基于ARM的电动机控制技术研究

1、基于基于 ARMARM 的电动机控制技术研究的电动机控制技术研究11目目 录录目 录.1摘 要.2引 言.3第一章 电动机技术基础.41.1 电动机的发展与分类 .41.1.1 发展历程.41.1.2 电动机的种类.41.2 电动机的结构及原理 .71.2.1 直流电机的结构及工作原理.71.2.2 三相异步电动机的结构和工作原理 .81.3 三相异步电动机的调速方法及特点.9第二章 ARM 技术基础 .132.1 ARM 的发展及处理器分类 .132.1.1 ARM 简介 .132.1.2 ARM 在电动机控制系统中的应用 .152.1.3 ARM 处理器的分类 .162.2 ARM 集成开

2、发环境 .16第三章 电动机驱动控制系统.183.1 电动机控制系统驱动器主电路的构成 .183.1.1 交-直部分.183.1.2 直-交部分.193.2 PWM 调试方法与技术 .21第四章 基于 ARM 的电动机的控制系统.224.1 步进电动机的驱动控制电路设计 .224.2 基于 ARM 的直流电动机的调速系统.264.2.1 系统硬件设计 .264.2.2 系统的软件设计.27第五章 全文总结.30致谢.31参考文献.3222摘摘 要要摘要：通过在公司的实习，对机械的深层次了解，认识到电动机在工业生产中的重要地位。作为工业动力的基础，电动机的控制显得至关重要，对机械的性能优化、生产

3、率的提高等起着很大的作用，基于 ARM 这种嵌入式芯片的电动机控制越来越显示出其强有力的发展态势，在国内外都已被广泛的应用到工业生产中。在此基础上简单的对 ARM 的电动机控制做了简单分析与研究，主要简单的阐述了电动机的发展，工作原理以及 ARM 在电动机中的控制应用。关键词：ARM、电动机控制、机械Abstract: through the internship, in the company of deep understanding of mechanical, realize motor in the important position of industrial productio

4、n. As the foundation, motor power industry control is critical for mechanical performance, productivity improvement, etc, and optimize plays a big role, based on the ARM of the embedded chip and motor control showed its powerful development situation at home and abroad, has been widely applied to in

5、dustrial production. On the basis of the ARM of the simple electric motor control to a simple analysis and research, mainly simple describes the development of motor, working principle and application of motor control in the ARM.Keywords: the ARM, motor control and machinery33引引 言言现代工业生产中，电动机广泛应用于机械

6、、化工、冶金、纺织、军工等重要行业，可以说大多数生产机械都要采用电力拖动，因此有效的控制电动机，提高其性能，具有十分重要的现实意义。从 1991 年 ARM 公司成立于英国Cambridge 以来，ARM 技术正在逐步渗入到我们生活的各方面，基于 ARM 的电动机控制系统已经成在各种高精度场合开始研究和应用，展现出强大的优势和良好的前景。在公司的实习学习中认识到了这种技术的广阔前景，国外已广泛的开发应用，国内虽然已经重视起来，但是发展很不平衡。在南方经济基础良好的地方已经得到应用，其他地区却发展部够好，工业的发展要求必须加快技术的进步。对于基于 ARM 的电动机控制技术，本文在对这种技术有所认

7、识的基础上进行了简单的研究。主要讲了电动机的应用，ARM 的发展,用 ARM 来控制电动机，更好利用电动机为工业服务。基于 ARM 的电动机控制只是电动机控制系统的一个方面，在自己本专业所学知识与实习所接触了解的一点知识范围内简单的浅述。其他，电动机还有基于 PLC、单片机等控制系统，在工业生产中也得到广泛的应用，本文就不做阐述。44第一章第一章 电动机技术基础电动机技术基础1.1 电动机的发展与分类电动机的发展与分类1.1.1 发展历程发展历程电动机的发展与科学技术的进步是相辅相成的，1831 年法拉第发现了电磁反应定律，从此以后，各种类型的电动机不断被发明并广泛应用于我们的生产和生活中，同

8、时也加速了人类社会工业化的进程与技术的进步。进入 20 世纪以后，随着新型电磁材料的不断发展以及其他科学与技术的进步，人们在降低电动机生产工艺等方面进行了大量的工作，推动着电动机向大功率、高功率密度、低噪音、无电磁干扰和高效率、高可靠性绿色电动机和环保电动机的方向发展，而且交流电动机取代直流电动机也成为必然趋势。到目前为止，电动机的种类和功能已经相当的丰富，并朝着高性能、智能化、微型化和网络化的方向发展。国内电动机制造业也经历了一个从无到有、不断壮大的发展过程。建国以来，通过广大工程技师人员的不懈努力，在非常落后的基础上，逐步建立起较为完善的电动机制造体系。取得了举世瞩目的成就，为工业的发展和

