晶体管（IGBT）。
直流电机控制领域向高精度方向发展，PWM驱动装置在中小功率场合，有着晶闸管驱动装置无法比拟的优势，例如：
调速范围宽、快速性好、电流波形系数好、功率因数高等特点，所以PWM调速成为现代的工业控制领域不可缺少的技术，例如，交流电机变频，直流电机PWM控制，实现了无级调速，是工业和科技信息技术的巨大进步。
1.2选题意义
社会进步离不开高科技的发展，而科技发展日新月异。
现代化工业提出，与信息产业相结合的模式，使工业控制更加精确、快速，而PWM控制技术已成为工业控制应用的热门技术，因而，对PWM直流电机调速系统的研究具有重要意义。
本文中将利用PWM模块实现单环电枢调节，使得直流电机的转速在高速、低速、中速三个档位变换，达到控制电机速度的目的。
虽然我们只是一个小小的研究，但是PWM在现代工业中工业控制领域极其重要
1.3国内外发展状况
PWM脉宽控制技术是变频技术中的核心控制技术之一。
自从1964年A.Schonung和H.stemmler提出把这项控制技术应用于交流传动，它的应用为交流传动技术的推广应用开辟了新的篇章。
自最早采用的模拟电路来完成的三角调制波与参考正弦波进行比较，从而产生正弦的脉宽调制信号来控制大功率器件的开始，至今为止采用完全数字化的设计方案，完成的实时在线PWM信号的输出，PWM在多种场合仍占据主导地位，并一直成为人们的研究设计热点。
由于PWM能实现变频、变压、反抑制多次谐波等特点，所以被广泛应用于交流传动和其它变换系统中。
PWM脉宽控制技术基本上可以分为三类，正弦的PWM，优化的PWM和随机的PWM技术。
正弦的PWM技术已被人们所熟悉，而主要在改变输出的电压、电流的波形，降低了电源系统多次谐波多种PWM技术在功率变频中有着独特优势；而优化的PWM追求的是实现电流谐波的畸变率（THD）最小、电压的利用率最高、效率最优、转矩的脉动最小还有其特定的优化目标。
从70年代末至80年代初期间，因为大功率的晶体管主要是双极性的三极管，载波频率最高时不超过5kHz，电机绕组转动中产生的电磁噪音和多次谐波引起人们的重视。
为了得以改善，随机的PWM方法随之诞生。
它的原理是随机对开关频率进行改变从而使电机电磁噪音接近于限带白噪音，尽管噪音对应的总分贝数没有变，但以开关频率的有色噪音的强度大大减弱。
另一方面则告诉人们消除机械和电磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作频率，因为随机的PWM控制技术提供了一个分析、解决问题的全新思路。
随着电压型的PWM变频器已经广泛的应用于高性能的传动系统中，PWM脉宽控制技术进行深入的研究。
PWM正是利用了功率半导体的高频接通和关断，才把直流电压转变成由一定宽度的规律变化电压脉冲序列产生，实现了变频和变压，并有效的控制和消除多次谐波。
正弦的PWM得到很好的性能由于功率器件开关频率的提高，从而在中小功率传动系统中应用广泛。
而对于较大容量的电力变换的装置而言，较高的开关频率将会导致较大开关损耗，并且大功率器件的开关频率至今还未能做得比较高，这种情况，优化的PWM脉宽技术正好达到装置需要。
特定的谐波消除方法（SelectedHarmonicEliminationPWM—SHEPWM）、效率最优的PWM和转矩最小脉动的PWM均属于优化的PWM脉冲技术的领域。
一般的PWM变频器的输出电流往往含有较大的和功率器件开关频率相关的多次谐波成分，多次谐波的电流引起的脉动转矩作用于电动机之上，使电动机的定子产生振动因而发出电磁噪声，它的强度以及频率的范围取决于脉动转矩大小和交变的频率。
倘若电磁噪声在人耳的频率范围之内，会使人的听觉受到较大损害。
幅度较大中频谐波的电流较容易引起电动机的机械共振，从而导致系统稳定性的降低。
为了解决上述的问题，其一种方法是不断提高功率器件的开关频率直至合适，但这会使得开关损耗增加；另一种方法就是将随机的改变功率器件导通的位置和开关的频率，使的变频器的输出电压多次谐波均匀地分布于较宽频带的范围，抑制幅值较大的多次谐波成分，从而抑制了电磁噪声及机械共振的作用，这就是所谓的随机PWM脉宽技术。
2
系统方案设计及实现的可行性
2.1方案设计
图2-1设计方案图
设计方案如上图2-1所示，在IAR开发环境中对源程序进行编译，然后通过硬件调试工具JTAG将程序下载到ARM芯片上，通过ARM芯片上的PWM模块控制、驱动直流电机的转动，按键用于转速的分档控制，LCD真彩显示屏显示当前的工作状态。
2.2可行性分析
2.2.1技术实现的可行性
直流电机调速系统包括软件和硬件电路设计：
