基于LPC1114的直流电机PWM调速

毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 中 文 摘 要直流电动机拥有良好的转速可调性能；本论文实现了闭环直流调速系统的设计，在他励直流电机的数学模型的基础上，得到了单反馈闭环控制的直流调速系统的结构。以TinyM0为核心设计了直流调速系统的 H桥电机驱动电路和光电码盘反馈控制电路，研究了利用单片机如何产生PWM 信号和控制PWM 信号从而实现对直流转速进行控制的方法，同时研究了数字增量式PID 控制算法和程序，实现了低成本的直流电机转速无静差控制方法。关键词 脉宽调制 直流电机 PID 控制算法 H 桥驱动毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 外 文 摘 要Title Based On The LPC1114 PWM Speed Controller System of The DC Motor_Drives_ _AbstractDC motor has a good speed adjustable performance. In this paper , the design of the closed loop DC motor system is presented. Based on the mathematic model of separately excited DC motor， the control structure of the single -feedback -loop controlled DC velocity modulation system was obtained. With Tiny M0 as controlling core，H-bridge motor driven circuit and opto-electrical coder feedback-based controlling circuit of DC velocity modulation system were designed ；in this paper ，how to produce the PWM single from the chip and studies the use of single-chip PWM signal in order to achieve control of DC motor speed control method and the incremental PID algorithm and the velocity controlling program were investigated at the same time. Using the new design， a kind of DC motor velocity controlling method with feature of low cost and no static error was realized.Keywords PWM DC motor PID H-bridge本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 页 共 页目 次1 绪论11.1 课题的研究意义11.2 开发工具介绍11.3 LPC1114 微控制器介绍32 系统整体方案设计52.1 系统框架流程图52.2 模块设计63 系统硬件电路设计93.1 直流电动机介绍93.2 驱动电路介绍113.3 H 桥驱动原理 133.4 H 桥驱动电路的设计 163.5 光电编码测速器243.6 显示电路284 系统软件设计324.1 PWM 信号软件设计 324.2 测速软件流程设计344.3 PID 算法介绍354.4 SPI 控制 74HC595 驱动数码管395 总体测试与分析415.1 LPC1114 引脚分配415.2 系统测试结果415.3 系统结果及分析43结论 44致谢 45参考文献 46附件 A47本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 1 页 共 55 页1 绪论本文主要研究了利用单片机，通过 PWM 方法控制直流电机调速的方法。冲量相等而形状不同的脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。PWM 控制技术就是以此结论为理论基础，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其它所需要的波形 1。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制。即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。PWM 控制的基本原理很早就提出，但是受电子电力器件发展水平的制约，在上世纪 80 年代以前一直未能实现。直到进入上世纪 80 年代，随着全控型电子器件的出现和迅速发展，PWM 控制技术才得以真正得到应用 2。随着电子电力技术，微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法的应用，PWM 控制技术获得了空前发展。