9、人民的生活水平提高做出了巨大的贡献。1.1.2 电动机的种类电动机的种类1按工作电源分类：根据电动机工作电源的不同，可分为直流电动机和交流电动机。其中交流电动机还分为单相电动机和三相电动机。2按结构及工作原理分类：电动机按结构及工作原理可分为直流电动机，异步电动机和同步电动机。同步电动机还可分为永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同步电动机。异步电动机可分为感应电动机和交流换向器电动机。感应电动机又分为三相异步电动机、单相异步电动机和罩极异步电动机等。交55流换向器电动机又分为单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。直流电动机按结构及工作原理可分为无刷直流电动机和有刷直流电动机。有刷直流

10、电动机可分为永磁直流电动机和电磁直流电动机。电磁直流电动机又分为串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。永磁直流电动机又分为稀土永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机。3按起动与运行方式分类：电动机按起动与运行方式可分为电容起动式单相异步电动机、电容运转式单相异步电动机、电容起动运转式单相异步电动机和分相式单相异步电动机。4按用途分类：电动机按用途可分为驱动用电动机和控制用电动机。驱动用电动机又分为电动工具（包括钻孔、抛光、磨光、开槽、切割、扩孔等工具）用电动机、家电（包括洗衣机、电风扇、电冰箱、空调器、录音机、录像机、影碟机、吸尘器、照相机、电吹风

11、、电动剃须刀等）用电动机及其它通用小型机械设备（包括各种小型机床、小型机械、医疗器械、电子仪器等）用电动机。控制用电动机又分为步进电动机和伺服电动机等。5按转子的结构分类：电动机按转子的结构可分为笼型感应电动机（旧标准称为鼠笼型异步电动机）和绕线转子感应电动机（旧标准称为绕线型异步电动机） 。6按运转速度分类：电动机按运转速度可分为高速电动机、低速电动机、恒速电动机、调速电动机。低速电动机又分为齿轮减速电动机、电磁减速电动机、力矩电动机和爪极同步电动机等。调速电动机除可分为有级恒速电动机、无级恒速电动机、有级变速电动机和无极变速电动机外，还可分为电磁调速电动机、直流调速电动机、PWM变频调速电

12、动机和开关磁阻调速电动机。按基本结构和工作原理分类，电动机课分为四大类：直流电动机、变压器、感应电动机、同步电动机等。具体的电动机主要种类：1. 直流电动机66他励直流电动机串励直流电动机并励直流电动机复励直流电动机2. 交流电动机感应电动机 三相笼型异步电动机 三相绕线式感应异步电动机 单相异步电动机同步电动机 三相同步电动机 单相同步电动机3. 控制电机伺服电动机力矩电动机直线电动机步进电动机测速电动机自整电动机旋转变压器我国的电机类型代号采用汉语拼音字母来表示各种不同类型的电机，如表1.1 所示。序号电机类型代号1异步电动机Y2同步电动机T3同步发电机TF4直流电动机Z5直流发电机ZF6

13、测功机C777交流换向器电动机H8潜水电动机Q9纺织用电机F1.2 电动机的结构及原理电动机的结构及原理1.2.1 直流电机的结构及工作原理直流电机的结构及工作原理结构：直流电机根据用途不同和功率不同，其结构形式也各有不同。因此，在生产、生活现实中使用着各种结构形式的直流电机。但不管其结构形式如何变化，从原理上讲它都是有一些基部件组成。图 1-1 和图 1-2 分别为直流电机的结构示意图和剖面图。图 1-1 直流电机结构图88图 1-2 直流电机剖面总体上说，直流电机由定子（固定部分）和转子（转动部分）两大部分所组成。定子的作用是用来产生磁场和作电机本身的机械支撑。它包括主磁极、换向极、机座、

14、端盖、轴承等，静止的电刷装置也固定在定子上。转子上用来感应电势和通过电流从而实现能量转换的部分称为电枢，它包括电枢铁芯和电枢绕组。电枢铁芯固定在转轴上，转轴两端分别装有换向器和风扇等。 图 1-3 直流电动机的工作原理直流电动机的原理 :图 1-3 所示为直流电动机工作原理模型。电机部分与发电机相同，只是把外电路中的负载电阻换成直流电源，电枢不是由原动机驱动，而是连接一机械负载。在电刷 A、B 两端接上直流电源 U，电刷 A 接至电源的正极，电刷 B 接至电源的负极。则线圈中有电流流过，其方向如图 1-3 中箭头所示。我们知道，位于磁场中的载流导体必将受到电磁力的作用，至于电磁力的方向可用左手

