基于ARM的直流电机转速控制系统概要.docx
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基于ARM的直流电机转速控制系统概要
本科生毕业论文(设计)
题目:
基于ARM的直流电机转速控制系统
学生姓名:
何XX
学号:
201016020222
专业班级:
通信工程10102班
指导教师:
XXX
摘要
目前,基于ARM技术的嵌入式系统几乎已经深入应用到各个领域,是当今32位嵌入式系统应用的主流。
ARM在工业控制领域的应用也受到越来越多的关注。
本课题设计了一个基于ARM的嵌入式直流电机转速监控系统。
该系统使用PHILIPS公司的以ARM7为内核的LPC2124芯片作为控制核心,配置相应的外设及接口电路,运用性能价格比较好的集成电机控制芯片L298作为直流电动机的PWM驱动器件;采用光电编码器实现对转速信号的采集;采用LPC2124内部集成定时器的捕获功能对编码器生成的脉冲序列信号进行测量;采用74LS74作为鉴相器而识别电动机实时转向;采用单闭环PI控制调节转速;采用LCD12864系列显示屏即时显示电动机的转动信息;采用4×4矩阵键盘对转速及转向进行设置和控制。
系统软件主要使用C语言编写,遵循模块化设计的原则,编写了转速的测量、转速的PWM驱动、转速的PI调节、转速的显示、键盘输入等程序模块,程序代码具有良好的易维护性和可移植性。
最后使用ProteusISIS仿真工具对系统仿真,并在仿真平台上对系统性能进行测试与分析。
本系统的设计精度可以满足一般工业控制的要求,能够应用到实际的生产生活中,满足现代化生产的需要。
而且能够防止用户的误操作,增强了系统运行的安全性和稳定性,具有一定的实用性和较高的社会推广价值。
关键词:
ARM;嵌入式系统;直流电机转速控制;LPC2124
ABSTRACT
Atpresent,theembeddedsystemthatbasedontheARMtechnologyalmosthasbeenusedoneachfield,andthistechnologyisthemainstreamofcurrent32bitsembeddedsystem.ApplicationsofARMinthefieldofindustrialcontrolhavealsobeenattractedmoreandmoreattention.
ThisarticledesignedanembeddedsystemofDCmotorspeedcontrolwhichbasedonARM.ThissystemtaketheARM7TDMI-ScoretothePHILIPS’LPC2124chipasthecontrolcore,configuredcorrespondingoutsidetosupposeandtheinterfaceelectriccircuit,usestheintegratedmotorcontrollerL298asthePWMdrivendevicewhichwithhighperformancepriceratio;usesthephotoelectricencodertoachievethespeedsignalacquisition;usesthecaptureofintegratedtimerinternalLPC2124tomeasurethepulsesequenceswhichgeneratedbyencoder;usesthe74LS74asaphasedetectortoreal-timeidentifythedirection;usestheLCD12864screentoreal-timedisplaytheinformationofthemotorrotation;usesthe4×4matrixkeyboardtosetandcontrolthespeedanddirection.ThesoftwareofthissystemwritteninCprogramminglanguagemainly,followtheprinciplesofmodulardesign,includingthespeedmeasurement,speedPWMdrive,speedPI-conditioning,speeddisplay,keyboardinput,andotherproceduresmodule.Thecodehaseasymaintenanceandgreatprobability.Finally,usestheProteusISISsimulationtooltoimplementtheemulationofthissystem,thentestandanalysisthesystem’sperformanceonthesimulationplatform.
Theaccuracyofthesystemcansatisfythegeneraldemandofgeneralindustrialcontrol,andcanbeappliedtotheactualproductionandliving,satisfytherequirementofmodernproduction,preventthewrongoperationofusers,improvethesafetyandstabilityofthesystem,havethecertainusabilityandahighersocialpromotingvalue.
