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ABSTRACTTHISPAPERSTUDIESAKINDOFCONTROLLINGSYSTEMOFDCMOTORANALYZINGANDCONCENTRATESONTHERESEARCHOFDIRECTCURRENTMOTORCONTROLLEDBYARMPROCESSORFIRSTLY,PIDARITHMETIC、PWMTECHNOLOGYAREINTRODUCEDANDTHEL298NMOTORDRIVERMODULEISANALYZEDTHECIRCUITDISGRAMISDESCRIBEDWHICHEXPLAINSHOWARM920TCONNECTSWITHL298NSECONDLY,THEDRIVERSARECOMPLETEDFORTHEBOARDSPWMINSIDEPORTS,THESERIALCOMMUNICATIONSMODULESUSEDBYARM9ARECOMPLETEDLASTLY,USETHECODEWARRIORFORARMDEVELOPERSUITEASDEVELOPTOOLTOWRITETHEUPPERMACHINESMASTERPROGRAMS,MORETHEPRECISIONCARRIEDOUTTURNINGOFCOMMONDIRECTCURRENTELECTRICALENGINEERINGSOONDIAGRAPHANDTURNTOSOONREGULATEFUNCTIONPRACTICEHASPROVEDTHATTHESYSTEMISSIMPLEINSTRUCTURE,EASYOPERATION,HIGHACCURACY,STABILITYANDSOONKEYWORDSARM9BOARDDCMOTORPWMMEASURESFASTVELOCITYMODULATION目录第1章绪论111课题背景1111直流电机发展过程3112直流电机发展方向与展望412课题目标及意义513课题任务及要求514课题内容分析与实现615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821总体方案822直流电机控制系统硬件方案823直流电机控制系统软件方案9第3章系统的硬件设计1031芯片S3C2440A简介1032直流电机驱动模块12321PWM技术简介12322直流电机电枢PWM调压调速原理12323直流电机调速系统的整体结构14324基于H型驱动电路的PWM调速14325ARM的脉宽调制PWM描述1733速测量模块18331测速原理18332测速传感器19333波形整定2034通信模块22341串行通信涉及的几个问题22343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2541控制系统软件设计步骤2542ARMADS软件开发平台2643ARM9开发板设置及连接27431设置超级终端27431BIOS模式28432HJTAG和HFLASHER2944系统变量与函数的定义3145主程序设计3146各模块程序设计33461系统初始化33462中断子程序设计33463PWM调速程序设计35464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4251硬件电路调试4252软件电路调试43521使用HJTAG在ADS12环境下进行仿真调试4353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S3C2440A系统原理图50附录整体电路图51附录III程序清单52附录IV元器件清单53第1章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。11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795，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。111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。18701890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。112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。12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。