PWM 控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为 PWM控制技术发展的主要方向之一。1.1 课题的研究意义直流电机具有良好的起、制动性能，调速性能好，启动转矩大，易于在大范围内平滑调速等优点，其调速控制系统历来在工业控制中占有及其重要的地位。直流电机在轧钢机，矿井卷扬机，挖掘机，海洋钻机，金属切削机床，造纸机，高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到广泛应用。直流电机在家用电器，电子仪器设备，电子玩具，录像机及各种自动控制中也都有广泛应用。所以直流电机的控制是一门十分实用的技术 3。1.2 开发工具简介1.2.1 TKStudio IDETKStudio IDE 是 广 州 致 远 电 子 有 限 公 司 开 发 的 一 个 微 处 理 软 件 开 发 平 台 ， 是一 款 具 有 强 大 内 置 编 辑 器 的 多 内 核 编 译 调 试 环 境 ， 支 持 Keil C51、 SDCC 51、 GCC ARM、 ADS ARM、 IAR ARM、 MDK ARM、 RVDS ARM、 AVR 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 2 页 共 55 页GCC、 IAR AVR 等 编 译 工 具 链 ， 支 持8051、 ARM7/ARM9/ARM11、 CortexM3/CortexM0、 XScale、 AVR 等 内 核 调 试 ，可 以 完 成 从 工 程 建 立 和 管 理 ， 编 译 ， 链 接 ， 目 标 代 码 的 生 成 ， 到 软 件 仿 真 ， 硬 件仿 真 (挂 接 TKS 系 列 仿 真 器 的 硬 件 )等 完 整 的 开 发 流 程 。TKStudio 是最佳支持 TKScope 的集成开发环境，支持ARM11/ARM9/ARM7、 CortexM3/CortexM0、 XScale、 8051、 AVR 等内核，全部操作界面高度统一，免除开发环境熟悉周期。它是基于虚目录管理机制，轻松管理拥有几百个文件的复杂项目，与主流的上游厂商合作密切，能便捷地导入RVDS4、Keil、ADS 、IAR 的工程，可以根据文件类型和状态显示图标，提供大量模板工程，工程内检索、替换功能完备，且是针对目标进行工程管理，可以快速地将一份代码发布到系列芯片的不同平台上。它具有傻瓜式的成员提示及代码模板功能，有效地减轻记忆负担，提升编码速度和准确度，还可以快速格式化功能，高效地调整乱码，方便复制粘贴代码，免除手工调整的繁琐；实时智能缩进输入的内容，使代码格式合理美观，便于阅读。免除手动缩进的繁琐；智能的代码导航系统，方便定位到要查看的函数，大大地缩减查找函数的时间；代码折叠及提示功能，显示代码组织框架，方便开发者理解整个程序的思路。显示界面根据单词的类型显示颜色和字体，使代码显得更加清晰美观，便于阅读，并放大显示关键字，集中注意力到关键的地方，使思路更清晰明确，支持 4G 容量文件的浏览，无需等待就可以浏览文件里面的任何数据，不出现任何卡机和出错的现象，自由缩放代码功能，可以根据视力情况或喜好随时快速地调节字体大小。它具备多内核仿真及芯片级外部设备仿真技术，支持ARM11/ARM9/ARM7、 CortexM3/CortexM0、 XScale、 8051、 AVR 等内核调试，多接口调试技术，支持 RDI、 JDI、 AGDI 等接口的仿真器；性能分析器，可以快速定位死区代码、死区变量，帮助优化代码。内置十六进制编辑器，具有与文本编辑窗口同步选择、支持中文的显示等功能，同时有效地避免了乱码；内置 ASCII 编码查询工具，用于查询或反查询 ASCII 编码，支持 OEM-US、 GB2312、 GBK、 Big5、 GB18030 等编码类型，方便查找一些不方便输入的字符。外部工具 K-Flash 烧写器，用于 Flash 烧写，具有文件烧写与校验、数据擦除、数据查空和数据读取等功能，外部工具文件比较器，提供文本文件比较、目录比较、二进制文件快速比较、二进制文件智能比较功能，能有效地避免人工查找的本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 3 页 共 55 页繁琐和疏漏，外部工具串口调试助手，具备一般串口调试助手的功能的同时，增加了对多串口的实时监控、桥接、多播和数据过滤功能。1.2.2 ProteusProteus 软 件 是 英 国 Labcenter electronics 公 司 出 版 的 EDA 工 具 软 件 （ 该 软件 中 国 总 代 理 为 广 州 风 标 电 子 技 术 有 限 公 司 ） 。 它 不 仅 具 有 其 它 EDA 工 具 软 件的 仿 真 功 能 ， 还 能 仿 真 单 片 机 及 外 围 器 件 。 它 是 目 前 最 好 的 仿 真 单 片 机 及 外 围 器件 的 工 具 。 虽 然 目 前 国 内 推 广 刚 起 步 ， 但 已 受 到 单 片 机 爱 好 者 、 从 事 单 片 机 教 学的 教 师 、 致 力 于 单 片 机 开 发 应 用 的 科 技 工 作 者 的 青 睐 。 