（控制理论与控制工程专业论文）嵌入式伺服电机调速系统设计.pdf

摘要 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，其软硬件可配置，对功 能、可靠性、成本、体积、功耗有严格约束的一种专用系统。i e e e 对嵌入式系 统的定义是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置一。以嵌入式处理 器和嵌入式操作系统为核心的嵌入式技术是近年来一个新的技术发展方向，目前 已在一些领域得到广泛应用。 本文旨在基于a t m e l 的a r m 9 2 0 t 内核微处理器a t 9 1r m 9 2 0 0 ，设计一套 嵌入式伺服电机调速系统。 在硬件方面，设计了基于a t 9 1 r m 9 2 0 0 的核心电路，并扩展了f l a s h 存储 器、s d r a m 存储器以及通过p w m 端口扩展了基于h 桥电路l m d i8 2 0 0 的电 机驱动板。 在电机调速算法设计方面，利用2 一d 系统理论的r o e s s e r 模型，阐述了受扰 动的线性时变离散系统迭代学习控制( i l c ) 问题的一种解决方法。对系统所受 的已知扰动，给出其学习律参数的选取范围以及仅经一次迭代就能实现输出完全 跟踪期望轨迹的参数选取方法；对系统所受的未知扰动，首先对s i s 0 系统提出 其学习律存在的条件及参数选取方法，进而推广到m i m 0 系统中，提出m i m 0 系统 学习律的参数选取方法。最后给出数值例子进一步说明所得结果的有效性，并用 算法结合电机模型得出仿真结果。 l i n u x 是一种很流行的操作系统，它与u n i x 系统兼容，开放源代码。它原 本被设计为桌面系统，现在广泛应用于服务器领域。而更大的影响在于它正逐渐 的应用于嵌入式系统，u c l i n u x 正是在这种氛围下产生的。在u c l i n u x 这个英文单 词中u 表示m i c r o ，c 表示c o n t r o l ，所以u c l i n u x 就是m i c r o c o n t r 0 1 l i n u x ，字 面上的理解就是”针对微控制领域而设计的l i n u x 系统”。本文选择的嵌入式操作 系统就是u c l i n u x ，所有软件都是基于u c l i n u x 设计的。 软件设计方面，首先移植了u b o o t 及u c l i n u x 操作系统，并给通用i o 口、 存储器和驱动板编写了驱动程序，最后编写了基于u c l i n u x 操作系统的多线程电 机调速程序。 关键词： a t 9 1 r m 9 2 0 0u c l i n u xp w m 驱动程序多线程迭代学习控制调速 a b s t r a c t e m b e d d e ds y s t e mi sas p e c i a lo st h a tf o c u s e do na p p l i c a t i o n ，b a s e do nc o m p u t e r t e c h n i q u e ，s t r i c t l yb o u n d e db yf u n c t i o n ，r e l i a b i l i t y , c o s t , s i z ea n dp o w e rc o n s u m p t i o n 。 i t sh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea lec o n f i g u r a b l e i ti sd e f i n e db yi e e et h a tt h ee m b e d d e d s y s t e mi sad e v i c et h a tu s e dt oc o n t r o l ，m o n i t o ro ra i dt oo p e r a t em a c h i n ea n d e q u i p m e n t 。e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ra n de m b e d d e do si sa tt h ec o r eo fe m b e d d e d t e c h n i q u ew h i c hi san e wt e c h n i q u ed e v e l o p m e n ti nr e c e n ty e a r sh a sb e e nw i d e l yu s e d i ns o m ea r e a s i nt h i sp a p e r , a ne m b e d d e ds y s t e mf o rs e r v om o t o rs p e e dr e g u l a t i n gi sd e v e l o p e d b a s e do na t 9 1 r m 9 2 0 0 p r o d u c t e db y 删e l w h o s ec o l ei sa r m 9 2 0 t 。 