基于arm9直流电机调速.docx
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基于arm9直流电机调速
基于ARM9平台的直流电机控制系统设计
院系
自动化学院
专业
自动化
班级
5407202
学号
200504072044
姓名
金虹达
指导教师
张庆新
负责教师
张庆新
沈阳航空工业学院
2009年6月
摘要
本文的主要工作是基于ARM9平台的直流电机调速系统的设计。
首先,介绍了PID算法和PWM驱动直流电机的技术原理,对L298N型直流电机驱动模块进行分析,做出了ARM920T开发板与L298N的接线图。
然后,针对此开发板的片内外设PWM端口、相应引脚编写出了驱动程序,并开发了与上位机通信的串口驱动模块烧写程序到ARM9开发板中。
最后,采用CodeWarriorforARMDeveloperSuite作为开发工具,编写上位机主控程序,比较精确的实现了普通直流电机的转速测量和转速调节功能。
实践证明,该系统具有结构简单、操作方便、测量精度高、稳定性好等特点。
关键词:
ARM9平台;直流电机;脉冲宽度调制;测速;调速
Abstract
ThispaperstudiesakindofcontrollingsystemofDCmotoranalyzingandconcentratesontheresearchofdirectcurrentmotorcontrolledbyARMprocessor.Firstly,PIDarithmetic、PWMtechnologyareintroducedandtheL298Nmotordrivermoduleisanalyzed.ThecircuitdisgramisdescribedwhichexplainshowARM920TconnectswithL298N.Secondly,thedriversarecompletedfortheboard’sPWMinsideports,theserialcommunicationsmodulesusedbyARM9arecompleted.Lastly,usetheCodeWarriorforARMDeveloperSuiteasdeveloptooltowritetheupper-machine’smasterprograms,moretheprecisioncarriedoutturningofcommondirectcurrentelectricalengineeringsoondiagraphandturntosoonregulatefunction.Practicehasprovedthatthesystemissimpleinstructure,easyoperation,highaccuracy,stabilityandsoon.
Keywords:
ARM9Board;DCmotor;PWM;Measuresfast;Velocitymodulation
目录
第1章绪论1
1.1课题背景1
1.1.1直流电机发展过程3
1.1.2直流电机发展方向与展望4
1.2课题目标及意义5
1.3课题任务及要求5
1.4课题内容分析与实现6
1.5课题论文安排介绍6
第2章直流电机控制系统的总体方案论证8
2.1总体方案8
2.2直流电机控制系统硬件方案8
2.3直流电机控制系统软件方案9
第3章系统的硬件设计10
3.1芯片S3C2440A简介10
3.2直流电机驱动模块12
3.2.1PWM技术简介12
3.2.2直流电机电枢PWM调压调速原理12
3.2.3直流电机调速系统的整体结构14
3.2.4基于H型驱动电路的PWM调速14
3.2.5ARM的脉宽调制PWM描述17
3.3速测量模块18
3.3.1测速原理18
3.3.2测速传感器19
3.3.3波形整定20
3.4通信模块22
3.4.1串行通信涉及的几个问题22
3.4.3串行口电气特性23
第4章控制系统软件设计电路方案设计分析25
4.1控制系统软件设计步骤25
4.2ARMADS软件开发平台26
4.3ARM9开发板设置及连接27
4.3.1设置超级终端27
4.3.1BIOS模式28
4.3.2H-Jtag和H-FLASHER29
4.4系统变量与函数的定义31
4.5主程序设计31
4.6各模块程序设计33
4.6.1系统初始化33
4.6.2中断子程序设计33
4.6.3PWM调速程序设计35
4.6.4串口通信程序设计38
第5章直流电机控制系统综合调试与分析42
5.1硬件电路调试42
5.2软件电路调试43