Proteus 是 世 界 上 著 名 的EDA 工 具 (仿 真 软 件 )， 从 原 理 图 布 图 、 代 码 调 试 到 单 片 机 与 外 围 电 路 协 同 仿 真 ，一 键 切 换 到 PCB 设 计 ， 真 正 实 现 了 从 概 念 到 产 品 的 完 整 设 计 。 是 目 前 世 界 上 唯一 将 电 路 仿 真 软 件 、 PCB 设 计 软 件 和 虚 拟 模 型 仿 真 软 件 三 合 一 的 设 计 平 台 ， 其 处理 器 模 型 支 持8051、 HC11、 PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、 AVR、 ARM、 8086 和 MSP430等 ， 2010 年 即 将 增 加 Cortex 和 DSP 系 列 处 理 器 ， 并 持 续 增 加 其 他 系 列 处 理 器 模型 。 在 编 译 方 面 ， 它 也 支 持 IAR、 Keil 和 MPLAB 等 多 种 编 译 器 。PROTEUS 系 统 包 括 ISIS.EXE（ 电 路 原 理 图 设 计 、 电 路 原 理 仿 真 ） 、ARE.EXE（ 印 刷 电 路 板 设 计 ） 两 个 主 要 程 序三大基本功能。其中最主要的是电路原 理 仿 真 功 能 ， 除 有 普 通 分 离 器 件 、 小 规 模 集 成 器 件 的 仿 真 功 能 外 ， 还 具 有 多 种带 有 CPU 的 可 编 程 器 件 的 仿 真功能。对可编程器件可灵活的外挂各种编译、编辑工具，使用非常方便。具有多种虚拟仪器帮助完成实时仿真，具有传输特性、频率特性、电压波动分析、噪声分析等多种图形分析工具，可以完成电路参数和可靠性分析。电路原理图是由电子器件符号和连接导线组成的图形。在图中器件中具有编号、参数、名称等属性。电路原理图的设计就是放置器件并把相应的器件引脚用导线连接起来，并修改元件的属性。1.3 LPC1114 微控制器介绍系 统 的 设 计 平 台 是 是 基 于 LPC1114 系 列 Cortex-M0 处理器上设计的，这是市场上现有的最小、能耗最低、最节能的 ARM 处理器。该处理能耗非常低、门数量少、代码占用空间小，使得 MCU 开发人员能够以 8 位处理器的价位，获得 32 位本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 4 页 共 55 页处理器的性能。超低门数还使其能够用于模拟信号设备和混合信号设备及 MCU 应用中，可望明显节约系统成本，同时保留功能强大的 Cortex-M3 处理器的工具和二进制兼容能力。在 180ULL 工艺上使用 ARM 标准单元库时， ARM 凭借其作为低能耗技术的领导者和创建超低能耗设备的主要推动者的丰富专业技术，使得 Cortex-M0 处理器在不到 12K 门的面积内能耗仅有 85 微瓦 /MHz (0.085 毫瓦)。该处理器把ARM 的 MCU 路线图扩展到超低能耗 MCU 和 SoC 应用中，如医疗器械、电子测量、照明、智能控制、游戏装置、紧凑型电源、电源和马达控制、精密模拟系统和 IEEE 802.15.4 (ZigBee)及 Z-Wave 系统。C ortex-M0 处理器还适合拥有诸如智能传感器和调节器的可编程混合信号市场，这些应用在传统上一直要求使用独立的模拟设备和数字设备。通过采用为 180ULL 工艺提供的 ARM 超高密度标准单元库和 ARM功耗管理工具包( PMK)、为 Cortex-M0 专门构建的低能耗存储例程以及 Keil 微控制器开发工具包，A RM 增强了 Cortex-M0 处理器的低能耗运行的特点。ARM 低能耗库是为实现静态和动态低能耗并使硅晶面积最小化而优化设计的。P MK 拥有动态和泄漏功率管理功能，低能耗存储例程则支持外部功率闸，大大减少功率泄漏。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 5 页 共 55 页2 系统整体方案设计2.1 系统框架流程图本文通过电位器两端的电压来设定电动机的初始速度，M0 单片机运用集成 A/D模块，对电位器两端对的电压进行采集，将采集到的电压信号转化为数字信号，该电压信号与光电编码器测速器测出来的电动机的转速数字信号进行对比，来控制PWM 信号的占空比，根据 PID 原理构成闭环调速系统。PWM 方波是通过控制驱动电路的 MOS 管的开关，从而控制驱动电路的电机两端的电压和输出电流的大小，来改变直流电机的速度。电动机的转速通过光电编码器，将转速转化为一些列的方波电信号，反馈到单片机，单片机进行误差分析，通过 PID 控制对系统的动态性能进行改善提高，最后七段数码管将设定的速度和光电编码器测出来的速度显示出来，进行比对。整个设计可以分为 4 个小模块：a) 直流电机的 H 桥驱动；b) PWM 信号占空比的控制；c) 光电编码测速器的测速；d) 数字 PID 算法的实现。系统整体方案流程如图 2.1。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 6 页 共 55 页图 2.1 系统整体方案流程2.2 模块设计2.2.1 H 桥的驱动原理模块H 型全桥式驱动电路的 4 只开关管都工作在斩