1、 基 于 ARM9 平台的直流电机控制系 统设计 院 系 自动化学院 专 业 自动化 班 级 5407202 学 号 200504072044 姓 名 金虹达 指导教师 张庆新 负责教师 张庆新 沈阳航空工业学院 2009 年 6 月沈阳航空工业学院毕业设计 (论文 ) - - I 摘 要 本文的主要工作是基于 ARM9 平台的直流电机调速系统的设计。首先，介绍了PID 算法和 PWM 驱动直流电机的技术原理，对 L298N 型直流电机驱动模块进行分析，做出了 ARM920T 开发板与 L298N 的接线图。然后 ，针对此开发板的片内外设PWM 端口、相应引脚编写出了驱动程序，并开发了与上位机
2、通信的串口驱动模块烧写程序到 ARM9 开发板中。最后，采用 CodeWarrior for ARM Developer Suite 作为开发工具，编写上位机主控程序， 比较精确的实现 了 普通直流电机的转速测量和转速调节功能 。 实践证明，该系统 具有结构简单、操作方便、 测量精度高、稳定性好 等特点 。 关键词： ARM9 平台 ；直流电机； 脉冲宽度调制； 测速；调速 沈阳航空工业学院毕业设计 (论文 ) - - II Abstract This paper studies a kind of controlling system of DC motor analyzing and co
3、ncentrates on the research of direct current motor controlled by ARM processor. Firstly, PID arithmetic、 PWM technology are introduced and the L298N motor driver module is analyzed. The circuit disgram is described which explains how ARM920T connects with L298N. Secondly, the drivers are completed f
4、or the boards PWM inside ports, the serial communications modules used by ARM9 are completed. Lastly, use the Code Warrior for ARM Developer Suite as develop tool to write the upper-machines master programs, more the precision carried out turning of common direct current electrical engineering soon
5、diagraph and turn to soon regulate function. Practice has proved that the system is simple in structure ,easy operation ,high accuracy ,stability and so on. Keywords: ARM9 Board; DC motor; PWM; Measures fast; Velocity modulation 沈阳航空工业学院毕业设计 (论文 ) - - III 目 录 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 课题背景 . 1 1.1.1 直流电机发 展
6、过程 . 3 1.1.2 直流电机发展方向与展望 . 4 1.2 课题目标及意义 . 5 1.3 课题任务及要求 . 5 1.4 课题内容分析与实现 . 6 1.5 课题论文安排介绍 . 6 第 2 章 直流电机控制系统的总体方案论证 . 8 2.1 总体方案 . 8 2.2 直流电机控制系统硬件方案 . 8 2.3 直流电机控制系统软件方案 . 9 第 3 章 系统的硬件设计 . 10 3.1 芯片 S3C2440A 简介 . 10 3.2 直流电机驱动模块 . 12 3.2.1 PWM 技术简介 . 12 3.2.2 直流电机电枢 PWM 调压调速原理 . 12 3.2.3 直流电机调速系