KeyWords:
ARM;embeddedsystems;speedcontrolforDCmotor;LPC2124
第1章绪论9
1.1课题引入9
1.2本课题研究背景和意义10
1.3本课题的主要任务及工作10
1.4嵌入式系统概述11
1.4.1ARM的概念;11
1.4.2ARM特点:
11
1.4.3ARM的指令结构12
第2章系统的总体方案设计13
2.1系统分析13
2.1.1系统功能分析13
2.1.2系统原理结构13
2.1.3技术方案可行性研究14
2.2系统硬件体系结构设计15
2.2.1嵌入式系统的硬件15
2.2.2系统硬件体系结构16
2.2.3核心控制电路16
2.2.4电动机接口电路16
2.2.5用户接口电路16
2.3系统软件体系结构设计17
2.3.1嵌入式系统的软件17
2.3.2系统软件体系结构设计17
2.3.3后台程序组成18
2.3.4前台程序组成18
2.4本章小结18
第3章系统硬件的详细设计19
3.1微控制器电路19
3.1.1ARM微处理器介绍19
3.1.2ARM寄存器21
3.1.3ARM微处理器的选型22
3.2PWM电动机驱动电路23
3.2.1PWM基本原理23
3.2.2PWM调速控制系统介绍24
3.2.3PWM控制电路25
3.2.4PWM驱动电路27
3.3转速检测电路29
3.3.1光电编码器介绍及选择29
3.3.2转速检测电路30
3.3.3转向识别电路30
3.4LCD显示电路32
3.5键盘电路33
3.6本章小结33
第4章系统软件的详细设计34
4.1ADS1.2集成开发环境简介34
4.2系统启动流程35
4.3主程序模块35
4.4转速检测模块36
4.4.1转速测量原理36
4.4.2转速检测程序37
4.5PWM驱动模块39
4.5.1PWM方案选择39
4.5.2PWM初始化子程序39
4.5.3PWM脉宽控制子程序40
4.6液晶显示模块42
4.7键盘扫描模块43
4.8本章小结44
第5章系统的仿真45
5.1ProteusISIS介绍45
5.1.1ProteusISIS的特点45
5.2系统电路仿真图设计45
5.3各子系统仿真设计46
5.3.1转速检测电路仿真46
5.3.2电机驱动电路仿真47
5.3.3键盘输入仿真47
5.4系统仿真的运行流程48
第1章绪论7
1.1课题引入7
1.2本课题研究背景和意义8
1.3本课题的主要任务及工作8
1.4嵌入式系统概述9
1.4.1ARM的概念;9
1.4.2ARM特点:
9
1.4.3ARM的指令结构10
第2章系统的总体方案设计11
2.1系统分析11
2.1.1系统功能分析11
2.1.2系统原理结构11
2.1.3技术方案可行性研究12
2.2系统硬件体系结构设计13
2.2.1嵌入式系统的硬件13
2.2.2系统硬件体系结构14
2.2.3核心控制电路14
2.2.4电动机接口电路14
2.2.5用户接口电路14
2.3系统软件体系结构设计15
2.3.1嵌入式系统的软件15
2.3.2系统软件体系结构设计15
2.3.3后台程序组成16
2.3.4前台程序组成16
2.4本章小结16
第3章系统硬件的详细设计17
3.1微控制器电路17
3.1.1ARM微处理器介绍17
3.1.2ARM寄存器19
3.1.3ARM微处理器的选型20
3.2PWM电动机驱动电路21
3.2.1PWM基本原理21
3.2.2PWM调速控制系统介绍22
3.2.3PWM控制电路23
3.2.4PWM驱动电路25
3.3转速检测电路27
3.3.1光电编码器介绍及选择27
3.3.2转速检测电路28
3.3.3转向识别电路28
3.4LCD显示电路30
3.5键盘电路31
3.6本章小结31
第4章系统软件的详细设计32
4.1ADS1.2集成开发环境简介32
4.2系统启动流程33
4.3主程序模块33
4.4转速检测模块34
4.4.1转速测量原理34
4.4.2转速检测程序35
4.5PWM驱动模块37
4.5.1PWM方案选择37
4.5.2PWM初始化子程序37
4.5.3PWM脉宽控制子程序38
4.6液晶显示模块40
4.7键盘扫描模块41
4.8本章小结42