t od e s i g nt h eh a r d w a r e t h ec o r ec i r c u i tb a s eo na t 9 lr m 9 2 0 0i sp r o v i d e da n d f l a s h , s d r a ma n das e r v om o t o rc o n t r o l l e rb o a r dt h a tl i n k e dt op w mp o r t sa r e e x p a n d e d 。 t od e s i g nt h ea l g o r i t h m ，as o l u t i o nt oi t e r a t i v el e a r n i n gc o n t r o l ( i l c ) f o rl i n e a r t i m e - v a r i a n td i s c r e t es y s t e m si sa p p r o a c h e db yu s i n gr o e s s e r - t y p em o d e lo ft h e t w o - d i m e n s i o n a l ( 2 - d ) s y s t e mt h e o r y t ot h es y s t e mw i t hk n o w nd i s t u r b a n c e s ，t h e s c o p eo fi l cr u l e sp a r a m e t e r sa n dt h ew a y t oc h o o s et h ep a r a m e t e r st h a ti n s u r e st h e o u t p u tf o l l o w i n gt h ed e s i r e dt r a j e c t o r yb yo n l yo n ei t e r a t i o na r ep r o v i d e d t ot h e s y s t e mw i t hu n k n o w nd i s t u r b a n c e s ，t h ee x i s t i n gc o n d i t i o no ft h es l s os y s t e mi l c r u l ea n dh o wt oc h o o s et h ep a r a m e t e r sa r eg i v e nf i r s t l y ，t h e n ，t h e s er e s u l t sa r e e x t e n d e dt ot h em i m os y s t e m s ，t h ew a yt oc h o o s et h ep a r a m e t e r so fl l cr u l e sf o rt h e s y s t e m si sa l s og i v e n f i n a l l y , t w on u m e r i c a le x a m p l e sa r ep r e s e n t e dt oi l l u s t r a t et h e p r o p o s e dr e s u l t s t h ea l g o r i t h ma n dt h em o d e lo fm o t o ra r ec o m b i n e da n da s i m u l a t i v er e s u l ti sp r o v i d e d , t o o l i n u xi sav e r yp o p u l a ro p e ns o u r c eo st h a tc o m p a t i b l ew i t ht h eu n i xs y s t e m i t w a so r i g i n a l l yd e s i g n e df o rd e s k t o ps y s t e ma n dn o wb ew i d e l yu s e di ns e r v e r s i th a s g r e a t e ri m p a c tb e c a u s ei ti sg r a d u a l l ya p p l i e dt oe m b e d d e ds y s t e mw h e nu c l i n u x a r i s e i nu c l i n u x , ue x p r e s s e dm i c r oa n dc e x p r e s s e dc o n t r o li ne n g l i s h t h e r e f o r e ， u c l i n u xi sm i c r o - c o n t r o l - l i n u x l i t e r a l l yi ti st h e ”m i c r ol i n u xs y s t e md e s i g n e df o r c o n t r 0 1 ”t h ee m b e d d e do si nt h i sp a p e ri su c l