【正文】 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 1 1 緒論 引言 直流 電機(jī) 傳動(dòng)系統(tǒng) 是現(xiàn)代 傳動(dòng)系統(tǒng) 中 最主要的機(jī)電能量變化形式之一。在當(dāng)今社會(huì)中廣泛 的應(yīng) 用，許多系統(tǒng)有調(diào)速的要求 :如車輛、電梯、機(jī)床、造紙機(jī)械等等。為了滿足 工業(yè)運(yùn)行 要求往往需要對(duì)另一類設(shè)備進(jìn)行控制 :從 減少 系統(tǒng) 損耗，節(jié)約 能源等方面的考慮， 也需要對(duì) 直流 電機(jī)進(jìn)行 控制 。 直流 電機(jī) 控制 系統(tǒng)由控制部分、功率部分和電機(jī)三大要素組成。各部分之間的不同組合，可構(gòu)成 不同的 控制 系統(tǒng)。 直流電機(jī) 的控制 方法 [1]可分為兩 方向 ，即勵(lì)磁控制與電樞電壓控制。勵(lì)磁控制法控制磁通，其控制功率雖然小，但低速時(shí)受到磁飽和的限制，高 速時(shí)受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制，而且由于勵(lì)磁線圈電感較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差。所以常用的控制方法是改變電樞端電壓的電樞電壓控制法。 脈沖寬度調(diào)制 (PWM)在 直流電機(jī) 控制 系統(tǒng)是 中最 常用的 ， 是將 高速的開關(guān)脈沖信號(hào) 輸入直流電機(jī) ，通過改變脈沖信號(hào)開關(guān)的比例，達(dá)到速度控制的效果。 原理是 在ON 的時(shí)間內(nèi)施加電壓， OFF 的時(shí)間內(nèi)切斷電壓，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)將是斷續(xù)的。在脈沖波段的 OFF 區(qū)段，電機(jī)線圈內(nèi)部?jī)?chǔ)存的能量產(chǎn)生沿續(xù)流二極管流動(dòng)的電流，維持 電機(jī)的 轉(zhuǎn)動(dòng)。 本課題研究了一種直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)由上位機(jī)子系統(tǒng)和下位機(jī) 子系統(tǒng)組成。上位機(jī)子系統(tǒng)為主控單元，下位機(jī)子系統(tǒng)以 ARM 為核心，上位機(jī)子統(tǒng)與下位機(jī)子系統(tǒng)通過串行口進(jìn)行通信。下位機(jī)采用 LPC2114 處理器，它執(zhí)行上位機(jī)指令，通過直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路控制直流電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。 研究現(xiàn)狀 微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、永磁材料技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和微機(jī)應(yīng)用技術(shù)的最新發(fā)展成就 使 電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展 得到長(zhǎng)足的發(fā)展， 使電機(jī)控制技術(shù)在近 些 年 獲得巨大的進(jìn)步 。其中電機(jī)的控制部分已由模擬控制逐漸讓位于以單片機(jī)為主的微處理器控制，形成數(shù)字與模擬的混合控制系統(tǒng)和純數(shù)字控制系統(tǒng)，并正向全數(shù)字控 制方向快速發(fā)展。脈寬調(diào)制控制方法在直流調(diào)速中獲得了廣泛的應(yīng)用。 1964 年 和 首先提出把 PWM 技術(shù)應(yīng)用到電機(jī)傳動(dòng)中，從此為電機(jī)傳動(dòng)的推廣應(yīng)用開辟了新的局面。進(jìn)入 70 年代以來，體積小、耗電少、成本低、速度快、功能強(qiáng)、可靠性高的大規(guī)模集成電路微處理器已經(jīng)商品化，把電機(jī)控制推上了一個(gè)嶄新的階段，以微處理器為核心的數(shù)字控制 (簡(jiǎn)稱微機(jī)數(shù)字控制 )邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 2 成為現(xiàn)代電氣傳動(dòng)系統(tǒng)控制器的主要形式。 PWM 常取代數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)用于功率輸出控制，其中，直流電機(jī)的速度控制是最常見的應(yīng)用。通常 PWM 配合橋式驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速，非常簡(jiǎn)單，且調(diào)速范圍大。在直流電機(jī)的控制中，主要使用定頻調(diào)寬法 [2]。 目前，電機(jī)調(diào)速控制模塊主要有以下三種： （ 1） 采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整直流電機(jī)的分壓，從而達(dá)到調(diào)速的目的； （ 2） 采用繼電器對(duì)直流電機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制，通過開關(guān)的切換對(duì)電機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)整； （ 3） 采用由 IGBT 管組成的 H 型 PWM 電路。