直流电机调速系统的研究和设计.docx
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直流电机调速系统的研究和设计
摘要Ⅰ
AbstractⅡ
1嵌入式系统和ARM微处理器的概述2
1.1.1嵌入式系统的发展历史和现状2
1.1.2嵌入式系统的应用3
1.2LM3S1138微控制器的介绍4
1.2.1LM3S1138微控制器的特点4
1.2.2EASYARM1138开发板的介绍6
1.3直流电机的概述6
1.3.1直流电机的特点和分类6
1.3.2有刷直流电机的工作原理7
1.3.3直流电机的电器特性7
1.4PWM技术的简介8
1.5直流电机的应用9
2系统的总体方案设计10
2.1系统分析10
2.1.1系统功能分析10
2.1.2系统原理框架结构10
2.2直流电机PWM调速系统总体设计11
2.2.1直流电机的电枢的PWM调压调速原理11
2.2.2PWM控制方法的选择12
2.4直流电机驱动方案选择13
2.5直流电机速度控制算法选择15
2.6显示方案选择17
2.7基本方案的确定17
3系统硬件电路设计19
3.1EASYARM1138开发板电路19
3.2直流电机驱动模块电路设计19
3.3测速模块电路设22
3.4按键模块电路设计22
4系统软件设计24
4.1系统软件设计的基本原则24
4.2主程序的设计24
4.3显示子程序的设计25
4.3.1LCD1602显示原理25
4.3.2LCD1602液晶显示流程27
4.4键盘子程序的设计27
4.5 调速程序流程图28
4.5.1 正反转程序流程图28
4.5.2加速减速程序流程图29
4.5.3比例调速流程图30
结论31
参考文献32
致谢33
摘要
本设计主要是对直流电机调速系统的研究和设计。
在直流电机的运行控制中，通常广泛采用脉冲宽度调制（PWM）技术，具有响应快、精度高、平稳性好等特点。
直流电机的转速与电机两端的电压成比例，PWM将直流电源调制成具有一定频率的宽度（脉冲占空比）可调的方波脉冲电压，加在直流电机的电枢上，通过改变占空比实现电机两端平均电压的调节，占空比越大，加在电机两端平均电压越大，电机速度越快。
驱动直流电机采用一种基于H桥高电压、大电流的电机驱动芯片L298，以嵌入式LM3S1138微控制器为主控制器，通过PWM在L298的驱动下实现电机速度的调节。
对于速度的误差，采用较为简单，实用且效果较好的闭环比例调节算法实现电机速度的精确调整。
微控制器把检测到的电机转速与设定的转速进行比较，通过闭环比例调节对方波脉宽进行调制，从而改变电机两端的平均电压，实现对电机转速的反馈控制。
关键词：
闭环调速；嵌入式；PWM；LM3S1138
Abstract
ThisdesignmainlyforDCmotorspeedcontrolsystemresearchanddesign.IntheDCmotoroperationcontrol,usuallywidelyusedpulsewidthmodulation（PWM）technology,fastresponse,highaccuracy,stabilityisgood.DCmotorspeedandthemotorisproportionaltothevoltageacross,PWMmodulationintotheDCpowersupplyhasafrequencywidth（pulsedutycycle）squarewavepulseswithadjustablevoltage,addedtotheDCmotorarmature,throughchangesinaccountingspacethantheaveragevoltageacrossthemotortoregulatethedutycycleofthegreaterincreaseintheaveragevoltageacrossthelargermotor,themotorfaster.DCmotordrivebasedontheHbridgeusingahighvoltage,highcurrentmotordrivechipL298,LM3S1138microcontroller-basedembeddedcontroller,drivenbyPWMtoachieveintheL298motorspeedregulation.Fortheerrorrate,usingsimple,practicalandadjusttheratioisbetterclosed-loopalgorithmtoadjustmotorspeedprecision.Micro-controllertodetectthemotorspeedcomparedwiththespeedsetbyadjustingtheproportionofclosed-looppulse-widthmodulatedsquarewave,therebychangingtheaveragevoltageacrossthemotortorealizethefeedbackcontrolofmotorspeed.