15、定则确定。这一电磁力形成了作用于电枢铁芯的电磁转矩。由图可见，转矩的方向是逆时针的。电动机的电枢在此转矩的作用下，将逆时针方向旋转，从而拖动与电机轴相联的负载机械运转，成为一台直流电动机。1.2.2 三相异步电动机的结构和工作原理三相异步电动机的结构和工作原理结构：三相异步电动机的种类很多，但各类三相异步电动机的基本结构是相同的，它们都由定子和转子这两大基本部分组成，在定子和转子之间具有一定的气隙。此外，还有端盖、轴承、接线盒、吊环等其他附件，如图 1-4 所示。991轴承；2前端盖；3转轴；4接线盒；5吊环；6定子铁心；7转子；8定子绕组；9机座；10后端盖；11风罩；图 1-4 封闭式三相

16、笼型异步电动机结构图工作原理：三相交流电通入定子绕组后，便形成了一个旋转磁场，其转速n1=60f/p 旋转磁场的磁力线被转子导体切割，根据电磁感应原理，转子导体产生感应电动势。转子绕组是闭合的，则转子导体有电流流过。设旋转磁场按顺时针方向旋转，且某时刻为上为北极 N 下为南极 S，如图 1-5 所示。根据右手定则，在上半部转子导体的电动势和电流方向由里向外，用表示；在下半部则由外向里，用表示。图 1-5 三相电动机的转动原理1.3 三相异步电动机的调速方法及特点三相异步电动机的调速方法及特点三相异步电动机转速公式为：n=60f/p(1-s)从上式可见，改变供电频率f、电动机的极对数 p 及转差

17、率 s 均可太到改变转速的目的。从调速的本质来看，不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转两种。不改变同步转速的调速方法有：10101)绕线式电动机的转子串电阻调速;2)斩波调速;3)串级调速以及应用电磁转差离合器;4)液力偶合器;5)油膜离合器等调速。不改变同步转速的调速方法在生产机械中广泛使用。改变同步转速的有改变定子极对数的多速电动机，改变定子电压、频率的变频调速有能无换向电动机调速等。从调速时的能耗观点来看，有高效调速方法与低效调速方法两种：高效调速指时转差率不变，因此无转差损耗，如多速电动机、变频调速以及能将转差损耗回收的调速方法(如串级调速等)。有转差损耗的调速方

18、法属低效调速，如转子串电阻调速方法，能量就损耗在转子回路中；电磁离合器的调速方法，能量损耗在离合器线圈中；液力偶合器调速，能量损耗在液力偶合器的油中。一般来说转差损耗随调速范围扩大而增加，如果调速范围不大，能量损耗是很小的。（1）变极对数调速方法：这种调速方法是用改变定子绕组的接红方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的。本方法适用于不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。特点如下：1、具有较硬的机械特性，稳定性良好；2、无转差损耗，效率高；3、接线简单、控制方便、价格低；4、有级调速，级差较大，不能获得平滑调速；5、可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，

19、获得较高效率的平滑调速特性。（2）变频调速方法：变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流-直流-交流变频器和交流-交流变频器两大类，目前国内大都使用交-直-交变频器。本方法适用于要求精度高、调速性能较好场合。其特点：1、效率高，调速过程中没有附加损耗；2、应用范围广，可用于笼型异步电动机；3、调速范围大，特性硬，精度高；4、技术复杂，造价高，维护检修困难。（3）串级调速方法：串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的1111附加电势来改变电动机的转差，达到调速的目的。大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，

20、再利用产生附加的装置，把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。根据转差功率吸收利用方式，串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式，多采用晶闸管串级调速。本方法适合于风机、水泵及轧钢机、矿井提升机、挤压机上使用。其特点为：1、可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上，效率较高；2、装置容量与调速范围成正比，投资省，适用于调速范围在额定转速 70%-90%的生产机械上；3、调速装置故障时可以切换至全速运行，避免停产；4、晶闸管串级调速功率因数偏低，谐波影响较大。（4）绕线式电动机转子串电阻调速方法：绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的

21、转速下运行。串入的电阻越大，电动机的转速越低。此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上。属有级调速，机械特性较软。（5）定子调压调速方法 ：改变电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，从而获得不同转速。由于电动机的转矩与电压平方成正比，因此最大转矩下降很多，其调速范围较小，使一般笼型电动机难以应用。为了扩大调速范围，调压调速应采用转子电阻值大的笼型电动机，如专供调压调速用的力矩电动机，或者在绕线式电动机上串联频敏电阻。为了扩大稳定运行范围，当调速在 2：1 以上的场合应采用反馈控制以达到自动调节转速目的。调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源，目前常用的调

22、压方式有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种。晶闸管调压方式为最佳。调压调速一般适用于 100KW 以下的生产机械。调压调速的特点：1、调压调速线路简单，易实现自动控制；2、调压过程中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中，效率较低。（6）电磁调速电动机调速方法：电磁调速电动机由笼型电动机、电磁转差离合器和直流励磁电源(控制器)三部分组成。直流励磁电源功率较小，通常由单相半波或全波晶闸管整流器组成，改变晶闸管的导通角，可以改变励磁电流的大小。电磁转差离合器由电枢、磁极和励磁绕组三部分组成。电枢和后者没有机械联系，都能自由转动。电枢与电动机转子同轴联接称主动部分，由电动1212机带动；磁极