PWMPULSEWIDTHMODULATION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。13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。14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RS232C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。15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。第2章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。21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TLP5214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RS232C来进行串口通道。22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21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。图21控制系统结构框图23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。上位机PCARM9S3C2440L298N直流电机串口通信P021/PWM5P016P017转向控制转速控制第3章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。31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31所示。图31S3C2400A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TIMERTIMER0、1、2、和3由PWMPULCSIWIDHTMDOLUATINO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1255，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MCLK400MHZ是系统的主频，最高可达533MHZ。ARMADVANCEDRLSCMACHINES，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通称，还可以认为是一种技术的名字。32位ARM微处理器采用RISC架构REDUCEDINSTRUCTIONSETCOMPUTCR，精简指令集计算机的S3C2440A处理器一般具有以下特点1体积小、低功耗、低成本、高性能2支持THUMB16位/ARM32位双指令集，能很好地兼容8位/16位器件；3大量使用寄存器，指令执行速度更快；4大多数数据操作都在寄存器中完成；5寻址方式灵活简单，执行效率高；6指令长度固定；ARM9开发版是具有很高性价比一款16/32位单片机，支持标准C语言，可以实现C语言与汇编语言的互相调用，ARM9开发板是以SAMSUNG公司32位处理器为核心的开发板，开发板除了具备最小系统电路外，还包括电源电路、音频电路含MIC输入部分和DAC音频输出部分、复位电路等，在掌握软件设计的同时，熟悉其硬件的设计制作，锻炼动手能力。而且它的体积小，采用外部电源供电，方便携带。开发板上有CMOS摄像头、USB、双声道音频输、LCD、音频输入等接口，此开发板还可以通过RJ45网络座实现网络远程控制，配合CODEWARRIORFORARMDEVELOPERSUITE、AXDDEBUGGER、HFLASHER和HJTAG软件可方便地在板上实现程序的下载及调试等工作。32直流电机驱动模块直流电机驱动模块采用L298N直流电机驱动芯片和光电耦合器TLP5214芯片，配置直流电机一台，模块针对ARM9平台设计，可以方便地使用排线与开发板连接。321PWM技术简介在直流电机控制系统中，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，其上的压降可以略去当晶体管处在断开时，其上压降很大，但是电流为零，所以不论晶体管接通还是断开，输出晶体管中的功耗都是很小的。一种比较简单的开关放大器是按照一个固定的频率去接通和断开放大器，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”的相位宽窄，这样的放大器被称为脉冲调制放大器。