5.2.1使用H-JTAG在ADS1.2环境下进行仿真调试43
5.3系统联调结果与分析43
结论45
社会经济效益分析46
社会经济效益分析47
参考文献48
致谢49
附录ⅠS3C2440A系统原理图50
附录Ⅱ整体电路图51
附录III程序清单52
附录IV元器件清单53
绪论
随着电力电子技术、微电子技术、控制理论以及永磁材料的快速发展,直流电机得以迅速发展。
在现代工业生产中,生产机械一般都用电动机拖动。
随着现代化的发展,工业自动化水平不断提高,各种自动控制系统中也日益广泛地应用各种控制电机。
为了提高生产率和保证产品质量,大量的生产机械要求直流电机以不同的速度工作。
这就要求人们采用一定的方法来改变机组的转速,即对直流电机进行调速。
对电机的转速不仅要能调节,而且要求调节的范围宽广,过程平滑,调节的方法要简单、经济。
直流电机在上述方面都具有独到的优点,使它得到广泛的应用。
本文针对直流电机具有起动转距大、体积小、重量轻、转矩和转速容易控制以及效率高等十分优良的特点,根据自动控制原理,采用PWM控制方式,设计了一个直流电机控制系统,以更好地对直流电机进行精确而又迅速的控制。
课题背景
ARM处理器核因其卓越的性能和显著优点,已成为高性能、低功耗、低成本嵌入式处理器的代名词,得到了众多半导体厂家和整机厂商的大力支持。
全球已有100多家IT公司在此采用ARM技术,20多家最大的半导体厂商中有19家是ARM的用户,包括TI、Philips和Intel等公司。
ARM处理器已经占据了绝大部分32位、64位高端嵌入式处理器市场,形成了移动通信、手持计算、多媒体数字消费等嵌入式解决方案事实上的标准。
在2002年,基于ARM的芯片占据了整个32位和64位嵌入式微处理器市场的79.5%,全世界已使用了20多亿个ARM核。
如今,ARM公司已成为业界的龙头老大,“每人的口袋中都装着ARM”是毫不夸张的,因为几乎所有的手机、移动设备、PDA都是用基于ARM核的系统芯片开发的。
优良的性能和广泛的市场定位也极大的增加和丰富了ARM的资源,加速了基于ARM处理器面向各种应用的系统芯片的开发和发展,使得ARM技术获得更加广泛的应用,确立了ARM技术和市场的领先地位。
在工业生产中,常常要用到直流电机在一些对位置控制要求不高的电机控制系统如传动控制系统中,传统电机如直流电机仍有很大的优势,而要对其进行精确而又迅速的控制,就需要复杂的控制系统。
直流电机转速的控制方法可分为两类,即励磁控制法与电枢电压控制法。
.励磁控制法控制磁通,其控制功率虽然小,但低速时受到磁饱和的限制,高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制,而且由于励磁线圈电感较大,动态响应较差。
所以常用的控制方法是改变电枢端电压的电枢电压控制法。
普通直流电机的控制方法比较简单,只需给电机的两根控制线加上适当的电压即可使电机转动起来,电压越高,电机转速越高。
脉冲宽度调制(PulcsiWdhtMdoluatino,PWM)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。
简单的解释是,由于在ON的时间内施加电压,OFF的时间内切断电压,电机的转动将是断续的。
不过在脉冲波段的OFF区段,电机线圈内部储存的能量能够产生沿续流二极管流动的电流,因此得以继续维持转动。
PWM调速的基本思想是:
以通过电机的平均电压和电流作比较,40%的时间接通电源的电机比20%的时间接通电源的电机要大。
当电机没有接通电源时,它完全不消耗能量,这一点正是其高效率的原因。
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。
在工业控制中,按偏差的比例P、积分I和微分D进行控制的PID调节器现在得到广泛的应用。
在小型微型计算机用于生产过程以前,连续过程系统中采用的气动、液动和电动的PID调节器几乎占垄断地位。
由最优控制理论可以证明,它能适应不少工业控制对象的要求。
单片机控制技术不断发展,特别是软件PID算法控制器的使用,代替了原来很多的硬件PID调节器,在工业控制系统和嵌入式系统中得到广泛的应用。
L289N是一种双极性可逆PWM直流电机驱动电路,能使直流电机工作在正反转的场合,可同时驱动两个直流电机。
本毕业设计研究了一种直流电机转速的控制系统。
该控制系统由上位机子系统和下位机子系统组成。
上位机子系统为主控单元,下位机子系统以ARM为核心,上位机子系统与下位机子系统通过串行口进行通信。
