【正文】 ..............................................30結(jié)論 ..............................................................................................................................31參考文獻(xiàn) ......................................................................................................................32致謝 ..............................................................................................................................33摘 要本設(shè)計(jì)主要是對(duì)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)。在直流電機(jī)的運(yùn)行控制中， 通常廣泛采用脈沖寬度調(diào)制( P WM) 技術(shù)，具有響應(yīng)快 、精度高、平穩(wěn)性好等特點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)采用一種基于 H 橋高電壓、大電流的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 L298，以嵌入式LM3S1138 微控制器為主控制器，通過(guò) PWM 在 L298 的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度的調(diào)節(jié)。微控制器把檢測(cè)到的電機(jī)轉(zhuǎn)速與設(shè)定的轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，通過(guò)閉環(huán)比例調(diào)節(jié)對(duì)方波脈寬進(jìn)行調(diào)制， 從而改變電機(jī)兩端的平均電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的反饋控制。 Embedded。 LM3S1138引言嵌入式微控制器又稱單片機(jī)。為適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，一般一個(gè)系列的單片機(jī)具有多種衍生產(chǎn)品，每種衍生產(chǎn)品的處理器內(nèi)核都是一樣的，不同的是存儲(chǔ)器和外設(shè)的配置及封裝。ARM是近年來(lái)發(fā)展非常迅速的處理器，有很好的應(yīng)用前景。以脈寬調(diào)制技術(shù)為代表的電機(jī)數(shù)字驅(qū)動(dòng)技術(shù)也在迅猛發(fā)展，將計(jì)算機(jī)應(yīng)用于這一領(lǐng)域正好可以發(fā)揮其在數(shù)字控制方面的優(yōu)勢(shì)?；舅枷刖褪抢肁RM開(kāi)發(fā)板具有的PWM端口，在不改變PWM方波周期(頻率)的前提下，通過(guò)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。在收到上位機(jī)指令后調(diào)整輸出PWM占空比。系統(tǒng)中使用的是前一種固定頻率下改變占空比的PWM方法，在整個(gè)過(guò)程中改變的僅僅是電壓信號(hào)的占空比，至于其它參數(shù)，尤其是脈沖頻率并沒(méi)有改變，通過(guò)調(diào)整基本周期內(nèi)工作周期的大小來(lái)控制輸出功率。PWM采用軟件的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速過(guò)程，具有更大的靈活性，實(shí)現(xiàn)了硬件設(shè)計(jì)軟件化。并且較好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流電機(jī)的速度控制，簡(jiǎn)化了電路，并具有精度高、快速響應(yīng)性好、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，具有很好的應(yīng)用前景?，F(xiàn)代控制技術(shù)、多媒體技術(shù)與Inter的應(yīng)用與普及，促使消費(fèi)電子、計(jì)算機(jī)、通信(3C)一體化趨勢(shì)步伐加快，嵌入式技術(shù)再度成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式處理器、相關(guān)支撐硬件、嵌入式操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件系統(tǒng)等組成，它是集軟硬件于一體的可獨(dú)立工作的 器件 。這種系統(tǒng)大部分應(yīng)用于各類工業(yè)控制和飛機(jī)、導(dǎo)彈等武器裝備中，早期系統(tǒng)中一般沒(méi)有操作系統(tǒng)的支持，通過(guò)匯編語(yǔ)言編程對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行直接控制，運(yùn)行結(jié)束后清除內(nèi)存。第2階段是以嵌入式CPU和嵌入式操作系統(tǒng)為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)。第3階段是以芯片技術(shù)和Inter技術(shù)為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)。