【正文】 PWM 系統(tǒng)分為雙極性驅(qū)動(dòng)和單極性驅(qū)動(dòng)。在控制式上有雙極型、單極型和受控單極型。方法(4)是目前獲得 PWM 信號的主流方法，采用 ARM 或者單片機(jī)系統(tǒng)自帶的 PWM 功能較為簡單，方便且電路簡化許多，因此采用此方法產(chǎn)生 PWM信號。(4)ARM 或單片機(jī)的 PWM 口新一代的 ARM 或單片機(jī)增加了許多功能，其中包括 PWM 功能。這些芯片除了有 PWM 信號發(fā)生功能外，還有“死區(qū)”調(diào)節(jié)功能、保護(hù)功能等。這種方法要占用 CPU 大量時(shí)間，需要很高的單片機(jī)性能，易于實(shí)現(xiàn)，目前也逐漸被淘汰。它是最早期的方式，現(xiàn)在已被淘汰了。在直流電機(jī)控制中，改變α 來實(shí)現(xiàn)調(diào)速主要方法是定頻調(diào)寬法：使周期 T(或頻率)保持不變，而同時(shí)改變 t1 和 t2。由上式可知，當(dāng)電源電壓 US 不變的情況下，電樞的端電壓的平均值 Uo 取決于占空比 α 的大小，改變 α 值就可以改變端電壓的平均值，從而達(dá)到調(diào)速的目的，這就是 PWM 調(diào)速原理。圖 22 直流電機(jī)的電路等效圖圖 23 輸入輸出電壓波形電動(dòng)機(jī)的電樞繞組兩端的電壓平均值 Uo 為：其中，α 稱為占空比：占空比 α 表示了在一個(gè)周期 T 里開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間與周期的比值。t2 秒后，柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖?，開關(guān)管的動(dòng)作重復(fù)前面的過程。當(dāng)開關(guān)管 D1的柵極輸入高電平時(shí)，開關(guān)管導(dǎo)通，直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組兩端有電壓 US。開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式是使半導(dǎo)體功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通過脈寬調(diào)制 PWM 來控制電動(dòng)機(jī)電樞電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。本文介紹的方法就是在勵(lì)磁恒定不變的情況下，通過調(diào)節(jié)電樞電壓來實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速。其中勵(lì)磁控制法在低速時(shí)受磁極飽和的限制，在高速時(shí)受換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制，并且勵(lì)磁線圈電感較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，所以這種控制方法用得很少。直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 n 的表達(dá)式為： UIRK???式中 U 為電樞端電壓，I 為電樞電流，R 為電樞電路總電阻， Φ 為每極磁通量，K 為電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)。 直流電機(jī)電樞的 PWM 調(diào)壓調(diào)速原理隨著計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域，以及新型的電力電子功率元器件的不斷出現(xiàn)，采用全控型的開關(guān)功率元件進(jìn)行脈寬調(diào)制的 PWM 控制方式已成為主流。圖 21 系統(tǒng)原理框架結(jié)構(gòu) 直流電機(jī)的 PWM 調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)PWM 在雙電機(jī)調(diào)速中起著關(guān)鍵的作用,因此有必要對直流電機(jī) PWM 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行分析，詳細(xì)介紹系統(tǒng)的工作原理及其實(shí)現(xiàn)方法。ARM LM3S1138 是本系統(tǒng)的中樞，通過它產(chǎn)生的 PWM 脈沖信號送給 L298 驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)。3)采取一定策略保證電機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性?；谝陨夏繕?biāo)，本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備以下功能：1)可通過按鍵控制兩個(gè)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。本系統(tǒng)操作方便，可靠性高，其設(shè)計(jì)精度可以滿足一般工業(yè)控制的要求，能夠應(yīng)用到實(shí)際的生產(chǎn)生活中，能滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要，實(shí)現(xiàn)了對電機(jī)的良好控制。