下位机采用S3C2440A处理器,它执行上位机指令,通过直流电机驱动电路控制直流电机的运转。
直流电机发展过程
电机发展初期的历史主要是直流电机发展的历史。
1821年,法拉第(Faraday)就发现了载流导体在磁场内受力并发生机械运动的现象,法拉第的试验模型可以认为是现代直流电动机的雏形。
1831年,法拉第又发现了电磁感应定律;两年以后,皮克西利用磁铁和线圈之间的相对运动和一个换向装置,制成了一台旋转磁极式直流发电机,这就是现代直流发电机的雏形。
1870~1890年是直流电机发展的另一个阶段。
19世纪70年代以后,由于社会生产力的发展和城市人口的集中,使得照明负载的用电量大大增加,在客观上大大地促进了直流发电机的发展。
另一方面,城市交通运输的发展,对电动机的发展亦起了很大的影响。
依次在这个阶段内,直流电机发展得较快。
在这个阶段内,电枢方面的第一个重大改进是鼓型电枢绕组的发明(1873年由海夫纳提出)。
和T型电枢绕组相比较,环形电枢绕组具有分布的优点,但是,确使铜线的利用变差。
鼓型电枢绕组既具有T型和环形电枢绕组的优点,又免除了它们的缺点,实质上鼓型电枢绕组就是T型电枢绕组的分布化。
为了加强绕组的机械固定和减少铜线内部的涡流损耗,将绕组的有效部分放到铁心的槽中。
有槽铁心和鼓型电枢绕组的结构一直沿用到今天。
为了解决在提高电、磁负荷以后所产生的发热问题,1880年,爱迪生(Edison)提出采用叠片铁心;这样就大大减少了铁心损耗,同时降低了电枢绕组的温升。
同年,马克西提出将铁心分成几叠,每叠之间留出一定宽度的通风槽以加强散热。
这两种结构一直到现在仍然普遍采用。
所有上述进步,使得直流电机的电磁负荷、单机容量和效率都提高到前所未有的水平,这样,换向器上的火花问题就成为当前的突出问题。
1884年,曼奇斯(Menges)发明了补偿绕组和换向极;1885年,福勃斯提出用碳粉来做电刷。
由于采用了这些措施,使得火花问题暂告缓和。
但是,换向极和补偿绕组的采用,又促进了电、磁负荷和单机容量的进一步提高,而容量继续提高的主要困难和限制,仍然是换向器上的火花问题。
在电机理论方面,1886年霍普金生兄弟(JohnandEdwardHopkinson)确立了磁路的欧姆定律,使得人们能够自觉地设计电机的磁路。
1891年,阿诺尔德(Arnold)建立了直流电枢绕组的理论,使直流电机的设计和计算建立在更加科学的基础上。
因此,到19世纪90年代,直流电机就已经具备了现代直流电机的一切结构特点。
1882年是直流电机发展史上的一个重要转折点。
通过试验,台勃莱兹(Deprez)把米斯巴哈水电站发出的2kw直流电能,通过一条57km长的输出线送到慕尼黑,从而证明了远距离输电的可能性。
台勃莱兹的试验,为电能和电机的使用打开了广阔的前景。
20世纪是电机发展史中的一个新时期。
这个时期的特点是:
由于工业和运输业的飞速发展,对电机提出了各种新的和更高的要求;另一方面,由于自动化和遥控方面的需要,出现了一系列专供控制用的控制电机。
在这个时期内,由于对电机内部所发生的电磁、发热和其他过程进入了深入的研究,使得交、直流电机的单机容量和材料利用得到了很大的提高,性能也有显著的改进。
直流电机发展方向与展望
电机是随着生产发展而产生和发展的,而电机的发展反过来又促进社会生产力的不断提高。
以前,电机的发展过程是由诞生到在工业上初步应用、各种电机的初步定型以及电机理论和电机设计计算的建立和发展。
在由电气化时代进入原子能、计算机及自动化时代的今天,不仅对电机提出了诸多性能良好、运行可靠、单位容量的重量轻、体积小等方面越来越多的要求,而且随着自动控制系统的计算装置的发展,在旋转电机的理论基础上,发展出多种高精度、快响应的控制电机,成为电机学科的一个独立分支。
与此同时,电力电子学等学科的渗透使电机这一较为成熟的学科得到新的发展。
新中国成立以来,我国的电机制造工业发生了巨大变化,不仅建成了独立自主和完整的体系,而且有一些产品已经达到或接近世界水平。
就各种拖动系统中的主要设备—电动机而言,近年来已生产了不少大型的直流电动机、异步电动机和同步电动机;在中小型电机控制方面,亦自行设计和生产了不少新系列电机。
由于生产上的需要,最近几年来,对电机的新原理、新结构、新工艺、新材料、新的运行方式和调试方法,亦进行许多摸索、研究和试验工作,取得了不少成就。
当前科学技术突飞猛进,因此电机在制造上也向着大型、巨型发展。
中小型电机正向多用途、多品种方向发展,向高效节能方向发展。
在应用上,由于计算机技术迅速发展,将会出现由机器人工作的无人工厂,以计算机作为这些工厂的“中枢神经”,使实现无人化成为可能。
