基于ARM的伺服电机控制器设计.doc

1、 2009届毕业生 毕业论文 题 目 : 基于 ARM 的伺服电机控制器设计 院系名称： 电气工程 学院 专业班级： 自动 0501 学生姓名： 郭海亮 学 号： 20054280103 指导教师： 于心俊 教师职称： 高级实验师 2009 年 06 月 10 日 I 摘 要 运动控制技术能够快速发展得益于计算机、高速数字处理器、自动控制、网络技术的发展。基于 ARM 的控制器逐步成为自动化控制领域 的主导产品之一。高速、高精度以及具有良好可靠性始终是运动控制技术追求的目标。 本文介绍了基于 ARM 伺服电机控制器的设计。该控制系统采用 PHILIPS LPC2114 芯片作为控制核心 ，经

2、D/A 转换控制伺服电机驱动器，从而控制伺服电机的转速。该系统通过硬件实现智能控制算法，同时完成任务的合理调度及实时控制。在该系统中设计一种实时性强的自适应在线插值模糊控制器，具有良好的稳定性、较好自适应性、高可靠性、快速性、高的跟踪精度。 本文实现运动控制技术对高速、高精度的追求目标，设计并实现以微处理器为核心的控制器，改变了 传统单片机运算能力和控制功能不足的现状和弱点。可以对电机的转速位移进行智能化，精确化控制。 关键词： ARM；伺服电机； D/A 数据采集；控制器 II Title Designing of servo-motor Controller Based on ARM Ab

3、stract Motion control technology can benefit from the rapid development of computers, high-speed digital processors, automatic control, the development of network technology. ARM-based controller has gradually become the dominant area of automation and control products.The goal is always high-speed,

4、 high precision and reliability with good motion control technology. This Article introduces designing of servo-motor Controller Based on ARM. The control system adopts PHILIPS LPC2114 chip control servo motor drives to the D/ A converter.Hardware implementation of the system through the intelligent

5、 control algorithm, and a reasonable schedule to complete their tasks and real-time control. In this system design a real-time online adaptive fuzzy controller interpolation,it has a good stability, good self-adaptive, high reliability, rapid, high precision tracking. In this Article, motion control

6、 technology to achieve high-speed, high-precision of the pursuit of objectives, design and realization of the microprocessor as the core of the controller to change the traditional single-chip computing power and insufficient controls and weaknesses. Motor speed can be carried out on intelligent of

7、accurate control. Keywords： ARM； Servo-motor； D/A data acquisition； Controller III 目 次 1 绪论 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 国内外发展现状 . 1 2 相关技术简介 . 13 2.1 ARM 原理简介 . 13 2.2 伺服电机的控制原理简介 . 20 3 系统设计 . 24 3.1 ARM 微控制器 PHILIPS LPC2114 简介 . 24 3.2 系统总体设计 . 26 3.3 继电器驱动电路设计 . 33 3.4 系统软件设计 . 33 结论 . 38 致谢 . 39 参考文献 . 4

8、0 附录 :系统硬件电路图 . 42 1 1 绪论 1.1 引言 随着工业的发展，嵌入式技术应用日益广泛和成熟。 ARM 处理器因其具有高性能、低功耗、低成本等显著优点，已被广泛应用于工业控制、消费电子、汽车、网络等各类行业。一些基于 ARM7TDMI 内核的微控制器都可支持 DSP 运算并能够达到较高的运算指标，节约成本并降低系统的复杂性，使其在变频系统中有着良好的发展前景。嵌入式系统是近年来逐渐发展起来的面向控制、监视的实时系统，它的特点 是采用高速处理器，体积小，集成度高，运算速度快，存储器容量大，功耗低，支持多种网络接口。本文讨论了一种基于 ARM 微处理器的 交流伺服电机 控制器设计

9、。 我们这儿的伺服电机选择交流伺服电机， 交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。 1.2 国内外发展现状 1.2.1 嵌入式技术发展概况 嵌入式微机工业控制技术是 20世纪以来在计算机应用实践中产生和发展起来的非 常经济实用的一种自动化技术 ,它集电气、机械、计算机、通信等技术于一体 ,具有速度快、工作方式灵活、可靠性高、信息处能力强等特点 ,在工业领域中已得到广泛的应用。目前国内工业控制中用的嵌入式工控设备的趋势是用 16位或 32位微处