第5章系统的仿真43
5.1ProteusISIS介绍43
5.1.1ProteusISIS的特点43
5.2系统电路仿真图设计43
5.3各子系统仿真设计44
5.3.1转速检测电路仿真44
5.3.2电机驱动电路仿真45
5.3.3键盘输入仿真45
5.4系统仿真的运行流程46
第1章绪论
1.1课题引入
ARM(AdvancedRISCMachines)是微处理器行业的一家知名企业,设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。
技术具有性能高、成本低和能耗省的特点。
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将其技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和OEM厂商,每个厂商得到的都是一套独一无二的ARM相关技术及服务。
利用这种合伙关系,ARM很快成为许多全球性RISC标准的缔造者。
目前,总共有30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、菲利浦和国民半导体这样的大公司。
至于软件系统的合伙人,则包括微软、升阳和MRI等一系列知名公司。
A架构是面向低预算市场设计的第一款RISC微处理器。
ARM即AdvancedRISCMachines的缩写,既可以认为是一个公司的名字,也可以认为是对一类微处理器的通称,还可以认为是一种技术的名字。
1985年4月26日,第一个ARM原型在英国剑桥的Acorn计算机有限公司诞生,由美国加州SanJoseVLSI技术公司制造。
20世纪80年代后期,ARM很快开发成Acorn的台式机产品,形成英国的计算机教育基础。
1990年成立了AdvancedRISCMachinesLimited(后来简称为ARMLimited,ARM公司)。
20世纪90年代,ARM32位嵌入式RISC(ReducedlnstructionSetComputer)处理器扩展到世界范围,占据了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系统应用领域的领先地位。
ARM公司既不生产芯片也不销售芯片,它只出售芯片技术授权。
到目前为止,ARM以高性能、低价位、低功耗、小体积等特色广泛地进入各个领域:
工业控制领域、通信产品、无线通讯领域、安全控制系统’消费类电子产品等等。
1.2本课题研究背景和意义
在工业自动控制系统和各种智能产品中常常会用用电动机进行驱动、传动和控制,而现代智能控制系统中,对电机的控制要求越来越精确和迅速,对环境的适应要求越来越高。
随着科技的发展,通过对电机的改造,出现了一些针对各种应用要求的电机,如伺服电机、步进电机、开关磁阻电机等非传统电机。
但是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乃有很大的优势,而要对其进行精确而又迅速的控制,就需要复杂的控制系统。
随着微电子和计算机的发展,数字控制系统应用越来越广泛,数字控制系统有控制精确,硬件实现简单,受环境影响小,功能复杂,系统修改简单,有很好的人机交换界面等特点[2]。
自动化控制系统已在各行各业得到广泛的应用和发展,其中自动调速系统的应用则起着尤为重要的作用。
虽然直流电机不如交流电机那样结构简单、价格便宜、制造方便、容易维护,但是它具有良好的起、制动性能,宜于在广泛的范围内平滑调速,所以直流调速系统至今仍是自动调速系统中的主要形式。
在我国许多工业部门,如轧钢、矿山采掘、海洋钻探、金属加工、纺织、造纸以及高层建筑等需要高性能可控电力拖动的场合,仍然广泛采用直流调速系统[3]。
而且,直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟,从控制技术的角度来看,它又是交流调速系统的基础。
近年来,微型计算机技术发展速度飞快,以计算机为主导的信息技术作为一崭新的生产力,正向社会的各个领域渗透,直流调速系统向数字化方向发展成为一大趋势。
1.3本课题的主要任务及工作
