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基于ARM的电动机控制技术研究解读
基于ARM的电动机控制技术研究
目录
目录1
摘要2
引言3
第一章电动机技术基础4
1.1电动机的发展与分类4
1.1.1发展历程4
1.1.2电动机的种类4
1.2电动机的结构及原理7
1.2.1直流电机的结构及工作原理7
1.2.2三相异步电动机的结构和工作原理8
1.3三相异步电动机的调速方法及特点9
第二章ARM技术基础13
2.1ARM的发展及处理器分类13
2.1.1ARM简介13
2.1.2ARM在电动机控制系统中的应用15
2.1.3ARM处理器的分类16
2.2ARM集成开发环境16
第三章电动机驱动控制系统18
3.1电动机控制系统驱动器主电路的构成18
3.1.1交--直部分18
3.1.2直--交部分19
3.2PWM调试方法与技术21
第四章基于ARM的电动机的控制系统22
4.1步进电动机的驱动控制电路设计22
4.2基于ARM的直流电动机的调速系统26
4.2.1系统硬件设计26
4.2.2系统的软件设计27
第五章全文总结30
致谢31
参考文献32
摘要
摘要：
通过在公司的实习，对机械的深层次了解，认识到电动机在工业生产中的重要地位。
作为工业动力的基础，电动机的控制显得至关重要，对机械的性能优化、生产率的提高等起着很大的作用，基于ARM这种嵌入式芯片的电动机控制越来越显示出其强有力的发展态势，在国内外都已被广泛的应用到工业生产中。
在此基础上简单的对ARM的电动机控制做了简单分析与研究，主要简单的阐述了电动机的发展，工作原理以及ARM在电动机中的控制应用。
关键词：
ARM、电动机控制、机械
Abstract:
throughtheinternship,inthecompanyofdeepunderstandingofmechanical,realizemotorintheimportantpositionofindustrialproduction.Asthefoundation,motorpowerindustrycontroliscriticalformechanicalperformance,productivityimprovement,etc,andoptimizeplaysabigrole,basedontheARMoftheembeddedchipandmotorcontrolshoweditspowerfuldevelopmentsituationathomeandabroad,hasbeenwidelyappliedtoindustrialproduction.OnthebasisoftheARMofthesimpleelectricmotorcontroltoasimpleanalysisandresearch,mainlysimpledescribesthedevelopmentofmotor,workingprincipleandapplicationofmotorcontrolintheARM.
Keywords:
theARM,motorcontrolandmachinery
引言
现代工业生产中，电动机广泛应用于机械、化工、冶金、纺织、军工等重要行业，可以说大多数生产机械都要采用电力拖动，因此有效的控制电动机，提高其性能，具有十分重要的现实意义。
从1991年ARM公司成立于英国Cambridge以来，ARM技术正在逐步渗入到我们生活的各方面，基于ARM的电动机控制系统已经成在各种高精度场合开始研究和应用，展现出强大的优势和良好的前景。
在公司的实习学习中认识到了这种技术的广阔前景，国外已广泛的开发应用，国内虽然已经重视起来，但是发展很不平衡。
在南方经济基础良好的地方已经得到应用，其他地区却发展部够好，工业的发展要求必须加快技术的进步。
对于基于ARM的电动机控制技术，本文在对这种技术有所认识的基础上进行了简单的研究。
主要讲了电动机的应用，ARM的发展,用ARM来控制电动机，更好利用电动机为工业服务。
基于ARM的电动机控制只是电动机控制系统的一个方面，在自己本专业所学知识与实习所接触了解的一点知识范围内简单的浅述。
其他，电动机还有基于PLC、单片机等控制系统，在工业生产中也得到广泛的应用，本文就不做阐述。
第一章电动机技术基础
1.1电动机的发展与分类
1.1.1发展历程
电动机的发展与科学技术的进步是相辅相成的，1831年法拉第发现了电磁反应定律，从此以后，各种类型的电动机不断被发明并广泛应用于我们的生产和生活中，同时也加速了人类社会工业化的进程与技术的进步。
进入20世纪以后，随着新型电磁材料的不断发展以及其他科学与技术的进步，人们在降低电动机生产工艺等方面进行了大量的工作，推动着电动机向大功率、高功率密度、低噪音、无电磁干扰和高效率、高可靠性绿色电动机和环保电动机的方向发展，而且交流电动机取代直流电动机也成为必然趋势。