通過軟件與硬件相結(jié)合的控制方法，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)用 ARM1138 對電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)向控制，能夠較準(zhǔn)確的測出電機(jī)速度，變速范圍較廣。通過 4 個(gè)按鍵，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速等功能。通常選用直流電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)作精密運(yùn)動(dòng)控制。電機(jī)的發(fā)展和控制、驅(qū)動(dòng)技術(shù)的不斷成熟，使運(yùn)動(dòng)控制經(jīng)歷了不同的發(fā)展階段。這類系統(tǒng)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制的運(yùn)動(dòng)要求。由于直流電動(dòng)機(jī)具有良好的啟動(dòng)和調(diào)速性能，常應(yīng)用于對啟動(dòng)和調(diào)速有較高要求的場合，如大型可逆式軋鋼機(jī)、礦井卷揚(yáng)機(jī)、賓館高速電梯、龍門刨床、電力機(jī)車、內(nèi)燃機(jī)車、城市電車、地鐵列車、電動(dòng)自行車、造紙和印刷機(jī)械、船舶機(jī)械、大型精密機(jī)床和大型起重機(jī)等生產(chǎn)機(jī)械中。 直流電機(jī)的應(yīng)用直流電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速性能和啟動(dòng)性能,具有寬廣的調(diào)速范圍，平滑的無級調(diào)速特性，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無級快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)；過載能力大，能承受頻繁的沖擊負(fù)載；能滿足自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)中各種特殊運(yùn)行的要求。但同時(shí)也存在輸出電壓中除基波外，還包含較大的諧波分量。采用適當(dāng)控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化。其逆變器部分只能輸 PWM 法正是為了克服 PAM 法的這個(gè)缺點(diǎn)發(fā)展而來的，是 PWM 法中最為簡單的一種。本文研究的等脈寬 PWM 法屬于相電壓控制 PWM。PWM(Pulse Width Modulation)脈沖寬度調(diào)制技術(shù)就是通過對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)。在晶體管處在接通時(shí)，其上的壓降可以略去；當(dāng)晶體管處在斷開時(shí)，其上壓降很大，但是電流為零，所以不論晶體管接通還是斷開，輸出晶體管中的功耗都是很小的。圖 11 直流電機(jī)的電路等效圖 PWM 技術(shù)簡介在直流電機(jī)系統(tǒng)中，開關(guān)放大器提供驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需要的電壓和電流，通過改變加在電動(dòng)機(jī)上的電壓的平均值來控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。電源電壓越高，轉(zhuǎn)速越高。具體關(guān)系為：T = CT ?Φ? Ia （13）式中 CT 是電磁轉(zhuǎn)矩常數(shù)，它是電機(jī)的固有常數(shù)。根據(jù)圖 列出了如下公式：Eb = Ra ? Ia + Ec （11）上面已經(jīng)說過，反向電動(dòng)勢和轉(zhuǎn)速成正比，具體關(guān)系為:Ec = Ce ?Φ?N （12）式中 Ce 是電動(dòng)勢常數(shù)，Φ 是氣隙磁通，它們都是電機(jī)的固有常數(shù)。電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中等效于電阻 Ra 和反向電動(dòng)勢 Ec 串接起來。 直流電機(jī)的電器特性圖 11 為直流電機(jī)的等效電路圖。脈沖高低電平間的比例稱為 PWM 信號的占空比。PWM 技術(shù)是以固定的頻率開關(guān)恒壓源。電壓幅度決定了電機(jī)的轉(zhuǎn)速，因此是電池或直流電源是一個(gè)線性激勵(lì)源。電樞和定子繞組中的電流由電池或其它直流電源供給（永磁 BDC 電機(jī)沒有定子繞組） 。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，碳質(zhì)的電刷在換向器上滑動(dòng)。外加電源激發(fā)出電樞磁場。定子產(chǎn)生靜止磁場。對于后一種情況，定子繞組與轉(zhuǎn)子繞組可以是并行、串行、或混合方式連接。有刷直流電機(jī)的類型根據(jù)電機(jī)定子或外殼中磁場的產(chǎn)生方式來劃分。 有刷直流電機(jī)（BDC）的工作原理BDC 電機(jī)的基本構(gòu)造的組件包括定子、轉(zhuǎn)子、電刷和換向器。直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)靜止不動(dòng)的部分稱為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場，由機(jī)座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。本設(shè)計(jì)采用的是有刷直流電機(jī)。