Keyword:
Closedloopvelocitymodulation;Embedded;PWM;LM3S1138
引言
嵌入式微控制器又称单片机。
嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心,芯片内部集成ROM、PEPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时P计数器、WatchDog、IPO、串行口、脉宽调制输出、APD、DPA、FlashRAM、E2PROM等各种必要功能和外设。
为适应不同的应用需求，一般一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。
这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，功能不多不少，从而减少功耗和成本，其应用已深入到工业、农业、教育、国防、科研以及日常生活等各个领域，对各行各业的技术改造、产品更新换代、加速自动化化进程、提高生产率等方面起到了极其重要的推动作用。
ARM是近年来发展非常迅速的处理器，有很好的应用前景。
将其应用于直流电机的调速控制，有极大的使用价值。
以脉宽调制技术为代表的电机数字驱动技术也在迅猛发展，将计算机应用于这一领域正好可以发挥其在数字控制方面的优势。
本课题研究了一种直流电机转速的控制系统。
基本思想就是利用ARM开发板具有的PWM端口，在不改变PWM方波周期（频率）的前提下，通过软件的方法调整PWM的占空比，控制电机输入电压，进而控制电机转速。
本方法所要求的ARM开发板必须具有PWM端口，另外，ARM芯片的工作速度尽量快。
在收到上位机指令后调整输出PWM占空比。
脉冲宽度调制是直流电机调速中最为有效的方法，即给直流电机输入高速的开关脉冲信号，通过改变脉冲信号开关的比例，达到速度控制的效果。
系统中使用的是前一种固定频率下改变占空比的PWM方法，在整个过程中改变的仅仅是电压信号的占空比，至于其它参数，尤其是脉冲频率并没有改变，通过调整基本周期内工作周期的大小来控制输出功率。
电机的转速与电机两端的电压成比例，而电机两端的电压与控制波形的占空比成正比，因此电机的速度与占空比成比例，占空比越大，电机转得越快。
PWM采用软件的方法来实现调速过程，具有更大的灵活性，实现了硬件设计软件化。
PWM技术是降低直流电机功耗的一种好方法，它使驱动芯片和电机的发热减少，从而电机也可以用得更久。
并且较好地实现了对直流电机的速度控制，简化了电路，并具有精度高、快速响应性好、稳定性高等优点，具有很好的应用前景。
1嵌入式系统和ARM微处理器概述
1.1嵌入式系统概况
1.1.1嵌入式系统的发展历史和现状
嵌入系统发展历史及现状当今世界，以计算机技术、芯片技术和软件技术为核心的数字化技术取得了迅猛发展，不仅广泛渗透到社会、经济、军事、交通、通信等相关行业，而且深入到家电、娱乐、艺术、社会文化等各个领域，掀起了一场数字化技术革命。
现代控制技术、多媒体技术与Internet的应用与普及，促使消费电子、计算机、通信（3C）一体化趋势步伐加快，嵌入式技术再度成为一个研究热点。
嵌入系统是以应用为中心，软硬件可裁减，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。
嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成，它是集软硬件于一体的可独立工作的"器件"。
综观嵌入式技术的发展，大致经历了以下3个阶段：
第1阶段是嵌入技术的早期阶段，以功能简单的专用计算机或单片机为核心的可编程控制器形式存在，具有监测、伺服、设备指示等功能。
这种系统大部分应用于各类工业控制和飞机、导弹等武器装备中，早期系统中一般没有操作系统的支持，通过汇编语言编程对系统进行直接控制，运行结束后清除内存。
这一阶段系统的主要特点是：
系统结构和功能都相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口，比较适合于各类专用领域中。
第2阶段是以嵌入式CPU和嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。
这一阶段系统的主要特点是：