用單片機(jī)控制 IGBT 管使之工作 在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。 本 設(shè)計(jì) 將對(duì)基于 ARM 微處理器的直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)做深入研究，并對(duì)其 設(shè)計(jì)、開發(fā)、調(diào)試方面做出研究。研究成果為系統(tǒng)軟件開發(fā)、科學(xué)研究以及教學(xué)應(yīng)用奠定一定的基礎(chǔ)。在系統(tǒng)軟件開發(fā)過程中，學(xué)會(huì)嵌入式系統(tǒng)的移植和應(yīng)用程序的開發(fā)。 研究 內(nèi)容與 方法 本 設(shè)計(jì) 的研究對(duì)象是直流電機(jī)，對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。基本 原理 就是利用LPC2114 具有的 PWM 端口，在不改變 PWM 方波周期 (頻率 )的前提下，通過軟件的方法調(diào)整 PWM 的占空比，控制電機(jī)輸入電壓，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。本方法所要求的 LPC2114 必須具有 PWM 端口 。 另外， LPC2114 的工作速度盡量快。在收到上位機(jī)指令后調(diào)整輸出 PWM 占空 比，要求 LPC2114 必須有和上位機(jī)通信的接口和控制電機(jī)方向的輸出引腳。 系統(tǒng)硬件平臺(tái)是以 LPC2114 為核心，由輸入輸出系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等幾大部分組成。要求 LPC2114 上面運(yùn)行的系統(tǒng)功能豐富，同時(shí)應(yīng)具有高可靠性、實(shí)時(shí)性等。 uC/OSII 是一個(gè)開放源代碼、針對(duì)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的通用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以在絕大多數(shù) 8 位、 16 位、 32 位以至 64 位微處理器、微控制器及數(shù)字信號(hào)處理器上運(yùn)行。 uC/OSII 系統(tǒng)通過了美國(guó)聯(lián)邦航空管理局 (Federal AviationAdministration)對(duì)于商用飛機(jī)的、符合 RTCA DO178B 標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證。該認(rèn)證對(duì)系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性要求極為苛刻，通過這項(xiàng)認(rèn)證充分說明了 uC/OSII 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)具有極高的可靠性、實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性。這些特性比較適合本課題的大多數(shù)要求，本課題采用 uC/OSII 作為 ARM 處理器上的操作系統(tǒng)。本 設(shè)計(jì) 針對(duì)上邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 3 位機(jī) (PC 機(jī) )控制 LPC2114 片內(nèi)外設(shè)、 PC 機(jī)與 LPC2114 的實(shí)時(shí)通信做了幾方面的工作，其具體內(nèi)容與結(jié)果如下： （ 1） 介紹了 PWM 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理，對(duì)使用 L298N 型直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行分析，并利用 LPC2114 ARM 芯片 輸出控制 L298N 驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)而控制直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，詳細(xì)說明其原理和接線圖； （ 2） 移植實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng) uC/OSII 內(nèi)核到 LPC2114 ARM 芯片 ，對(duì)針對(duì)此開發(fā)板的片內(nèi)外設(shè) PWM 端口 (PWM4 和 PWM6)、 4 個(gè)引腳 (～ )寫出了驅(qū)動(dòng)程序，并開發(fā)了與上位機(jī)通信的串口驅(qū)動(dòng)模塊； （ 3） 采用 Visual c++ 作為開發(fā)工具，編寫上位機(jī)主控程序，包括控制界面和上位機(jī)與 LPC2114 的串口通信程序。 ARM處理器 ARM 簡(jiǎn)介 ARM[9]公司在 32 位 RISC(Reduced Instruction Set Computer)CPU 開發(fā)領(lǐng)域獲得眾多的半導(dǎo)體廠家和整機(jī)廠商的大力支持，在 32 位嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域獲得了巨大的成功，目前已經(jīng)占有 75%以上 32 位 RISC 嵌入式產(chǎn)品市場(chǎng)。