嵌入式電機(jī)轉(zhuǎn)動控制實驗

《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與實例開發(fā)》（2011-2012學(xué)年第2學(xué)期）實驗報告實驗五電機(jī)轉(zhuǎn)動控制實驗----c語言實現(xiàn)方法電機(jī)轉(zhuǎn)動控制實驗—C語言實現(xiàn)方法一、實驗?zāi)康?．熟悉ARM本身自帶的六路即三對PWM，掌握相應(yīng)寄存器的配置。2．編程實現(xiàn)ARM系統(tǒng)的PWM輸出和I/O輸出，前者用于控制直流電機(jī)，后者用于控制步進(jìn)電機(jī)。3．了解直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的工作原理，學(xué)會用軟件的方法實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的脈沖分配，即用軟件的方法代替硬件的脈沖分配器。4．掌握帶有PWM和I/O的CPU編程實現(xiàn)其相應(yīng)功能的主要方法。二、實驗內(nèi)容學(xué)習(xí)步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)的工作原理，了解實現(xiàn)兩個電機(jī)轉(zhuǎn)動對于系統(tǒng)的軟件和硬件要求。學(xué)習(xí)ARM知識，掌握PWM的生成方法，同時也要掌握I/O的控制方法。1．編程實現(xiàn)ARM芯片的一對PWM輸出用于控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動，通過A/D旋鈕控制其正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速。2．編程實現(xiàn)ARM的四路I/O通道實現(xiàn)環(huán)形脈沖分配用于控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動，通過A/D旋鈕轉(zhuǎn)角控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角。3．通過超級終端來控制直流電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的切換。三、預(yù)備知識1、用ARMSDT或集成開發(fā)環(huán)境，編寫和調(diào)試程序的基本過程。2、ARM應(yīng)用程序的框架結(jié)構(gòu)。3、會使用SourceInsight3編輯C語言源程序。4、掌握通過ARM自帶的A/D轉(zhuǎn)換器的使用。5、了解直流電機(jī)的基本原理。6、了解步進(jìn)電機(jī)的基本原理，掌握環(huán)形脈沖分配的方法。四、實驗設(shè)備及工具硬件：ARM嵌入式開發(fā)平臺、用于ARM7TDMI的JTAG仿真器、PC機(jī)Pentium100以上。軟件：PC機(jī)操作系統(tǒng)win98、Win2000或WinXP、ARMSDT或集成開發(fā)環(huán)境、仿真器驅(qū)動程序、超級終端通訊程序。五、實驗原理1．直流電機(jī)1）直流電動機(jī)的PWM電路原理晶體管的導(dǎo)通時間也被稱為導(dǎo)通角а，若改變調(diào)制晶體管的開與關(guān)的時間，也就是說通過改變導(dǎo)通角а的大小，如圖2-22所示，來改變加在負(fù)載上的平均電壓的大小，以實現(xiàn)對電動機(jī)的變速控制，稱為脈寬調(diào)制(PWM)變速控制。在PWM變速控制中，系統(tǒng)采用直流電源，放大器的頻率是固定，變速控制通過調(diào)節(jié)脈寬來實現(xiàn)。構(gòu)成PWM的功率轉(zhuǎn)換電路或者采用"H"橋式驅(qū)動，或者采用"T"式驅(qū)動。由于"T"式電路要求雙電源供電，而且功率晶體管承受的反向電壓為電源電壓的兩倍。因此只適用于小功率低電壓的電動機(jī)系統(tǒng)。而"H"橋式驅(qū)動電路只需一個電源，功率晶體管的耐壓相對要求也低些，所以應(yīng)用得較廣泛，尤其用在耐高壓的電動機(jī)系統(tǒng)中。圖2-22脈寬調(diào)制(PWM)變速原理2）直流電動機(jī)的PWM等效電路如圖2-23所示，是一個直流電動機(jī)的PWM控制電路的等效電路。在這個等效電路中，傳送到負(fù)載(電動機(jī))上的功率值決定于開關(guān)頻率、導(dǎo)通角度及負(fù)載電感的大小。開關(guān)頻率的大小主要和所用功率器件的種類有關(guān)，對于雙極結(jié)型晶體管(GTR)，一般為lkHz至5kHz，小功率時(100W，5A以下)可以取高些，這決定于晶體管的特性。對于絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，一般為5kHz至l2kHz；對于場效應(yīng)晶體管(MOSFET)，頻率可高達(dá)2OkHz。另外，開關(guān)頻率還和電動機(jī)電感有關(guān)，電感小的應(yīng)該取得高些。