23、用联轴节与负载轴对接称从动部分。当电枢与磁极均为静止时，如励磁绕组通以直流，则沿气隙圆周表面将形成若干对 N、S 极性交替的磁极，其磁通经过电枢。当电枢随拖动电动机旋转时，由于电枢与磁极间相对运动，因而使电枢感应产生涡流，此涡流与磁通相互作用产生转矩，带动有磁极的转子按同一方向旋转，但其转速恒低于电枢的转速 N1，这是一种转差调速方式，变动转差离合器的直流励磁电流，便可改变离合器的输出转矩和转速。本方法适用于中、小功率，要求平滑动、短时低速运行的生产机械。电磁调速电动机的调速特点：1、装置结构及控制线路简单、运行可靠、维修方便；2、调速平滑、无级调速；3、对电网无谐影响；4、速度失大、效率低。

24、（7）液力耦合器调速方法 ：液力耦合器是一种液力传动装置，一般由泵轮和涡轮组成，它们统称工作轮，放在密封壳体中。壳中充入一定量的工作液体，当泵轮在原动机带动下旋转时，处于其中的液体受叶片推动而旋转，在离心力作用下沿着泵轮外环进入涡轮时，就在同一转向上给涡轮叶片以推力，使其带动生产机械运转。液力耦合器的动力转输能力与壳内相对充液量的大小是一致的。在工作过程中，改变充液率就可以改变耦合器的涡轮转速，作到无级调速。本方法适用于风机、水泵的调速。 其特点为：1、功率适应范围大，可满足从几十千瓦至数千千瓦不同功率的需要；2、结构简单，工作可靠，使用及维修方便，且造价低；3、尺寸小，能容大；4、控制调节方

25、便，容易实现自动控制。1313第二章第二章 ARM 技术基础技术基础2.1 ARM 的发展及处理器分类的发展及处理器分类2.1.1 ARM 简介简介ARM（Advanced RISC Machines），是一个公司名字，也是一种处理器的通称，还可以认为是一种技术名字。图 2-11991 年 ARM 公司成立于英国 Cambridge，主要销售晶片设计技术的授权。目前，采用 ARM 技术知识产权（IP）核的微处理器，即我们通常说的 ARM 微处理器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于 ARM 技术的微处理器应用约占据了 32 位 RISC 微处理器

26、75%以上的市场份额，ARM 技术正在逐步渗入到我们生活的各方面。1414图 2-2ARM 公司是专门从事基于 RISC 技术晶片设计开发的公司，作为知识产权供应商，本身不直接从事晶片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的晶片，世界各大半导体生产商（RFID 射频快报注：如PHILIPS、TI、Intel、BroadCom、ATMEL 等）从 ARM 公司购买其设计的 ARM 微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的ARM 微处理器晶片进入市场。目前，全世界有几十家大的半导体公司都使用 ARM公司的授权，因此既使得 ARM 技术获得更多的第三方工具、制造、软

27、件的支持，又使整个系统成本降低，使产品更容易进入市场被消费者所接受，更具有竞争力。图 2-3ARM 的应用领域：（1）工业控制领域：作为 32 的 RISC 架构，基于 ARM 核的微控制器芯片不1515但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展，ARM 微控制器的低功耗、高性价比，向传统的 8 位/16 位微控制器提出了挑战。（2）无线通讯领域：目前已有超过 85%的无线通讯设备采用了 ARM 技术，ARM 以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。（3）消费类电子产品：ARM 技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中得到广泛采用。（4）成像

28、和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用 ARM技术。手机中的 32 位 SIM 智能卡也采用了 ARM 技术。图 2-42.1.2 ARM 在电动机控制系统中的应用在电动机控制系统中的应用基于 ARM 的电动机控制系统已经成在各种高精度场合开始研究和应用，展现出强大的优势和良好的前景。（1）基于 ARM 微处理器的嵌入式数控系统不断的向着高精度、高速、高效、智能化、开放性、网络化、柔性化发展。（2）基于 ARM 微处理器的嵌入式机器人控制系统中，机器人的运动控制、运动轨迹规划、各种传感器信息的处理和执行电动机的控制，均可由核心 ARM处理器来实现。（3）基于 ARM 微处理器的高