目前大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)還孤立于Inter之外，但隨著Inter的發(fā)展以及Inter技術(shù)與信息家電、工業(yè)控制技術(shù)等結(jié)合日益密切，嵌入式技術(shù)與Inter 技術(shù)的結(jié)合正推動(dòng)嵌入式技術(shù)的快速發(fā)展。就傳統(tǒng)的工業(yè)控制產(chǎn)品而言，低端型采用的往往是8位單片機(jī)。 2)交通管理：在車輛導(dǎo)航、流量控制、信息監(jiān)測(cè)與汽車服務(wù)方面，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用，內(nèi)嵌 GPS 模塊， GSM 模塊的移動(dòng)定位終端已經(jīng)在各種運(yùn)輸行業(yè)獲得了成功的使用。 3)信息家電： 這將稱為嵌入式系統(tǒng)最大的應(yīng)用領(lǐng)域，冰箱、空調(diào)等的網(wǎng)絡(luò)化、智能化將引領(lǐng)人們的生活步入一個(gè)嶄新的空間。在這些設(shè)備中，嵌入式系統(tǒng)將大有用武之地。目前在服務(wù)領(lǐng)域，如遠(yuǎn)程點(diǎn)菜器等已經(jīng)體現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。 6)環(huán)境工程與自然：水文資料實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，防洪體系及水土質(zhì)量監(jiān)測(cè)、堤壩安全，地震監(jiān)測(cè)網(wǎng)，實(shí)時(shí)氣象信息網(wǎng)，水源和空氣污染監(jiān)測(cè)。 7)機(jī)器人：嵌入式芯片的發(fā)展將使機(jī)器人在微型化，高智能方面優(yōu)勢(shì)更加明顯，同時(shí)會(huì)大幅度降低機(jī)器人的價(jià)格，使其在工業(yè)領(lǐng)域和服務(wù)領(lǐng)域獲得更廣泛的應(yīng)用。在系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，學(xué)會(huì)嵌入式系統(tǒng)的移植和應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)。 Cortex?M3 的控制器，對(duì)成本尤其敏感的嵌入式微控制器應(yīng)用方案帶來(lái)了高性能的 32 位運(yùn)算能力。LM3S1138微控制器還具有一個(gè)電池備用的休眠模塊，從而有效的使 LM3S1138 芯片在未被激活的時(shí)候進(jìn)入低功耗狀態(tài)。除此之外，該 LM3S1138 微控制器的優(yōu)勢(shì)還在于能夠方便的運(yùn)用多種 ARM的開(kāi)發(fā)工具和片上系統(tǒng)（SoC）的底層 IP 應(yīng)用方案，以及廣大的用戶群體。指令集的 Thumb2 指令集來(lái)減少存儲(chǔ)容量的需求，并以此達(dá)到降低成本的目的。采用為小封裝應(yīng)用方案而優(yōu)化的 32 位 ARM174。提供系統(tǒng)時(shí)鐘、包括一個(gè)簡(jiǎn)單的 24 位寫(xiě)清零、遞減、自裝載計(jì)數(shù)器，同時(shí)具有靈活的控制機(jī)制僅采用與 Thumb174。工作頻率為 50MHz 硬件除法和單周期乘法。1)內(nèi)部存儲(chǔ)器：64 KB 單周期 Flash，可由用戶管理對(duì) flash 塊的保護(hù)，以2KB 為單位，可由用戶管理對(duì) flash 的編程，可由用戶定義和管理的 flash 保護(hù)塊，16 KB 單周期訪問(wèn)的 SRAM。 每個(gè) GPTM 可被獨(dú)立配置進(jìn)行操作：作為一個(gè) 32 位定時(shí)器，作為一個(gè) 32 位的實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）來(lái)捕獲事件，用于脈寬調(diào)解器（ PWM） ，觸發(fā)模數(shù)轉(zhuǎn)換。4)16 位定時(shí)器模式：通用定時(shí)器功能，并帶一個(gè) 8 位的預(yù)分頻器；可編程單次觸發(fā)定時(shí)器；可編程周期定時(shí)器；在調(diào)試的時(shí)候，當(dāng)控制器發(fā)出 CPU 暫停標(biāo)志時(shí)，用戶可設(shè)定暫停周期或者單次模式下的計(jì)數(shù)。6)16 位 PWM 模式：簡(jiǎn)單的 PWM 模式，對(duì) PWM 信號(hào)輸出的取反可由軟件編程決定。帶中斷屏蔽功能的可編程中斷產(chǎn)生邏輯， 軟件跑飛時(shí)可鎖定寄存器以提供保護(hù)，帶使能/禁能的復(fù)位產(chǎn)生邏輯。8)同步串行接口（SSI ）兩個(gè) SSI 模塊：每個(gè)都具有以下的特點(diǎn)：主機(jī)或者從機(jī)方式運(yùn)作；可編程控制的時(shí)鐘位速率和預(yù)分頻；獨(dú)立的發(fā)送和接收FIFO， 8X16 位寬的深度；可編程控制的接口，可與 Freescale 的 SPI 接口，MICROWIRE 或者 TI 器件的同步串行接口相連。內(nèi)部循環(huán)自檢模式可用于診斷/調(diào)試。帶有獨(dú)立的16x8 發(fā)送（TX）以及 16x12 接收（RX）FIFO，可減輕 CPU 中斷服務(wù)的負(fù)擔(dān)，可編程的波特率產(chǎn)生器，并帶有分頻器，可編程設(shè)置 FIFO 長(zhǎng)度，包括 1 字節(jié)深度的操作，以提供傳統(tǒng)的雙緩沖接口。標(biāo)準(zhǔn)異步通信位：開(kāi)始位、停止位、奇偶位。 采樣速率為 1,000,000 次/秒，靈活、可配置的模數(shù)轉(zhuǎn)換。11)模擬比較器：3 個(gè)獨(dú)立集成的模擬比較器，可以把輸出配置為：驅(qū)動(dòng)輸出管腳、產(chǎn)生中斷或啟動(dòng) ADC 采樣序列。