i n u xa n da l lt h es o f t w a r ei sd e s i g n e d b a s e d o ni t t od e s i g nt h es o f t w a r e ，t h eu b o o ta n dt h eu c l i n u xo si st r a n s p l a n t e df u s t l y , t h e n t h el i n u xd r i v e r sf o rg e n e r a li op o r t s m e m o r ya n dt h ed r i v e rb o a r d 弱w e l l 髂 c o m p l e t ea p if u n c t i o nl i b r a r yi sp r o v i d e d f i n a l l y , t h em u l t i t h r e a ds p e e dr e g u l a t i n g p r o g r a m m eb a s e so nu c l i n u xi sp r o v i d e d k e yw o r d s - a t 91r m 9 2 0 0 ，u c l i n u x , p w m ，d r i v e r , m u l t i t h r e a d ，i t e r a t i v e l e a r n i n gc o n t r o l ，s p e e dr e g u l a t i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：撞茂体 签字日期：钆叼7年，月万日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权基鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：号式玮 导师签名： 签字日期：加口7 年 1 月2 j 日 证坼 签字嗍1 年月矿日 第一章绪论 1 1a r m 处理器概述【1 7 】 第一章绪论 a r m 是a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s 的缩写。a r m 处理器具有小体积、低功耗、 低成本、高性能等特点，并且具有| 6 3 2 位双指令集。a r m 广泛应用在1 6 3 2 位嵌入式r i s c 解决方案中，几乎占有嵌入式r i s c 微处理器市场份额的7 5 。 1 1 1a r m 处理器的应用领域 ( 1 ) 工控领域：基于a r m 内核的微控制器芯片不但占据了高端微控制器市场 的大部分份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展。 ( 2 ) 无线通讯领域：目前已有超过8 5 的无线通讯设备采用了a r m 技术。 ( 3 ) 网络应用：随着宽带技术的推广，采用a r m 技术的a d s l 芯片正逐步获 得竞争优势。 ( 4 ) 消费类电子产品：a r m 技术在目前流行的数字音频播放器、数字机项盒、 数码相机和打印机中得到广泛采用。 1 1 2a r m 处理器系列介绍 a r m 所提供的1 6 3 2 位嵌入式r i s c 内核有以下几个系列：a r m 7 、a r m 9 、 a r m 9 e 、a r m l0 、s e c u r c o r e 、s t r o n g a r m 和i n t e lx s c a l e 。每个产品的设计都 尽量遵循高性能、低功耗的原则以满足用户日益复杂的应用需求。 ( 1 ) a r m 7 系列包括a r m t t d m i 、a r m t t d m i s 、带有高速缓存处理器宏单 元的a r m 7 2 0 t 和扩充了j a z e u e 的a r m 7 e j s 。该系列处理器提供t h u m b l 6 位 压缩指令集和e m b e d d e d l c ej t a g 软件调试方式，适合应用于更大规模的s o c 设计中。a r m 7 系列处理器的主要应用领域为：工业控制、i n t e m e t 设备、网络 和调制解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。 ( 2 ) a r m 9 系列有a r m 9 t d m i 、a r m 9 2 0 t 和带有高速缓存器宏单元的 a r m 9 4 0 t 。所有的a r m 9 系列处理器都具有t h u m b 压缩指令集和基于 e m b e d d e d l c ej t a g 的软件调试方式。a r m 9 系列兼容a r m 7 系列，而且能够比 a r m 7 进行更加灵活的设计。a r m 9 系列微处理器主要应用于无线设备、仪器仪 表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。 第一章绪论 ( 3 ) a r m 9 e 系列为综合处理器，包括a r m 9 2 6 e j - s 、a r m 9 4 6 e s 和带有高速 缓存处理器宏单元的a r m 9 6 6 e s 。