PWMPULCSIWIDHTMDOLUATINO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。根据PWM控制技术的特点，到目前为止主要有八类方法相电压控制PWM、线电压控制PWM、电流控制PWM、空间电压矢量控制PWM、矢量控制PWM、直接转矩控制PWM、非线性控制PWM、谐振软开关PWM。322直流电机电枢PWM调压调速原理随着计算机进入控制领域，以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制的PWM控制方式已成为主流。这种控制方式很容易在单片机控制中实现，从而为直流电动机控制数字化提供了契机。直流电机转速N的表达式为KIRUN31式31中U为电枢端电压，I为电枢电流，R为电枢电路总电阻，为每极磁通量，K为电动机结构参数。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。图32是利用开关管对直流电动机进行PWM调速控制的原理图。当开关管D1的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压US。T1匀秒后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为0。T2秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程这样，对应着输入的电平高低，直流电动机电枢绕组两端的电压波形如图33所示。图32PWM调速控制原理图图33输入输出电压波形图电动机的电枢绕组两端的电压平均值UO为SSSUTTTN121032其中，称为占空比，。占空比A表示了在一个周期T里开关管导通的时间与周期的比值。的变化范围为。由式32可知，当电源电压US不变的情况下，电枢的端电压的平均10值U0取决于占空比A的大小，改变值就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是PWM调速原理。在PWM调速中，占空比是一个重要参数。在直流电机控制中，改变来实现调速主要方法是定频调宽法使周期T或频率保持不变，而同时改变T1和T2。PWM控制信号的产生方法新一代的单片机增加了许多功能，其中包PWM功能。单片机通过初始化设置，使其能自动地发出PWM脉冲波，只有在改变占空比时CPU才进行干预。这种方法是目前获得PWM信号的主流方法，本控制系统采用此方法产生PWM信号。323直流电机调速系统的整体结构整个直流电机调速系统采用一种上位机、下位机二级分布式结构。上位机负责整个系统管理和计算等，下位机ARM输出PWM信号控制电机转速。下位机采用SAMSUNG公司的S3C2440A芯片，通过串口与上位机通信，ARM接收上位机的控制指令以实现所要求的功能。电机驱动采用L298N型驱动电路芯片，它可驱动两个直流电机。上位机控制电机运行，ARM不能自主控制电机转速，上位机和ARM之间通过串口进行实时通信。上位机接收用户输入，并转换为PWM占空比和转向信息，并按照通信协议发送给下位机。下位机ARM接收到上位机正确的数据指令后，根据指令决定PWM5占空比输出和引脚PO16和PO17的输出，并向上位机返回应答信息。下位机子系统为整个系统的核心子系统，下位机系统决定整个系统的性能。ARM上运行实时嵌入式系统以保证系统的实时性和高效性。324基于H型驱动电路的PWM调速由于H桥电路可以增加驱动能力，同时保证了完整的电流回路。本模块采用的是基于PWM原理的H型驱动电路，如图34所示。图34H桥型驱动电路原理结构当为高电平，为低电平时，、管导通，、管截止，电动机1U23Q64Q5正转。当为低电平，为高电平时，、管截止，、管导通，电动机反转。电机工作状态切换时线圈会产生反向电流，通过四个保护二极管D1、D2、D3、D4接入回路，防止电子开关被反向击穿。脉宽调速实质上是调节加在电机两端的平均功率，其表达式如公式33所示MAXKTAXPDT0133式中P为电机两端的平均功率；为电机全速运转的功率；K为脉宽。当K1时，相当于加入直流电压，这时电机全速运转，；当K0时，MAXP相当于电机两端不加电压，电机靠惯性运转。当电机稳定开动后，FVP34那么，FKFMAX35所以有公式36AXV36由式36可知直流电机的速度与脉宽成正比。由上述分析，、这对控制电压采用了20HZ的周期信号控制，通过对其占1U2空比的调整，对车速进行调节。同时，可以通过、的切换来控制电机的正转与1U2反转。在实际调试中发现由于桥式电路中四个三极管的参数不一致，使控制难度加大，因此本设计选用专用的电机驱动芯片L298N。