7、统的整体结构 . 14 3.2.4 基于 H 型驱动电路的 PWM 调速 . 14 3.2.5 ARM 的脉宽调制 PWM 描述 . 17 3.3 速测量模块 . 18 3.3.1 测速原理 . 18 3.3.2 测速传感器 . 19 3.3.3 波形整定 . 20 3.4 通信模块 . 22 3.4.1 串行通信涉及的几个问题 . 22 3.4.3 串行口电气特性 . 23 沈阳航空工业学院毕业设计 (论文 ) - - IV 第 4 章 控制系统软件设计电路方案设计分析 . 25 4.1 控制系统软件设计步骤 . 25 4.2 ARM ADS 软件开发平台 . 26 4.3 ARM9 开发板
8、设置及连接 . 27 4.3.1 设置超级终端 . 27 4.3.1 BIOS 模式 . 28 4.3.2 H-Jtag 和 H-FLASHER . 29 4.4 系统变量与函数的定 义 . 31 4.5 主程序设计 . 31 4.6 各模块程序设计 . 33 4.6.1 系统初始化 . 33 4.6.2 中断子程序设计 . 33 4.6.3PWM 调速程序设计 . 35 4.6.4 串口通信程序设计 . 38 第 5 章 直流电机控制系统综合调试与分析 . 42 5.1 硬件电路调试 . 42 5.2 软件电路调试 . 43 5.2.1 使用 H-JTAG 在 ADS1.2 环境下进行仿真调
9、试 . 43 5.3 系统联调结果与分析 . 43 结论 . 45 社会经济效益分析 . 46 社会经济效益分析 . 47 参考文献 . 48 致 谢 . 49 附录 S3C2440A 系 统原理图 . 50 附录 整体电路图 . 51 附录 III 程序清单 . 52 附录 IV 元器件清单 . 53 沈阳航空工业学院毕业设计 (论文 ) - - 1 第 1章 绪 论 随着电力电子技术、微电子技术、控制理论以及永磁材料的快速发展 ， 直流电机得以迅速发展。在现代工业生产中，生产机械一般都用电动机拖动。随着现代化的发展，工业自动化 水平不断提高，各种自动控制系统中也日益广泛地应用各种控制电机。
10、为了提高生产率和保证产品质量，大量的生产机械要求直流电机以不同的速度工作。这就要求人们采用一定的方法来改变机组的转速，即对直流电机进行调速。对电机的转速不仅要能调节，而且要求调节的范围宽广，过程平滑，调节的方法要简单、经济。直流电机在上述方面都具有独到的优点，使它得到广泛的应用。本文针对直流电机具有起动转距大、体积小、重量轻、转矩和转速容易控制以及效率高等十分优良的特点 , 根据自动控制原理 , 采用 PWM 控制方式 , 设计了一个直流电机控制系统，以更 好地对直流电机进行精确而又迅速的控制。 1.1 课题背景 ARM 处理器核因其卓越的性能和显著优点，已成为高性能、低功耗、低成本嵌入式处理
11、器的代名词，得到了众多半导体厂家和整机厂商的大力支持。全球已有100 多家 IT公司在此采用 ARM 技术， 20 多家最大的半导体厂商中有 19 家是 ARM的用户，包括 TI、 Philips 和 Intel 等公司。 ARM 处理器已经占据了绝大部分 32位、64 位高端嵌入式处理器市场，形成了移动通信、手持计算、多媒体数字消费等嵌入式解决方案事实上的标准。在 2002 年，基于 ARM 的芯片占据了整个 32 位和 64 位嵌入式微处理器市场的 79.5%，全世界已使用了 20 多亿个 ARM 核。如今， ARM公司已成为业界的龙头老大，“每人的口袋中都装着 ARM”是毫不夸张的，因为
12、几乎所有的手机、移动设备、 PDA 都是用基于 ARM 核的系统芯片开发的。优良的性能和广泛的市场定位也极大的增加和丰富了 ARM 的资源，加速了基于 ARM 处理器面向各种应用的系统芯片的开发和发展，使得 ARM 技术获得更加广泛的应用，确立了 ARM 技术和市场的领先地位。 在 工业生产 中，常常要用到 直流电机 在一些对位置控制要求不高的电机控制系统如传动控制系统中，传统电机如直流电 机 仍 有很大的优势，而要对其进行精确沈阳航空工业学院毕业设计 (论文 ) - - 2 而又迅速的控制，就需要复杂的控制系统。 直流电机转速的控制方法可分为两类，即励磁控制法与电枢电压控制法 。 .励磁控制