到目前为止，电动机的种类和功能已经相当的丰富，并朝着高性能、智能化、微型化和网络化的方向发展。
国内电动机制造业也经历了一个从无到有、不断壮大的发展过程。
建国以来，通过广大工程技师人员的不懈努力，在非常落后的基础上，逐步建立起较为完善的电动机制造体系。
取得了举世瞩目的成就，为工业的发展和人民的生活水平提高做出了巨大的贡献。
1.1.2电动机的种类
1．按工作电源分类：
根据电动机工作电源的不同，可分为直流电动机和交流电动机。
其中交流电动机还分为单相电动机和三相电动机。
2．按结构及工作原理分类：
电动机按结构及工作原理可分为直流电动机，异步电动机和同步电动机。
同步电动机还可分为永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同步电动机。
异步电动机可分为感应电动机和交流换向器电动机。
感应电动机又分为三相异步电动机、单相异步电动机和罩极异步电动机等。
交流换向器电动机又分为单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。
直流电动机按结构及工作原理可分为无刷直流电动机和有刷直流电动机。
有刷直流电动机可分为永磁直流电动机和电磁直流电动机。
电磁直流电动机又分为串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。
永磁直流电动机又分为稀土永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机。
3．按起动与运行方式分类：
电动机按起动与运行方式可分为电容起动式单相异步电动机、电容运转式单相异步电动机、电容起动运转式单相异步电动机和分相式单相异步电动机。
4．按用途分类：
电动机按用途可分为驱动用电动机和控制用电动机。
驱动用电动机又分为电动工具（包括钻孔、抛光、磨光、开槽、切割、扩孔等工具）用电动机、家电（包括洗衣机、电风扇、电冰箱、空调器、录音机、录像机、影碟机、吸尘器、照相机、电吹风、电动剃须刀等）用电动机及其它通用小型机械设备（包括各种小型机床、小型机械、医疗器械、电子仪器等）用电动机。
控制用电动机又分为步进电动机和伺服电动机等。
5．按转子的结构分类：
电动机按转子的结构可分为笼型感应电动机（旧标准称为鼠笼型异步电动机）和绕线转子感应电动机（旧标准称为绕线型异步电动机）。
6．按运转速度分类：
电动机按运转速度可分为高速电动机、低速电动机、恒速电动机、调速电动机。
ａ．低速电动机又分为齿轮减速电动机、电磁减速电动机、力矩电动机和爪极同步电动机等。
ｂ．调速电动机除可分为有级恒速电动机、无级恒速电动机、有级变速电动机和无极变速电动机外，还可分为电磁调速电动机、直流调速电动机、PWM变频调速电动机和开关磁阻调速电动机。
按基本结构和工作原理分类，电动机课分为四大类：
直流电动机、变压器、感应电动机、同步电动机等。
具体的电动机主要种类：
1.直流电动机
①他励直流电动机
②串励直流电动机
③并励直流电动机
④复励直流电动机
2.交流电动机
①感应电动机
Ⅰ三相笼型异步电动机
Ⅱ三相绕线式感应异步电动机
Ⅲ单相异步电动机
②同步电动机
Ⅰ三相同步电动机
Ⅱ单相同步电动机
3.控制电机
①伺服电动机
②力矩电动机
③直线电动机
④步进电动机
⑤测速电动机
⑥自整电动机
⑦旋转变压器
我国的电机类型代号采用汉语拼音字母来表示各种不同类型的电机，如表1.1所示。
序号
电机类型
代号
1
异步电动机
Y
2
同步电动机
T
3
同步发电机
TF
4
直流电动机
Z
5
直流发电机
ZF
6
测功机
C
7
交流换向器电动机
H
8
潜水电动机
Q
9
纺织用电机
F
1.2电动机的结构及原理
1.2.1直流电机的结构及工作原理
结构：
直流电机根据用途不同和功率不同，其结构形式也各有不同。
因此，在生产、生活现实中使用着各种结构形式的直流电机。
但不管其结构形式如何变化，从原理上讲它都是有一些基部件组成。
图1-1和图1-2分别为直流电机的结构示意图和剖面图。
图1-1直流电机结构图
图1-2直流电机剖面
总体上说，直流电机由定子（固定部分）和转子（转动部分）两大部分所组成。
定子的作用是用来产生磁场和作电机本身的机械支撑。
它包括主磁极、换向极、机座、端盖、轴承等，静止的电刷装置也固定在定子上。
转子上用来感应电势和通过电流从而实现能量转换的部分称为电枢，它包括电枢铁芯和电枢绕组。
电枢铁芯固定在转轴上，转轴两端分别装有换向器和风扇等。
图1-3直流电动机的工作原理
直流电动机的原理:
图1-3所示为直流电动机工作原理模型。
电机部分与发电机相同，只是把外电路中的负载电阻换成直流电源，电枢不是由原动机驱动，而是连接一机械负载。
在电刷A、B两端接上直流电源U，电刷A接至电源的正极，电刷B接至电源的负极。
则线圈中有电流流过，其方向如图1-3中箭头所示。
我们知道，位于磁场中的载流导体必将受到电磁力的作用，至于电磁力的方向可用左手定则确定。
这一电磁力形成了作用于电枢铁芯的电磁转矩。