29、品质嵌入式变频器。采用嵌入式系来设计和实现高品质变频器，使得变频器可靠性高、性能好、实时性好。高性价比的 ARM 处理芯片正日益受到广大研究人员和产品开发商的青睐，1616器应用越来越广，为微处理器的发展铺下新的道路。2.1.3 ARM 处理器的分类处理器的分类ARM 目前包括ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E、ARM11、SecurCore、MPCore、Intel Xscale/Strong ARM 和最新的 Cortex 处理器系列。（1）ARM7 系列微处理器包括 ARM720T、ARM7ES-S、ARM7TDMI 和 ARM7TDMI-S，目前最常用的是 ARM7TDM1。

30、T 代表支持 Thumble 指令集，D 代表支持片上调试，M 代表内嵌硬件乘法器，I 代表支持片上断点和调试点。（2）ARM9 系列微处理器包括：ARM9T、ARM922T 和 ARM940T。（3）ARM9E 系列微处理器包含 ARM26EJ-S、arm946E-S 和 ARM966E-S。（4）ARM10E 系列微处理器包含 ARM1020E、ARM1022E 和 ARM1026EJ-S。（5）ARM11 微处理器系列包含 ARM1136J（F）-S、ARM1156T（F）-S 和ARM1176JZ(F)-S。ARM1156T（F）-S 和 ARM1176JZ(F)-S 是首批含有 AR

31、MThumb-2 内核技术的产品。（6）SecurCore 微处理器系列包含 SecurCore SC100、SecurCore SC110、SecurCore SC200 和 SecurCore SC210 等。（7）MPC ore 系列。MPC ore 支持四路缓存的协同式对称多任务处理、四路非对称处理或以上两种混合的模式。(8)Intel Xscale/Strong ARM 微处理器系列。Strong ARM 处理器是采用ARM 体系结构高度集成的 32 位 RISC 微处理器。主要有 SA-1、SA-110、SA-1100、SA-1110 和 IXSP1200 等类型。(9)Corte

32、x 处理器系列，目前主要有 Cortex-A8、Cortex-M3、 Corte-R4和 Corte-R4F 等。2.2 ARM 集成开发环境集成开发环境在 ARM 系统开发的软件流程中，首先是软件设计，然后由链接器连接后生成与目标系统存储器地址相关的可执行映像。1717图 2-5 ARM 的一般开发流程ARM ADS 集成开发坏境如图所示。ADS 中国一个重要的工具就是 Code Warrior，Code Warrior 提供了项目管理功能，并为编译器提供了一个集成坏境，对应实现编译器、汇编器和链接器的功能。除此之外，ARM 还提供了 ARM扩展调试器 AXD。在 AXD 中定义了一个接口

33、RDI,ARM 支持所有的调试方法。1818第三章第三章 电动机驱动控制系统电动机驱动控制系统3.1 电动机控制系统驱动器主电路的构成电动机控制系统驱动器主电路的构成如图 31 所示，电动机控制系统主电路按功能可称为功率主回路。图 31 电动机控制系统主电路功率主回路是进行能量转换、驱动伺服电动机工作的强电电路，主要由整流电路、中间直流电路和逆变器三个部分组成，如图 31 所示。3.1.1 交交-直部分直部分(1)整流电路。采用二极管不可控整流桥将单相交流电整流为固定的直流电，功率主回路电路如图 32 所示。整流电路因变频输出功率大小不同而异，小功率的，输人电压多采用单相 220V，整流电路为

34、单相全波整流桥；功率较大的，一般采用三相 380V 电源，整流电路为三相桥式全波整流电路。图 32 功率主回路电路1919设电源电压巩为 220V，则经过整流后的平均直流电压的大小是：Ud=09，=198V。(2)滤波电容 C， 。整流电路输出的整流电压是脉动的直流电压，必须加以滤波，这要通过滤波电容来实现。滤波电容 c，的作用是：除了稳压和滤除整流后的电压纹波外，还在整流电路和逆变电路之间起去耦作用，以消除相互干扰，为感性负载的电动机提供必要的无功功率。因此，中间直流电路电容的容量必须较大，起储能作用，所以该电容器又称为储能电容器。另外，50k12 的电阻在系统停止时为电容提供放电回路。(3

35、)限流电阻 Rl，与开关 Sl。由于储能电容大，加之在接入电源时电容器两端的电压为零，故当变频器刚合上电源的瞬间，滤波电容器 C。的充电电流很大，过大的冲击电流将可能使整流桥的二极管损坏。为了保护整流桥，在变频器刚接通电源的一段时间里，在电路内串入限流电阻，作用是将电容器 C，的充电电流限制在允许的范围内。开关 s。的功能是：当 CF 充电到一定程度时，令 Sl 接通，将 R0 短路掉。3.1.2 直直-交部分交部分(1)逆变桥。采用六单元的 IGBT 模块来组成三相逆变桥，它把二极管整流桥整流后的直流电再“逆变”成频率和幅值都可调的交流电，这是实现变频的执行环节，是整个主电路的核心部分。当前