该系列强化了数字信号处理( d s p ) 功能， 可应用于需要d s p 和微控制器结合使用的情况，将t h u m b 技术和d s p 都扩展到 a r m 指令集中，并具有e m b e d d e d l c e r t 逻辑，更好的适应了实时系统的开发 需要。同时其内核在a r m 9 处理器内核的基础上使用了j a z e l l e 增强技术，该技 术支持一种新的j a v a 操作状态，允许在硬件中执行j a v a 字节码。a r m 9 系列微 处理器主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、存储设 备和网络设备等领域。 ( 4 ) a r m l 0 系列包括a r m l 0 2 0 e 和a r m l 0 2 2 e 微处理器内核。其核心在于使 用向量浮点( v f p ) 单元v f p l0 提供高性能的浮点解决方案，从而极大地提高 了处理器的整形和浮点运算性能，为用户界面的2 d 和3 d 图形引擎应用夯实基 础。a r m i o e 系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设 备、工业控制、通信和信息系统等领域。， ( 5 ) s e c u r c o r e 系列涵盖了s c l 0 0 、s c l1 0 、s c 2 0 0 和s c 2 1 0 处理器核。该系列 处理器主要针对新兴的安全市场，以一种全新的安全处理器设计为智能卡和其他 安全i c 开发提供独特的3 2 位系统设计，并具有特定的反伪造方法，从而有助于 防止对硬件和软件的盗版。s e c u r c o r e 系列微处理器主要应用于一些对安全性要 求较高的应用产品及应用系统，如电子商务、电子政务、电子银行业务、网络和 认证系统等领域。 ( 6 ) s t r o n g a r m 处理器将i n t e l 处理器技术和a r m 体系结构融为一体，致力于 为手提通讯设备和消费电子类设备提供理想的解决方案。i n t e lx s c a l e 微体系结 构则提供全性能、高性价比、低功耗的解决方案，支持1 6 位t h u m b 指令和集成 数字信号( d s p ) 指令。 1 1 3a r m 处理器体系结构扩展 a r m 为了增强应用功能，提供了一系列的体系结构上的扩展，具体有： ( 1 ) 在大型芯片设计中，扩展使用低功耗1 6 位数据总线的t h u m b 压缩指令集 以降低系统功耗： ( 2 ) 增强乘法器以改进处理器性能； ( 3 ) a r m 9 系列处理器的实时跟踪方案e m b e d d e d l c e r t 可以增强实时功能； ( 4 ) 扩展d s p 功能以增强a r m 处理器在数字信号处理( d s p ) 应用方面的性 能； ( 5 ) 扩展j a v a 加速技术j a z e l l e ： ( 6 ) 单指令放大数据s i m d 可以增强多媒体应用性能。 2 第一章绪论 1 2 伺服电机及调速算法概述f 8 _ l o 】 伺服电机又称为执行电机，在自动控制系统中被当作执行元件。它把输入的 电压信号交换为轴上的兔位移和焦速度输邂，转轴的转向与转速随信号电压的方 向和大小改变。 自动控割系统对橱服电专醒i 的基本要求楚：调速范匿广，机械特性和调节特性 均为线性，无自转现象，快速响应好，控制功率小、重量轻、体积小。 很多控制算法都能应用到伺服电机调速上，但以前使用最多的还是传统的 p i d 控制，虽然其控制结构简单，参数容易整定，但是p i d 调节器易受干扰、采 样精度的影响，且受数字量上下限的影响易产生上下限积分饱和而失去调节作 月。所以，现今对电机调速的研究都集中在各种薪型控制算法帮控割策略上：魏 非线性补偿、自适应算法、迭代学习算法等。 1 3 嵌入式系统概述- 1 6 】 1 3 1 嵌入式系统的定义 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，其软硬件可配置，对功 能、可靠性、成本、体积、功耗有严格约束的一种专用系统。i e e e 对嵌入式系 统的定义是用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置一。 1 3 2 嵌入式系统的特性 ( 1 ) 通常执行特定功能； ( 2 ) 以微电脑与外围构成核心； ( 3 ) 严格的时序与稳定控要求； ( 4 ) 全自动操作循环。 王。3 。3 嵌入式系统的构成 嵌入式系统可以分为硬件及软件两部分，其中硬件的设计包括单片机控制电 路的设计、网络功能设计、无线电通信设计及使用接口等；嵌入式软件为信息、 通信网络或消费性电子产品系统中的必备软件，专司硬件产品的驱动、控制处理 或基本接墨功能，潋提升硬件产品静价篷，力该硬件产品不可缺少静重要部分。 3 第一章绪论 1 3 。4 开发嵌入式系统的技术 嵌入式系统开发与w i n d o w s 系统开发有所不同。首先，嵌入式系统开发中使 用的设备有暖遂盼焦色之分。