直流电机调速系统设计.docx
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直流电机调速系统设计
《嵌入式系统原理与应用》综合设计
直流电机调速系统设计
系部：
电子与信息工程系
专业班级：
通信工程09秋1班
姓名：
学号：
小组成员：
指导教师：
完成日期2012年6月
1引言
转速测量是现代社会生产和生活中重要的测量和控制对象。
近年来，由于世界范围内对转速测量合理利用的日益重视，促使转速测量技术的迅速发展，各种新型的测量仪表相继问世并越来越多的得到应用。
进行转速测量的检测控制，可以使用多种传感器。
由于技术保密，厂家不会提供详电路图和源代码，用户很难自行进行二次开发和改进。
针对这种现状，使用LM3S2110微控制器芯片结合液晶显示屏对电机进行速度控制，并进行显示。
1.1电机转动测量现状及前景
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通知地位。
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。
在电气时代的今天，电动机在工农业生产也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的有点，因此在社会的各个领域中都得到了十分广泛的应用。
本实验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。
随着社会的发展，各种智能化的产品日前走入裙长百姓家。
为了实现产品的便携性、底成品以及对电源的限制，小型电流电机应用想当广泛。
1.2摘要
（1）转速时发动机重要的工作参数之一，也是其它参数计算的重要依据。
目前常用的转速测量方法有离心转速表测速法、光电码盘测速法和霍尔元件测速法等。
在对各种测速方法进行分析后提出了基于光电传感器的转速测量系统那个。
详细分析了系统的组成及工作原理，给出了系统中各硬件模块设计方法及系统软件设计方法，给出了部分程序流程图和设计清单。
该测速系统安装维护方便、工作稳定、运行可靠。
具有较大的推广应用价值。
目前科研生产中采用的速度测量方法可分为两类：
直接测量法和间接测量法两大类。
直接测量法时通过魔种测量原理或效应直接获得速度量，如多普勒测速仪、空间滤波测速等。
这种方法的最大优点是反应快、可测量瞬时速度，但设备成本高，且受到大气物理环境的限制。
间接测量法师测量目标的移动距离和时间，通过计算得到速度量。
（2）在电气时代的今天，电动机在工农业生产也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的有点，因此在社会的各个领域中都得到了十分广泛的应用。
本实验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。
随着社会的发展，各种智能化的产品日前走入裙长百姓家。
为了实现产品的便携性、底成品以及对电源的限制，小型电流电机应用想当广泛。
转速测量是现代社会生产和生活中重要的测量和控制对象。
近年来，由于世界范围内对转速测量合理利用的日益重视，促使转速测量技术的迅速发展，各种新型的测量仪表相继问世并越来越多的得到应用。
2课程设计介绍
设计一种直流电机测速系统，以LMS2110为控制核心，通过按键改变电机电机速度，并在液晶屏上显示速度。
实现了按键输入、电机驱动、转速改变、转速显示等功能。
2.1课程设计目的
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，控制方法也日渐成熟，他对ARM的要求是：
具有够快的速度；有PWM口，用于自动产生PWM波；有捕捉功能，勇于测频；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的同事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。
通过本次综合设计，运用已学的课程知识，根据题目要求进行软硬件系统的设计和调试,对《嵌入式系统原理与应用》课程中涉及的芯片结构、控制原理、硬件和编程等方面有一定的感性认识和实践操作能力，从而加深对本课程知识点的理解，在应用知识能力、设计能力、调试能力以及报告撰写能力等方面有显著提高。