常見的直流電機(jī)包括有刷電機(jī)、無刷電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等。 直流電機(jī)的概述 直流電機(jī)的特點(diǎn)和分類電機(jī)是把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的裝置。USB 接口提供虛擬 UART 的功能，不需要額外的接口電路 。2）豐富的外設(shè)資源：7 組 GPIO，可配置為輸入、輸出、開漏、弱上拉等模式；4 個(gè) 32 位 Timer，每個(gè)都可拆分為 2 個(gè)獨(dú)立的 16 位子定時(shí)器，具有定時(shí)、捕獲、PWM、RTC 等豐富功能；3 路全雙工 UART，位速率高達(dá)， 16 單元接收 FIFO；和發(fā)送 FIFO，支持串行紅外協(xié)議（IrDA SIR） ；2 路 I2C，支持 100kbps 標(biāo)準(zhǔn)模式、400kbps 快速模式；2 路 SSI，兼容 Freescale SPI、MICROWIRE 、Texas Instruments；串行通信協(xié)議，位速率高達(dá)25Mbps；6 路 16 位 PWM，通過 CCP 管腳能產(chǎn)生高達(dá) 25MHz 的方波；3 個(gè)模擬比較器；8 通道 10 位 ADC，采樣速率可達(dá) 1M/s，附帶溫度傳感器；內(nèi)置看門狗定時(shí)器（WatchDog Timer） ，確保芯片可靠運(yùn)行。（群星）系列 ARM 之 LM3S1138。 EasyARM1138 開發(fā)板的介紹EasyARM1138 是一款基于 ARM Cortex?M3 先進(jìn)內(nèi)核的高性能的 Cortex?M3 開發(fā)板。2mA、4mA 和 8mA 端口驅(qū)動(dòng)，8mA 驅(qū)動(dòng)的斜率控制。 輸入/輸出可承受5V， 中斷產(chǎn)生可編程為邊沿觸發(fā)或電平檢測。主機(jī)帶有仲裁和時(shí)鐘同步功能、支持多個(gè)主機(jī)、以及 7 位尋址模式。比較兩個(gè)外部管腳輸入或者將外部管腳輸入與內(nèi)部可編程參考電壓相比較。4 個(gè)可編程的采樣轉(zhuǎn)換序列，1 到 8 個(gè)入口長，每個(gè)序列均帶有相應(yīng)的轉(zhuǎn)換結(jié)果 FIFO，每個(gè)序列都可以由軟件或者內(nèi)部事件（定時(shí)器，模擬比較器，或 GPIO）觸發(fā)。10)ADC：獨(dú)立和差分輸入配置，用作單端輸入時(shí)有 8 個(gè) 10 位的通道（輸入） 。FIFO 觸發(fā)水平可設(shè)為 1/8, 1/4, 1/2, 3/4 和 7/8。9)UART：3 個(gè)完全可編程的 16C550type UART，支持 IrDA?？删幊虥Q定數(shù)據(jù)幀大小，范圍為 4 到 16 位。在調(diào)試的時(shí)候，當(dāng)控制器發(fā)出 CPU 暫停標(biāo)志時(shí)，用戶可以設(shè)定暫停定時(shí)器的周期。7)兼容 ARM FiRM 的看門狗定時(shí)器：32 位向下計(jì)數(shù)器，帶可編程的裝載寄存器, 帶使能功能的獨(dú)立看門狗時(shí)鐘。 5)16 位輸入捕獲模式：提供輸入邊沿計(jì)數(shù)捕獲功能，提供輸入邊沿時(shí)間捕獲功能。3)32 位定時(shí)器模式：可編程單次觸發(fā)定時(shí)器；可編程周期定時(shí)器；ADC 事件觸發(fā)器。2)通用定時(shí)器：4 個(gè)通用定時(shí)器模塊(GPTM)，每個(gè)提供 2 個(gè) 16位定時(shí)器。集成嵌套向量中斷控制器（NVIC） 。兼容 Thumb2 指令集以獲取更高的代碼密度。 Cortex?M3 v7M 架構(gòu)。最后，LM3S1138 微控制器與Stellaris 系列的所有成員是代碼兼容的，這為用戶提供了靈活性，能夠適應(yīng)各種精確的需求。另外，該微控制器使用了兼容 ARM 的 Thumb174。一個(gè)上電/掉電序列發(fā)生器、連續(xù)的時(shí)間計(jì)數(shù)器（RTC ） 、一對匹配寄存器、一個(gè)到系統(tǒng)總線的 APB 接口以及專用的非易失性存儲器、休眠模塊等功能組件使 LM3S1138 微控制器極其適合用在電池的應(yīng)用中。 這些具備領(lǐng)先技術(shù)的芯片使用戶能夠以傳統(tǒng)的 8 位和 16 位器件的價(jià)位來享受 32 位的性能。 M L3S1138 微控制器的介紹 LM3S1138 微控制器的特點(diǎn) LM3S1138 是基于 ARM174。 本課題將對基于 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，并對其設(shè)計(jì)、開發(fā)、調(diào)試方面做出研究。在很多環(huán)境惡劣，地況復(fù)雜的地區(qū)，嵌入式系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)無人監(jiān)測。 5)POS 網(wǎng)絡(luò)及電子商務(wù)：公共交通無接觸智能卡(Contactless Smartcard, CSC)發(fā)行系統(tǒng)，公共電話卡發(fā)行系統(tǒng)，自動(dòng)售貨機(jī)，各種智能 ATM 終端將全面走入人們的生活，到時(shí)手持一卡就可以行遍天下。 