执行编译、连接、定址过程的计算机嬲宿主机；运 行嵌入式软件的硬件平台叫目标机。应用程序在宿主机上通过交叉编译器、连接 器等编译、连接、定址，转换为遐标机的量进制代码程序。交叉编译器、连接器 就是运行在一个计算机平台上的，为产生另一个平台代码的编译器、连接器。其 次，目标机上殿用程序的调试采用交叉调试器，使用宿主机目标机调试方式。 宿主机和西标桃之阊用串嚣线或以太阏线相连。交叉调试有钰务级、源码级和汇 编级调试，调试时须将宿主机上的应用程序和操作系统内核下载到目标机的 r a m 中或壹接烧写到嚣标机的f l a s h 中。罄标监控器是调试器对嚣标机上运行 的应用程序进行控制的代理，事先被固化在目标机的f l a s h 中。它在目标机上电 后自动启动，并等待宿主机调试器发来的命令，配合调试器完成应用程序的下载、 运行和基本调试功能，将调试信息返回给宿主机。嵌入式目标系统生成与调试方 式见图1 1 所示： i 避过交义编滞秣、连接 i 嚣等，l ：成目标帆代码 l 勃i 系统j 孵过程挝标系统谖试i ：糕 鎏i - 1 嵌入式基标系统生成和调试过程孛宿主机耨蟊标机的关系 般情况下，嵌入式系统应用程序都是先在宿主枫上编写，经编译、连接生 成目标机二进制目标代码后，再移植到目标机上。在宿主机上编写软件时，必须 注意软件的可移植性。具体操作中，需用具有较高移植性的编程语言，并尽量少 调用操作系统函数，屏蔽不同硬件平台带来的字节簸序、字节对齐等问题。 l 。3 s 主流嵌入式系统 ( 1 ) w i n d o w sc e ：微软公司设计开发的多线程、完整优先权、多任务的基 4 第一章绪论 于m f c 构架的操终系统。它的模块化设计允许它对从掌上电脑到专用的工业控 制器的用户电子设备进行制定。 ( 2 ) v x w o r k s ：目前嵌入式系统领域巾使用较广泛、市场占用率较高的系统。 它支持多种处理器，如x 8 6 、i 9 6 0 、s u ns p a r e 、m o t o r o l am c 6 8 x x x 、m i p sr x 0 0 0 、 p o w e r p c 等。其a p i 是专有的。 ( 3 ) p s o s ：w i n d r i v e r 公镯的产品，是一个模块化、离性能豹实时操作系 统，专门为嵌入式微处理器设计，提供一个完全多任务环境，在制定的或商业化 硬件上提供高性能和赢可靠性，可以实现从简单的单个设备到复杂的、网络化的 多处理器系统。 ( 4 ) q n x ：是实时的，可扩充的操作系统，提供了一个微内核以及可选的 配合进程。其内核仅提供4 种服务：进程调度、进程闻通信、底层网络通信和巾 断处理，其进程在独立地址空间运行。其它所有的o s 服务，都实现为协作的用 户进程。 ( 5 ) p a l mo s - 3 c o m 公司的p a l mo s 在p d a 市场上占有很大的份额，a p i 全开放。 ( 6 o s 一9 ：m i c r o w a v e 公溺为微处理器的关键实时任务设计的操作系统， 广泛应用于消费电子产品、工业自动化、无线通信产品、医疗仪器、数字电视等 领域中，提供了很好的安全性和容错性。 ( 7 ) l y n x o s ：l y n xr e a l - t i m es y s t e m s 公司的l y n x o s 是一个分布式、嵌入 式、可扩展规模的实时操作系统，遵循p o s i x 标准，支持线程概念，提供虚拟 内存和基于m o t i f 的用户图形界面。 ( 8 ) u c l i n u x 。 1 4 本课题的研究内容 本课题旨在开发一款嵌入式电机调速系统，在系统上编写迭代学习控制算法 实现对电机模型的调速。采用a t m e l 公司的a t 9 1 r m 9 2 0 0 作为核心处理器，嵌 入了u c l i n u x 操作系统。具体王作如下： ( 1 ) 设计了含n o r f l a s h 、s d r a m 存储器、p w m 接口的基于a t 9 1r m 9 2 0 0 核 心叛。 ( 2 ) 设计了含伺服驱动桥式电路的电机驱动扩展板。 ( 3 设计并仿真了经过一次迭代使系统输出收敛予期望轨迹的的迭代学习控制 算法。 ( 4 ) 推广上述算法到受扰动系统中，分别设计并仿真了受确定及不确定扰动的 第一章绪论 线性时变系统的迭代学习算法。 ( 5 ) 移植了u c l i n u xv 2 4 操作系统。 ( 6 ) 编写了电机驱动板在l i n u x 下的驱动程序，提供了完整的a p i 函数。 ( 7 ) 编写了基于u c l i n u x 系统( 多线程) 的针对电机模型的调速程序，使用迭 代学习算法实现对电机模型的调速。 1 5 论文章节安排 文中第一章简述了a r m 处理器的应用领域、分类、体系结构，以及嵌入式 系统的含义、构成，说明了几款主流嵌入式操作系统的各自特点，并介绍了开发 嵌入式系统的技术。 第二章设计了嵌入式伺服电机调速系统控制器部分的硬件体系结构，在 a r m 9 2 0 t 内核的a t 9 1 r m 9 2 0 0 上扩展了f l a s h 存储器，s d r a m 存储器，晶 振及复位电路，并设计了电机h 桥驱动电路。 