基于ARM的PWM直流調速系統(tǒng)的研究doc-基于ARM的

1、基于ARM的PWM直流調速系統(tǒng)的研究文亞鳳 （華北電力大學電氣與電子工程學院，北京，102206）摘要：本文設計的直流PWM調速系統(tǒng)采用的是調壓調速，整個系統(tǒng)采用了轉速、電流雙閉環(huán)控制結構。系統(tǒng)主電路采用大功率GTR為開關器件、H橋雙極式電路為功率放大電路的結構, 即可完成不可逆調速同時也可完可逆調速。PWM調制部分是在ARM嵌入式開發(fā)平臺之上，運用C語言編程控制S3C2410X芯片的定時器來產生兩路互補的寬度可調的矩形波。通過調節(jié)這兩路波形的寬度來控制H電路中的GTR通斷時間，以達到調節(jié)電機速度的目的。增加了系統(tǒng)的靈活性和精確性，使整個PWM脈沖的產生過程得到了大大的簡化。關鍵字：雙閉環(huán)系統(tǒng)

2、，脈沖寬度調制，ARM嵌入式系統(tǒng)，S3C2410X芯片PWM motor speed control system Based on ARMWen Yafeng School. of Electric and Electronical Engineering, , NCEPU(BJ) 102206Abstract:The PWM motor speed control system in my project is designed with the mode of voltage control, and the entire system is based on the double Cl

3、osed-Loop structure.The main circuit of the system is made up of large power GTR which is used as switch and bipolar H-bridge circuit which is used as power amplifier. Such kind of implemetation can perform irrevertable or reverable speed control. The part of PWM is built on the platform of ARM embe

4、dded system. It can generate two adjustable impulses which can complement each other through the control of the timers in S3C2410X chip by C Programming. In order to control the open or close time of GTR，the width of two channel impulses are adjusted. As a result, the the speed control of motor can

5、be reached. Such implemetation increas the flexibility and precision of the system, so the procedure of producing PWM pulses is simplfied in great degree.Key Words: double closed loop governing systems, pulse width modulation (PWM), ARM embedded system, chip S3C2410X1 引 言在如今的現(xiàn)實生活中，自動化控制系統(tǒng)已在各行各業(yè)得到廣泛的

6、應用和發(fā)展，其中自動調速系統(tǒng)的應用則起著尤為重要的作用。雖然直流電機不如交流電機那樣結構簡單、價格便宜、制造方便、容易維護，但是它具有良好的起、制動性能，宜于在廣泛的范圍內平滑調速，所以直流調速系統(tǒng)至今仍是自動調速系統(tǒng)中的主要形式?，F(xiàn)在電動機的控制從簡單走向復雜，并逐漸成熟成為主流。其應用領域極為廣泛，例如：軍事和宇航方面的雷達天線、火炮瞄準、慣性導航等的控制；工業(yè)方面的數控機床、工業(yè)機器人、印刷機械等設備的控制；計算機外圍設備和辦公設備中的打印機、傳真機、復印機、掃描儀等的控制；音像設備和家用電器中的錄音機、數碼相機、洗衣機、空調等的控制。隨著電力電子技術的發(fā)展，開關速度更快、控制更容易的全

7、控型功率器件MOSFET和IGBT成為主流，脈寬調制技術表現(xiàn)出較大的優(yōu)越性：主電路線路簡單，需要用的功率元件少；開關頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗和發(fā)熱都較??；低速性能好，穩(wěn)速精度高，因而調速范圍寬；系統(tǒng)快速響應性能好，動態(tài)抗擾能力強；主電路元件工作在開關狀態(tài)，導通損耗小，裝置效率較高；近年來，微型計算機技術發(fā)展速度飛快，以計算機為主導的信息技術作為一嶄新的生產力，正向社會的各個領域滲透，直流調速系統(tǒng)向數字化方向發(fā)展成為一大趨勢。 2 系統(tǒng)框圖整個系統(tǒng)上采用了轉速、電流雙閉環(huán)控制結構，如圖1所示。在系統(tǒng)中設置兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，二者之間實行串級連接，即以轉速調節(jié)器的輸出作為

8、電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出作為PWM的控制電壓。從閉環(huán)反饋結構上看，電流調節(jié)環(huán)在里面，是內環(huán)，按典型型系統(tǒng)設計；轉速調節(jié)環(huán)在外面，成為外環(huán)，按典型型系統(tǒng)設計。為了獲得良好的動、靜態(tài)品質，調節(jié)器均采用PI調節(jié)器并對系統(tǒng)進行了校正。檢測部分中，采用了霍爾片式電流檢測裝置對電流環(huán)進行檢測，轉速還則是采用了測速電機進行檢測，達到了比較理想的檢測效果。主電路部分采用了以GTR為可控開關元件、H橋電路為功率放大電路所構成的電路結構?？刂撇糠植捎肅語言編程控制ARMS3C2410X芯片的定時器產生兩路互補的PWM脈沖波形，通過調節(jié)這兩路波形的寬度來控制H電路中的GTR通斷時間，便能夠實現(xiàn)對電機速

9、度的控制。圖1 轉速、電流雙閉環(huán)結構圖3 主回路在系統(tǒng)主電路部分，采用的是以大功率GTR為開關元件、H橋電路為功率放大電路所構成的電路結構。如圖2所示。圖中，四只GTR分為兩組，和為一組，和為另一組。同一組中的兩只GTR同時導通，同時關斷，且兩組晶體管之間可以是交替的導通和關斷。欲使電動機M向正方向轉動，則要求控制電壓為正，各三極管基極電壓波形如圖3所示。欲使電動機反轉，則使控制電壓為負即可。GTR是一種雙極性大功率高反壓晶體管，它大多用作功率開關使用,而且 GTR是一種具有自關斷能力的全控型電力半導體器件，這一特性可以使各類變流電路的控制更加方便和靈活，線路結構大為簡化。圖2 雙極式H型 P