由图可见，转矩的方向是逆时针的。
电动机的电枢在此转矩的作用下，将逆时针方向旋转，从而拖动与电机轴相联的负载机械运转，成为一台直流电动机。
1.2.2三相异步电动机的结构和工作原理
结构：
三相异步电动机的种类很多，但各类三相异步电动机的基本结构是相同的，它们都由定子和转子这两大基本部分组成，在定子和转子之间具有一定的气隙。
此外，还有端盖、轴承、接线盒、吊环等其他附件，如图1-4所示。
1—轴承；2—前端盖；3—转轴；4—接线盒；5—吊环；6—定子铁心；
7—转子；8—定子绕组；9—机座；10—后端盖；11—风罩；
图1-4封闭式三相笼型异步电动机结构图
工作原理：
三相交流电通入定子绕组后，便形成了一个旋转磁场，其转速n1=60f/p旋转磁场的磁力线被转子导体切割，根据电磁感应原理，转子导体产生感应电动势。
转子绕组是闭合的，则转子导体有电流流过。
设旋转磁场按顺时针方向旋转，且某时刻为上为北极N下为南极S，如图1-5所示。
根据右手定则，在上半部转子导体的电动势和电流方向由里向外，用⊙表示；在下半部则由外向里，用⊕表示。
图1-5三相电动机的转动原理
1.3三相异步电动机的调速方法及特点
三相异步电动机转速公式为：
n=60f/p（1-s）从上式可见，改变供电频率f、电动机的极对数p及转差率s均可太到改变转速的目的。
从调速的本质来看，不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转两种。
不改变同步转速的调速方法有：
1）绕线式电动机的转子串电阻调速;
2）斩波调速;
3）串级调速以及应用电磁转差离合器;
4）液力偶合器;
5）油膜离合器等调速。
不改变同步转速的调速方法在生产机械中广泛使用。
改变同步转速的有改变定子极对数的多速电动机，改变定子电压、频率的变频调速有能无换向电动机调速等。
从调速时的能耗观点来看，有高效调速方法与低效调速方法两种：
高效调速指时转差率不变，因此无转差损耗，如多速电动机、变频调速以及能将转差损耗回收的调速方法（如串级调速等）。
有转差损耗的调速方法属低效调速，如转子串电阻调速方法，能量就损耗在转子回路中；电磁离合器的调速方法，能量损耗在离合器线圈中；液力偶合器调速，能量损耗在液力偶合器的油中。
一般来说转差损耗随调速范围扩大而增加，如果调速范围不大，能量损耗是很小的。
（1）变极对数调速方法：
这种调速方法是用改变定子绕组的接红方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的。
本方法适用于不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。
特点如下：
1、具有较硬的机械特性，稳定性良好；2、无转差损耗，效率高；3、接线简单、控制方便、价格低；4、有级调速，级差较大，不能获得平滑调速；5、可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速特性。
（2）变频调速方法：
变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。
变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流-直流-交流变频器和交流-交流变频器两大类，目前国内大都使用交-直-交变频器。
本方法适用于要求精度高、调速性能较好场合。
其特点：
1、效率高，调速过程中没有附加损耗；2、应用范围广，可用于笼型异步电动机；3、调速范围大，特性硬，精度高；4、技术复杂，造价高，维护检修困难。
（3）串级调速方法：
串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，达到调速的目的。
大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用产生附加的装置，把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。
根据转差功率吸收利用方式，串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式，多采用晶闸管串级调速。
本方法适合于风机、水泵及轧钢机、矿井提升机、挤压机上使用。
其特点为：
1、可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上，效率较高；2、装置容量与调速范围成正比，投资省，适用于调速范围在额定转速70%-90%的生产机械上；3、调速装置故障时可以切换至全速运行，避免停产；4、晶闸管串级调速功率因数偏低，谐波影响较大。
（4）绕线式电动机转子串电阻调速方法：
绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行。
串入的电阻越大，电动机的转速越低。