第三章首先介绍了迭代学习控制及其发展现状，分析了各种传统迭代学习算 法的优劣，然后利用2 - d 系统理论的r o e s s e r 模型，阐述了受扰动的线性时变离 散系统迭代学习控制( i l c ) 问题的一种解决方法。对系统所受的已知扰动，给 出其学习律参数的选取范围以及仅经一次迭代就能实现输出完全跟踪期望轨迹 的参数选取方法；对系统所受的未知扰动，对s i s 0 系统提出其学习律存在的条 件及参数选取方法，进而推广到m i m 0 系统中，提出m i m 0 系统学习律的参数选取 方法并给出数值例子进一步说明所得结果的有效性。最后，结合电机模型作了电 机调速算法的仿真，验证了论文提出的方案是可行的。 第四章首先介绍了u c l i n u x 操作系统的各部分构成，比较了u c l i n u x 与l i n u x 的异同，给出了u c l i n u x 操作系统在a t 9 1 r m 9 2 0 0 上的移植方法。随后介绍了l i n u x 驱动程序的分类并编写了电机驱动板的驱动程序，提供了完善的a p i 函数库。最 后基于l i n u x 内核编写了多线程电机调速程序。 6 第三章调速系统硬件设计 第二章调速系统硬件设计 2 1 调速系统硬件整体结构 本章以a r m 为核心设计了电机调速系统控制器部分的硬件电路。 整个系统硬件分为两个部分：核心板和驱动板。核心板基于a t 9 1 r m 9 2 0 0 、 n o r f l a s h 、s d r a m 、p w m 端口、5 v 电源模块等；驱动板包括桥式电路，电压 转换电路、2 4 v 电源模块等。两部分之间通过p w m 口和通用i o 口通信。结构 如图2 1 所示。 l 删8 2 0 0h p w m 卜 爿既a s h a t 9 王r m 9 2 0 0一电源 5h - ，o 卜 = j s d r a m 2 2a t 9 1 r m 9 2 0 0 概述 图2 1 系统结构框图 a t 9 1r m 9 2 0 0 是一款由a t m e l 设计生产的嵌入式a r m 微处理器，采用2 0 8 脚p q f p 羹 装，内含一个a r m 9 2 0 t ；核和以下片内外围，其主要特性如下【1 7 】： ( 1 ) 融合了a r m 9 2 0 t a r mt h u m b 处理器。 工作于18 0 m h z 时性能高达2 0 0 m i p s ： 1 6 k 字节的数据缓存，1 6 k 字节的指令缓存，写缓冲器； 7 第三章调速系统硬件设计 含有调试信道的内部仿真器。 ( 2 ) 低功耗：v d d c o r e 电流为3 0 4 m a ，待机模式电流为3 1 m a 。 ( 3 ) 附加的嵌入式存储器：s r a m 为1 6 k ，r o m 为1 2 8 k 。 ( 4 ) 外部总线接1 2 1 ( e b i ) ：支持s d r a m ，静态存储器，b u r s tf l a s h ，c o m p a c t f l a s h ， s m a r t m e d i a 及n a n df l a s h 。 ( 5 ) 高性能的系统外设： 增强的时钟发生器与电源管理控制器； 两个有双p l l 的片上振荡器； 低速的时钟操作模式与软件功耗优化能力； 四个可编程的外部时钟信号； 包括周期性中断、看门狗及第二计数器的系统定时器； 有报警中断的系统时钟； 调试单元、两线u a r t 并支持调试信道； 有8 个优先级的高级中断控制器，独立的可屏蔽中断源，伪中断保护； 7 个外部中断源及1 个快速中断源： 1 2 2 个可编程i 0 口线的四个3 2 位p i o 控制器，各线均有输入变化中断及开 漏能力： 2 0 通道的外设数据控制器( d m a ) 。 ( 6 ) 1 0 1 0 0 b a s e t 型以太网卡接口 独立的媒体接口( m i i ) 或简化的独立媒体接口( 州i i ) ； 对于接收与发送有集成的2 8 字节f i f o 及专用的d m a 通道。 ( 7 ) u s b 2 0 全速( 1 2 m 比特秒) 主机双端口及器件端口。 ( 8 ) 3 个同步串行控制器： 每个接收器与发送器有独立的时钟及帧同步信号； 支持i i s 模拟接口，时分复用； 3 2 比特的高速数据流传输能力； ( 9 ) 4 个通用同步异步接收发送器( u s a r t ) 支持i s 0 7 8 1 6t o 厂r l 智能卡； 硬软件握手； 支持r s 4 8 5 及高达1 1 5 k b p s 的i r d a 总线； u s a r t l 为全调制解调控制线； ( 1 0 ) 主机从机串行外设接口( s p i ) ：8 1 6 位可编程数据长度，可连接4 个外 设。 ( 1 1 ) 两个3 通道1 6 位定时计数器( t c ) ： 第三章调速系统硬件设计 3 个外部时钟输入，每个通道有2 个多功能f o 引脚； 双p w m 产生器，捕获波形模式，上加下减计数能力。 ( 1 2 ) 两线接口( t w i ) ：主机模式支持，所有两线a t m e le e p r o m 支持。 ( 1 3 ) 所有数字引脚的i e e e1 1 4 9 1j t a g 边界扫描。 