软件设计主要是基于ARM芯片的PWM模块；硬件电路涉及模拟及功率电路设计，这些我们在以前的课程中已学过，具有相关的基础和专业知识，能够实现上述系统方案。
2.2.2操作可行性分析
本次毕业设计主要利用LPC2378，涉及到的模块有PWM模块、LCD显示模块、按键模块。
下面就对各个模块需要实现的功能进行介绍。
PWM模块功能：
通过占空比的设置0%-100%，控制电机的转速。
LCD显示模块功能：
将电机的当前工作状态显示在屏幕上，便于观察。
在直流电机调速系统中，我们主要用到的仪器有：
示波器、直流电源、LPC2378芯片、PC机，以及电机（用CPU风扇代替），这些仪器我们可以取得。
最终设计实现以上功能，功能可行性分析可行。
3功能模块简介
我的毕业设计题目，用到下列主要功能模块：
PWM模块、LCD显示模块、主控芯片LPC2378等。
3.1LPC2378主控芯片
LPC2378是NXP公司推出32位单片机，其主要技术特性及芯片结构图如下：
3.1.1主要技术特性
a.32位ARM7TDMI-S内核结构；
b.72MHz操作频率（64MIPs）；
c.最多可达512kB片内Flash和58kBSRAM；
d.带DMA的10/100M以太网MAC接口；
e.带PHY和DMA的USB2.0full-speed器件接口；
f.两个CAN2.0B通道；
g.通用DMA控制器；
h.I2S、3个I2C、3个SPI/SSP以及4个UARTs；
m.4MHz内部RC（IRC）振荡器，精度可以调节到1%。
3.1.2芯片结构图
LPC2378的结构见图3-1所示，它包含了一个ARM7TDMI-SCPU支持仿真结果,和ARM7局部总线片内存储器控制器的接口，与AMBA高性能总线（AHB）中断控制器接口和连接片内外设功能的VLSI外设总线（VPB、ARMAMB总线兼容超集），lpc2378将ARM7TDMI-S置为小端字节顺序。
AHB外设分配了2MB的地址范围，它在4GBARM存储器空间的最顶端。
每个AHB外设均分配了16KB地址空间。
Lpc2378外设功能都连接到VPB总线。
AHB到VPB的桥将VPB总线与AHB总线相连。
VPB外设也分配了2MB的地址范围，从3.5GB地址开始。
每个VPB外设在VPB地址空间内都分配了16KB地址空间。
片内外设与器件引脚的连接均由引脚的连接模块所控制，可以通过软件控制该模块让其引脚与特定的片内外设相连接。
图3-1lpc2378内部结构图
3.1.3硬件电路图
我学院研制的LPC2378多功能用户板硬件结构图如下图：
主要结构包括MCU核心电路、电源电路、音频输入/输出电路、LED指示灯、USB接口电路、红外收发电路、SD卡接口电路、键盘电路、UART&LCM接口电路、CAN总线接口电路、MODEM接口电路、NetworkCardPHY接口电路。
主芯片结构图如下图3-2所示：
图3-2lpc2378核心电路图
3.2PWM模块
LPC2000系列微控制器的PWM模块是基于独立的32位标准定时器之上（PWM专用），通过匹配功能及多个控制寄存器实现PWM输出。
3.2.1主要技术特性
Ø带有可编程的32位预分频的32位定时器/计数器
Ø7个匹配寄存器，可实现6个单边沿控制或3个双边沿控制PWM输出，或两者的混合输出
Ø脉冲周期的周期和宽度可以是任何的定时器计数器
Ø匹配寄存器更新与脉冲输出同步，防止产生错误脉冲
Ø支持单边沿控制和双边沿控制的PWM输出
Ø如果不使能PWM模式，可作为一个标准定时器
3.2.2功能结构图
图3-3所示为PWM的结构框图。
在时钟源的处理部分，与标准定时器相似。
在匹配部分与标准的定时器有所不同，主要由计数器部分、匹配功能部分、捕获功能部分、锁存功能部分组成，控制寄存器PCR决定了PWMn（n=1-6）引脚的输出类型：
单边沿或双边沿。
图3-3PWM结构图
3.2.3寄存器功能概述
PWM中断寄存器（PWMIR）
中断寄存器包括11个位（如表3-1所列）。
其中7个位用于匹配中断，4个位保留将来之用。
如果有中断产生，则PWMIR中的对应位会置位；否则为0。
向对应的IR位写入1会复位中断，写入0无效。
表3-1PWM中断寄存器
PWMIR
功能
描述
复位值
0
PWMMR0中断
PWM匹配通道0的中断标志
0
1
PWMMR1中断
PWM匹配通道1的中断标志
0
2
PWMMR2中断
PWM匹配通道2的中断标志
0
3
PWMMR3中断
PWM匹配通道3的中断标志
0
4:
7
保留
应用程序不能向该位写入1
0
8
PWMMR4中断
PWM匹配通道4的中断标志
0
9
PWMMR5中断
PWM匹配通道5的中断标志
