【正文】 出高低電平來實現(xiàn) PWM 波輸出。這種方法要占用 CPU 大量時間，需要很高的單片機性能，易于實現(xiàn)，目前也逐漸被淘汰。(3)專用 PWM 集成電路從 PWM 控制技術出現(xiàn)之日起，就有芯片制造商生產(chǎn)專用的 PWM 集成電路芯片，現(xiàn)在市場上已有許多種。這些芯片除了有 PWM 信號發(fā)生功能外，還有“死區(qū)”調節(jié)功能、保護功能等。在單片機控制直流電動機系統(tǒng)中，使用專用 PWM 集成電路可以減輕單片機負擔，工作也更可靠。(4)ARM 或單片機的 PWM 口新一代的 ARM 或單片機增加了許多功能，其中包括 PWM 功能。ARM 或單片機通過初始化設置，使其能自動地發(fā)出 PWM 脈沖波，只有在改變占空比時 CPU 才進行干預。方法(4)是目前獲得 PWM 信號的主流方法，采用 ARM 或者單片機系統(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。 直流電機的驅動設計采用 PWM 控制方法，能夠控制直流電機正反轉以及電動與制動運行。在控制式上有雙極型、單極型和受控單極型。本設計直流電機常要求工作在正反轉的場合，這就需要使用可逆 PWM 電機驅動?？赡?PWM 系統(tǒng)分為雙極性驅動和單極性驅動。雙極性驅動是指在一個 PWM 周期里，電動機電樞的電壓極性呈正負變化。雙極性驅動電路有兩種，一種稱為 T 型，它由 2 個開關管組成，采用正負電源，相當于 2 個不可逆系統(tǒng)的組合，由于形狀像倒放的“T”字，所以稱為 T 型。T型雙極性驅動由于開關管要承受較高的反向電壓，因此只用在低壓小功率直流電動機驅動。另一種稱為 H 型，其形狀像“H”字。單個 H 型雙極性驅動PWM 系統(tǒng)原理圖 24。H 橋式電機驅動電路包括 4 個三極管和一個電機。要使電機運轉，必須導通對角線上的一對三極管。根據(jù)不同三極管對的導通情況，電流可能會從左至右或從右至左流過電機，從而控制電機的轉向。 當 Q1 管和 Q4 管導通時，電流就從電源正極經(jīng) Q1 從左至右穿過電機，然后再經(jīng) Q4 回到電源負極。從而驅動電機按特定方向轉動。當 Q2 管和 Q3 管導通時，電流將從右至左流過電機，從而驅動電機沿另一方向轉動。 驅動電機時，保證 H 橋上兩個同側的三極管不會同時導通非常重要。如果三極管 Q1 和 Q2 同時導通，那么電流就會從正極穿過兩個三極管直接回到負極。此時，電路中除了三極管外沒有其他任何負載，因此電路上的電流就可能達到最大值（該電流僅受電源性能限制） ，甚至燒壞三極管。圖 24 H 橋電機驅動電路圖單極性驅動是指電機在一個 PWM 周期里，電動機電樞只承受單極性的電壓。雙極性驅動是指電機在一個 PWM 周期里，電動機電樞電壓成正負極性的變化。雙極性可逆驅動雖然具有低速運行平穩(wěn)性的特點，但也存在著電流波動大，功率損耗大的缺點。所以本設計采用單極性可逆驅動方式。在實際設計中，橋式電路中晶體管的參數(shù)由于各種影響會不一致，使控制難度加大，考慮到電壓、電流的等級以及尺寸等因素。一般使用 L298 作為橋式結構的驅動芯片。如圖 L298N 內含二個 H 橋的高電壓大電流雙全橋式驅動器，其內部結構如圖 25 所示。單個 H 型可逆 PWM 驅動系統(tǒng)由 4 個開關管和 4 個續(xù)流二極管組成，單電源供電。4 個開關管分成兩組，TT4 為一組，TT3 為另一組。同一組的開關管同步導通或關斷，不同組的開關管的導通與關斷正好相反。圖 25 L298 內部結構圖基于本設計要實現(xiàn)兩個直流電機的正轉反轉和轉速的的控制，所以選擇內含兩個 H 橋的 L298 驅動芯片，實現(xiàn)電機驅動。 