4)家庭智能管理系統(tǒng)： 水、電、煤氣表的遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表，安全防火、防盜系統(tǒng)，其中嵌有的專用控制芯片將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工檢查，并實(shí)現(xiàn)更高，更準(zhǔn)確和更安全的性能。即使你不在家里，也可以通過電話線、網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。目前 GPS 設(shè)備已經(jīng)從尖端產(chǎn)品進(jìn)入了普通百姓的家庭，只需要幾千元，就可以隨時(shí)隨地找到你的位置。但是隨著技術(shù)的發(fā)展，32位、64位的處理器逐漸成為工業(yè)控制設(shè)備的核心，在未來幾年內(nèi)必將獲得長足的發(fā)展。 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)技術(shù)具有非常廣闊的應(yīng)用前景，其應(yīng)用領(lǐng)域可以包括： 1)工業(yè)控制：基于嵌入式芯片的工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備將獲得長足的發(fā)展，目前已經(jīng)有大量的132 位嵌入式微控制器在應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)化是提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量、減少人力資源主要途徑，如工業(yè)過程控制、數(shù)字機(jī)床、電力系統(tǒng)、電網(wǎng)安全、電網(wǎng)設(shè)備監(jiān)測、石油化工系統(tǒng)。微電子技術(shù)發(fā)展迅速，SOC(片上系統(tǒng))使嵌入系統(tǒng)越來越小，功能卻越來越強(qiáng)。這一階段系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是：計(jì)算機(jī)硬件出現(xiàn)了高可靠、低功耗的嵌入式CPU，如Power PC等，各類商業(yè)嵌入式操作系統(tǒng)系統(tǒng)開始出現(xiàn)并得到迅速發(fā)展，嵌入式操作系統(tǒng)能運(yùn)行于各種不同類型的微處理器上，兼容性好；操作系統(tǒng)內(nèi)核精小、效率高，并且具有高度的模塊化和擴(kuò)展性；具備文件和目錄管理、設(shè)備支持、多任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)支持、圖形窗口以及用戶界面等功能；具有大量的應(yīng)用程序接口(API)，開發(fā)應(yīng)用程序簡單；嵌入式應(yīng)用軟件豐富。這一階段系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能都相對單一，處理效率較低，存儲容量較小，幾乎沒有用戶接口，比較適合于各類專用領(lǐng)域中。綜觀嵌入式技術(shù)的發(fā)展，大致經(jīng)歷了以下3個(gè)階段：第1階段是嵌入技術(shù)的早期階段，以功能簡單的專用計(jì)算機(jī)或單片機(jī)為核心的可編程控制器形式存在，具有監(jiān)測、伺服、設(shè)備指示等功能。嵌入系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，軟硬件可裁減，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。1 嵌入式系統(tǒng)和 ARM 微處理器概述 嵌入式系統(tǒng)概況 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀嵌入系統(tǒng)發(fā)展歷史及現(xiàn)狀當(dāng)今世界，以計(jì)算機(jī)技術(shù)、芯片技術(shù)和軟件技術(shù)為核心的數(shù)字化技術(shù)取得了迅猛發(fā)展，不僅廣泛滲透到社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、軍事、交通、通信等相關(guān)行業(yè)，而且深入到家電、娛樂、藝術(shù)、社會(huì)文化等各個(gè)領(lǐng)域，掀起了一場數(shù)字化技術(shù)革命。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。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。脈沖寬度調(diào)制是直流電機(jī)調(diào)速中最為有效的方法，即給直流電機(jī)輸入高速的開關(guān)脈沖信號，通過改變脈沖信號開關(guān)的比例，達(dá)到速度控制的效果。本方法所要求的ARM開發(fā)板必須具有PWM端口，另外，ARM 芯片的工作速度盡量快。本課題研究了一種直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制系統(tǒng)。將其應(yīng)用于直流電機(jī)的調(diào)速控制，有極大的使用價(jià)值。這樣可以使單片機(jī)最大限度地和應(yīng)用需求相匹配，功能不多不少，從而減少功耗和成本，其應(yīng)用已深入到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、教育、國防、科研以及日常生活等各個(gè)領(lǐng)域，對各行各業(yè)的技術(shù)改造、產(chǎn)品更新?lián)Q代、加速自動(dòng)化化進(jìn)程、提高生產(chǎn)率等方面起到了極其重要的推動(dòng)作用。嵌入式微控制器一般以某一種微處理器內(nèi)核為核心