0
10
PWMMR6中断
PWM匹配通道6的中断标志
0
PWM定时器控制寄存器（PWMTCR）
PWM定时器控制寄存器（PWMTCR）用于控制PWM定时器/计数器的操作。
每个位的功能如表3-2所列。
表3-2PWM定时器控制寄存器
PWMTCR
功能
描述
复位值
0
计数器的使能
为1时，使能PWM定时器计数器和PWM预分频计数器计数；为0时，计数器将被禁止
0
1
计数器的复位
为1时，PWM定时器/计数器和PWM预分频的计数器在Fpclk的下一个上升沿的同步复位。
计数器将在TCR的bitl恢复为0以前保持的复位状态
0
2
保留
保留，用户软件不必要向其中写入1，从保留位中读出的值没有被定义
NA
3
PWM的使能
为1时，PWM模式的使能。
PWM模块将映像寄存器和匹配寄存器连接到一块。
仅仅在PWMLER中相应的位置，发生的匹配事件才会写入匹配寄存器的值生效。
0
PWM的定时器计数器（PWMTC）
当预分频的计数器到达计数上限时，32位的定时器计数器TC将加1。
如果PWMTC没有被复位在到达计数上限之前，它将一直计数到0XFFFFFFFF然后翻转到0x00000000，此时计数溢出产生不了中断。
如果需要，可用检测匹配寄存器溢出。
PWM的预分频寄存器（PWMPR）
32的位预分频寄存器指定了预分频寄存器的最大值。
PWM的预分频计数器（PWMPC）
PWM的预分频计数器将某个常量用来控制PCLK分频，将其用于PWM的定时器计数器。
这样可以控制定时器分辨率以及定时器溢出时间间的关系。
PWM预分频计数器每个PCLK周期加1。
当其到达PWM预分频计数器中保存的值时，PWM的定时器计数器加1，PWM的预分频计数器在下一个PCLK周期复位。
PWMPR=0时，PWMTC每1个PCLK周期加1；当PWMPR=1时，PWMTC每2个PCLK周期加1。
操作示例：
PWMPR=0x00；//不分频，计数器频率为Fpclk
PWM的匹配寄存器（PWMMR0-PWMMR6）
PWM的匹配寄存器值连续和PWM定时器计数值相进行比较。
在两个值相等时将会自动触发相应动作。
动作包括产生中断，复位PWM定时器计数器或是停止定时器。
所执行的动作由PWMMCR寄存器控制。
LPC2000的PWM模块中，通常都使用匹配寄存器0（PWMMR0）来控制PWM的周期和频率。
PWM的输出频率为：
f=FPCLK/PWMMR0（PWMPR+1）
PWM的输出周期为：
T=PWMMR0（PWMPR+1）/FPCLK
3.2.4PWM的应用
LPC2000系列的PWM功能模块具有32位定时器及预分频控制电路，7个匹配寄存器，可实现6个单边沿PWM或3个双边PWM输出，也可以采用两种类型的混合输出。
具有匹配中断、匹配PWMTC复位、匹配PWMTC停止功能，如果不使能PWM模式，可作为一个标准的定时器。
PWM广泛应用于测量，通信，功率控制与变换等多个领域。
3.3LCM模块
3.3.1主要技术特性
采用32位ARM处理器+FPGA双核控制架构开发的一款高性能、低功耗、易使用的64K色的TFT真彩显示器，可以直接和具有UART串行接口的MCU（如51单片机、AVR、PIC、DSP、ARM、工控机等）连接。
只需通过串口向终端发命令，便可完成相应的操作。
主要特点如下：
Ø处理器
采用32位ARM处理器+FPGA双核控制架构，加强图像处理功能。
Ø存储容量
1GBitFlash存储容量，储存一百多张16bit真彩色图片。
Ø接口特性
图片下载接口：
全速USB，速度600KB/S；
通讯接口：
3.3VRS232或TTL/CMOS电平。
ØPC软件功能
IDE编译下载环境，可视化窗口、界面美观大方；IDE集成了大量工控行业图标、按钮、3D视图等矢量图，降低了美工难度；支持新建多个页面，编译后软件自动生成每个页面的驱动函数；支持PC软件与HMI同步显示，具有单步调试等功能；支持二进制文件烧录，量产更快更安全。
工程编译后IDE将自动生成工程二进制文件。
Ø电源
9V-12V@1A
Ø工作温度
20℃～70℃
3.3.2命令概述
握手（0x00）
发送：
fd000000ddccbbaa
返回：
05ffff
清屏（0x02）
发送：
fd020000ddccbbaa
设置调色板（0x05）
发送：
fd050004fffff800ddccbbaa
0xff0xff：
前景色的颜色编码，0xffff代表白色。
0x550x00：
背景色的颜色编码，0xf800代表红色。
智能终端收到该命令后将白色和红色分别设为默认的前景色和背景色。
在没有执行该命令前，系统默认的前景色为黄色，背景色为蓝色。
