ARM设计论文.docx

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ARM设计论文

ARM课程设计论文

---直流电机测速

电控学院测控0803班

李娟：

0806070311

江文涛：

0806070313

李谦：

0806070315

指导老师：

李红岩黄梦涛

日期：

2011.12.29

摘要：

在电气时代的今天，电动机在工农业生产与人们日常生活中都起着十分重要的作用。

直流电机作为最常见的一种电机，具有非常优秀的线性机械特性、较宽的调速范围、良好的起动性以及简单的控制电路等优点，因此在社会的各个领域中都得到了十分广泛的应用。

本文设计了直流电机测速系统的基本方案，阐述了该系统的基本结构、工作原理、运行特性及其设计方法。

本系统采用PWM测量电动机的转速，用ARM上位机对直流电机的转速进行控制。

本设计主要研究直流电机的控制和测量方法，从而对电机的控制精度、响应速度以及节约能源等都具有重要意义。

随着社会的发展，各种智能化的产品日益走入寻常百姓家。

为了实现产品的便携性、低成品以及对电源的限制，小型直流电机应用相当广泛。

对直流电机的速度调节，我们可以采用多种办法，本文给出一种用ARM上位机实现PWM调速的方法及红外对管测转速。

关键词：

直流电机PWM转速控制

目录

第一章前言......................................................5

1.1ARM7简介......................................................5

1.2课程设计简介...................................................5

1.3设计目的及方案.................................................

第2章系统设计及说明

2.1直流电机调速原理

2.2H桥调速原理

2.3红外线测速原理

2.4系统软件设计

第三章设计心得体会................................................16

参考文献............................................................19

附录1：

元器件清单......................................................................................................19

附录2：

程序...................................................................................................................

第一章前言

1.1ARM7简介

ARM7引系列处理器是英国ARM公司设计的主流嵌入式处理器ARM7内核是0.9MIPS/MHz的三级流水线和冯·诺伊曼结构；ARM9内核是5级流水线，提供1.1MIPS/MHz的哈佛结构。

ARM7没有MMU,ARM720T是MMU的,ARM9主要包括ARM9TDMI和ARM9E-S等系列ARM9是有MMU的，ARM940T只有Memoryprotectionunit.不是一个完整的MMU。

ARM7：

小型、快速、低能耗、集成式RISC内核，用于移动通信。

ARM7TDMI（Thumb）:

这是公司授权用户最多的一项产品，将ARM7指令集同Thumb扩展组合在一起，以减少内存容量和系统成本。

同时，它还利用嵌入式ICE调试技术来简化系统设计，并用一个DSP增强扩展来改进性能。

该产品的典型用途是数字蜂窝电话和硬盘驱动器。

ARM9TDMI:

采用5阶段管道化ARM9内核，同时配备Thumb扩展、调试和Harvard总线。

在生产工艺相同的情况下，性能可达ARM7TDMI的两倍之多。

常用于连网和顶置盒。

1.2课程设计简介

利用ARM上位机设计一个直流电机的软件模拟PWM驱动及测速系统，并且通过红外对管来测量转速。

本系统具有精度高，成本低，使用方便等优点。

用ARM控制直流电动机并测量转速。

1.3设计目的及方案

直流电动机是最早出现的电动机，也是最早实现调速的电动机。

长期以来，直流电动机一直占据着调速控制的统治地位。

由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高效率，优异的动态特性，现在仍是大多数调速控制电动机的最优选择。

因此研究直流电机的速度控制，有着非常重要的意义。

随着ARM的发展，数字化直流PWM调速系统在工业上得到了广泛的应用，控制方法也日益成熟。

它对ARM的要求是：

具有足够快的速度；有PWM口，用于自动产生PWM波；有捕捉功能，用于测频；有A/D转换器、用来对电动机的输出转速、输出电压和电流的模拟量进行模/数转换。

通过设计基于ARM的嵌入式直流电机调速系统并调试得出结论，在掌握L298N和74HC595的同时进一步加深对直流电动机调速方法的理解，对运动控制的相关知识进行巩固。