在低功耗、低成本的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域確立了市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)地位?，F(xiàn)在設(shè)計(jì)、生產(chǎn) ARM 芯片的國(guó)際大公司已經(jīng)超過 50 多家，國(guó)內(nèi)中興通訊和華為技術(shù)等公司已經(jīng)購買 ARM 公司芯核用于通訊專用芯片的設(shè)計(jì)。目前非常流行的 ARM 核有 ARM7TDMI， StrongARM，ARM720T， ARM9TDMI， ARM922T， ARM940T， RM946T， ARM966T，ARM10TDMI 等。此外， ARM 芯片還獲得了許多實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) (Real Time Operating System)供應(yīng)商的支持，比較知名的有： Windows CE、 Linux、 pSOS、VxWorks、 Nucleus、 EPOC、 uC/OS 等。 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) (RTOS)的研究是從二十世紀(jì)六十年代開始的，至今有 40 多年的歷史了，特別是隨著嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，RTOS 更是得到了蓬勃的發(fā)展。它經(jīng)歷了早期的 RTOS、專用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和通用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)三個(gè)發(fā)展階 段。 ARM(Advanced RISC Machines)，既可以認(rèn)為是一個(gè)公司的名字，也可以認(rèn)為是對(duì)一類微處理器的通稱，還可以認(rèn)為是一種技術(shù)的名字。 32 位 ARM 微處理器[2]采用 RISC 架構(gòu) (Reduced Instruction Set Computer，精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī) )。采用RISC 架構(gòu)的 ARM 微處理器一般具有如下特點(diǎn)：體積小、低功耗、低成本、高性能 、邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 4 大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快；大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成；尋址方式靈活簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高；指令長(zhǎng)度固定 。 LPC2114 簡(jiǎn)介 LPC2114 是一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的 16/32 位 ARM7TDMIS 的微處理器，并帶有 128KB 高速 Flash 存儲(chǔ)器。 LPC2114 將 ARM7TDMIS 配置為小端字節(jié)順序。 128 位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使 32 位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行。 由于 LPC2114 非常小的 64 腳封裝、極低的功耗使它特別適用于汽車、工業(yè)控制應(yīng)用以及醫(yī)療系統(tǒng)和容錯(cuò)維護(hù)總線。由于內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口，它也非常適合于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器以及其它各種類型的應(yīng)用。 LPC2114 主要特征 [3]如下： （ 1） ARM7TDMIS 處理器 （ 2） 128K 片內(nèi) FLASH，具有 ISP 與 IAP 功能 （ 3） 16KB 靜態(tài) RAM （ 4） 向量中斷控制器 （ 5） 仿真跟蹤模塊，支持實(shí)時(shí)跟蹤 （ 6） 雙 UART，其中一個(gè)帶有完全的調(diào)制解調(diào)器接口 （ 7） I2C 串行接口 （ 8） SPI 串行接口 （ 9） 兩個(gè)定時(shí)器，分別具有 4 路捕獲 /比較通道 （ 10） 多達(dá) 6 路輸出的 PWM 單元 （ 11） 實(shí)時(shí)時(shí)鐘 （ 12） 看門狗定時(shí)器 PWM技術(shù)簡(jiǎn)介 PWM(Pulse Width Modulation)脈沖寬度調(diào)制技術(shù)就是通過對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行 調(diào)制，來等效地獲得所需要波形 (含形狀和幅值 )的技術(shù)。 PWM 調(diào)速 [7]是以通過電機(jī)的平均電壓和電流作比較， 電機(jī)沒有接通電源時(shí)，完全不消耗能量，正是其高效率的原因。 PWM 技術(shù)是降低直流電機(jī)功耗的一種好方法，它使驅(qū)動(dòng)芯片和電機(jī)的發(fā)熱減少，從而電機(jī)也可以用得更久。 