计算机硬件出现了高可靠、低功耗的嵌入式CPU，如PowerPC等，各类商业嵌入式操作系统系统开始出现并得到迅速发展，嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好；操作系统内核精小、效率高，并且具有高度的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、设备支持、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能；具有大量的应用程序接口（API），开发应用程序简单；嵌入式应用软件丰富。
第3阶段是以芯片技术和Internet技术为标志的嵌入式系统。
微电子技术发展迅速，SOC（片上系统）使嵌入系统越来越小，功能却越来越强。
目前大多数嵌入式系统还孤立于Internet之外，但随着Internet的发展以及Internet技术与信息家电、工业控制技术等结合日益密切，嵌入式技术与Internet技术的结合正推动嵌入式技术的快速发展。
1.1.2嵌入式系统的应用
嵌入式系统技术具有非常广阔的应用前景，其应用领域可以包括：
1）工业控制：
基于嵌入式芯片的工业自动化设备将获得长足的发展，目前已经有大量的8、16、32位嵌入式微控制器在应用中，网络化是提高生产效率和产品质量、减少人力资源主要途径，如工业过程控制、数字机床、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化工系统。
就传统的工业控制产品而言，低端型采用的往往是8位单片机。
但是随着技术的发展，32位、64位的处理器逐渐成为工业控制设备的核心，在未来几年内必将获得长足的发展。
2）交通管理：
在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面，嵌入式系统技术已经获得了广泛的应用，内嵌GPS模块，GSM模块的移动定位终端已经在各种运输行业获得了成功的使用。
目前GPS设备已经从尖端产品进入了普通百姓的家庭，只需要几千元，就可以随时随地找到你的位置。
3）信息家电：
这将称为嵌入式系统最大的应用领域，冰箱、空调等的网络化、智能化将引领人们的生活步入一个崭新的空间。
即使你不在家里，也可以通过电话线、网络进行远程控制。
在这些设备中，嵌入式系统将大有用武之地。
4）家庭智能管理系统：
水、电、煤气表的远程自动抄表，安全防火、防盗系统，其中嵌有的专用控制芯片将代替传统的人工检查，并实现更高，更准确和更安全的性能。
目前在服务领域，如远程点菜器等已经体现了嵌入式系统的优势。
5）POS网络及电子商务：
公共交通无接触智能卡（ContactlessSmartcard,CSC）发行系统，公共电话卡发行系统，自动售货机，各种智能ATM终端将全面走入人们的生活，到时手持一卡就可以行遍天下。
6）环境工程与自然：
水文资料实时监测，防洪体系及水土质量监测、堤坝安全，地震监测网，实时气象信息网，水源和空气污染监测。
在很多环境恶劣，地况复杂的地区，嵌入式系统将实现无人监测。
7）机器人：
嵌入式芯片的发展将使机器人在微型化，高智能方面优势更加明显，同时会大幅度降低机器人的价格，使其在工业领域和服务领域获得更广泛的应用。
本课题将对基于ARM微处理器的直流驱动电机转速控制系统做深入研究，并对其设计、开发、调试方面做出研究。
在系统软件开发过程中，学会嵌入式系统的移植和应用程序的开发。
1.2LM3S1138微控制器的介绍
1.2.1LM3S1138微控制器的特点
LM3S1138是基于ARM®Cortex™-M3的控制器，对成本尤其敏感的嵌入式微控制器应用方案带来了高性能的32位运算能力。
这些具备领先技术的芯片使用户能够以传统的8位和16位器件的价位来享受32位的性能。
LM3S1138微控制器还具有一个电池备用的休眠模块，从而有效的使LM3S1138芯片在未被激活的时候进入低功耗状态。
一个上电/掉电序列发生器、连续的时间计数器（RTC）、一对匹配寄存器、一个到系统总线的APB接口以及专用的非易失性存储器、休眠模块等功能组件使LM3S1138微控制器极其适合用在电池的应用中。
除此之外，该LM3S1138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，LM3S1138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。
采用为小封装应用方案而优化的32位ARM®Cortex™-M3v7M架构。
提供系统时钟、包括一个简单的24位写清零、递减、自装载计数器，同时具有灵活的控制机制仅采用与Thumb®兼容Thumb-2指令集以获取更高的代码密度。
工作频率为50-MHz硬件除法和单周期乘法。