13、法控制磁通，其控制功率虽然小，但低速时受到磁饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差。所以常用的控制方法是改变电枢端电压的电枢电压控制法。 普通直流电机的控制方法比较简单，只需给电机的两根控制线加上适当的电压即可使电机转动起来，电压越高，电机转速越高。 脉冲宽度调制 (Pulcsi Wdht Mdoluatino， PWM)是直流电机调速中最为有效的方法，即给直流电机输入高速的开关脉冲信号，通过改变脉冲信号开关的比例，达到速度控制的效果。简单的解释是，由于在 ON 的时间内施加电压， OFF的时间内切断电压，电机的转动将是断续的。不过在脉冲波
14、段的 OFF区段，电机线圈内部储存的能量能够产生沿续流二极管流动的电流，因此得以继续维持转动。 PWM 调速的基本思想是 :以通过电机的平均电压和电流作比较， 40%的时间接通电源的电机比 20%的时间接通电源的电机要大。当电机没有接通电源时，它完全不消耗能量，这一点正是其高效率的原因。 PWM 技术是 降低直流电机功耗的一种好方法，它使驱动芯片和电机的发热减少，从而电机也可以用得更久。 在工业控制中，按偏差的比例 P、积分 I 和微分 D 进行控制的 PID 调节器现在得到广泛的应用。在小型微型计算机用于生产过程以前，连续过程系统中采用的气动、液动和电动的 PID 调节器几乎占垄断地位。由最
15、优控制理论可以证明，它能适应不少工业控制对象的要求。单片机控制技术不断发展，特别是软件 PID 算法控制器的使用，代替了原来很多的硬件 PID 调节器，在工业控制系统和嵌入式系统中得到广泛的应用。 L289N 是 一种双极性可逆 PWM 直流电机驱 动电路，能使直流电机工作在正反转的场合，可同时驱动两个直流电机。 本 毕业设计 研究了一种直流电机转速的控制系统。该控制系统由上位机子系统和下位机子系统组成。上位机子系统为主控单元，下位机子系统以 ARM 为核心，上位机子系统与下位机子系统通过串行口进行通信。下位机采用 S3C2440A 处理器，它执行上位机指令，通过直流电机驱动电路控制直流电机的
16、运转。 沈阳航空工业学院毕业设计 (论文 ) - - 3 1.1.1 直流电机 发展 过程 电机发展初期的历史主要是直流电机发展的历史。 1821 年，法拉第 (Faraday)就发现了载流导体在磁场内受力并发生机械运动的现象，法拉第的试验模型可 以认为是现代直流电动机的雏形。 1831 年，法拉第又发现了电磁感应定律；两年以后，皮克西利用磁铁和线圈之间的相对运动和一个换向装置，制成了一台旋转磁极式直流发电机，这就是现代直流发电机的雏形。 1870 1890 年是直流电机发展的另一个阶段。 19 世纪 70 年代以后，由于社会生产力的发展和城市人口的集中，使得照明负载的用电量大大增加，在客观上
17、大大地促进了直流发电机的发展。另一方面，城市交通运输的发展，对电动机的发展亦起了很大的影响。依次在这个阶段内，直流电机发展得较快。 在这个阶段内，电枢方面的第一个重大改进是鼓 型电枢绕组的发明 (1873 年由海夫纳提出 )。和 T 型电枢绕组相比较，环形电枢绕组具有分布的优点，但是，确使铜线的利用变差。鼓型电枢绕组既具有 T 型和环形电枢绕组的优点，又免除了它们的缺点，实质上鼓型电枢绕组就是 T 型电枢绕组的分布化。为了加强绕组的机械固定和减少铜线内部的涡流损耗，将绕组的有效部分放到铁心的槽中。有槽铁心和鼓型电枢绕组的结构一直沿用到今天。 为了解决在提高电、磁负荷以后所产生的发热问题， 18
18、80 年，爱迪生 (Edison)提出采用叠片铁心；这样就大大减少了铁心损耗，同时降低了电枢绕组的温升。同年，马 克西提出将铁心分成几叠，每叠之间留出一定宽度的通风槽以加强散热。这两种结构一直到现在仍然普遍采用。 所有上述进步，使得直流电机的电磁负荷、单机容量和效率都提高到前所未有的水平，这样，换向器上的火花问题就成为当前的突出问题。 1884 年，曼奇斯 (Menges)发明了补偿绕组和换向极； 1885 年，福勃斯提出用碳粉来做电刷。由于采用了这些措施，使得火花问题暂告缓和。但是，换向极和补偿绕组的采用，又促进了电、磁负荷和单机容量的进一步提高，而容量继续提高的主要困难和限制，仍然是换向器
19、上的火花问题。 在电机理论方面， 1886 年霍普金生兄弟 (John and Edward Hopkinson)确立了磁路的欧姆定律，使得人们能够自觉地设计电机的磁路。 1891 年，阿诺尔德 (Arnold)沈阳航空工业学院毕业设计 (论文 ) - - 4 建立了直流电枢绕组的理论，使直流电机的设计和计算建立在更加科学的基础上。因此，到 19 世纪 90 年代，直流电机就已经具备了现代直流电机的一切结构特点。 1882 年是直流电机发展史上的一个重要转折点。通过试验，台勃莱兹 (Deprez)把米斯巴哈水电站发出的 2kw 直流电能，通过一条 57km 长的输出线送到慕尼黑，从而证明了远距