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 5 PWM 信號(hào) 的產(chǎn)生 ：一種方式是在頻率恒定的前提下產(chǎn)生占空比不同的脈沖；另一種是在占空比恒定的前提下產(chǎn)生頻率不同的脈沖，通常被稱作脈頻調(diào)制 (PFW)。第二種 方法 要求 產(chǎn)生許多不同頻率的信號(hào)， 會(huì) 使電機(jī)振動(dòng)或發(fā)出噪聲。本課題使用的是前一種固定頻率下改變占空比的 PWM 方法， 即 僅僅改變電壓信號(hào)的占空比，其它參數(shù)，尤其是脈沖頻率并沒有改變，通過調(diào)整基本周期內(nèi)工作周期的大小來控制輸出功率。電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電機(jī)兩端的電壓成比例，而電機(jī)兩端的電壓與控制波形的占空比成正比，因此電機(jī)的速度與占空比成比例，占空比越大，電機(jī)轉(zhuǎn)得越快。脈寬調(diào)制信號(hào)可以非常方便的利用一些微處理器產(chǎn)生。 根據(jù) PWM 控制技術(shù)的特點(diǎn)，到目前為止主要有八類方法：相電壓控制 PWM、線電壓控制 PWM、電流控制 PWM、空間電壓矢量控制 PWM、矢量控制 PWM、直接轉(zhuǎn)矩控制 PWM、非線性控制 PWM、諧振軟開關(guān) PWM。 本文研究的 SPWM(Sinusoidal PWM)屬于相電壓控制 PWM。 SPWM 法是一種比較成熟的、目前使用較廣泛的 PWM 方法。采樣控制理論中有一個(gè)重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。 SPWM法就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，通過改變調(diào)制波的頻率和幅值就能調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值 [8]。該方法的實(shí)現(xiàn)有以下兩種方案： （ 1） 等面積法 等面積法是用同樣數(shù)量的等幅但不等寬的矩形脈沖序列代替正弦波，然后計(jì)算各脈沖的寬度和間隔，并把這些數(shù)據(jù)存于微機(jī)中，通過查 表的方式生成 PWM 信號(hào)控制開關(guān)器件的通斷，以達(dá)到預(yù)期的目的。由于此方法是以 SPWM 控制的基本原理為出發(fā)點(diǎn)，可以準(zhǔn)確地計(jì)算出各開關(guān)器件的通斷時(shí)刻，其所得的的波形也很接近正弦波。 (2) 硬件調(diào)制法 硬件調(diào)制法其原理就是把所希望的波形作為調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波，通過對(duì)載波的調(diào)制得到所期望的 PWM 波形。通常采用等腰三角波作為載波，當(dāng)調(diào)制信號(hào)波為正弦波時(shí)，所得到的就是 SPWM 波形。其實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單，可以用模擬電路構(gòu)成三角波載波和正弦調(diào)制波發(fā)生電路，用比較器來確定它們的交點(diǎn)，在交點(diǎn)時(shí)刻對(duì)開關(guān)器件的通斷進(jìn)行 控制，就可以生成 SPWM 波。 本文研究的是等面積法控制 PWM 法。 直流 電機(jī)的選擇 直流電機(jī)具有優(yōu)越的速度調(diào)節(jié)控制性能：具有較大的轉(zhuǎn)矩，用以克服轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的摩擦阻力和負(fù)載轉(zhuǎn)矩；調(diào)速范圍寬，而且運(yùn)行速度平穩(wěn)；具有快速響應(yīng)能力，可以適邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 6 應(yīng)復(fù)雜的速度變化；直流電機(jī)的負(fù)載特性硬，有較大的過載能力，可以確保運(yùn)行速度不受負(fù)載沖擊的影響。根據(jù)已建立的轉(zhuǎn)矩平衡方程和電樞電壓平衡方程，驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用德國(guó)馮哈伯集團(tuán) （ Faulhaber Group） 生產(chǎn)的 e1516 系列中的 006SR 電機(jī)，其參數(shù)如表 所示。 表 e1516 006SR直流電機(jī)參數(shù) 額定電壓 6V 電樞電阻 最大輸出功率 最大效率 57％ 空載轉(zhuǎn)速 12800轉(zhuǎn) /分 空載電流 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 米 摩擦轉(zhuǎn)矩 米 速度常數(shù) 2300轉(zhuǎn)每分 /伏 反電動(dòng)勢(shì)常數(shù) /轉(zhuǎn)每分 轉(zhuǎn)矩常數(shù) 米 /安 電流常數(shù) /毫牛米 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 厘米 2 轉(zhuǎn)子電感 100毫亨 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 7 2 直流電機(jī)的 PWM 調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 本章 將 對(duì)直流電 機(jī) PWM 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行分