2.2题目要求
2.2.1题目
直流电机调速系统设计
2.2.2工作流程
（1）按下电源键，电源指示灯亮；
（2）按运行键，电机运转。
按速度增键，电机速度加快；按速度减键，电机速度减慢；
（3）LED实时显示当前的电机的速度；
（4）运行过程中，若再按下电源键，则系统停止工作，电源指示灯灭。
2.2.3设计要求
（1）利用实验系统的资源来设计一个“直流电机调速系统”。
（2）控制面板包括：
四位数码显示、十个数字按键键盘、电源按键、电源指示灯、两个速度增减键和一个运行键。
2.2.4实验设备与器材
实验设备：
LM3S2110板、PC机一台。
实验器材：
LCD1602液晶显示器、MagicARM2200教学实验开发平台。
3总体设计方案综述
3.1ARM7简介
ARM7引系列处理是英国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·诺依曼结构：
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WWU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）：
这是公司授权的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，他还利用嵌入式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，同时设备Thumb扩展、调试和Harvard总线。
再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。
3.2设计思路及流程图
利用ARM上位设计一个直流电机的软件模拟PWM驱动及测速系统，并且通过嵌入式开发平台试验箱上的模块来测量转速。
本系统具有精度高，成本低，是用方便等优点。
利用ARM控制直流电机并测量转速，显示速度。
（1）系统总体框图
图3.1直流电机调速系统总体框图
（2）设计流程图
图3.2直流电机调速系统设计流程图
（3）调速设计框图
图3.3调速设计框图
4系统硬件部分的设计及说明
4.1工作原理
4.1.1PWM控制原理
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4.1为PWM降压斩波器的原理电路及输出电压波形。
在图4.1a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），然后关掉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4.1b中所示。
电动机电枢端电压Ua为其平均值。
图4.1PWM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
式中
为一个周期T中，晶体管V1导通时间的比率，成为负载率或占空比。
使用下面散户总方法中的任何一种，都可以改变a的值，从而达到调压的目的：
定宽调频法：
T1保持一定，是T2在0到无穷大范围内变化；
调宽调频法：
T2保持一定，是T1在0到无穷大范围内变化；
定频调宽法：
T1+T2=T保持一定，是T在0到T范围内变化。
不管哪种方法，a的变化范围均为a属于【0,1】，因而电枢电压平均值Ua的调节范围为0到Ud，均为正值，及电动机只能在某一方向调速，成为不可逆调速。
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4.1-4.2a所示的桥式（或称H型）降压斩波电路。
在图4.2a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U的直通短路。
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。
该间隔时间成为死去时间）之后，再是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4.2b所示。
图4.2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
4.1.2直流电机测速原理
电机的叶轮置于红外对射管之间，叶轮转过，挡住传感器，产生中断，给单片机，从而实现计数，进而计算出电机的速度。