10、WM變換電路圖3 雙極式PWM變換電路的電壓、電流波形 （a）,(b) 三極管基極電壓波形 (c) 電樞電壓波形 （d）電樞電流波形 (e) 重負載時 波形 (f) E> 時波形設矩形波的周期為T，正向脈沖寬度為，并設=/T為占空比。則電樞電壓U的平均值=（2-1）=（2/T-1），并定義雙極性雙極式脈寬放大器的負載電壓系數為 =/=2/T-1即 =可見，可在-1到+1之間變化。雙極式PWM變換器的優(yōu)點：1、電流一定連續(xù)；2、可使電機在四象限中運行；3、電動機停止時有微振電流，能消除正、反向時的靜摩擦死區(qū)；4、低速時，每個晶體管的驅動脈沖仍較寬，有利于保證晶體管可靠導通；5、低速平穩(wěn)性好

11、，低速范圍可達20000左右。4 PWM控制電路經典的模擬控制電路主要由PWM 電路、延時電路和驅動電路組成。而PWM發(fā)生電路是采用三角波發(fā)生器產生的三角波放大后與一路可調直流電壓（電流調節(jié)器輸出的uk） 進行比較，則電壓比較器輸出的是一系列方波信號。如果改變uk 的大小, 那么方波脈沖寬度將會改變, 從而達到脈寬調制的目的。其基本電路結構和調制原理如圖4。脈寬調制信號的質量，對于PWM 調速系統(tǒng)是十分重要的。然而它的質量主要取決于三角波信號的質量。如果三角波的線性度不好，那么PWM 的輸出將得不到對稱的波形。這對調速系統(tǒng)來說，將大大地降低系統(tǒng)的性能，出現(xiàn)正反轉不平衡。 (a） (b) 圖4

12、PWM基本電路結構和調制原理(a)基本電路結構 (b)脈寬調制原理 隨著電力電子技術、微電子技術和自動控制技術的發(fā)展以及各種新的理論方法的應用， PWM控制技術獲得了空前的發(fā)展。在本設計中，是基于ARM嵌入式開發(fā)平臺之上，運用C語言編程來實現(xiàn)PWM控制的，主要功能芯片為S3C2410X，由于該芯片自帶定時器，所以控制部分省去了三角波產生電路、脈沖調制電路以及PWM信號延遲分配電路，取而代之的是S3C2410X芯片的定時器0、1組成的雙極性PWM發(fā)生器。采用這種芯片控制可以增加調速的靈活性和精確性，同時又可以在實現(xiàn)調速功能之外實現(xiàn)其他的功能。S3C2410X有5個16位的定時器，定時器0、1、2

13、、3具有脈寬調制的功能。定時器4是一個沒有輸出管腳的內部定時器。定時器有一個死區(qū)發(fā)生器，它一般用于大功率設備。PWM發(fā)生器用到的寄存器主要有以下幾個：1) TCFG0定時器配置寄存器0 該寄存器用于設定定時器的輸入時鐘頻率。輸入時鐘頻率的計算公式為 定時器輸入時鐘頻率MCLK/ 預分頻值/分割值2) TCFG1定時器配置寄存器1該寄存器用于設置定時器的工作模式及時鐘源。時鐘輸入頻率PCLK/(重新調節(jié)值+1)/(分離值),重新調節(jié)值由TFCG0決定；分離值由TFCG1決定。3) TCON定時器控制寄存器 該寄存器可進行定時器的自動重載、手動更新、啟動/停止、輸入反轉及死區(qū)使能的設置功能。4)

14、& 定時器計數緩沖區(qū)寄存器和比較緩沖器寄存器比較緩沖寄存器用于設置輸出波形的占空比。決定了脈沖的頻率，決定了正脈沖的寬度。當=/2時，正負脈沖寬度相同；當TCMPB0由0變到TCNTB0時，負脈沖寬度不斷增加。直流電機初始化與控制直流電機流程如圖5、圖所示。 圖5 直流電機初始化 圖6 控制直流電機具體實現(xiàn)方法與步驟：1) I/O口設置：對PE口的工作方式進行設置，使之工作在定時器輸出狀態(tài)。2) 定時器時鐘源頻率的設定。3) 設置輸出波形頻率。4) 設置占空比。5) 設置定時器控制寄存器并啟動定時器。定時器啟動后可以采用示波器觀察輸出波形是否滿足要求。5結論在本文的直流調速系統(tǒng)設計中，

15、從整體上看，為了達到無靜差的效果其結構仍然是采用的轉速、電流雙閉環(huán)結構。從局部上看，首先主電路采用的雙極式H橋電路即可完成不可逆調速同時也可完可逆調速，而且達到的效果也比較理想。在PWM控制部分采用了在ARM式嵌入式系統(tǒng)上用C語言編程實現(xiàn)，這是一種現(xiàn)在比較新的PWM技術，充分利用了現(xiàn)有的集成芯片的強大功能，省去了原有的許多硬件電路，使整個PWM脈沖的產生過程得到了大大的簡化。參考文獻： 王曉明.電動機的單片機控制.第一版.北京：北京航空航天大學出版社，2002 張立.現(xiàn)代電力電子技術基礎.第一版.北京：高等教育出版社，1999 周亦敏.嵌入式系統(tǒng)設計與實例開發(fā)實驗教材.第一版.北京：清華大學出版社,2005 孫