此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上。
属有级调速，机械特性较软。
（5）定子调压调速方法：
改变电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，从而获得不同转速。
由于电动机的转矩与电压平方成正比，因此最大转矩下降很多，其调速范围较小，使一般笼型电动机难以应用。
为了扩大调速范围，调压调速应采用转子电阻值大的笼型电动机，如专供调压调速用的力矩电动机，或者在绕线式电动机上串联频敏电阻。
为了扩大稳定运行范围，当调速在2：
1以上的场合应采用反馈控制以达到自动调节转速目的。
调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源，目前常用的调压方式有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种。
晶闸管调压方式为最佳。
调压调速一般适用于100KW以下的生产机械。
调压调速的特点：
1、调压调速线路简单，易实现自动控制；2、调压过程中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中，效率较低。
（6）电磁调速电动机调速方法：
电磁调速电动机由笼型电动机、电磁转差离合器和直流励磁电源（控制器）三部分组成。
直流励磁电源功率较小，通常由单相半波或全波晶闸管整流器组成，改变晶闸管的导通角，可以改变励磁电流的大小。
电磁转差离合器由电枢、磁极和励磁绕组三部分组成。
电枢和后者没有机械联系，都能自由转动。
电枢与电动机转子同轴联接称主动部分，由电动机带动；磁极用联轴节与负载轴对接称从动部分。
当电枢与磁极均为静止时，如励磁绕组通以直流，则沿气隙圆周表面将形成若干对N、S极性交替的磁极，其磁通经过电枢。
当电枢随拖动电动机旋转时，由于电枢与磁极间相对运动，因而使电枢感应产生涡流，此涡流与磁通相互作用产生转矩，带动有磁极的转子按同一方向旋转，但其转速恒低于电枢的转速N1，这是一种转差调速方式，变动转差离合器的直流励磁电流，便可改变离合器的输出转矩和转速。
本方法适用于中、小功率，要求平滑动、短时低速运行的生产机械。
电磁调速电动机的调速特点：
1、装置结构及控制线路简单、运行可靠、维修方便；2、调速平滑、无级调速；3、对电网无谐影响；4、速度失大、效率低。
（7）液力耦合器调速方法：
液力耦合器是一种液力传动装置，一般由泵轮和涡轮组成，它们统称工作轮，放在密封壳体中。
壳中充入一定量的工作液体，当泵轮在原动机带动下旋转时，处于其中的液体受叶片推动而旋转，在离心力作用下沿着泵轮外环进入涡轮时，就在同一转向上给涡轮叶片以推力，使其带动生产机械运转。
液力耦合器的动力转输能力与壳内相对充液量的大小是一致的。
在工作过程中，改变充液率就可以改变耦合器的涡轮转速，作到无级调速。
本方法适用于风机、水泵的调速。
其特点为：
1、功率适应范围大，可满足从几十千瓦至数千千瓦不同功率的需要；2、结构简单，工作可靠，使用及维修方便，且造价低；3、尺寸小，能容大；4、控制调节方便，容易实现自动控制。
第二章ARM技术基础
2.1ARM的发展及处理器分类
2.1.1ARM简介
ARM（Advanced RISC Machines），是一个公司名字，也是一种处理器的通称，还可以认为是一种技术名字。
图2-1
1991年ARM公司成立于英国Cambridge，主要销售晶片设计技术的授权。
目前，采用ARM技术知识产权（IP）核的微处理器，即我们通常说的ARM微处理器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于ARM技术的微处理器应用约占据了32位RISC微处理器75%以上的市场份额，ARM技术正在逐步渗入到我们生活的各方面。
图2-2
ARM公司是专门从事基于RISC技术晶片设计开发的公司，作为知识产权供应商，本身不直接从事晶片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的晶片，世界各大半导体生产商（RFID射频快报注：
如PHILIPS、TI、Intel、BroadCom、ATMEL等）从ARM公司购买其设计的ARM微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的ARM微处理器晶片进入市场。
目前，全世界有几十家大的半导体公司都使用ARM公司的授权，因此既使得ARM技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，又使整个系统成本降低，使产品更容易进入市场被消费者所接受，更具有竞争力。
图2-3
ARM的应用领域：
（1）工业控制领域：