直流電機速度控制算法的選擇對直流電機轉速的控制既可采用開環(huán)控制，也可采用閉環(huán)控制。與開環(huán)控制相比，速度控制閉環(huán)系統(tǒng)的機械特性有以下優(yōu)越性：閉環(huán)系統(tǒng)的機械特性與開環(huán)系統(tǒng)機械特性相比，其性能大大提高；理想空載轉速相同時，閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率（額定負載時電機轉速降落與理想空載轉速之比）要小得多；當要求的靜差率相同時，閉環(huán)調速系統(tǒng)的調速范圍可以大大提高。因此本設計采用閉環(huán)控制直流電機的速度的方案，其控制如圖所 26 所示。圖 26 直流電機速度的控制方案在過程控制場合，比例積分微分控制(簡稱 PID 控制)調節(jié)是常見的一種控制方式，在電機控制、冶金、 機械、 化工等行業(yè)中獲得了廣泛應用。這是由于 PID 調節(jié)不需要求出控制系統(tǒng)的數(shù)學模型。 同時 PID 調節(jié)器又具有典型的結構，可以根據(jù)被控對象的具體情況，采用 PID 的變種，有較強的靈活性和運用性?？删幊炭刂破饔捎诰哂袛?shù)值運算的能力和處理模擬信號量的功能，所以可設計出各種 PID 控制器，運用于具有連續(xù)量控制的閉環(huán)系統(tǒng)；還可根據(jù)被控對象的具體特點和要求來調整必要的控制參數(shù)，具有監(jiān)控功能，并可以在運行中調整參數(shù)。對于直流電機的閉環(huán)控制常采用 PID，其輸出是輸入的比例、積分和微分的函數(shù)。PID 調節(jié)器控制結構簡單，參數(shù)容易整定，不必求出被控對象的數(shù)學模型。PID 控制系統(tǒng)原理框圖如圖 27 所示。系統(tǒng)由 PID 控制器和被控對象構成。圖 27 PID 控制系統(tǒng)原理框圖PID 控制器是一種線性控制器他根據(jù)給定 rint(t)與實際輸出 yout(t)的偏差，Error(t)= rint(t)yout(t)。PID 控制規(guī)律為 01 ()()()()t Dp TderotutkeroterotT???? 或寫成傳遞函數(shù)的形式 pUsGksE：比例系數(shù)； ：積分時間常數(shù)； ：微分時間常數(shù)1TD簡單來說，PID 控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：比例積分微分ka0pk1)比例環(huán)節(jié)；成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號 error(t) , 偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減小誤差。2)積分環(huán)節(jié)；主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的尤差度。積分作用的強弱取決于積分的時間常數(shù) ， 越大。積分作用越弱，反之則越強。1T3)微分環(huán)節(jié)；反映偏差信號的變化趨勢（變化速率） ，并能在偏差信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調節(jié)時間。對于本設計采用 PID 調節(jié)當中比例環(huán)節(jié)即比例調節(jié)就能滿足設計要求，且參數(shù)以確定，設計簡單，調節(jié)速度快。比例調節(jié)器雖然易于使用，但在設計、調試雙直流電機控制器的過程中應注意：比例調節(jié)器易受干擾、采樣精度的影響。