直流电机的转速计算公式如下：
n=（U-IR）/Kφ，其中U为电枢端电压，I为电枢电流，R为电枢电路总电阻，φ为每极磁通量，K为电动机结构参数。
可以看出，转速和U、I有关，并且可控量只有这两个，我们可以通过调节这两个量来改变转速。
我们知道，I可以通过改变电压进行改变，而我们常提到的PWM控制也就是用来调节电压波形的常用方法，这里我们也就是用PWM控制来进行电机转速调节的。
通过单片机输出一定频率的方波，方波的占空比大小绝对平均电压的大小，也决定了电机的转速大小
4.2LMS2110
4.2.1LMS2110简介
图4.3LMS2110微控制器
LM3S2110微控制器是针对工业应用方案而设计的，包括远程监控、电子贩售机、测试和测量设备、网络设备和交换机、工厂自动化、HVAC和建筑控制、游戏设备、运动控制、医疗器械、以及火警安防。
除此之外，该LM3S2110微控制器的优势还在于能够方便的运用多种ARM的开发工具和片上系统（SoC）的底层IP应用方案，以及广大的用户群体。
另外，该微控制器使用了兼容ARM的Thumb指令集的Thumb2指令集来减少存储容量的需求，并以此达到降低成本的目的。
最后，LM3S2110微控制器与Stellaris系列的所有成员是代码兼容的，这为用户提供了灵活性，能够适应各种精确的需求。
为了能够帮助用户产品快速的上市，LuminaryMicro公司提供了一整套的解决方案，包括评估和开发用的板卡、白皮书和应用笔记、方便使用的外设驱动程序库以及强劲的支持、销售和分销网络。
LMS2110开发板中包含一块LM3S2110微控制器，另外主要可以使用的元器件有：
1个RST键，4个独立按键，8个LED灯和1个蜂鸣器。
本课程设计用到的有关管脚如下
（1）在PWM模式中，TimerA或TimerB被配置为16位的递减计数器，通过设置适当的装载值（决定PWM周期）和匹配值（决定PWM占空比）来自地产生PWM方波信号从相应的CCP管脚输出。
可用的CCP管脚，如表1，本设计实验用到了定时器0。
表4.1可使用的CCP管脚
定时器
16位向上/向下计数器
偶数CCP管脚
奇数CCP管脚
定时器0
TimerA
CCP0
-
TimerB
-
CCP1
定时器1
TimerA
CCP2
TimerB
CCP3
定时器2
TimerA
TimerB
（2）用到的LED灯和KEY按键
ARM2110开发板中，有8个LED小灯，其原理电路图如图4.5所示。
这8个小灯--LED1~LED8各自的负极连接了一个4.7K的电阻后依次连接在微控制器LM3S2110上的PF1、PF2、PB0、PB1、PB2、PB3、PE0、PE1这8个引脚上，当这8个引脚中的某个引脚得到低电平时，其相连的LED小灯就会亮起来。
LMS2110开发板中有4个独立按键，其原理电路图如图4.4所示。
这四个独立按键—KEY1~KEY4各自的一端依次连接在微控制器LM3S2110上的PH1、PB6、PB5、PB4四个引脚上。
图4.4LMS2110开发板KEY按键管脚图图4.5LMS2110开发板LED灯管脚图
4.2.2LMS2110中断功能介绍
ARMCorter-M3微控制器和嵌套向量中断控制器（NVIC）将区分所有异常的优先等级并对其进行处理。
所有异常都在控制器模式中处理。
在出现异常时，控制器的状态将被自动存储到堆栈中，并在中断服务程序（ISR）结束时自动从堆栈中恢复。
取出向量和保存状态时同时进行的，这样便提高了进入中断的效率。
中断是通过NVIC中断设置使能寄存器来使能的，并且由NVIC中断优先级寄存器来区分其优先等级。
4.31602液晶显示模块设计
4.3.11602液晶显示模块简介
图4.61602液晶显示模块
所谓1602是指显示的内容为16*2,即可以显示两行，每行16个字符。
目前市面上字符液晶绝大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。
现代的液晶显示屏（LCD）用于数字型钟表和许多便携式计算机的一种显示器类型。
LCD显示使用了两片极化材料，在它们之间是液体水晶溶液。
电流通过该液体时会使水晶重新排列，以使光线无法透过它们。
因此，每个水晶就像百叶窗，既能允许光线穿过又能挡住光线。