2 3 电源模块设计 本系统需要使用5 v 、3 3 v 、1 8 v 的直流稳压电源。a t 9 1 r m 9 2 0 0 的v d d i o p 和v d d d i o m 需3 3 v 电压，v d d c o r e 、v d d o s c 和v d d p l l 需1 8 v 电压，而 外设芯片如m a x 2 3 2 等需5 v 供电，这几部分共用一个电源模块【1 引，原理图如图 2 2 所示： 2 4 晶振及复位电路 图2 2 电源模块原理图 晶振电路用于向c p u 及其他电路提供工作时钟。本系统中，a t 9 1 r m 9 2 0 0 使用无源晶振，如图2 3 所示： 9 第三章调速系统硬件设计 图2 3 晶振电路 根据a t 9 1 r m 9 2 0 0 的最高频率和p l l 电路的工作方式；选择1 8 4 3 2 m h z 的主 晶振和3 2 7 6 8 z 的低频晶振，经过片内p l l 电路倍频后，最高可以达到 1 8 0 m h z 。p l l 电路兼有频率放大和信号提纯功能，因此，系统可以以较低的外 部时钟信号获得较高的工作频率，以降低因高速开关时钟所造成的高频噪声。【6 】 复位电路的主要功能是系统的上电复位和系统在运行时用户的按键复位功 能。本系统采用了最常用的r c 复位电路，如图2 - 4 所示： 图2 4r e s e t 电路 其中r e s e t 端和n r e s e t 端输出状态相反，以用于高电平复位的器件；通 1 0 第三章调速系统硬件设计 过r l 和c 1 的参数，可调整复位状态时间。 2 5s d r a m 接口电路 存储器是容量数据处理电路的重要组成部分。随着数据处理技术的进一步发 展，对于存储器的容量和性能提出了越来越高的要求。同步动态随机存储器 s d r a m ( s y n c h r o n o u sd y n a m i cr a n d o ma c c e s sm e m o r y ) 因其容量大、读写速 度快、支持突发式读写及相对低廉的价格而得到了广泛的应用。 在本系统中，使用的s d r a m 舯5 7 v 2 8 1 6 2 0 h g a l 9 】，如图2 5 ，单片容量为 1 6 m ， 3 2 位数据宽度，主要用于程序运行空间，数据及堆栈区。 h y 5 7 v 2 8 1 6 2 0 h g 的引脚信号描述如表2 1 所示： u 3 l d l 2 3 a 0d q 0 2d 0 a 32 4 l d q i 4d 1 a 42 5 2d 0 2 5d 2 a 5茄 3 d q 3 7d 3 筋2 9 a 4 d q 4 8d 4 a 7如 5d q 5 1 0d 5 a g3 l a 6d q 6 l l d 6 a 9 3 2 a 7 d q 7 1 3 d 7 a 1 0 3 3 a g d 0 8 4 2d 8 a 1 1 3 4 9d 0 9 4 4d 9 s d a l 0 2 2彤d 1 0 a 1 3 3 5 a 1 0 d q l 0 4 7d 1 l a u d q l l 镐d 1 2 a 1 6 j b a 0 加 d 0 1 2 b a 01 3 5 0d 1 3 a 1 刀b a l2 l5 ld 1 4 b l a l i ：岣1 4 5 3d l j础 1 43 6 d q l 5 n c 灶n c咖 l v d d 1 4 t i 谥一 s d c k e3 72 7 c 1 v d d 3 v d i x 2 缸圮k芟9 伽cv d d q 躬 a 0 小b 1 5 v d d q 审岛 d ( m l v d d q n w r l n b s l c f l 0 r 剪 d q m h 麓 c a s1 7 v s s c a s v s s 4 l r a s1 8 5 4 lu峪vss 船s o 6 w e1 6 v s s 0 1 2 丽 v s s q 斯 n c s l _ f s d c s1 95 2 c s w s q 第三章调速系统硬件设计 表2 1h y 5 7 v 2 8 1 6 2 0 h g 的引脚信号描述表 引脚描述 a 1 l ：0 地址线。行地址：r a 0 - r a l1 ；列地址c a 0 - c a 8 d q 1 5 ：0 】 数据线 c l k 时钟 c k e 时钟使能 c s 片选，低电平有效 r a s ，c a s ，w e行信号，列信号，写使能 2 6f l a s h 接口电路 和s d r a m 存储器相比，f l a s h 存储器具有如下特点：掉电后信息不丢失， 是一种非易失性存储器，在系统中通常用于存放程序代码、常量表以及一些在系 统掉电后需要保护的用户数据等，但是比s i ) r 脚度慢。