所以，在不影響控制精度的前提下對比例控制算法的參數(shù)加不斷地改進，關系到整個雙直流電機控制器設計的成敗?？刂浦芷诘倪x擇：設控制周期為 ，采樣速度為 ，采樣頻率為sT1/sT，控制周期是重要的參數(shù)，直接關系到系統(tǒng)的性能和調速的快慢、2/ssT???準確?？刂浦芷谑芏喾矫娴囊驍?shù)影響，主要考慮的因數(shù)如下：1)根據(jù)香濃采樣定理： （ 被采樣的信號的上限角頻率） ，max/s???a給出了控制周期的上限。滿足這一定理，采樣信號可恢復到或近似恢復為原信號，且控制周期越小，越能接近連續(xù)時間控制系統(tǒng)。2)從 ARM 的控制精確度考慮，時間也不宜過短，過短對 ARM 微控制器的時鐘頻率要求過高，易出現(xiàn)誤差。3)從抑制擾動，提高控制速度來考慮，希望控制周期越短越好。4）對執(zhí)行元件來考慮，每種元件都有響應時間，因此要求輸入信號要保持一定時間。綜合上述個因素，選擇控制周期，因滿足控制系統(tǒng)的性能要求的條件下，盡量的短。在結合實驗，不斷地調整，最終我們選擇系統(tǒng)的控制周期為。20sTm?PWM 輸出頻率的選擇：在本設計當中，采用控制占空比來調速，而 PWM輸出頻率不變。對于 PWM 輸出頻率的選擇，應根據(jù)系統(tǒng)性能考慮。當頻率過高對系統(tǒng)的干擾太大，導致系統(tǒng)不穩(wěn)定；當頻率過低，調整占空比調速，響應速度太慢。因此，結合實際情況，我們選擇 1KHZ。這一頻率下，干擾較小，調整占空比調速響應速度滿足要求。 顯示方案選擇1) 采用 LED 數(shù)碼管顯示。LED 可以用移位寄存器 74HC164 或者專用芯片驅動，調試方便，且串行顯示只占用很少得 I/O 口。缺點是只能顯示一些簡單的字符，顯示得信息十分有限。 2)采用液晶顯示。1602 液晶顯示器具有功率低、發(fā)熱小、畫面穩(wěn)定不閃爍、屏幕調節(jié)方便等優(yōu)點，其界面友好，內容量大，符合要求。鑒于本系統(tǒng)顯示信息量大且復雜，LED 數(shù)碼管不足以滿足系統(tǒng)設計要求，故本系統(tǒng)選擇方案二。 基本方案的確定因本次設計的要求要對兩個直流電機的速度和轉向進行控制。ARM1138 產(chǎn)生一定頻率的 PWM 信號通過 L298 驅動芯片驅動兩個電機，通過光電傳感器測速，采用閉環(huán)的比例算法調節(jié)準確達到預設的速度。通過按鍵實現(xiàn)兩個電機的正轉、反轉、加速、減速等功能，并采用 LCD1602 顯示屏即時顯示控制電動機的轉動信息。3 系統(tǒng)硬件設計本系統(tǒng)的硬件設計主要包括 LM3S1138 的最小系統(tǒng)電路、雙直流電機的驅動電路、測速電路，LCD 顯示電路、鍵盤電路等設計。 EASYARM1138 開發(fā)板電路設計 1)電源：在這里，采用的電源穩(wěn)壓芯片是 SPX1117()，特點是：低壓差、最大 800mA 輸出、廉價。電容 C1 和 C2 取值不能太大或太小，一般為10～100μF。在每一組 VDD 和 GND、VDDA 和 GNDA、VDD25 和 GND 之間都要接一個 10～100nF 的小電容，以改善其 EMC 性能。2) LDO 管腳：LM3S1138 的第 7 管腳為 LDO 輸出，通常會直接連到VDD25 管腳（14，38，62，88） ，為 CPU 內核提供電源。 LDO 管腳與 GND 之間必須接一個濾波電容，一般取 ～，最多不要超過 。3)JTAG 接口：JTAG 接口共涉及 5 根信號線：/TRST、TCK 、TMS 、TDI、TDO 這 5 根信號線都要接上拉電阻，一般取10～47kΩ/TRST 實際上并沒有被用到，但仍要接上拉一般情況下，這 5 根信號都不要用作其它用途，以防 JTAG 連接失效。