基于ARMCortexM3控制器的直流电机驱动技术研究毕业设计论文.docx

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基于ARMCortexM3控制器的直流电机驱动技术研究毕业设计论文

摘要

近年来，直流电机做为通用驱动器件广泛应用于光电系统中。

它具有启动快、制动及时、可在大范围内平滑地调速等优点，常用于光电调制、变焦调焦、扫描机构等光电领域。

ARM既是英国全球著名的32位嵌入式RISC芯片内核的设计公司，也是ARM的产品商标，其产品ARM嵌入式内核已被全球各大芯片厂商采用，基于ARM的开发技术席卷了全球嵌入式市场，已成为嵌入式系统主流技术之一。

最新发布的Cortex-M3处理器尤为适用于高性能、极其低成本需求的嵌入式应用，如：

微控制器、汽车系统、大型家用电器、网络装置等。

本文即在上述背景的情况下，提出了一个基于ARMCortexM3控制器的直流电机控制系统。

在直流电机控制系统的硬件设计方面，电路以ARMCortexM3最小系统为核心，主要包括PWM控制输出模块，基于PCF8576芯片的显示模块，基于FT2232芯片的USB转JTAG口模块，LMD18200驱动模块。

在软件设计方面，充分利用Luminary公司提供的ARMCotexM3驱动库，采用十分简易的方法对Cortex进行编程，以控制电机的运转。

最后对ARM进行了软件与硬件结合的综合测试。

该控制系统的研制为直流电机在高精度光电技术的应用提供了良好的实验平台。

经过试验，验证了系统的可行性，系统的各项功能及控制精度满足设计要求。

关键词：

ARMCortexM3；PWM；LMD18200驱动模块；Faulhaber2342直流电机；FT2232；USB转JTAG；PCF8576；背极接法；

Abstract

Inrecentyears,thegeneral-purposeBLDCmotorsarewidelyusedinoptoelectronicdevicesdrivesystem.Ithasfeaturesincludingstartingfast,brakingintime,maybeintherangeofadvantagessuchassmoothspeedcontrol,commonlyusedinoptoelectronicmodulation,zoomin,scanningthefieldofinstitutions,suchasphotovoltaic.

ARMistheUnitedKingdomtheworld'sleading32-bitembeddedRISCcorechipdesigncompanies,isalsoatrademarkofARMproducts,anditsembeddedARMcoreproductshasbeentheworld'smajorchipmanufacturerstouse,basedonthedevelopmentofARMtechnologyswepttheworldofembeddedmarket,hasbecomeoneofthemainstreamembeddedsystems.ThelatestreleaseofCortex-M3processorisparticularlyapplicabletohigh-performance,extremelylow-costrequirementsofembeddedapplications,suchas:

micro-controllers,automotivesystems,largehomeappliances,networkdevices.Thispaper,inthecaseoftheabovebackground,raisesanARMCortexM3-basedDCmotorcontrollercontrolsystem.

InthehardwaredesignoftheBLDCmotorcontrolsystem,thecoreofthesystemisARMCortexM3,includingcontrolPWMoutputmodule,basedonthePCF8576chipmodules,chipFT2232-basedJTAGporttotheUSBmodule,LMD18200drivermodules.Insoftwaredesign,thesystemmakesfulluseofLuminaryprovidedARMCotexM3driverlibrary,usingaverysimplemethodofCortexprogrammedtocontroltheoperationofthemotor.Finally,thecontrolsystemhaspassthroughacombinationofsoftwareandhardwaretest.

ThedevelopmentoftheBLDCmotorcontrolsystemprovidesagoodexperimentalplatformforperformancetestingofphotoelectricity technology,anditsfeasibilityhasbeenprovedbyexperiments，thetestresultsindicatethatallparametersandfunctionsofthesystemsatisfythedesignrequirement.

KeyWords:

ARMCortexM3;PWM;LMD18200;Faulhaber2342BLDCmotor;FT2232;USBTOJTAG;PCF8576;Backpanel

第1章引言

1.1应用背景

1.1.1无刷电机的发展

1831年，法拉第发现了电磁感应现象，奠定了现代电机的基本理论基础。

从19世纪40年代研制成功第一台直流电机，经过大约17年的时间，直流电机技术才趋于成熟。

随着应用领域的扩大，对直流电机的要求也就越来越高，有接触的机械换向装置限制了有刷直流电机在许多场合中的应用。

为了取代有刷直流电机的电刷－换向器结构的机械接触装置，人们曾对此作过长期的探索。

1915年，美国人Langnall发明了带控制栅极的汞弧整流器，制成了由直流变交流的逆变装置。

20世纪30年代，有人提出用离子装置实现电机的定子绕组按转子位置换接的所谓换向器电机，但此种电机由于可靠性差、效率低、整个装置笨重又复杂而无实用价值。

科学技术的迅猛发展，带来了电力半导体技术的飞跃。

开关型晶体管的研制成功，为创造新型直流电机——无刷直流电机带来了生机。

1955年，美国人Harrison首次提出了用晶体管换相线路代替电机电刷接触的思想，这就是无刷直流电机的雏形。

它由功率放大部分、信号检测部分、磁极体和晶体管开关电路等组成，其工作原理是当转子旋转时，在信号绕组中感应出周期性的信号电动势，此信号电动势分别使晶体管轮流导通实现换相。