L298N是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。它是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、ZA以下的电机。L298N可驱动两个直流电机，OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个电动机。IN1与IN2、IN3与IN4脚接输入控制电平，控制电机的正反转，ENA、ENB接控制使能端，控制电机的停转。L298N芯片引脚如图35所示。L298N内部结构如图34所示的H型电路原理相似。L298N真值表如表31所示。表31L298N真值表ENABIN1IN3IN2IN4电机运行情况HHL正转HLH反转H同IN2IN4同IN1IN3快速停止LXX停止图35L298N芯片引脚图325ARM的脉宽调制PWM描述ARM处理器有7个PWM匹配寄存器，可实现6个单边沿控制或3个双边沿控制PWM输出，或者这两种类型的混合输出1连续操作，可选择在匹配时产生中断；2匹配时停止定时器，可选择产生中断；3匹配时复位定时器，可选择产生中断。单边沿控制PWM输出在每个周期开始时总是高电平，除非输出保持恒定低电平。双边沿控制PWM输出可在一个周期内的任何位置产生边沿，这样可同时产生正脉冲和负脉冲。脉冲周期和宽度可以是任何的定时器计数值，这样可实现灵活的分辨率和重复速率的设定。所有PWM输出都以相同的重复速率发生。PWM脉冲频率由TCNTBNTIMERN计数缓冲器决定。PWM脉冲宽度值TCMPBNTIMERN比较缓存寄存器的值来决定。要得到一个较低的PWM脉宽输出值，就可以减少TCMPBN的值，反之亦然。如果输出反转器使能，增加和减少的结果也将是反转的。基于双缓冲器的特性，下一个PWM周期的TCMPBN的值可以通过ISR或其它手段，在当前PWM周期中的任何一点写入。即在程序中可以通过中断重新设定TCMPBN的值来改变电机的转速。缓冲区TCMPBN，TCNTBN的值不一定等于这个周期的TCMPN，TCNTN的值，但一定是TCMPN，TCNTN的下一个周期的值。在S3C2440A中，每个定时器具有一个倒计时器，通过定时器时钟源驱动16位倒计时寄存器TCNTN。定时器启动前，要向TCNTBN定时计数缓冲区寄存器写入一个初始值，这个值在定时器启动时载入到TCNTN倒计时器中。在定时器的TCMPBN比较缓冲器寄存器中同样也要写入一初始值，运行时用来载入到TCMPN比较寄存器中与TCNTN倒计时器的值相比较。系统启动时，需要通过置手动刷新位的方式，将TCMPBN和TCNTBN这两个缓冲区的值载入到TCMPN和TCNTN中。TCMPBN和TCNTBN这两个缓冲区的应用即双缓冲器使定时器能够在频率和占空比同时变化时，仍然产生一个稳定的输出。一般启动定时器的步骤如下1将初始值写入到TCNTBN和TCMPBN中；2设置对应定时器的自动重载位；3设置对应定时器的手动更新位,反向器置为OFF状态；3设置对应定时器的启动位来启动定时器，同时清除手动更新位。系统使用PWM5输出控制一个电机的转速，改变对应的PWM输出，就可以实现电机速度的控制。33速测量模块作为一种光电传感检测元件的光电编码器，具有精度高、反应快、抗干扰能力强、性能稳定可靠等显著的优点，它通常用于角位移和线位移的测量系统中，但由于件和成本的考虑，本系统将自行搭建测速电路以代替光电编码器的基本功能。光电码盘通过直流电机的带动，经过光电开关产生脉冲，再经过集成运算放大器，通过调整参考电压，对不稳定的脉冲波进行整形放大，再将信号送给光电耦合器进光电隔离，最后输出标准的矩形脉冲波形，接入单片机形成中断信号。331测速原理根据本课题设计要求和实际条件，本文采用测频法测速，以测量频率来实现测量转速的方法，即“M”法。用单位时间内测得物体的旋转角度来计算速度，例如在单位时间内，累计测速传感器发出的N个脉冲，即为该单位时间的速度。在一定测量时间T内，测量脉冲发生器替代输入脉冲产生的脉冲数M，来测量转速。M法测速原理图如图36所示。图36“M”法测量转速脉冲中断触发设在时间T内，转轴转过的弧度数为X，则的转速N可由下式表示TN26037转轴转过的弧度数X，可用下式所示PM138将38式代入37式转速N的表达式为TP16039N转速单位转/分T定时时间单位秒332测速传感器一般的转速测试可用机械式转速表、发电机式转速表以及频闪式测速表，但在有些情况下，其测量精度，瞬时稳定度不能满足更高的要求，因此，在测量方法和传感器的选择上显得尤为重要。常用的传感器种类有光电传感器、电磁式传感器、电容式传感器等，而测量方法上有测量转速周期、转速频率等。