背景色取色（0x06）
发送：
fd06000400030005ddccbbaa
返回：
无
解析：
0xfd：
命令头，每个指令发送前必须发送。
0x06：
背景色取色指令的指令码。
0x000x04：
用两个字节表示数据长度。
在本指令中需要发送的数据为0x000x030x000x05，共4个。
0x000x03：
表示x轴的坐标。
0x000x05：
表示x轴的坐标。
用十进制表示其XY坐标为（3，5）。
智能终端收到该命令后将坐标值为（3，5）的点的颜色设为默认的背景色。
前景色取色（0x07）
发送：
fd07000400030005ddccbbaa
返回：
无
解析：
0x07：
前景色取色指令的指令码。
智能终端收到该命令后将坐标值为（3，5）的点的颜色设为默认的前景色。
设置字符显示模式（0x08）
发送：
fd080003010000ddccbbaa
背光灯
关闭背光灯指令（0x09）
发送：
fd090000ddccbbaa
返回：
无
系统默认开机自动打开背光灯。
打开背光灯指令（0x0a）
发送：
fd0a0000ddccbbaa
返回：
无
.调节背光亮度（0x0b）
发送：
fd0b000166ddccbbaa
返回：
无
解析：
0x000x01：
用两个字节表示数据长度，本指令只有一个字节的参数PWM_Light。
0x7f：
为背光亮度PWM控制设定值PWM_Light，PWM_Light设为0x7f即将背光亮度设为半暗。
PWM_Light的取值范围0x00-0xff，值越大背光亮度越大，例如0x00将关闭背光，0x7f将背光调至半暗，0xff将背光调至最亮。
工作模式设定（0x0c）
发送：
fd0c00020005ddccbbaa
返回：
无
解析：
0x000x02：
用两个字节表示数据长度，本指令只有两个字节的参数：
ModePic_num。
0x000x05：
设定为工作模式0。
在工作模式0下，支持3232点阵汉字（指令0x13）、支持5幅终端图片的保存与调用（指令0x30）
发送：
fd0c0002ff12ddccbbaa
返回：
无
0xff0x12：
设定为工作模式1。
在工作模式1下，支持12幅终端图片的保存与调用（指令0x30）。
这是出厂默认设置，与之前版本完全兼容。
当指令执行完毕后，彩屏终端会返回Mode的值。
字符显示
610点阵ASCII字符串显示（0x10）
首先定义数组：
charAscii[]="GoldenPalmElectronicsGroup";
发送：
fd10002200000000Ascii1[0]…Ascii1[29]ddccbbaa
返回：
无
0x000x00：
表示x轴的坐标。
0x000x00：
表示y轴的坐标。
即以（0，0）为显示起始位置开始显示字符串。
816点阵ASCII字符串显示（0x11）
发送：
fd11002200000000Ascii1[0]…Ascii1[29]ddccbbaa
返回：
无
1616点阵GB2312字符串显示（0x12）
发送：
fd13001500000000GB2312[0]…GB2312[16]ddccbbaa
返回：
无
解析：
使用本示例方式显示的字符必须为全角字符
3232点阵GB2312字符串显示（0x13）
首先定义数组：
charGB2312[]="通信工程毕业设计";
发送：
fd12001500000000GB2312[0]…GB2312[16]ddccbbaa
返回：
无
注意：
要能正常使用本功能必须保证：
a.工作在模式0下
b.3232字库已正确烧写到终端
画点（0x21）
首先定义数组：
uint8dot[]={0,5,0,140,0,10,0,140,0,15,0,140,0,20,0,140,0,25,0,140,0,30,0,140,
0,35,0,140,0,40,0,140,0,45,0,140,0,50,0,140,0,55,0,140,0,60,0,140,0,65,0,140,
0,70,0,140};
发送：
0xfd0x210x000x38dot[0]…dot[55]0xdd0xcc0xbb0xaa
返回：
无
画圆框或圆域指令（0x26）
首先定义数组：
uint8circle[]={1,0,160,0,135,5,0,0,180,0,125,5};
发送：
0xfd0x230x000x10circle[0]…circle[15]0xdd0xcc0xbb0xaa
返回：
无
画矩形框或矩形域指令（0x27）
首先定义数组：
uint8rectangle
升级会员 