20、离输电的可能性。台勃莱兹的试验 ，为电能和电机的使用打开了广阔的前景。 20 世纪是电机发展史中的一个新时期。这个时期的特点是：由于工业和运输业的飞速发展，对电机提出了各种新的和更高的要求；另一方面，由于自动化和遥控方面的需要，出现了一系列专供控制用的控制电机。在这个时期内，由于对电机内部所发生的电磁、发热和其他过程进入了深入的研究，使得交、直流电机的单机容量和材料利用得到了很大的提高，性能也有显著的改进。 1.1.2 直流电机 发展方向与展望 电机是随着生产发展而产生和发展的，而电机的发展反过来又促进社会生产力的不断提高。以前，电机的发展过程是由诞生到 在工业上初步应用、各种电机的初步定型以
21、及电机理论和电机设计计算的建立和发展。在由电气化时代进入原子能、计算机及自动化时代的今天，不仅对电机提出了诸多性能良好、运行可靠、单位容量的重量轻、体积小等方面越来越多的要求，而且随着自动控制系统的计算装置的发展，在旋转电机的理论基础上，发展出多种高精度、快响应的控制电机，成为电机学科的一个独立分支。与此同时，电力电子学等学科的渗透使电机这一较为成熟的学科得到新的发展。 新中国成立以来，我国的电机制造工业发生了巨大变化，不仅建成了独立自主和完整的体系，而且有一些产品已经 达到或接近世界水平。就各种拖动系统中的主要设备 电动机而言，近年来已生产了不少大型的直流电动机、异步电动机和同步电动机；在中
22、小型电机控制方面，亦自行设计和生产了不少新系列电机。由于生产上的需要，最近几年来，对电机的新原理、新结构、新工艺、新材料、新的运行方式和调试方法，亦进行许多摸索、研究和试验工作，取得了不少成就。 当前科学技术突飞猛进，因此电机在制造上也向着大型、巨型发展。中小型电机正向多用途、多品种方向发展，向高效节能方向发展。在应用上，由于计算机技沈阳航空工业学院毕业设计 (论文 ) - - 5 术迅速发展，将会出现由机器人工作的无人工厂，以计算机 作为这些工厂的 “ 中枢神经 ” ，使实现无人化成为可能。在这种时代里，某些特种电机必须具有快速响应、模仿性运动、快速启动和停止等比人的手脚更复杂而精巧的运动。
23、理论上，在电机中应用了控制技术，使电机具有更好的特性，使各类电机成为各种机电系统中一种极其重要的元件。因此，它将使电力电子学、计算机、电机学和控制论结合起来，发展成一门新的学科。 1.2 课题 目标及意义 ARM 是近年来发展非常迅速的处理器，有很好的应用前景。将其应用于直流电机的调速控制，有极大的使用价值。以脉宽调制技术为代表的电机数字驱动技术也在迅猛发展，将计算机 应用于这一领域正好可以发挥其在数字控制方面的优势 .微电子技术和计算机技术的发展，为计算机控制技术的发展和应用奠定了坚实的基础。可以这样说，没有微处理器的仪器不能称其为仪器，没有微型机的控制系统更谈不上现代工业控制系统。随着微型
24、计算机、超大规模集成电路、新型电力电子开关器件和传感器的出现，以及自动控制理论、电力电子技术、计算机控制技术的深入发展，电气传动装置日新月异地更新换代，直流传动系统也在不断地更新和发展。 大多数直流电机的驱动采用开关驱动方式。开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制 PWM 来控制电动机电枢电压，实现调速。PWM(Pulse Width Modulation)脉冲宽度调制技术就是通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形 (含形状和幅值 )的技术，它具有调速精度高、响应速度快、调速范围宽和损耗低等特点。 直流电机是常用的动力提供元件，在日常生活中占据着重要的地位。直流电机是最常见的一种电机，在各领域中得到广泛应用。研究直流电机的速度控制，有着非常重要的意义。研究直流电机的控制和测量方法，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。本方案以 ARM9 为控制核心， 实现普通直流电机的转速测量和转速调节功能，为进一步研究和优化直流电机控制方法提供基础。 1.3 课题 任务 及 要求 利用 ARM9 平台以及 L298N 型直流电机驱动模块实现直流电机速度测量和调