液晶显示器（LCD）目前科技信息产品都朝着轻、薄、短、小的目标发展，在计算机周边中拥有悠久历史的显示器产品当然也不例外。
4.3.2设计用到的管脚
字符型LCD1602通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线VCC（15脚）和地线GND（16脚），其控制原理与14脚的LCD完全一样，引脚定义如表2。
表4.21602液晶显示模块管脚图
引脚号
引脚名
电平
输入/输出
作用
1
Uss
电源地
2
Ucc
电源（+50）
3
Uee
对比调整电压
4
RS
0/1
输入
0=输入指令
1=输入数据
5
R/W
0/1
输入
0=向LCD写入指令或数据
1=从LCD读取信息
6
E
1,1—0
输入
使能信号，1时读取信息，1—0（下降沿）执行指令
7
DB0
0/1
输入/输出
数据总线line0（最低位）
8
DB1
0/1
输入/输出
数据总线line1
9
DB2
0/1
输入/输出
数据总线line2
10
DB3
0/1
输入/输出
数据总线line3
11
DB4
0/1
输入/输出
数据总线line4
12
DB5
0/1
输入/输出
数据总线line5
13
DB6
0/1
输入/输出
数据总线line6
14
DB7
0/1
输入/输出
数据总线line7（最高位）
15
A
+Ucc
LCD背光电源正极
16
K
接地
LCD背光电源负极
4.4硬件电路图
本课程设计用到了LMS2110开发板、1602液晶显示模块，如图4.7是各板块连接的内部管脚图。
图4.7LMS2110、1602液晶显示、导线的连接电路内部管脚图
5系统软件概述
5.1IAR介绍使用说明
（1）新建工程：
File-Open-Workspace，建立新工程
图5.1新建工程：
File-Open-Workspace图5.2新的工程
（2）Project-CreateNewProject
图5.3Project-CreateNewProject
（3）保存工程，工作空间文件后缀.eww，工程的后缀.ewp
图5.4保存工程
（4）输入嵌入式程序
图5.5输入嵌入式程序
（5）点击Make进行程序校验
图5.6进行程序校验
（6）点击DOWNLOADANDDEBUG将程序输入板子中
图5.7将程序输入板子中
5.2总体流程
（1）开发环境：
系统软件采用IAR集成开发环境开发
（2）总体流程概况
我们在程序主循环中实现按键扫描与转速显示，通过定时器0每个50ms产生一次时钟中断，每1s更新一次要显示的速度。
通过定时器1实现PWM波的输出，每隔20ms输出一次PWM波。
使用外部中断0，将ARM2110传感器的输入设为外部中断，中断出发方式为下降沿触发。
每产生一个外部中断，计数值加一。
每隔1s显示并清空计数值，以此实现测速功能。
5.3初始化
无论任何软件或系统必须要进行初始化。
所谓初始化就是把其中的某些参数或者数值变为默认值，或者将控件调整为默认状态。
5.3.1GPIO初始化
针对不同端口的GPIO引脚，都要分别进行初始化的设置。
最基本的GPIO初始化步骤包括：
（1）使能端口；
（2）设置引脚的输入或输出状态；（3）设置引脚的上升沿或下降沿触发的状态；（4）设置引脚的中断使能；（5）设置端口的中断使能。
5.3.2定时器的初始化
LMS2110对于16为单次触发、周期定时器，Timer可以被才分为两个单独运行的16位定时、计数器，都可以被配置成带8位预分频（可选）的16位递减计数器。
如果使用8位预分频功能，则相当于24位定时器。
具体用法跟32位单次触发、周期定时器类似，只不过对TimerA和TimerB被配置为能够捕获外部输入脉冲边沿事件的递减计数器。
共有3种边沿事件类型：
正边沿、负边沿、双边沿。
5.3.3LED灯的初始化
使能和配置完成后将LED灯（PF1）赋初值，因为它们均为低电平使能，故将初值赋为全“1”。
6系统模拟测试与调试
6.1测速方案
测试包含仿真测试和硬件测试两个部分。
仿真测试指使用ProteusPro7.1对系统进行仿真测试。
主要测试系统电路的设计和验证程序逻辑的正确性。
硬件测试指系统搭建后对硬件电气性能的测试。
主要测试各功能的完整性可靠性，以及系统电气性能的稳定性。
测试工具为示波器万用表等。
6.2测试结果
6.2.1仿真测试结果
（1）仿真测试中，系统运行正常，程序逻辑正确。