本设计将采用光电式传感器，利用该元件由转速产生脉冲，并编制程序对脉冲定时计数来进行侧量。以下对光电开关原理做以简要介绍。如图37A所示，本设计采用的是H42B6型号光电开关，它是以光为媒介来传输电信号的器件，通常是以U形槽的形式封装起来，除了发光端和受光端有狭窄的通道外，其他部分都封装在管壳内。与光耦器件类似，当输入端加电信号时发光器发光，受光器接收后就产生光电流，从输出端流出，从而实现了“电光电”转换。AB123C4E图37光电开关原理为了产生测速脉冲，除此之外还需要一个光电码盘与其搭配。如图37B所示，码盘上有均匀的若干个孔或锯齿，以便它在旋转的时候能让光电开关的受光端通过孔来感应发光端的信号。电机的转速越快，光电开关输入输出端信号传递的频率就越快，单位时间产生的脉冲就越多；反之，单位时间产生的脉冲就越少。因此，以码盘作为测速装置是容易实现的，本设计采用的码盘共16个刻度。经过测试，其可测性良好。333波形整定为了使所采集的信号能够用于测量、控制、驱动负载或送入计算机，常常需要将信号进行转换，如将电压转换成电流、将电流转换成电压、将电压转换成频率与之成正比的脉冲等等。本设计中要求的信号转换就是上述的最后一种转换。为了使转换后的信号能被单片机读取，除了转换之外还要对信号进行整形过滤，这是信号发挥其有效性的关键一步。通常在模拟电子中，电压比较是整形过程的常用方法，而运算放大器又是电压比较的核心，以下对其做以介绍。运算放大器实质上是高增益的直接耦合放大电路，集成运算放大器是集成电路的一种，简称集成运放。在其运用到电压比较的时候，通常有单限比较、滞回比较和窗口比较三种。在此，基于单片机的信号要求，使用单限比较形式即可。单限比较器电路中，输入电压是模拟信号，而输出电压只有两种可能的状IUOU态，不是高电平，就是低电平，用以表示比较的结果。该电路有一个阈值OHUOLU电压，输入电压逐渐增大或减小过程中，当通过时，输出电压产生月便，IUTO从高电平跃变为，或者从跃变为。图38A是单限比较器的电压传OHOLOLOH输特性。UIUOOURUZUZUORRFUREFUIA单限比较器电压传输特性B典型电压单限比较器图38电压比较原理图38B所示为一般单限比较器，为外加参考电压。根据叠加原理，集成运REFU放反相输入端的点位REFINURU2121310今，则求出阈值电压0PNUREFINUURU2121311REFT136当时，所以，；当时，TIUUPNUOMZOHUTIUU，所以，。若，则图的电压传输特性PNOMZLU0REFO图形正好与图38A的图形关于Y轴对称。在电压比较之后，只要接上一个光耦器就可以将电平信号转换成单片机识别的高低电平信号，而且还起到了光电隔离作用。具体波形整形与转换方式如图39所示。图39电压比较与整形过程34通信模块串行通信接口标准经过使用和发展，目前已经有几种。但都是在RS232标准的基础上经过改进而形成的。所以，本设计的通信部分以RS232C为主来展开。RS232C标准是美国EIA电子工业联合会与BELL等公司一起开发的1969年公布的通信协议。其中EIAELECTRONICINDUSTRYASSOCIATION代表美国电子工业协会，RSRECOMMENDEDSTANDARD代表推荐标准，232是标识号，C代表RS232的最新一次修改1969，它适合于数据传输速率在020000B/S范围内的通信。整个标准对串口通信接口的有关问题，如信号线功能、电气特性都有了明确规定。由于通行设备厂商生产与RS232C制式兼容的通信设备，因此它作为一种标准，目前在通信接口中广泛采用，在上位机机上每一个COM接口都是由UART通用异步接受发送器控制的异步串行端口。上位机为每一个串口都保留一系列的端口资源，大多数都有一个指定的中断请求IRQ或者中断请求级别。341串行通信涉及的几个问题1全双工方式和半双工方式全双工方式接收和发送用不同的通路；半双工方式输入和输出使用同一通路。2同步方式和异步方式串行通信数据的收发方式分为异步通信方式与同步通信方式。同步通信将许多字符组成一个信息组，字符可以一个接一个地传输，但是在每组信息帧的开始要加上同步字符，在没有信息要传输时，要填上空字符，因为同步传输不允许有间隙。异步通信异步通信时，两个字符之间的传输间隔是任意的，所以每个字符的前后都要用一些数位作为分隔位。同步方式的信息有效率高，对时钟定位同步要求好，因此电路复杂。同步方式需传输时钟信号。异步方式对时钟的要求较低，发送方和接收方的时钟频率不必完全一致，只要比较接近但不超过一定的允许范围。在同样的传输率下，同步传输时实际字符传输率要比异步传输时高。343串行口电气特性在上位机PC机进行串口通信时，使用了几条线进行信号传输。