通过设计一个基于ARM的嵌入式直流电机转速监控系统,掌握ARM7TDMI内核的工作原理及ARM在工业控制领域的应用流程,熟悉ARM芯片上的各种硬件资源及其所具备的各种功能,并能将其运用到实际的开发项目中,为以后进一步开发各种基于ARM的嵌入式系统打下良好的基础。
要求所设计的转速监控系统具有较高的精度和可用性,能够达到一般的工业控制标准,满足实际生产的要求。
1.4嵌入式系统概述
1.4.1ARM的概念;
ARM(AdvancedRISCMachines)处理器是Acorn计算机有限公司面向低预算市场设计的第一款RISC微处理器。
更早称作AcornRISCMachine。
ARM处理器本身是32位设计,但也配备16位指令集。
一般来讲比等价32位代码节省达35%,却能保留32位系统的所有优势。
ARM的Jazelle技术使Java加速得到比基于软件的Java虚拟机(JVM)高得多的性能,和同等的非Java加速核相比功耗降低80%。
CPU功能上增加DSP指令集提供增强的16位和32位算术运算能力,提高了性能和灵活性。
ARM还提供两个前沿特性来辅助带深嵌入处理器的高集成SoC器件的调试,它们是嵌入式ICE-RT逻辑和嵌入式跟踪宏核(ETMS)系列。
1.4.2ARM特点:
ARM处理器的三大特点是:
耗电少功能强、16位/32位双指令集和合作伙伴众多。
1、体积小、低功耗、低成本、高性能;
2、支持Thumb(16位)/ARM(32位)双指令集,能很好的兼容8位/16位器件;
3、大量使用寄存器,指令执行速度更快;
4、大多数数据操作都在寄存器中完成;
5、寻址方式灵活简单,执行效率高;
6、指令长度固定。
(1)体系结构:
①CISC(Complex Instruction Set Computer,复杂指令集计算机)
在CISC指令集的各种指令中,大约有20%的指令会被反复使用,占整个程序代码的80%。
而余下的80%的指令却不经常使用,在程序设计中只占20%。
②RISC(Reduced Instruction Set Computer,精简指令集计算机)
RISC结构优先选取使用频最高的简单指令,避免复杂指令;将指令长度固定,指令格式和寻地方式种类减少;以控制逻辑为主,不用或少用微码控制等
RISC体系结构应具有如下特点:
1 采用固定长度的指令格式,指令归整、简单、基本寻址方式有2~3种。
2 使用单周期指令,便于流水线操作执行。
3 大量使用寄存器,数据处理指令只对寄存器进行操作,只有加载/ 存储指令可以访问存储器,以提高指令的执行效率。
(2)寄存器结构
ARM处理器共有37个寄存器,被分为若干个组(BANK),这些寄存器包括:
①31个通用寄存器,包括程序计数器(PC指针),均为32位的寄存器。
②6个状态寄存器,用以标识CPU的工作状态及程序的运行状态,均为32位,目前只使用了其中的一部分。
1.4.3ARM的指令结构
ARM微处理器的在较新的体系结构中支持两种指令集:
ARM指令集和Thumb指令集。
其中,ARM指令为32位的长度,Thumb指令为16位长度。
Thumb指令集为ARM指令集的功能子集,但与等价的ARM代码相比较,可节省30%~40%以上的存储空间,同时具备32位代码的所有优点。
本实验采用ARM中ARM7引系列的LPC2131
第2章
系统的总体方案设计
本系统是一个嵌入式系统,在功能上是独立的,在没有上位机控制的情况下能独立地完成对电动机的监控。
系统的软件代码采用模块化设计,使其便于测试、修改,同时具有良好的可移植性和通用性。
2.1系统分析
2.1.1系统功能分析
本文旨在设计一种嵌入式监控系统,使得机器设备能够通过该系统与人之间进行数据通信的目的。
基于以上目标,本设计实现的系统应当具备以下功能:
①可通过键盘设置和控制电动机的转速和转向。
②在一定时间内驱动电动机到达设置的转速和转向。
③采取一定策略实现电动机安全运转。
④可即时显示转速值。
2.1.2系统原理结构
根据本系统的设计目标,本系统的原理结构框图如图2-1所示。
图2-1系统的原理结构框图
如图2-1所示,本系统的主要功能模块有:
转速检测模块、光电转换、ARM处理器、PWM电机驱动模块、显示模块、键盘模块。
转速传感器和光电转换将电机转速转化为可以测量的电信号。