12)兩個(gè) I2C 模塊：在標(biāo)準(zhǔn)模式下主機(jī)和從機(jī)接收和發(fā)送操作的速度可達(dá)100Kbps，在快速模式下可達(dá) 400Kbps。13) GPIO：高達(dá) 946 個(gè) GPIO，具體數(shù)目取決于配置。可啟動(dòng)一個(gè) ADC 采樣序列，GPIO 端口配置的可編程控制。開(kāi)漏使能，數(shù)字輸入使能。EasyARM1138 的核心 MCU 是美國(guó) Luminary Micro 公司的Stellaris174。具有如下功能特點(diǎn)：1）強(qiáng)大的 MCU 內(nèi)核：32 位 ARM Cortex?M3 內(nèi)核（ARM v7M 架構(gòu)） ；兼容 Thumb 的 Thumb2 指令集，提高代碼密度 25%以上；50MHz 運(yùn)行頻率， DMIPS/MHz，加快 35%以上；單周期乘法指令，2～12 周期硬件除法指令；快速可嵌套中斷，6～12 個(gè)時(shí)鐘周期；具有 MPU 保護(hù)設(shè)定訪問(wèn)規(guī)則； 64KB 單周期 Flash, 16KB 單周期 SRAM；內(nèi)置可編程的 LDO 輸出 ～，步進(jìn)50mV；持非對(duì)齊數(shù)據(jù)的訪問(wèn)，有效地壓縮數(shù)據(jù)到內(nèi)存；支持位操作，最大限度使用內(nèi)存，并提供創(chuàng)新的外設(shè)控制；內(nèi)置系統(tǒng)節(jié)拍定時(shí)器（SysTick ） ，方便操作系統(tǒng)移植。3）內(nèi)嵌 USB 接口的下載仿真器：僅需插入一根 USB 電纜就能實(shí)現(xiàn)“ 三合一”功能：5V 供電、程序下載與在線仿真、UART 串行通信，不再要求電腦具有串口或并口，無(wú)論臺(tái)式機(jī)還是筆記本電腦，只要擁有 USB 或 USB 接口就能運(yùn)用自如。4）開(kāi)發(fā)軟件：IAR EmbeddedWorkbench for ARM 。電機(jī)的種類繁多，如果按電源類型分，可分為直流電機(jī)和交流電機(jī)兩大類。直流有刷電機(jī)是所有電機(jī)的基礎(chǔ)，它具有啟動(dòng)快、制動(dòng)及時(shí)、可在大范圍內(nèi)平滑地調(diào)速、控制電路相對(duì)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)應(yīng)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風(fēng)扇等組成。定子和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。根據(jù)有刷直流電機(jī)的類型，定子磁場(chǎng)可以由永磁鐵或定子中的繞組產(chǎn)生。這三種有刷直流電機(jī)分別稱為并激電動(dòng)機(jī)、串激電動(dòng)機(jī)和復(fù)激電動(dòng)機(jī)。這一靜止磁場(chǎng)圍繞在電樞（或稱轉(zhuǎn)子）的周圍。BDC 電機(jī)軸上還有兩個(gè)圓弧形的銅片，稱為換向片。這樣就可以產(chǎn)生一個(gè)與定子的靜止磁場(chǎng)相吸引的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。電池（或直流電源）提供恒定的直流電壓。改變BDC 電機(jī)速度的最有效方式是采用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)。改變 PWM 信號(hào)的脈沖寬度可以調(diào)節(jié)電機(jī)的速度。直流電池電平的幅度等于 PWM信號(hào)的平均幅度。電源 Eb 給電機(jī)供電，產(chǎn)生電流 Ia。其中 Ra 為電樞等效電阻；Ec 為電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)，它和轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)速越快，反向電動(dòng)勢(shì)越大。另外，電機(jī)的電流 Ia 和電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩 T 成正比。把上面三式合拼并整理得到：N = K1?Eb ? K2 ?Ra ?T （14）式中 K1 和 K2 是比例系數(shù)。當(dāng)轉(zhuǎn)矩為零時(shí)直線與縱軸的交點(diǎn)為某一電源電壓下的最大轉(zhuǎn)速，即空載時(shí)的轉(zhuǎn)速；當(dāng)轉(zhuǎn)速為零時(shí)，直線與橫軸的交點(diǎn)為某一電源電壓下的最大轉(zhuǎn)矩，即電機(jī)啟動(dòng)瞬間的轉(zhuǎn)矩。在開(kāi)關(guān)放大器中，常采用晶體管作為開(kāi)關(guān)器件，晶體管如同開(kāi)關(guān)一樣，總是處在接通和斷開(kāi)的狀態(tài)。一種比較簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)放大器是按照一個(gè)固定的頻率去接通和斷開(kāi)放大器，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開(kāi)”的相位寬窄，這樣的放大器被稱為脈沖調(diào)制放大器。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(kāi)關(guān) PWM。等脈寬 PWM 法 VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)裝置在早期是采用 PAM(Pulse Amplitude Modulation)控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。它是把每一脈沖的寬度均相等的脈沖列作為 PWM 波,通過(guò)改變脈沖列的周期可以調(diào)頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓。相對(duì)于PAM 法，該方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，提高了輸入端的功率因數(shù)。采用直流脈寬調(diào)制的調(diào)速系統(tǒng)，在許多方面有較大的優(yōu)點(diǎn)：①主電路線路簡(jiǎn)單，需要的功率元件少；②開(kāi)關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗和發(fā)熱都較??；③低速性能好，穩(wěn)速精度高，因而調(diào)速范圍寬；④系統(tǒng)快速響應(yīng)性能好，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)；⑤主電路元件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，裝置效率較高；⑥直流電源采用不可控三相整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)高。而直流發(fā)電機(jī)則能提供無(wú)脈動(dòng)的大功率直流電源，且輸出電壓可以精確地調(diào)節(jié)和控制。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是以機(jī)械運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備──電機(jī)為控制對(duì)象，以控制器為核心，以電力電子器件及功率變換裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在自動(dòng)控制理論的指導(dǎo)下組成的電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)?？刂萍夹g(shù)的發(fā)展是通過(guò)電機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的要求，電機(jī)的進(jìn)步帶來(lái)了對(duì)驅(qū)動(dòng)和控制的要求。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在電子應(yīng)用初期就采用電磁控制電路，為電機(jī)、繼電器、螺線管和揚(yáng)聲器提供激勵(lì)，但現(xiàn)今的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)則更加復(fù)雜，因?yàn)橄到y(tǒng)要求多個(gè)電機(jī)或制動(dòng)器之間的協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)精確運(yùn)動(dòng)。2 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)將 ARM1138 微控制器產(chǎn)生的兩個(gè) PWM 脈沖通過(guò) L298 電機(jī)驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)電機(jī)。通過(guò)光電傳感器 ST150S 實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度的測(cè)試，并采用 LCD1602顯示屏即時(shí)顯示控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度的信息。系統(tǒng)軟件編寫(xiě)遵循模塊化設(shè)計(jì)的原則，代碼具有良好的易維護(hù)性和可移植性。 系統(tǒng)分析 系統(tǒng)功能分析本設(shè)計(jì)主要旨在實(shí)現(xiàn)兩個(gè)直流電機(jī)速度的控制，使得機(jī)器設(shè)備能夠通過(guò)該系統(tǒng)與人之間進(jìn)行人機(jī)交互的目的。2)在一定時(shí)間內(nèi)驅(qū)動(dòng)目標(biāo)序號(hào)電機(jī)到達(dá)設(shè)置的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。4)顯示直流電機(jī)速度 系統(tǒng)原理框架結(jié)構(gòu)如圖 21 所示，本系統(tǒng)的主要功能模塊有：ARM 主控制模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、速度檢測(cè)模塊、鍵盤(pán)模塊、顯示模塊。鍵盤(pán)和顯示器是本系統(tǒng)的接口。本文著重介紹利用ARM 和脈寬調(diào)制技術(shù)對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制實(shí)現(xiàn)的方法。這種控制方式很容易在單片機(jī)控制中實(shí)現(xiàn)，從而為直流電動(dòng)機(jī)控制數(shù)字化提供了契機(jī)。由式可知，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方法可分為兩類：對(duì)勵(lì)磁磁通進(jìn)行控制的勵(lì)磁控制法和對(duì)電樞電壓進(jìn)行控制的電樞控制法。現(xiàn)在，大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合都使用電樞控制法。大多數(shù)直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)采用開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方式。圖 22 是利用開(kāi)關(guān)管對(duì)直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行