在这种时代里,某些特种电机必须具有快速响应、模仿性运动、快速启动和停止等比人的手脚更复杂而精巧的运动。
理论上,在电机中应用了控制技术,使电机具有更好的特性,使各类电机成为各种机电系统中一种极其重要的元件。
因此,它将使电力电子学、计算机、电机学和控制论结合起来,发展成一门新的学科。
课题目标及意义
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.微电子技术和计算机技术的发展,为计算机控制技术的发展和应用奠定了坚实的基础。
可以这样说,没有微处理器的仪器不能称其为仪器,没有微型机的控制系统更谈不上现代工业控制系统。
随着微型计算机、超大规模集成电路、新型电力电子开关器件和传感器的出现,以及自动控制理论、电力电子技术、计算机控制技术的深入发展,电气传动装置日新月异地更新换代,直流传动系统也在不断地更新和发展。
大多数直流电机的驱动采用开关驱动方式。
开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态,通过脉宽调制PWM来控制电动机电枢电压,实现调速。
PWM(PulseWidthModulation)脉冲宽度调制技术就是通过对一系列脉冲的宽度进行调制,来等效地获得所需要波形(含形状和幅值)的技术,它具有调速精度高、响应速度快、调速范围宽和损耗低等特点。
直流电机是常用的动力提供元件,在日常生活中占据着重要的地位。
直流电机是最常见的一种电机,在各领域中得到广泛应用。
研究直流电机的速度控制,有着非常重要的意义。
研究直流电机的控制和测量方法,对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。
本方案以ARM9为控制核心,实现普通直流电机的转速测量和转速调节功能,为进一步研究和优化直流电机控制方法提供基础。
课题任务及要求
利用ARM9平台以及L298N型直流电机驱动模块实现直流电机速度测量和调节。
使系统实现下列功能:
(1)可通过上位机来设定电机的转动方向、转速参数;
(2)可实时测量电机的实际转速,并上位机上显示出来;
(3)可对电机进行PID转速调节,使其转速趋近于设定值;
(4)编写程序,实现ARM与上位机的串口通讯。
课题内容分析与实现
本设计是一种采用上位机(PC机)和ARM9平台(下位机)之间进行串口通信的直流电机控制系统。
基于设计目标的要求,本设计需要实现的硬件部分是系统的L298N型直流电机驱动模块和速度检测模块两部分以及整个控制系统的编程。
首先,根据课题背景综合成本和控制精度指标等因素,选择需要的直流电机。
其次,基于成本和结构复杂的原因,本设计将在电机上直接采集参数信号,并通过转换,将数值信号传回上位机机。
其中,采集精度问题将根据具体性能指标要求来决定。
再次,设计L298N型直流电机驱动模块和速度检测模块电路,并完成硬件搭建。
然后,制定上下位机通信协议,将采用RS-232C来实现串口通信。
最后,整体硬件和软件联调,记录精确度和结论数据。
课题论文安排介绍
本文的主要工作是基于ARM9平台的直流电机调速系统的设计,介绍了整个控制系统的设计思想、主要模块的电路原理、程序结构以及测试结果等内容,整体上分为软件和硬件的两大部分来设计。
本次课题设计内容安排可分为三部分:
第一部分是硬件设计,包括方案主要模块的电路设计、元器件的选择等。
具体的硬件电路是L298N型直流电机驱动模块和速度检测模块型模块两大电路。
先对每一个模块的各个芯片测试成功后,再焊接其对应的整个模块电路,且每一部分都要进行单独调试,各个部分调试成功后,联接调试整个硬件电路,对在途中出现的错误进行分析和改正,最后得出结论。
第二部分是软件设计,软件采用C语言编写,软件设计的思想主要是自顶向下,模块化设计,逐一设计各个子模块,分别进行调试,最后的连调整个程序,判断是否达到预期的要求,做出结论。
第三部分在软硬件模块调试都成功的前提下,进行硬、软件连调,这是整个控制系统设计的关键,也是设计的重点、难点所在。
本文对直流电机控制系统的设计进行了详细的介绍,共分五章。
第1章简要介绍了整个课题的研究背景、目的、意义及整个任务的要求安排;第2章是针对此次课题的任务进行总体方案介绍;第3章具体介绍了直流电机控制系统的硬件设计,包括L298N型直流电机驱动模块和速度检测模块电路的设计;第4章阐述了直流电机控制系统的软件设计,包括速度检测子程序,PID算法等子程序的设计;第5章是针对硬件调试、软件调试和整机连调的结果进行了具体的分析和说明。
直流电机控制系统的总体方案论证