PWM电动机驱动用来将计算机信号转换为电动机驱动信号,键盘和显示器是本系统的人机接口。
2.1.3技术方案可行性研究
1)电机调速控制模块
电机驱动调速方案的控制目标是实现电动机的调速及正、反转。
①采用电阻网络或数字电位器调整分压。
采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压,从而达到调速的目的。
但是电阻网络只能实现有级调速,而数字电阻的元器件价格比较昂贵。
更主要的问题在于一般电动机的电阻很小,但电流很大;分压不仅会降低效率,而且实现很困难[6]。
②采用继电器开关控制。
采用继电器对电动机的开或关进行控制,通过开关的切换对小车的速度进行调整。
这个方案的优点是电路较为简单,缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。
③采用H型PWM电路。
采用由电子开关组成的H型PWM电路用单片机控制电子开关使之工作在占空比可调的开关状态,精确调整电动机转速。
这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下,效率非常高;H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制;电子开关的速度很快,稳定性也极佳,是一种广泛采用的PWM调速技术。
兼于方案三调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大,且能实现转速和方向的控制,因此本设计采用第三个方案。
2)检速模块
①磁感应式。
采用霍尔元器件(霍尔元器件应用霍尔效应,输出量与磁场的大小有关)并在电动机转轴上安装磁片,利用位置固定的开关型霍尔元器件来检测车轮的转动,通过单位时间内的脉冲数进行转速测量。
②光反射式。
采用反射式红外器件。
在电动机轮辐面板上均匀画出黑底白线或白底黑线,通过正对线条的反射式红外器件,产生脉冲。
通过对脉冲的计数测速。
③光对射式。
采用对射式红外传感器。
在轮辐面板上均匀刻出孔,在轮子两侧固定相对的红外发射、接收器件。
在过孔处接收器可以接收到信号。
从而轮子转动时可以产生连续脉冲信号,通过对脉冲的计数进行车速测量。
由于方案三产生的脉冲信号不论在质量上还是数量上都优于前两种,符合本设计要求,因此选择了第三个方案。
3)供电电源选择
①单电源供电。
优点是供电电路简单;缺点是由于电机的特性,电压波动较大,严重时可能造成单片机系统掉电。
②双电源供电。
将电机驱动电源其它电路电源分离,利用光电耦合器传输信号。
优点是减少耦合,提高系统稳定性;缺点为电路较复杂。
考虑到提高系统的稳定性和安全性,本系统采用双电源供电方案。
综上所述,本系统总体方案如表2-1所示。
表2-1系统方案配置表
模块
使用方案
电机调速控制模块
H型PWM电路
检速模块
光对射式
电源模块
双电源
2.2系统硬件体系结构设计
2.2.1嵌入式系统的硬件
嵌入式处理器是嵌入式系统硬件部分的核心,近年来嵌入式微处理器的主要发展方向是小体积、高性能、低功耗。
专业分工也越来越明显,出现了专业的IP(IntellectualPropertyCore知识产权核)供应商。
一般可以将嵌入式处理器分成以下4类:
1)嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit,MCU)
单片机内部集成了比较丰富的片上外设资源,适合用于控制。
2)嵌入式DSP(DigitalSignalProcessor)
其系统结构和指令算法进行了特殊设计,具有很高的指令执行速度,适应于高速数字信号处理。
如TI的TMS302C2000/C5000,Intel的MCS-296,Siemens的TriCoreo。
3)嵌入式微处理器(MicroprocessorUnit,MPU)
由通用计算机中的CPU演变而来,具有32位以上的处理器、较高的性能。
但与计算机处理器不同的是,在实际嵌入式应用中,它只保留与嵌入式应用紧密相关的功能硬件,去除其它
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