36、常采用的逆变管有绝缘栅双极晶体管(IGBT)、大功率晶体管(GTR)、可关断晶闸管(GTO)以及大功率场效应晶体管(MOSFET)等。(2)续流二极管。在 IGBT 模块中，与每个逆变管反并接的续流二极管VD7VDl2 的主要功能是为无功电流返回直流电源提供通道；在逆变器工作的过程中，同一桥臂的两个逆变管处于不停地交替导通和关断的状态。在交替导通和关断的换相过程中，也不时地需要 VD7-VDl2 续流二极管提供通路。另外，在逆变器两个桥臂的下端各有一个电阻，此电阻是用来检测相电流的电阻传感器，考虑到电阻的损耗以及采样检测值大小的问题，我们通常取该电阻为40m11。功率主回路是一“交一直一交”变

37、频器，将工频电源(220V、50Hz)通过整流桥臂整流为固定的直流电压，然后利用由 IGBT 模块组成的具有正弦波脉宽2020调制功能的三相桥式逆变器，通过 PWM 信号的控制，将直流电逆变成频率和电压可变的交流电。(3)吸收电路。功率电路中的各功率开关器件之间以及它们和其他器件之间的连接是通过导线来实现的，因此在整个功率电路中不可避免地存在着连接导线而引起的寄生电感。以图 33 所示电路为例说明浪涌电压的产生。Lp 为引线寄生电感，VTl 正常导通工作时流过负载电流 Id。现将 VTl 关断，VTl 恢复阻断能力过程中，由于续流二极管 VD2 有延时导通时间 tDon，同时，主电路中有电感存

38、在，则负载电流，d 不能突变，在 tD 。时间内迫使负载电流，d 经 VTl集电极与发射极间的寄生电容 CcE流通且在 IGBT 上产生关断损耗。图 33 考虑寄生电感时功率模块等效电路(4)保护电路。一个实际控制系统中，保护电路的设置是很必要的。完善的保护系统不仅可以延长装置使用寿命，也使其可靠性大为提高。从实验情况来看，对控制系统某些参数(如电压、电流)实行超限保护，确实能起到保护元件、保护设备的作用，其效果是很明显的。1)过电压保护。过电压取样是从直流母线上取样经电阻分压而得到的。当直流母线电压上升到 l60V 时，泵升电压吸收电路开始工作(见图 51)，通过导通 V。由电阻 R3 消耗

39、掉一部分泵升能量。当直流母线电压高于 180V 时，过电压保护电路输出过电压指示，封锁逻辑状态的输出，同时切断主回路电源。2)过流保护。过流保护分为两级保护。第一级过流检测与保护由驱动电路完成。采用集成驱动芯片 EXB840 不仅可以实现门极最优驱动，还可以实现对IGBT 的过流、欠饱和保护。第二级过流检测与保护通过采用快速响应霍尔电流传感器对直流母线进线与出线电流检测，和过电流设定值在比较器输入端进行比较。21213.2 PWM 调试方法与技术调试方法与技术脉宽调制（PWM）是一种斩波控制技术，在维持开关周期恒定条件下，通过调节功率器件驱动脉冲的占空比来控制变流器输出电压的大小。传统的对于两

40、电平逆变器的 PWM 控制技术，其主要方法是依靠载波和调制波的比较，得出高于或低于阈值的高低电平，或采用微处理器计算方法得到栅极触发脉冲控制信号。常用的控制方法有正弦脉宽调制 SPWM 方法、准最优 PWM 控制方法等。优化 PWM 技术是根据开关损耗最小、谐波含量、谐波畸变最小，谐波损耗最小、转矩脉动最小等目标函数，寻求优化的 PWM 控制方式。优化 PWM 控制在每个周期内只有可数的开关动作，因此较小的开关角度变化对谐波含量的影响很大。一般采用微处理器在整个工作频率的范围内寻优，计算出一个周期内实现某一特定目标所有的开关角度，因而难以实现实时控制。空问电压矢量可描述为当对电动机定子绕阻施加

41、三相电压时，三相定子电压合成为一个在空间旋转的空问电压矢量，气隙磁链以一定的角速度旋转，气隙磁链运行轨迹为图形或近似圆形。利用空问电压矢量来研究 PWM 逆变器的控制，可很好地满足电动机调压调频控制的需要。跟踪型 PWM 控制是根据控制量采用给定值的不同可分为：电流跟踪型 PWM控制、电压跟踪型 PWM 控制和磁通跟踪型控制。电流跟踪型 PWM 控制是利用滞环比较器原理来实现的。电压跟踪型 PWM 控制与电流跟踪型 PWM 控制的区别在于，电压跟踪型采用滞环比较器输出的电压控制驱动桥臂上的半导体器件的开通和关断。当跟踪给定值为零时，该控制电路产生方波的自激振荡电路。2222第四章第四章 基于基