集成嵌套向量中断控制器（NVIC）。
1）内部存储器：
64KB单周期Flash，可由用户管理对flash块的保护，以2KB为单位，可由用户管理对flash的编程，可由用户定义和管理的flash保护块，16KB单周期访问的SRAM。
2）通用定时器：
4个通用定时器模块（GPTM），每个提供2个16-位定时器。
每个GPTM可被独立配置进行操作：
作为一个32位定时器，作为一个32位的实时时钟（RTC）来捕获事件，用于脉宽调解器（PWM），触发模数转换。
3）32位定时器模式：
可编程单次触发定时器；可编程周期定时器；ADC事件触发器。
4）16位定时器模式：
通用定时器功能，并带一个8位的预分频器；可编程单次触发定时器；可编程周期定时器；在调试的时候，当控制器发出CPU暂停标志时，用户可设定暂停周期或者单次模式下的计数。
5）16位输入捕获模式：
提供输入边沿计数捕获功能，提供输入边沿时间捕获功能。
6）16位PWM模式：
简单的PWM模式，对PWM信号输出的取反可由软件编程决定。
7）兼容ARMFiRM的看门狗定时器：
32位向下计数器，带可编程的装载寄存器,带使能功能的独立看门狗时钟。
带中断屏蔽功能的可编程中断产生逻辑，软件跑飞时可锁定寄存器以提供保护，带使能/禁能的复位产生逻辑。
在调试的时候，当控制器发出CPU暂停标志时，用户可以设定暂停定时器的周期。
8）同步串行接口（SSI）两个SSI模块：
每个都具有以下的特点：
主机或者从机方式运作；可编程控制的时钟位速率和预分频；独立的发送和接收FIFO，8X16位宽的深度；可编程控制的接口，可与Freescale的SPI接口，MICROWIRE或者TI器件的同步串行接口相连。
可编程决定数据帧大小，范围为4到16位。
内部循环自检模式可用于诊断/调试。
9）UART：
3个完全可编程的16C550-typeUART，支持IrDA。
带有独立的16x8发送（TX）以及16x12接收（RX）FIFO，可减轻CPU中断服务的负担，可编程的波特率产生器，并带有分频器，可编程设置FIFO长度，包括1字节深度的操作，以提供传统的双缓冲接口。
FIFO触发水平可设为1/8,1/4,1/2,3/4和7/8。
标准异步通信位：
开始位、停止位、奇偶位。
10）ADC：
独立和差分输入配置，用作单端输入时有8个10位的通道（输入）。
采样速率为1,000,000次/秒，灵活、可配置的模数转换。
4个可编程的采样转换序列，1到8个入口长，每个序列均带有相应的转换结果FIFO，每个序列都可以由软件或者内部事件（定时器，模拟比较器，或GPIO）触发。
11）模拟比较器：
3个独立集成的模拟比较器，可以把输出配置为：
驱动输出管脚、产生中断或启动ADC采样序列。
比较两个外部管脚输入或者将外部管脚输入与内部可编程参考电压相比较。
12）两个I2C模块：
在标准模式下主机和从机接收和发送操作的速度可达100Kbps，在快速模式下可达400Kbps。
主机带有仲裁和时钟同步功能、支持多个主机、以及7位寻址模式。
13）GPIO：
高达9-46个GPIO，具体数目取决于配置。
输入/输出可承受5V，中断产生可编程为边沿触发或电平检测。
可启动一个ADC采样序列，GPIO端口配置的可编程控制。
2mA、4mA和8mA端口驱动，8-mA驱动的斜率控制。
开漏使能，数字输入使能。
1.2.2EasyARM1138开发板的介绍
EasyARM1138是一款基于ARMCortex™-M3先进内核的高性能的Cortex™-M3开发板。
EasyARM1138的核心MCU是美国LuminaryMicro公司的Stellaris®（群星）系列ARM之LM3S1138。
具有如下功能特点：
1）强大的MCU内核：
32位ARMCortex™-M3内核（ARMv7M架构）；兼容Thumb的Thumb-2指令集，提高代码密度25%以上；50MHz运行频率，1.25DMIPS/MHz，加快35%以上；单周期乘法指令，2～12周期硬件除法指令；快速可嵌套中断，6～12个时钟周期；具有MPU保护设定访问规则；64KB单周期Flash,16KB单周期SRAM；内置可编程的LDO输出2.25V～2.75V，步进50mV；持非对齐数据的访问，有效地压缩数据到内存；支持位操作，最大限度使用内存，并提供创新的外设控制；内置系统节拍定时器（SysTick），方便操作系统移植。
2）丰富的外设资源：