10、理器替代 。 本设计采用嵌入式微处理器 ARM,将控制板、电源和被控制设备集成于一体 ,形成嵌入式一体化工业控制机。虽然利用 ARM只控制电机略显奢华 ,但是对于多信息的受对象而言 ,ARM的优点将凸现无疑。 基于 ARM的电机机控制器是一种集电动机保护、测量、控制和通信于一体的新型多功能智能化保护与测控 电器。这种控制器将热继电器、漏电保护器、欠 (过 )压2 保护继电器、热电阻保护器、时间继电器、变送器、测量互感器的功能融为一体，汇集了分立元器件的优点并克服其缺点，同时有很优异的控制精度，并具有模块化的多功能智能化电器为电机保护与控制系统提供了一种新型的理想的解决方案。 一些基于 ARM7

11、TDMI内核的微控制器都可支持 DSP运算并能够达到较高的运算指标，节约成本并降低系统的复杂性，使其在变频系统中有着良好的发展前景。LPC2214ARM微控制器是 PHILIPS公司生产的基于 ARM7TDMI-S核的芯片，特别适用于工 业控制、医疗系统、访问控制和 POS机。整个系统采用双闭环矢量控制，实验结果证明了该设计思想的正确性，实际为伺服机控制器的选型和开发提供了一个新的思路。 在某些传动领域内，需要对被控对象实现高精度的位置控制，而实现精确位置控制的一个基本条件是需要有高精度的执行机构。当脉冲当量和进给速度都要求太高时，传统的步进电机或直流伺服电机将面临一系列问题，且实现起来难度大

12、，成本较高。随着现代工业自动化程度的逐渐提高，交流伺服系统的应用已成为工业控制的主流，并且在当代工业设备生产中占有相当重要地位 。用 ARM微控制器可以用很 低的成本实现很复杂的控制方案。 随着计算机技术、网络技术和微电子技术的深入发展，嵌入式系统的应用无处不在。 ARM 是目前公认的业界领先的 32位嵌入式 RISC(精简指令计算机 )微处理器。ARM技术日益成熟和不断发展，正在逐步渗入到我们生活的各个方面。首先了解嵌入式系统的基本概念，随之了解由 ARM 微处理器构成的嵌入式系统 (简称 ARM 嵌入式系统 )的基础知识，最后认识一下 ARM技术的产业化发展过程及发展趋势。 嵌入式系统的英

13、文叫做 Embedded System，是一种包括硬件和软件的完 整的计算机系统，但又跟通用 计算机系统不同。嵌入式系统的定义是： 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可剪裁，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积 和功耗有严格要求的专用计算机系统。 嵌入式系统所用的计算机是嵌入到被控对象中的专用微处理器，但是功能比通用计算机专门化，具有通用计算机所不能具备的针对某个方面特别设计的、合适的运算速度、高可靠性和较低比较成本的专用计算机系统。 ARM是 Advanced RISC Machines的缩写，是微处理器行业的一家知名企业，该企业设计了大量廉价、高性能、低功耗的 R

14、ISC处理器、相 关技术及软件。 ARM技术有很好的性能和功效，其合作伙伴包括世界许多顶级的半导体公司。目前，共有 3O3 家半导体公司与 ARM签订了硬件技术使用许可协议，其中包括 Intel、 IBM、 LG半导体、 NEC、 SONY、 PHILIPS和国家半导体这样的大公司。可以说， ARM不仅仅代表一个公司，代表了一类微处理器，代表了一种技术，还代表了一种新型的产业发展模式。 ARM（ Advanced RISC Machines）适用于多种领域，比如嵌入控制、消费 /教育类多媒体、 DSP和移动式应用等。 ARM提供一系列内核、体系扩 展、微处理器和系统芯片方案。由于所有产品均采用

15、一个通用的软件体系，所以相同的软件可在所有产品中运行 。 （ ARM体系结构目前被公认为是业界领先的 32位嵌入式 RISC微处理器结构 ARM体系结构为满足ARM合作者以及设计领域的一般需求正稳步发展。 每一次 ARM体系结构的重大修改，都会添加极为关键的技术。在体系结构作重大修改的期间，会添加新的性能作为体系结构的变体。 目前 ARM的收入来源已经实现了多元化：首先是专利授权费用，这是客户采用ARM专利时一次性付给 ARM的费用；其次是按照一定比例收取客户产品的专利使用费，即 客户每卖出一片芯片，就收取同等比例的费用。这两项专利技术收入分别占公司总收入的 40%和 30%。另外，该公司在设

16、计工具销售方面的收入有 15%左右，剩下的来自设计顾问服务和培训支持服务等。值得注意的是，在 2003年第一季度， ARM专利使用费用比上一季度大幅上涨了 33%，而其合作伙伴卖出的芯片数量也 1.27亿片上升到 1.78亿片。这表明， ARM不仅仅自己发家致富，也为合作伙伴带来了财运。正是采用共生共存的合作方式， ARM为客户创造利润的同时，也为自己觅得了商机 。ARM公司成立于 1990年 11月，全称是 “Advanced RISC Machines Ltd.”，它是由英国Acorn公司提供技术和 12名工程师、美国苹果电脑和 VLSI Technology（目前已被飞利浦收购）出资合手