作为32的RISC架构，基于ARM核的微控制器芯片不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展，ARM微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8位/16位微控制器提出了挑战。
（2）无线通讯领域：
目前已有超过85%的无线通讯设备采用了ARM技术，ARM以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。
（3）消费类电子产品：
ARM技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中得到广泛采用。
（4）成像和安全产品：
现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用ARM技术。
手机中的32位SIM智能卡也采用了ARM技术。
图2-4
2.1.2ARM在电动机控制系统中的应用
基于ARM的电动机控制系统已经成在各种高精度场合开始研究和应用，展现出强大的优势和良好的前景。
（1）基于ARM微处理器的嵌入式数控系统不断的向着高精度、高速、高效、智能化、开放性、网络化、柔性化发展。
（2）基于ARM微处理器的嵌入式机器人控制系统中，机器人的运动控制、运动轨迹规划、各种传感器信息的处理和执行电动机的控制，均可由核心ARM处理器来实现。
（3）基于ARM微处理器的高品质嵌入式变频器。
采用嵌入式系来设计和实现高品质变频器，使得变频器可靠性高、性能好、实时性好。
高性价比的ARM处理芯片正日益受到广大研究人员和产品开发商的青睐，器应用越来越广，为微处理器的发展铺下新的道路。
2.1.3ARM处理器的分类
ARM目前包括ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E、ARM11、SecurCore、MPCore、IntelXscale/StrongARM和最新的Cortex处理器系列。
（1）ARM7系列微处理器包括ARM720T、ARM7ES-S、ARM7TDMI和ARM7TDMI-S，目前最常用的是ARM7TDM1。
T代表支持Thumble指令集，D代表支持片上调试，M代表内嵌硬件乘法器，I代表支持片上断点和调试点。
（2）ARM9系列微处理器包括：
ARM9T、ARM922T和ARM940T。
（3）ARM9E系列微处理器包含ARM26EJ-S、arm946E-S和ARM966E-S。
（4）ARM10E系列微处理器包含ARM1020E、ARM1022E和ARM1026EJ-S。
（5）ARM11微处理器系列包含ARM1136J（F）-S、ARM1156T（F）-S和ARM1176JZ（F）-S。
ARM1156T（F）-S和ARM1176JZ（F）-S是首批含有ARMThumb-2内核技术的产品。
（6）SecurCore微处理器系列包含SecurCoreSC100、SecurCoreSC110、SecurCoreSC200和SecurCoreSC210等。
（7）MPCore系列。
MPCore支持四路缓存的协同式对称多任务处理、四路非对称处理或以上两种混合的模式。
（8）IntelXscale/StrongARM微处理器系列。
StrongARM处理器是采用ARM体系结构高度集成的32位RISC微处理器。
主要有SA-1、SA-110、SA-1100、SA-1110和IXSP1200等类型。
（9）Cortex处理器系列，目前主要有Cortex-A8、Cortex-M3、Corte-R4和Corte-R4F等。
2.2ARM集成开发环境
在ARM系统开发的软件流程中，首先是软件设计，然后由链接器连接后生成与目标系统存储器地址相关的可执行映像。
图2-5ARM的一般开发流程
ARMADS集成开发坏境如图所示。
ADS中国一个重要的工具就是CodeWarrior，CodeWarrior提供了项目管理功能，并为编译器提供了一个集成坏境，对应实现编译器、汇编器和链接器的功能。
除此之外，ARM还提供了ARM扩展调试器AXD。
在AXD中定义了一个接口RDI,ARM支持所有的调试方法。
第三章电动机驱动控制系统
3.1电动机控制系统驱动器主电路的构成
如图3—1所示，电动机控制系统主电路按功能可称为功率主回路。
图3—1电动机控制系统主电路
功率主回路是进行能量转换、驱动伺服电动机工作的强电电路，主要由整流电路、中间直流电路和逆变器三个部分组成，如图3—1所示。
3.1.1交--直部分
（1）整流电路。
采用二极管不可控整流桥将单相交流电整流为固定的直流电，功率主回路电路如图3—2所示。
整流电路因变频输出功率大小不同而异，小功率的，输人电压多采用单相220V，整流电路为单相全波整流桥；功率较大的，一般采用三相380V电源，整流电路为三相桥式全波整流电路。
图3—2功率主回路电路
设电源电压巩为220V，则经过整流后的平均直流电压％的大小是：
Ud=0
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