7组GPIO，可配置为输入、输出、开漏、弱上拉等模式；4个32位Timer，每个都可拆分为2个独立的16位子定时器，具有定时、捕获、PWM、RTC等丰富功能；3路全双工UART，位速率高达3.125Mbps，16单元接收FIFO；和发送FIFO，支持串行红外协议（IrDASIR）；2路I2C，支持100kbps标准模式、400kbps快速模式；2路SSI，兼容FreescaleSPI、MICROWIRE、TexasInstruments；串行通信协议，位速率高达25Mbps；6路16位PWM，通过CCP管脚能产生高达25MHz的方波；3个模拟比较器；8通道10位ADC，采样速率可达1M/s，附带温度传感器；内置看门狗定时器（WatchDogTimer），确保芯片可靠运行。
3）内嵌USB接口的下载仿真器：
仅需插入一根USB电缆就能实现“三合一”功能：
5V供电、程序下载与在线仿真、UART串行通信，不再要求电脑具有串口或并口，无论台式机还是笔记本电脑，只要拥有USB1.1或USB2.0接口就能运用自如。
USB接口提供虚拟UART的功能，不需要额外的接口电路。
4）开发软件：
IAREmbeddedWorkbenchforARM4.42A。
1.3直流电机的概述
1.3.1直流电机的特点和分类
电机是把电能转换成机械能的装置。
电机的种类繁多，如果按电源类型分，可分为直流电机和交流电机两大类。
常见的直流电机包括有刷电机、无刷电机、步进电机等。
直流有刷电机是所有电机的基础，它具有启动快、制动及时、可在大范围内平滑地调速、控制电路相对简单等特点。
本设计采用的是有刷直流电机。
直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。
直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。
运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。
1.3.2有刷直流电机（BDC）的工作原理
BDC电机的基本构造的组件包括定子、转子、电刷和换向器。
定子和转子磁场相互作用驱动电机旋转。
有刷直流电机的类型根据电机定子或外壳中磁场的产生方式来划分。
根据有刷直流电机的类型，定子磁场可以由永磁铁或定子中的绕组产生。
对于后一种情况，定子绕组与转子绕组可以是并行、串行、或混合方式连接。
这三种有刷直流电机分别称为并激电动机、串激电动机和复激电动机。
定子产生静止磁场。
这一静止磁场围绕在电枢（或称转子）的周围。
外加电源激发出电枢磁场。
BDC电机轴上还有两个圆弧形的铜片，称为换向片。
电机转动时，碳质的电刷在换向器上滑动。
这样就可以产生一个与定子的静止磁场相吸引的旋转磁场。
电枢和定子绕组中的电流由电池或其它直流电源供给（永磁BDC电机没有定子绕组）。
电池（或直流电源）提供恒定的直流电压。
电压幅度决定了电机的转速，因此是电池或直流电源是一个线性激励源。
改变BDC电机速度的最有效方式是采用脉宽调制（PWM）技术。
PWM技术是以固定的频率开关恒压源。
改变PWM信号的脉冲宽度可以调节电机的速度。
脉冲高低电平间的比例称为PWM信号的占空比。
直流电池电平的幅度等于PWM信号的平均幅度。
1.3.3直流电机的电器特性
图1-1为直流电机的等效电路图。
电源Eb给电机供电，产生电流Ia。
电机在运转过程中等效于电阻Ra和反向电动势Ec串接起来。
其中Ra为电枢等效电阻；Ec为电枢旋转时产生的反向电动势，它和转速成正比，转速越快，反向电动势越大。
根据图1.6列出了如下公式：
Eb=Ra⋅Ia+Ec（1-1）
上面已经说过，反向电动势和转速成正比，具体关系为:
Ec=Ce⋅Φ⋅N（1-2）
式中Ce是电动势常数，Φ是气隙磁通，它们都是电机的固有常数。
另外，电机的电流Ia和电机的输出转矩T成正比。
具体关系为：
T=CT⋅Φ⋅Ia（1-3）
式中CT是电磁转矩常数，它是电机的固有常数。
把上面三式合拼并整理得到：
N=K1⋅Eb−K2⋅Ra⋅T（1-4）
式中K1和K2是比例系数。
电源电压越高，转速越高。
当转矩为零时直线与纵轴的交点为某一电源电压下的最大转速，即空载时的转速；当转速为零时，直线与横轴的交点为某一电源电压下的最大转矩，即电机启动瞬间的转矩。
图1-1直流电机的电路等效图
1.4PWM技术简介
在直流电机系统中，开关放大器提供驱动电机所需要的电压和电流，通过改变加在电动机上的电压的平均值来控制电机的运转。
在开关放大器中，常采用晶体管作为开关器件，晶体管如同开关一样，总是处在接通和断开的状态。
在晶体管处在接通时
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