第二章系统硬件设计及说明

2.1直流电机调速原理

本设计的主要思想为利用PWM控制占空比从而达到改变电机速度。

下面为PWM控制原理；

图1为PWM降压斩波器的原理电路及输出电压波形。

在图1a中，假定晶体

管V1先导通T1，秒（忽略V1的管压降，这期间电源电压Ud全部加到电枢上），然后关断T2秒（这期间电枢端电压为零）。

如此反复，则电枢端电压波形如图1b中所示。

电动机电枢端电压Ua为其平均值。

图1PWM降压斩波器原理电路及输出电压波形

a）原理图b）输出电压波形

（3）

式（3）中

（4）

为一个周期T中，晶体管V1导通时间的比率，称为负载率或占空比。

使用下面三种方法中的任何一种，都可以改变

的值，从而达到调压的目的：

（1）定宽调频法：

T1保持一定，使T2在0～∞范围内变化；

（2）调宽调频法：

T2保持一定，使T1在0～∞范围内变化

（3）定频调宽法：

T1+T2=T保持一定，使T，在0～T范围内变化。

不管哪种方法，

的变化范围均为0≤

≤l，因而电枢电压平均值Ua的调节范围为0～Ud，均为正值，即电动机只能在某一方向调速，称为不可逆调速。

当需要电动机在正、反向两个方向调速运转，即可逆调速时，就要使用图1—2a所示的桥式（或称H型）降压斩波电路。

在图2a中，晶体管V1、V4是同时导通同时关断的，V2、V3也是同时导通同时关断的，但V1与V2、V3与V4都不允许同时导通，否则电源Ud直通短路。

设V1、V4先同时导通T1秒后同时关断，间隔一定时间（为避免电源直通短路。

该间隔时间称为死区时问）之后，再使V2、V3同时导通T2秒后同时关断，如此反复，则电动机电枢端电压波形如图2b所示。

图2桥式PWM降压斩波器原理电路及输出电压波形

a）原理图b）输出电压波形

电动机电枢端电压的平均值为

（4）

由于0≤

≤1，Ua值的范围是-Ud～+Ud，因而电动机可以在正、反两个方向调速运转。

图3给出了两种PWM斩波电路的电枢电压平均值的特性曲线

。

图3两种斩波器的输出电压特性

2.2H桥调速原理

H桥：

由两个三极管，一个可以对正极导通实现上拉，另一个可以对负极导通实现下拉。

由两套这样的电路，在同一个电路中，同时一个上拉，另一个下拉，或相反，两者总是保持相反的输出，这样可以在单电源的情况下使负载的极性倒过来。

由于这样的接法加上中间的负载画出来经常会像一个H的字样，故得名H桥。

一般利用H桥电路来实现调速。

H桥驱动电路：

图1中所示为一个典型的直流电机控制电路。

电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。

4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠，如图所示，H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。

要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。

根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。

    图1H桥驱动电路

要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。

例如，如图2所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。

按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。

当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。

     图2H桥电路驱动电机顺时针转动

图3所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机。

当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。

   图3H桥驱动电机逆时针转动

可以把Q1跟Q4接在一起，Q3跟Q2接在一起，这样只要两个单片机I/O口就行。

下面的程序中lun1、lun2就表单片机的两个I/O口。

这个桥式电路图只用来说明原理，实际应用还要看电机的额定电压、电流。

也可以用L293、L298直流的集成芯片。

2.3红外线测速原理

通过红外对管来测量轮子转速，电路图如下：

测速可以分3种：

测频法、测周法和测频侧周混合法。

这里我只介绍测频法，因为已经用了一个定时器，可以在这个定时器基础上设定时间，程序中T0_count就是时间变量。

若要用侧周法，会有一个误差，主要来自定时器的误差。

时间定了后接下来要测脉冲数，可以用计数器或者外部中断，采用计数器比较方便。

2.4系统软件设计

PWM脉宽调制：

脉冲宽度调制（PulseWidthModulation—PWM）是指按一定规律改变脉冲列的脉冲宽度，以调节输出量和波形的一种调制方式。

即指将输出信号的基本周期固定，通过调整基本周期内工作周期的大小来控制输出功率

PWM的功能是建立在标准的定时器之上，它拥有32位定时器及预分频控制电路和7个匹配寄存器，可实现6个单边PWM或3个双边PWM输出，也可采用这两种类型的混合输出。

它具有匹配中断，匹配PWMTC复位和匹配PWMTC停止功能，如果不使能PWM模式，可作为一个标准的定时器。

32位定时器计数器PWMTC的计数频率由pclk经过PWMPR进行分频控制得到。

而定时器的启动/停止、计数复位由PWMTCR控制。

当有比较匹配事件发生时，PWMIR会设置相关中断标志。

若已打开中断允许（VIC），则会产生中断。

当然，预分频寄存器PWMPR只是控制分频数，而其对应的预分频计数器是PWMPC,但用户不需要操作PWMPC。

第三章设计心得体会

李娟的心得体会：

通过各方面努力，本次课程设计任务完成，系统预设功能已实现，可以对直流电机进行测速和调速，但硬件部分还不够完善，在下次的努力方向上会加以修正。

课程设计是大学阶段一次非常难得的理论与实践相结合的机会，通过这次系统的项目设计提高了我运用所学的专业基础知识来解决面临实际问题的能力，同时也提高了我查阅各种文献资料、设计手册、设计规范以及软件编程排版的水平。

我们小组三人在这课程设计的过程中，受益匪浅。

通过对自己在大学时间里所学的知识的回顾，并充分发挥对所学知识的理解和对课程设计的思考及书面表达能力，最终完成了这项课设。

这次课设为我们今后进一步深化学习，积累了一定的宝贵经验。

撰写论文的过程也是专业知识的学习过程，运用已有的专业基础知识，对其进行设计，分析和解决一个理论问题或实际问题，把知识转化为能力的实际训练，并且为即将到来的毕业设计论文做好准备及铺垫。

本次课题培养了我们运用所学知识解决实际问题的能力，确实也有所提高。

通过这次课程设计发现：

只有理论水平提高了，才能够将课本知识与实践相整合，理论知识服务于教学实践，以增强自己的动手能力。

这个课设十分有意义，使我们获得很深刻的经验。

通过这次课程设计，我们知道了理论和实际的距离，也知道了理论和实际想结合的重要性，，也从中得知了很多书本上无法得知的知识。

我们的学习不但要立足于书本，以解决理论和实际教学中的实际问题为目的，还要以实践相结合，理论问题即实践课题，解决问题即课程研究，学生自己就是一个专家，通过自己的手来解决问题比用脑子解决问题更加深刻。

学习就应该采取理论与实践结合的方式，理论的问题，也就是实践性的课题。

这种做法既有助于完成理论知识的巩固，又有助于带动实践，解决实际问题，加强我们的动手能力和解决问题的能力。

当然，做课设的过程中，难免出现一些问题，硬件软件上的各种问题，但通过我们一起协商努力，最终克服了这些问题。

只有经历了错误，才能学会避免下一次的错误，课设需要认真、高度热情，以及小组的团结协作。

参考文献：

[1]周立功.编著.ARM微控制器基础与实践[M].北京：

北京航空航天大学出版社.2005

[2]沈建华.译.ARM嵌入式系统开发、软件设计与优化[M].北京：

北京航空航天大学出版社.2005

附录1：

附录2：