4)復位：開發(fā)板在出廠時采用的是簡單的“RC＋按鍵”復位形式，但保留了可靠性復位芯片 CAT811 的位置。如果用于可靠性要求較高的場合，應當采用專用的復位芯片 CAT811R 或 S。5) VDDA 與 GNDA：在這里，為了簡化電路設計，VDDA 與 VDD 直接相連、GNDA 與 GND 直接相連。但是為了追求更優(yōu)秀的模擬性能（ADC 和模擬比較器模塊） ，建議另外安排一路 電源，連接到 VDDA 和 GNDA，使其與VDD 和 GND 分開。6)UART、I2C 上拉電阻：為了保證通信的可靠性，UART 的 Rx 和 Tx 管腳要加上上拉電阻，一般取 10～47kΩ，如圖中 U2Rx/U2Tx 都添加有 10kΩ 上拉。U0Rx/U0Tx、U1Rx/U1Tx 為保留功能，未加上拉電阻，但用戶實際外擴 UART接口電路時，一定不要忘了添加上拉電阻。按照協(xié)議規(guī)范，外擴 I2C 接口電路時，SDA 和 SCL 信號都必須加上拉電阻，一般取 ～10kΩ。 直流電機驅動模塊電路設計L298 是 ST 公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機驅動芯片。該芯片的主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達 46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達 3A ，持續(xù)工作電流為 2A；內含兩個 H 橋的高電壓大電流全橋式驅動器，可以用來驅動直流電動機和步進電動機、繼電器、線圈等感性負載；采用標準TTL 邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作；有一個邏輯電源輸入端，使內部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。其 L298 的引腳圖如圖31，其管腳功能如表 31。表 31 L298 管腳功能引腳 符號 功能115SENSING ASENSING B此兩腳用來與地之間連接檢測電阻，將檢測量反饋給步進電機控制芯片，實現(xiàn)恒流驅動步進電機。23OUT1OUT2此兩腳是全橋式驅動器 A 的輸出端，用來連接負載。4 Vs 電機驅動電源輸入端，此腳與地之間要連接高低頻退耦電容。57IN1IN2輸入標準 TTL 邏輯電平信號，用來控制全橋式驅動器 A 的開與關。611ENABLAENABLB使能控制端，輸入標準 TTL 邏輯電平信號；分別控制全橋式驅動器 A與 B 的工作狀態(tài)；低電平時全橋式驅動器禁止工作，輸出端 1 與 2（3與 4）無輸出。8 GND 接地端，芯片本身的散熱片與 B 腳相通。9 Vss 邏輯控制器部分的電源輸入端。1012IN3IN4輸入標準邏輯 TTL 電平信號，用來控制全橋式驅動器 B 的開與關。1314OUT3OUT4此兩腳是全橋式驅動器 B 的輸入端，用來連接負載。圖 31 L298 的引腳圖L298 的選用使驅動控制電路的可靠性、穩(wěn)定性和簡潔性得到了極大的提高。由 L298 構成的脈寬調速電路如圖所示 32，這個電路是我們在智能機器人開發(fā)當中采用 L298 芯片設計的脈寬調速電路。在圖中 L298 驅動兩個直流電機，可以分別控制它們的轉速、轉向、運轉與停止。圖中 P10 端、P20 端分別控制兩個電機的運轉與停止，端口加高電平時電機旋轉 ,加低電平時電機停止旋轉，由 P1P21 端送入脈寬可變的脈沖信號，通過改變信號脈寬達到調速、換向的目的。我們采用的脈沖信號頻率為 1KHZ，其邏輯功能如表 32。表 32 L298 控制邏輯功能ENA(B) IN1(IN3) IN2(IN4) 電機運行情況H H L 正轉HH