直流电机控制系统的整个设计中最重要的部分是利用PID算法实现直流电机PWM调速的处理,虽然PWM调速很早就开始研究应用,但如何用PID算法实现PWM调速的快速性和准确性至今仍是生产和科研的课题。
随着微电子技术的发展与普及,更多高性能的ARM应用使得PID算法实现直流电机PWM调速的快速性和准确性都有了极大的提高。
PID算法的关键在于确定比例、积分、微分系数,换句话说,就是在算法上进行一些改进。
本设计使用三星公司32位S3C2440A为直流电机转速调节的主控制芯片,其较高的数据处理能力和丰富的指令系统,从硬件和软件两部分来改善系统性能,使研制成的直流电机控制系统具有很好的快速性和准确性,符合设计要求。
总体方案
根据课题要求,本设计采用三星公司的S3C2440为处理器,由光电脉冲整形电路构成测速模块,采用内含两个H桥的L298N作为直流电机的驱动芯片,由上位机的键盘产生调速命令,用上位机显示端作为显示模块,并运用TLP521-4进行光电隔离。
另外,作为下位机系统,需要与上位机共同制定通信标准,并采用RS-232C来进行串口通道。
直流电机控制系统硬件方案
本系统主要由一块ARM9平台、L298N型直流电机驱动模块和速度检测模块构成,以ARM9为核心,包括电机驱动、速度检测、通信等模块。
系统的结构框图如图2.1所示。
ARM9作为主控芯片,通过I/O端口来控制L298N型直流电机驱动芯片,从而实现对直流电机的控制。
速度检测模块由码盘和光电开关组成,将直流电机的转动信息反馈给ARM9,ARM9针对测得的实际转速来调节L298N型直流电机驱动模块的状态,从而使转速趋近预设置。
同时,电机转速可由上位机显示端显示出来,用上位机的键盘来对直流电机的转动方向和转速等进行设定。
转速控制
串
口
通
信
P0.21/PWM5
P0.16
P0.17
转向控制
图2.1控制系统结构框图
直流电机控制系统软件方案
硬件功能的实现离不开软件的设计与完成。
软件设计是直流电机控制系统设计中最重要、最关键的部分,也是本次毕业设计的难点之处。
由于本系统使用ARM9平台,运用ARM9编程语言,在CodeWarriorforARMDeveloperSuite软件平台进行开发。
本课题软件设计的思想主要是自顶向下,模块化设计,逐一设计各个子模块,分别进行调试,最后的连调整个程序,判断是否达到预期的要求,做出结论。
主要分为转速测量子程序、PID算法子程序、PWM信号产生子程序、通讯子程序等几部分。
各个部分函数都可相互调用又相对独立可调,保证调试的便利与程序的可读性。
系统的硬件设计
本系统采用ARM9作为主控制器,采用上位机输入端作为输入部分,直流电机及其驱动电路采用L298N型直流电机驱动模块。
下面分别对ARM9以及相关模块的特性进行具体介绍。
芯片S3C2440A简介
根据本课题设计的任务要求,须采用ARM9作为开发平台,因此本课题设计的控制电路由S3C2440A处理芯片及其外围电路组成。
芯片的引脚图如图3.1所示。
图3.1S3C2400A芯片引脚排列图
S3C2440A是由Samsung公司推出的基于ARM920TDMI核的16/32位RISC处理器。
此款处理器提供了丰富的通用的片上外设,大大减少了系统电路中除处理器以外的元器件配置。
S3C2440A具有5个16位时钟(Timer)timer0、1、2、和3由PWM(PulcsiWidhtMdoluatino)功能。
Timer4只有内部时钟而没有外部引脚。
Timer0和timer1共用一个8位的预分频器(Prescaler),而timer2、3、4共用另一个8位的预分频器(Prescaler),每一个时钟都有一个时钟分频器。
输出的波形占空比可调,可以采用自动加载的方式启动时钟(Timer),每个定时器可以按照中断模式或DMA模式运行。
预分频值的范围为1—255,分割值位2、4、8、16、32,通过寄存器TCFG0设定这三个预分频器的值;定时器0,1,2,3还各拥有一个具有5个不同分频信号(1/2,1/4,1/8,1/16)的时钟分割器(Divider),定时器4具有一个包含4个分频信号(1/2,1/4,1/8,1/16)的时钟分割器。
这5个定时器的分割值通过寄存器TCFG1设定。
定时器输入时钟频率=MCLK/Prescaler/Divider。
其中MCLK=400MHz是系统的主频,最高可达533MHz。
ARM(AdvancedRlSCMachines),既可以认为是一个公司的名字,也可以认为是对一类微处理器的
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