按键输入正常、数码管显示正确。
（2）输出PWM波正常。
6.2.2硬件测试结果
（1）系统硬件搭建完毕后，进行硬件测试。
（2）系统加电后，振荡电路正常起振，STC89C52在时钟源电路的驱动下运行正常。
（3）系统可在复位电路的作用下正常复位。
（4）系统按键输入正常，并能够正确消除抖动。
（5）系统PWM波输出正常。
将示波器接STC89C52的P1.7管脚，可观察到峰峰值5V左右的方波，其占空比可由按键key1在30%和70%之间切换，频率与调速要求一致。
（6）电桥驱动电路正常，在PWM驱动下可稳定驱动电机运行。
（7）ST151传感器测量正常，在电机稳定运行时，示波器可在传感器电路输出端测得稳定的方波信号。
（8）数码管转速显示正常，数码管可正确显示并正确显示电机转速。
6.3设计现象分析
（1）实验分析：
a、按下电源键，LED3亮，液晶屏显示“SPEEDUPandDOWN”，电机静止；
b、按下KEY1键，LED3保持亮，LED4闪烁，液晶屏显示数字“550—450”跳变，电机转速缓慢；
c、按下KEY2键，LED3保持亮，LED4闪烁，液晶屏显示数字“450—550”跳变，电机转速飞快；
d、按下电源键，液晶屏恢复，LED灯灭，电机恢复静止。
（2）现象简述
a、打开电源，液晶屏显示“SPEEDUPandDOWN”，电机静止；
图6.4液晶屏显示“SPEEDUPandDOWN”图6.2电机静止
b、按下KEY1键，电机减速，液晶屏由550减小到450，如图6.3—6.4，转速变慢如图6.5；
c、按下KEY2键，电机加速，液晶屏由450增速至550，如图6.4—6.3，转速增大，如图6.5。
图6.3液晶屏显示550图6.4液晶屏显示450图6.5电机转速变快
7心得体会
这次的课程设计为期一个月的时间。
在这段时间里我们深入了解了之前学习过的ARM7嵌入式系统设计，了解了LMS2110微控制器开发板的使用，了解了1060液晶显示模块的使用，学习了软件IAR的使用，并且在硬件上还采用了基于PWM技术的调速电路，虽然也遇到了这样或者那样的问题，但是我们还是完成了“直流电机调速系统设计”课题。
其实，实际效果的出来还是跟最一开始我们的想象是不一样的，最开始我们的想象是一共用到四个按键来分别控制电源的开启/关闭、电机开始转动、电机加速、电机减速，并且希望LED3不亮，但是设计中还是遇到了问题，比如液晶屏了连接管脚中有些管脚连上线路后LED3的灯会一直长亮，或者我们换一个灯亮却会导致整个系统的瘫痪等。
各种问题层出不穷，我们耐着心思琢磨着，希望可以一一解决。
并且经过反复的检查，我们发现并解决了电机的驱动存在问题，我们的程序内部延时效果也不好，数码管显示间隔较大，对按键的消抖处理也有不足，但经多次调试最终的效果还是比较理想，当然，我们做的还有不足之处，比如说：
调速模块的灵敏度不够高等。
另外，我们还发现了有时数码显示会有乱码或者出现类似日文的字符，那是因为有些地方短路了。
我们看着最后并不完美但已经很不错的设计现象，我们还是很开心。
总之，通过这次课设，我觉得一定要将理论和实践联系起来，才能够好的掌握所学的理论知识。
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附录
附录1人员分配
直流电机测速系统设计中系统软件部分由王妍负责，系统硬件部分由霍然负责。
附录2程序清单
#include"systemInit.h"
#include
#definePART_LM3S2110
//定义KEY
#defineKEY1_PERIPHSYSCTL_PERIPH_GPIOB
#defineKEY1_PORTGPIO_PORTB_BASE
#defineKEY1_PINGPIO_PIN_6
//定义KEY
#defineKEY2_PERIPHSYSCTL_PERIPH_GPIOH
#defineKEY2_PORTGPIO_PORTH_BASE
#defineKEY2_PINGPIO_PIN_1
#definelcdenGPIO_PIN_0//PB0;
#definelcdrsGPIO_PIN_1//PB1;
unsignedchardata;//PD0-PD7;
unsignedcharn
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