要开发串口通信程序，至少要了解其中五个角的名称及其作用1DTR传输上位机发往串口设备的信号，表示上位机是否己经准备好；2RTS传输上位机发往串口设备的信号，表示上位机是否允许设备发数据；3DSR传输串口设备发往上位机的信号，表示设备是否已经做好操作准备；4CTS传输串口设备发往上位机的信号，表示设备是否允许发送数据；5DCD传输串口设备发往上位机的信号，表示设备己经和远方的设备建立了联系。EIARS232C对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定。目前常用的9针串口DB9，通信距离较近时OPTION选项指定运行地址，并运行。对于本开发板，SDRAM的物理起始地址是0X30000000，结束地址是0X34000000，大小为64MBYTES，另外BIOS本身占用了0X33DE8000以上的空间，因此在用BIOS的USB下载功能时应指定地址在0X300000000X33DE8000之间。使用此功能，还可以把程序下载到内存马上运行，这对于开发调试是极有帮助的。432HJTAG和HFLASHER当前ARM的学习与开发非常流行，由于ARM的软件开发相对以前单片机而言更加复杂，硬件上的考虑也比较多，因此选择一个好的调试方法将可以使得开发的除错过程变得更加直接和简单。现在市面上有很多可用于ARM调试的仿真器出售，然而其价格往往都比较贵。这些仿真器一般都有其专用的软件和硬件，在速度和FLASH编程等方面有各自的优势。然而对初学者而言，这些仿真器的成本都太高。而简易仿真器的出现，使得大家可以使用甚至自制ARM仿真器硬件。有了调试器的硬件，还要加上调试代理软件，作为中介，将调试器前端软件比如AXD的调试信息与目标板上的目标芯片交互，才能最终完成仿真的任务。目前，可以免费使用的简易ARM仿真器的代理软件很多，差别也比较大，主要表现在易用程度，目标器件支持，调试速度等方面。HJTAG作为近来新推出的简易ARM仿真器调试代理，其支持器件比较多，支持的调试器前端软件也比较多，特别是支持KEIL，其调试速度也很有优势。主要功能特点支持各种ARM处理器ARM7,ARM9,XSCALE,CORTEXM3无缝连接各种主流IDEADS,SDT,IAR,KEIL,RVDS支持各种WINDOWS平台NT/2000/XP/VISTA支持并口,提供低成本可靠稳定的解决方案支持高速HJTAGUSB仿真器,提供高效可靠的解决方案HFLASHERHFLASHER是针对ARM处理器专门设计的一款烧写软件通过与HJTAG的配合使用,支持各种ONCHIPFLASH,NORFLASH和NANDFLASH的烧写与校验HFLASHER同时还支持加密操作,二次校验和SMART模式,满足用户开发与生产的不同需求HFLASHER通过灵活的设计,提供了极大的易用性与稳定性,是用户开发与生产中理想的烧写工具。支持ONCHIPFLASH,NORFLASH和NANDFLASH,提供高速稳定的烧写支持自动下载到内部和外部FLASH进行调试,方便快捷,简化调试提供灵活的初始化脚本,支持不同硬件平台的初始化配置提供自动校验,烧写同时,自动进行校验操作提供自动二次校验,烧写完成后,自动进行二次校验操作提供自动复位功能,烧写完成后,自动执行系统复位操作支持FLASH加密,烧写完成后,自动设置加密,保护用户程序支持SMART模式,提供自动保存与恢复,保证烧写地址覆盖空间外的数据不受影响支持BIN和HEX等不同格式的烧写文件支持配置文件的保存与装载,方便用户保存与交换配置文件灵活的接口设计,易于扩展,可以针对用户的需求进行定制,提供高效的烧写解决方案44系统变量与函数的定义45主程序设计本次设计的软件部分采用模块化的设计思想，将各个功能都编成了相应的子程序。程序运行时，通过主程序的调用及相应模块之间的嵌套调用，实现系统的整体功能。主程序流程图如图43所示。开始设置时钟频率等初始化初始化端口选择串口和设置波特率设置占空比初值为0通过键盘设置转动还是停止设置为正转GPG131GPG140设置转速初值测量值设定值通过PID算法设置PWM占空比设置为反转GPG130GPG141YYYNNN图43主程序流程图46各模块程序设计461系统初始化本设计的系统初始化流程图如图44所示。开始设置GPB1为PWM输出端设置GPG5和GPG6为正反转控制端制定INT0子程序并测量转速结束图44系统初始化462中断子程序设计中断是计算机的一种基本工作方式，几乎所有的CPU都支持中断，中断功能可以解决CUO内部运行速度远远快于外部总线速度而产生的等待延时问题。S3C2440A支持多32个中断源，中断请求可由内部功能模块和外部引脚信号产生。ARM9核可以识别两种类型的中断正常中断请求NORMALINTERRUPTUEST，