42、于 ARM 的电动机的控制系统的电动机的控制系统4.1 步进电动机的驱动控制电路设计步进电动机的驱动控制电路设计随着步进电动机应用的日益广泛，其驱动电路的发展也相当迅速，把驱动电路集成化是提高电路性能最好的手段之一。目前已经有多种步进电动机驱动集成电路芯片，大多集驱动与保护于一体，功能丰富、操作简便。本节将分别介绍三种基于集成电路芯片的步进电动机驱动控制线路设计。 图 4-1 永磁式步进电动机的结构原理图4.1.1 两相永磁式步进电动机的驱动控制电路永磁式步进电动机的结构如图 4-1 所示，定子上为二相或多相绕组，转子为一对极或多对极的星形磁钢，转子磁钢的极数与每相定子绕组的极数相同。图 4-

43、1 是定子具有二相二对磁极的绕组(AO 和 BO)，转子为二对极的磁钢。从图中不难看出,当定子绕组按 A-B-(-A)-(-B)-A 的顺序轮流通电时，转子将沿顺时针的方向，每改变一次通电状态就转过 45间角，也就是步距角 45一般说来，在不同的相数和极数时，永磁式步进电动机的步距角值为 360/m1p 式中 m1 为相数；p 为极对数。A3977 是一种专门用于两相永磁步进电动机驱动集成电路，其内部集成了步进和直接译码接口、正反转控制电路、双 H 桥驱动。电流输出 2.5A，最大输出功率可接近 90W。它主要的设计功能包括：自动混合模式电流衰减控制、PWM电流控制、同步整流、低输出阻抗的 D

44、MOS 电源输出，全、半、1/4 及 1/8 步进操作、HOME 输出、休眠模式以及易实现的步进和方向接口等。其应用电路结构简单，使用及控制方便。2323大多步进电动机驱动器都需要一些额外的控制线，通过 D/A 转换器为 PWM电流调节器设置参考值以及通过相输入完成电流极性控制等。许多改进型驱动器仍然需要一些输入来调整 PWM 电流控制模式使其工作在慢、快活或混合衰减模式。这就需要系统的微处理器额外负担 8-12 个需要依靠 D/A 变换处理的输入端。如果一个系统需要如此多的控制输入，而且其微处理器还要存储实现其控制的时序表，这就增加了系统的成本和复杂程度。A3977 可以通过其特有的译码器来

45、使这些功能实现简单化，逻辑图如 4-2 所示，其最简单的步进输入只需“STEP” （步进）和“DIR”(方向)两条输入线，输入有 DMOS 的双 H 桥完成。通过“STEP”脚简单的输入 1 个脉冲就可以使电动机完成 1 次步进，省去了相序表、高频控制或微处理器负担过重的场合。同时也省去了一些额外的控制线。另外，其内部输出阻抗的 N 沟道功率 DMOS 输出结构，可以使其输出达到2.5A、35V。这一结构的另一优点是：使它能完成同步整流功能。由于有同步整流，即降低了系统的功耗，又可以在应用时省去外加的肖特基二极管。A3977的休眠功能可以使系统不工作时的功耗达到最低。休眠时芯片的大部分内部电路

46、，如输出 DM0s、比较器及电荷泵等都将停止工作。从而在休眠模式时，包括电动机驱动电流在内的总电流消耗在 40IxA 以内。此外，内部保护电路还有利用磁滞实现的热停车、低压关断及换流保护等功能。 图 4-2 A3977 逻辑框图2424集成电路的主要特点为：(1)额定输出为：25A， 35V。(2)低输出阻抗，源端 045Q，接收端 036Q。(3)自动电流衰减检测并选择混合、快和慢等电流衰减模式。(4)逻辑电平范围为 3055V。（5）HOME 输出。（6）降低功耗的同步整流功能。（7）内部低压关断、热停车电路及环流保护。表 4.1 A3977 引脚功能说明引脚(A 3977SIPA 397

47、7SED)符 号功能说明1，143，21SENSEI，SENSE2H 桥的电流检测电阻接人端24HOME预设的初始状态35DIR电动机方向控制逻辑输入4，2511，186，401828OUTlA，1B0UT2A2BH 桥的两对输出59PFD电流衰减控制6，910，15RC1，RC2H 桥固定截止时间模拟输入814REFGm 参考输入12，1319，20MS2，MSl步进控制逻辑输入1626SR同步整流控制1727RESET复位输入1931STEP步进控制2032VREG去耦调节2236VCP存储电容器23，2437，38CPl，CP2电荷泵电容器2641ENABI_。E使能输入2742SLEE