问题在于，首先，当转子不转时，信号绕组内不能产生感应电动势，晶体管无偏置，功率绕组也就无法馈电，所以这种无刷直流电机没有起动转矩；其次，由于信号电动势的前沿陡度不大，晶体管的功耗大。

为了克服这些弊病，人们采用了离心装置的换向器，或采用在定子上放置辅助磁钢的方法来保证电机可靠地起动。

但前者结构复杂，而后者需要附加的起动脉冲。

其后，经过反复的试验和不断的实践，人们终于找到了用位置传感器和电子换相线路来代替有刷直流电机的机械换向装置，从而为直流电机的发展开辟了新的途径。

⒛世纪60年代初期，接近开关式位置传感器、电磁谐振式位置传感器和高频耦合式位置传感器相继问世，之后又出现了磁电耦合式和光电式位置传感器。

半导体技术的飞速发展，使人们对1879年美国人霍尔发现的霍尔效应再次发生兴趣，经过多年的努力，终于在1962年试制成功了借助霍尔元件（霍尔效应转子位置传感器）来实现换相的无刷直流电机。

在⒛世纪70年代初期，又试制成功了借助比霍尔元件的灵敏度高千倍左右的磁敏二极管实现换相的无刷直流电机。

在试制各种类型的位置传感器的同时，人们试图寻求一种没有附加位置传感器结构的无刷直流电机。

1968年，德国人W·Mieslinger提出采用电容移相实现换相的新方法。

在此基础上，德国人R·Hanitsch试制成功借助数字式环形分配器和过零鉴别器的组合来实现换相的无位置传感器无刷直流电机。

无刷直流电机是近几年小电机行业发展最快的品种，随着视听产品“小、轻、薄”化和家电产品的静音化以及豪华型轿车需求量增多，无刷直流电动机需要量迅速增加。

无刷直流电机用电子换向替代了电刷和换向器，具有高可靠、高效率、寿命长、调速方便的优点。

各国都加快了开发新产品的速度和占领市场的力度。

日本不少公司已将无刷直流电机应用到数码照相机、微型收录机、摄影机、打印机、存储驱动器、手机以及汽车空调、洗衣机、吸尘器、电动车、心脏泵等领域。

图1-1各种无刷直流电机

1.1.2微控制器的发展

ØARM的前身-单片机

微控制器全称为单片微型计算机（MicrocontrollerUint）,又称单片机（SingleChipMicrocomputer）或嵌入式控制器（EmbeddedController）。

它是将计算机的基本部件微型化并集成到一块芯片上的微型计算机，通常片内都含有CPU、ROM、RAM、并行I/O、串行I/O、定时器/计数器、中断控制、系统时钟及系统总线等。

随着技术的发展，单片机片内集成的功能越来越强大，并朝着SoC（片上系统）方向发展。

单片机诞生于20世纪70年代，象Fairchild公司研制的F8单片微型计算机。

所谓单片机是利用大规模集成电路技术把中央处理单元（CenterProcessingUnit,也即常称的CPU）和数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM）及其他I/O通信口集成在一块芯片上，构成一个最小的计算机系统，而现代的单片机则加上了中断单元，定时单元及A/D转换等更复杂、更完善的电路，使得单片机的功能越来越强大，应用更广泛。

20世纪70年代，微电子技术正处于发展阶段，集成电路属于中规模发展时期，各种新材料新工艺尚未成熟，单片机仍处在初级的发展阶段，元件集成规模还比较小，功能比较简单，一般均把CPU、RAM有的还包括了一些简单的I/O口集成到芯片上，象Fairchild公司就属于这一类型，它还需配上外围的其他处理电路方才构成完整的计算系统。

类似的单片机还有Zilog公司的Z80微处理器。

1976年INTEL公司推出了MCS-48单片机，这个时期的单片机才是真正的8位单片微型计算机，并推向市场。

它以体积小，功能全，价格低赢得了广泛的应用，为单片机的发展奠定了基础，成为单片机发展史上重要的里程碑。

在MCS-48的带领下，其后，各大半导体公司相继研制和发展了自己的单片机，象Zilog公司的Z8系列。

到了80年代初，单片机已发展到了高性能阶段，象INTEL公司的MCS-51系列，Motorola公司的6801和6802系列，Rokwell公司的6501及6502系列等等。

80年代，世界各大公司均竞相研制出品种多功能强的单片机，约有几十个系列，300多个品种，此时的单片机均属于真正的单片化，大多集成了CPU、RAM、ROM、数