17、组建的美英混血公司。 ARM的第一个客户就是苹果电脑公司，为其新开发的 Newton掌上电脑提供高速度、低功耗的 RISC（精简指令集算法）处理器。由于 ARM只有技术，缺乏资金来购买昂贵的芯片制造、封装和测试设备，因此ARM授权伙伴公司 VLSI Technology生产，并提供必要的技术支持，这种合作方式的初步成功也为今后 ARM的发展模式奠定了基 础。 在以后的几年中， ARM凭借高超的技术和相对低廉的授权方式，赢得了不少客户的青睐，这其中包括大名鼎鼎的夏普、 GEC Plessey、德州仪器和 Cirrus Logic等厂商。由于 ARM的授权方式灵活多变，价格相对便宜，在技术上也独树

18、一帜，因此加4 入 ARM联盟的厂商越来越多 ,目前全球有 112家厂商在使用 ARM公司的技术授权，而以微软和 SUN为首的一批知名公司也为 ARM处理器开发软件。 2000年，全球 ARM处理器的发货量达到 4亿；到 2001年， ARM处理器就拥有超过 76.8%的 RISC处理器的市场份额； 2002年则几乎垄断了全球嵌入式 RISC处理器市场。据 Dataquest的最新报告显示， 2002年 ARM公司再次成为排名第一的 IP提供商，其市场份额高出排名第二Rambus公司约一倍左右。在 ARM的客户名单中，全是业界耳熟能详的名字：英特尔、三星、德州仪器、摩托罗拉和美国国家半导体等，

19、几乎涵盖了所有芯片厂商。在半导体消费普遍衰退的今天， ARM能够逆市上扬，给人们留下太多的启示 ，可见 RAM具有很强的市场发展潜能。 ARM公司开发了一系列 ARM处理器核。目前最新的系列已经是 ARM11了 。ARM6及更早的系列已经罕见了 ， ARM7以后的核也不是都获得广泛应用。目前应用最多的是 ARM7系列、 ARM9系列、 ARM9E系列、 ARM1O系列、 SecurCore系列、 Intel的 StrongARM 、 XScale系列。 ARM7系列：包括 ARM7TDMI、 ARM7TDMI-S、带有高速缓存处理器宏单元的ARM720T和扩充了 Iazelle的 ARM7EJ

20、-S。该系列广泛应用于多媒体和嵌入式设备，包括 Internet设备、网络和调制解调器设备以及移动电话、 PDA等无线设备。 ARM9系列：包括 ARM9TDMI、 ARM92OT和带有高速缓 存处理器宏单元的ARM940T。该系列主要应用于引擎管理、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、 PDA、网络电脑以及带有 MP3音频和 MPEG4视频多媒体格式的智能电话中。 ARM9E系列：为综合处理器，包括 ARM926EJ-S、带有高速缓存处理宏单元的ARM966E-S、 ARM946E-S。该系列强化了数字信号处理功能，可应用于需要 DSP与微控制器结合使用的情况，将 Thumb技术和 DS

21、P都扩展到 ARM指令集中，并具有Embedded ICE-RT逻辑，更好地适应了实时系统的开发需要。 RM10系列：包括 ARM1020E和 ARM1020E微处理器核。其核心在于使用向量浮点 (VFP)单元 VFP10提供高性能的浮点解决方案，从而极大地提高了处理器的整型和浮点运算性能，为用户界面的 2D和 3D图形引擎应用夯实基础，如视频游戏机和高性能打印机等。 SecurCore系列：包括 SC100、 SCll0、 SC200和 SC210处理器核。该系列主要针对新兴的安全市场，以一种全新的安全处理器设计为智能卡和其他安全 IC开发提供独特的 32位系统设计，并具有特定的反伪造方法，

22、从而有助于防止对硬件和软件的5 盗版。 StrongARM系列： StrongARM 处理器将 Intel处理器技术和 ARM体系结构融为一体，致力于为手提式通信和消费电子类设备提供理想的解决方案。 Xscale系列：提供全性能、高性价比和低功耗的解决方案，支持 16位 Thumb指令和 DSP指令。 随着中国经济的迅速崛起和人民生活水平的普遍提高，中国已经成为全球最大的半导体消费市场，中国电子产品企业的营业收入也在逐年上升。但是我们也注意到，中国电子产业的利润率却并没有随之增长。这其中的一个主要原因是缺乏创新。但是，缺乏创新并不意味着没有创新。重邮信科研制成功的全球第一颗采用 0.13微米工