本系统选用a t m e l 的 a t 4 9 b v 3 2 2 a 2 0 1 ，容量为8 m b ，如图2 - 6 所示： 图2 - 6 f l a s h 接口电路 a t 4 9 b v 3 2 2 a 的引脚信号描述如表2 - 2 所示： 第三章调速系统硬件设计 表2 2a t 4 9 b v 3 2 2 a 的引脚信号描述表 名称 功能 i o 1 5 ：0 】 数据输入输出 a 1 9 ：0 】 地址线 c e 片选，低电平有效 o e输出使能，低电平有效 c l k 时钟 i t e s e t复位，低电平有效 、砘 写使能，低电平有效 v p p写保护，加速擦写操作供电 r y b y 读，忙状态 2 7 电机驱动电路设计 2 7 1h 桥芯片l m d18 2 0 0 1 2 1 】【2 2 】 传统的直流电机驱动器多采用达林顿三极管h 桥实现p w m 脉宽调制，但是 分立器件各个元件的特性并不相同，故调速性能不好，电路不能达到很高的稳定 性。而采用n s 公司推出的专用于运动控制的h 桥芯片l m d l 8 2 0 0 能实现更可 靠、稳定的调速。它包含d m o s 电路构成的h 桥，额定电流3 a ，峰值电流6 a ， 电源电压最高能达到5 5 v 。 l m d l8 2 0 0 可采用两种不同的p w m 信号：( 1 ) p w m 信号中即包含方向信 息又包括幅值信息，5 0 占空比的p w m 信号代表零电压；( 2 ) 分别由方向信号 与幅值信号组成。幅值由p w m 信号的占空比决定，零脉冲时代表零电压。本系 统采用第二种方法产生p w m 信号。 l m d l 8 2 0 0 的引脚描述如表2 3 所示： 表2 - 3l m d l8 2 0 0 引脚信号描述表 名称功能描述 b o o t s t ra p 为h 桥1 输出接1 0 n f 电容 l o i ，”u t1 h 桥l 输出 d i r e c t l o n方向信号输入，配合p w m 输入和b r a k e 引脚产生p w m 输出信号， 第三章调速系统硬件设计 如表2 - 6 所示 b r a k e电机停止信号输入，配合d i r e c t i o n 和p w m 输入引脚产生p w m 输出信号，如表2 - 6 所示 p w m p w m 输入，配合d i r e c t i o n 和b r a k e 引脚产生p w m 输出信号， 如表2 - 6 所示 v s电源供电 g n d 接地 s e n s e 输出电流反馈：输出1 a 时，反馈3 7 7 u a 1 1 e r m a l 芯片温度报警 0 u t p u t 2h 桥2 输出 b o o t s t r a p 为h 桥2 输出接1 0 n f 电容 2 表2 - 4l m d l 8 2 0 0 真值表 p 、m md i rb r a k e 输出 hhl 输出1 高电平，输出2 低电平 hll 输出1 低电平，输出2 高电平 lxl 输出i 高电平，输出2 高电平 hhh 输出1 高电平，输出2 高电平 hlh 输出1 低电平，输出2 低电平 lxh无 2 7 2 电机驱动电路 电机驱动电路如图2 7 所示，整个电路由3 部分组成： ( 1 ) l m d l 8 2 0 0 电路，2 4 v 5 5 v d c 供电。 ( 2 )电压转换电路。由于外接编码器脉冲的电压和供电电压一致，一般使 用5 vd c 供电，而a t 9 1 r m 9 2 0 0 的i o 端口的标准输入电压为3 3 v ， 则需要用l t l 0 8 5 把5 v 电压转化为3 3 v ( 3 ) l m d l 8 2 0 0 的输入门槛电压为3 3 v ，a t 9 1 r m 9 2 0 0 的p w m 信号也是 3 3 v ，使l m d l8 2 0 0 无法分辨输入信号。需要通过非l - j7 4 h c 0 4 把输 入信号提升到5 v 。 1 4 第三章调速系统硬件设计 船 l t l 5 图2 7 电机驱动电路原理图 1 5 第三章迭代学习控制算法 第三章迭代学习控制算法 3 1 迭代学习控制简介及研究现状【2 3 彩】 本文采用2 d 迭代学习控制算法实现对电机的调速。这种算法调速性能好，但是实 现复杂，运算量大，适于应用在a r m 等高速处理器上。 迭代学习控制( i l c ，i t e r a t i v el e a r n i n gc o n t r 0 1 ) 是人工智能与自动控制相结合的新 型学习控制方法，是智能控制领域中研究、开发及应用的重要发展方向之一。它具有拟 人的学习过程与特性，能以非常简单的方式处理不确定度相当高的非线性强耦合动态系 统。迭代学习控制的概念首先f l ：l u c h i y a m a 于1 9 7 8 年提出i 凋，1 9 8 4 年由a r i m o t o 等发展 了这种思想，并建立了实用算法，可以实现在给定的时间段上对未知被控对象以任意精 度跟踪给定的期望轨迹，无需辨识系统参数，属于基于品质的自学习控制，特别适用于 机器人等重复运动的场合1 2 7 1 。它的研究对那些难以建模以及高精度轨迹控制的问题有非 常重要的意义。由于迭代学习算法极为简单，又能解决如此复杂的问题，因而一经提出 就引起人们极大的关注和兴趣。在国内外有很多关于迭代学习控制的专著问世 2 8 - 3 2 】。 在实际中，动态过程并不是确定的，而是存在着各种己知或未知扰动，初始状态的 偏差也并不随着学习次数的增加而趋于零。在学习律中用到的输出误差也存在着测量误 差，当这些扰动、偏差和误差存在时，迭代学习控制还能否收敛到期望轨迹的邻域，即 需要把鲁棒控制理论引入到这一领