48、P休眠输入2525A3977 有两种封装：一种是 44 引脚铜标塑封（后缀为 ED，A3977SED） ，另一种是 28 引脚带散热衬垫的塑封（后缀为 LP，A3977SLP） ，其引脚功能说明见表 4.1。26264.2 基于基于 ARM 的直流电动机的调速系统的直流电动机的调速系统4.2.1 系统硬件设计系统硬件设计为了提高系统效率、降低功耗，功放驱动电路采用基于双极性 H 桥型脉冲宽调制方式（PWM）的集成电路芯片 L298N。采用 Samsung 公司的 3C44BOX 作为系统的核心控制芯片，这是基于ARM7TDMI 核的 16/32 为 RISC 处理器，每个定时器可以按照中断模式

49、或 DMA 模式运行。定时器 0、1、2、3、4 具有 PWM 功能，定时器 5 是一个内部定时器。定时器 0 和 1，2 和 3、4 和 5 各分别共享一个 8 位的预分频器（Prescaler)，预分频值的范围为 0255，通过寄存器 TCFGO 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(12、l4、18、116、l32)的时钟分割器(Dvider)，定时器 4 和 5 则各具有一个包含 4 个分频信号(12，14，18，l16)的时钟分割器。这 6个定时器的分割值通过寄存器 TGFG1 设定。定时器输入时钟频率：MCI。KPrescalerDv

50、ider。其中 MCLK=60MHz 是系统的主频。480 x 本身就带有 5 个 PWM 输出口，直接输出控制信号到 1298N 即可，无须另加电路。硬件系统原理框图如图 4-3 所示。 图 4-3 基于 ARM 的硬件系统原理框图系统中选用了工作在中断模式下的定时器 1 和 2 作为产生 PWM 的定时器。通过编程设定 I0 口 PE4 和 PE5 作为定时器 1、2 输出 PWM 的端口，接入1298N 的 EnA 和 EnB 端口，根据定时器 1、2 输出的 PWM 频率分别控制两个直流2727电动机的转速。PE6 设定为输出端口连接 IN1 并通过一反向器连接 IN2，同样，PE7

51、也设为输出端口，接入 IN3 并经一个反向器接人 IN4。通过接人反向器，IN1 和 IN2、IN3 和 IN4 就不会同时处于高电平或低电平，即不会因为 IN1 和IN2、IN3 和 IN4 电平相同而使电动机停止转动。电动机的停止操作可以通过调制脉冲宽度为 0，即占空比为 0 或者关闭定时器的使能为实现。这样只需一路信号 PE6 就可控制 IN1 和 IN2 的状态，PE7 控制 IN3 和 IN4 的状态，从而使系统的控制信号得以减少，在一定程度上简化了系统。为保证 L298N 动芯片正常工作，还要在 L298N 与直流电动机之间加入四对续流二极管用以将电动机反向电动势产生的电流分流道地

52、或电源正极，以免反向电动势对 L298N 产生损害。4.2.2 系统的软件设计系统的软件设计在 S3C44BOX 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。定时器起动前，要向定时计数缓冲区寄存器（TCNBn）写入一个初始值，这个值在定时器启动时在入到倒计时器 TCNTn 中。在定时器的比较缓冲器寄存器（TCMPBn）中同样也要写入一初始值，运行时用来载入到比较寄存器 TCMPBn 中与倒计时器 TCNTn 的值相比较。系统起动时，需要通过手动刷新位的方式，将 TCMPBn 和 TCNTBn 这两个缓冲区的值载入到TCMPn 和 TCNTn 中。TCM

53、PBn 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，仍然产生一个未定的输出。一般起动定时器的步骤如下：（1）将初始值写入到 TCMPBn 和 TCNTBn 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，反相器置为 off 状态。（4）设置对应定时器的起动位来起动定时器，同时清除手动更新位。此时定时器 TCNTn 开始倒计数，当 TCNTn 具有能与 TCMPn 相同的值时，TOUTn 的逻辑电平由低变高。当计数器 TCNTn 到达 0 时将产生定时器中断请求，通知 CPU 定时器操作已经完成。此时，如果自动重载控制位使能，T

54、CNTBn 的值会自动载入到 TCNTc 寄存器中，并开始下一操作周期。如果通过清除定时器使能位等方法使定时器停止，计数值将不会自动重载。2828对于一个定时器来说，其时钟源输入频率一般不变，即 TCFG0(定时器预分频值)和 TCFGO(定时器分割值)的值设定后就不需改变。这样对于 PWM 提供了一个稳定的时钟源。电动机的转速与电动机两端的电压成比例，而电动机两端的电压与控制波形的占空比成正比，因此电动机的速度与占空比成比例，占空比越大，电动机转得越快。系统中 PWM 脉冲频率就由 TCNTBn 决定，PWM 脉冲宽度值则由 TCMPBn 的值来决定，而占空比即为 TCMPnTCNTn。如果要使电动机转速下降，即得到一个比较低的 PW