23、艺的 TD-SCDMA手机核心芯片，大唐微电子的 COMIP芯片平台，杰得微电子的中国第一颗 0.13微米多媒体应用处理器 Z228，海思半导体的 WCDMA基带芯片和IPTV及 DTV 多媒体芯片， 国微技术的 PCMIA CAM芯片，这些都是非常优秀的创新。很多朋友都看到过我最近使用的一部超薄 (11l2mm)手机 (TCL V9)，它的多媒体处理器芯片 C625是由上海复旦微电子和智多微电子联合设计的并且在中芯国际 0.18微米工艺制造，它的操作系统和应用程序是由一家深圳公司编写的。正是这样一部完全由 “ 中国设计 ” 并且 “ 中国制造 ” 的手机，具有卡拉 OK、 MP3、 MPEG

24、4、摄像、 USB等多种功能。这样一个三四年前中国半导体企业可能连想都不敢想的成就，现在已经成为了现实，这正是一个非常了不起的创新 !这些成功的案例显示了中国企业创新的能力和决心，相信随着时间的推移，我们会听到越来越多类似的消息，中国电子行业也将由此而实现真正的腾飞。 ARM可以提供业界最广泛的处理器选择，从 1美元的 MCU到频率达到 1GHz的Cortex-A8处理器；我们提供广泛的工具和软件，帮助工程师设计基于 ARM的系统；我们提供业界领先的 Artisam物 理 JP，帮助客户的设计能够以最先进的工艺生产；更重要的是， ARM Connected Community中有数百个成员，它

25、们一起构成了一个庞大而完善的生态系统，我们的合作伙伴能够在其中找到合适的资源来帮助他们实现产品的设计和开发。 ARM 已经不再是一个单纯的 CPU技术提供商，而是一个完整的数字世界系统解决方案提供商。 由于投资和风险巨大、缺少自主的核心技术 ,虽然在中低端微处理器方面有了一定进展 ,但在设计和制造高性能处理器芯片方面一直是我国业的 “ 芯病 痛 ,要达到当代处理器的国际先进水平 ,还难以在短期内有大的突 破。即使已经具有设计和制造先6 进微处理器的能力 ,还一时无法成为市场的主流产品 ,不会改变世界计算机市场的格局。而 ARM体系结构的产品 ,已经几乎成为嵌人式 RISC芯片的垄断机种 ,通过

26、购买合法授权就可以得到相关的设计和制造技术 ,在主流芯片的设计和制造中占有一席之地 ,相对风险要小得多。 ARM公司也非常看好中国的市场 ,已开始与中兴公司合作 , 并十分希望与国内更多的企业合作 ,应该说双方只要抓住机会就很可能实现双赢。有了这样一个大的创新平台，中国企业足以更快的速度应用技术设计生产出更具创新性的产品。 ARM预计 2010年全球 基于 ARM技术的产品的年付运量将达到 45亿。这些数字在四五年前是没有人会相信的，但事实证明 ARM技术正在被越来越多的数字产品选用。嵌入式系统已经成为数字世界的发展趋势， ARM将继续致力于以最优秀、最全面的技术和支持来帮助中国企业取得成功。

27、 1.2.2 伺服电机控制技术发展概况 现代电机控制理论发展使机床数控伺服系统实现交流化、数字化、智能化机床数控系统中，常用的伺服电机和控制系统有 : (1) 开环控制系统 采用步进电机作为驱动器件，无须位置和速度检测器件，也没有反馈电路，控制电路简单，价格低廉。 步进电机和普通电机的区别主要就在于它的脉冲控制，正是这个特点，步进电机可以和现代的数字控制技术相结合。不过步进电机在控制的精度、速度变化范围、低速性能方面都不如传统的闭环控制的直流伺服电动机。在精度不是需要特别高的场合就可以使用步进电机，步进电机可以发挥其结构简单、可靠性高和成本低的特点。 (2) 半闭环和闭环位置控制系统 采用直流伺服电机或交流伺服电机作为驱动部件，可以采用内装于电机内的脉冲编码器，无刷旋转变压器或测速发电机作为位置 /速度检测器件来构成半闭环位置控制系统，也可以采用直接安装在工作台的光栅 或感应同步器作为位置检测器件，来构成高精度的全闭环位置控制系统。 70 年代，美国 GATTYS 公司发明了机床用直流力矩伺服电机，从此各国数控机床开始大量采用直流伺服电机驱动。开环系统逐渐由闭环系统取代。以直流伺服电机作为驱动器件的直流伺服系统，控制电路比较简单，价格较低。其主要缺点是直