a)等效電路b)PWM電路中電流和電壓波討論圖2-23直流電機(jī)PWM控制當(dāng)接通電源時，電動機(jī)兩端加上電壓UP，電動機(jī)儲能，電流增加，當(dāng)電源中斷時，電樞電感所儲的能量通過續(xù)流二極管VD繼續(xù)流動，而儲藏的能量呈下降的趨勢。除功率值以外，電樞電流的脈動量也與電動機(jī)的轉(zhuǎn)速無關(guān)，僅與開關(guān)周期、正向?qū)〞r間及電機(jī)的電磁時間常數(shù)有關(guān)。3）直流電動機(jī)PWM電路舉例圖2-24為直流電動機(jī)PWM電路的一個例子。它屬于"H"橋式雙極模式PWM電路。圖2-24直流電動機(jī)PWM電路舉例電路主要由四部分組成，即三角波形成電路、脈寬調(diào)制電路、信號延遲及信號分配電路和功率電路。電路中各點(diǎn)波形如圖2-25所示。其中信號延遲電路是為了防止"共態(tài)直通"而設(shè)置的。一般延遲時間調(diào)整在(10~30)ps之內(nèi)，根據(jù)晶體管特性而定。其原理簡單敘述如下：功率電路主要由四個功率晶體管和四個續(xù)流二極管組成。四個功率晶體管分為兩組，V1與V4、V2與V3分別為一組，同一組的晶體管同時導(dǎo)通，同時關(guān)斷?；鶚O的驅(qū)動信號Ub1=Ub2，Ub3=Ub4。其工作過程為：在t1’—t2期間，Ub1>0與Ub4>0，V1與V4導(dǎo)通，V2與V3截止，電樞電流沿回路l流通。在t2—T+t1’期間，Ub1<0與Ub4<0，V1與V4截止，Ub2>0與Ub3>0但此時由于電樞電感儲藏著能量，將維持電流在原來的方向上流動，此時電流沿回路2流通；經(jīng)過跨接于V2與V3上的續(xù)流二極管VD4、VD5。受二極管正向壓降的限制，V2與V3不能導(dǎo)通。T+t1’之后，重復(fù)前面的過程。反向運(yùn)轉(zhuǎn)時，具有相似的過程。 圖2-25PWM電路中各點(diǎn)波形4）開發(fā)平臺中直流電機(jī)驅(qū)動的實現(xiàn)開發(fā)板中的直流電機(jī)的驅(qū)動部分如圖2-24所示；由于S3C44B0X芯片自帶六路3對PWM定時器，所以控制部分省去了三角波產(chǎn)生電路、脈沖調(diào)制電路和PWM信號延遲及信號分配電路，取而代之的是S3C44B0X芯片的定時器0、1組成的雙極性PWM發(fā)生器。PWM發(fā)生器用到的寄存器主要有以下幾個：TCFG0寄存器。（2）TCFG1寄存器。（3）TCON寄存器。（4）TCNTB0&TCMPB0寄存器。（5）TCNTO0寄存器，其地址和位描述如表2-38和2-39所示。2．步進(jìn)電機(jī)1）步進(jìn)電機(jī)概述步進(jìn)電機(jī)是一種能夠?qū)㈦娒}沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機(jī)電元件，它實際上是一種單相或多相同步電動機(jī)。單相步進(jìn)電動機(jī)有單路電脈沖驅(qū)動，輸出功率一般很小，其用途為微小功率驅(qū)動。多相步進(jìn)電動機(jī)有多相方波脈沖驅(qū)動，用途很廣。使用多相步進(jìn)電動機(jī)時，單路電脈沖信號可先通過脈沖分配器轉(zhuǎn)換為多相脈沖信號，在經(jīng)功率放大后分別送入步進(jìn)電動機(jī)各相繞組。每輸入一個脈沖到脈沖分配器，電動機(jī)各相的通電狀態(tài)就發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)過一定的角度（稱為步距角）。正常情況下，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的總角度和輸入的脈沖數(shù)成正比；連續(xù)輸入一定頻率的脈沖時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動和負(fù)載變化的影響。由于步進(jìn)電動機(jī)能直接接收數(shù)字量的輸入，所以特別適合于微機(jī)控制。2）步進(jìn)電機(jī)的種類目前常用的步進(jìn)電機(jī)有三類：反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)（VR）。它的結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本低，步距角可以做的相當(dāng)小，但動態(tài)性能相對較差。永磁式步進(jìn)電動機(jī)（PM）。它的出力大，動態(tài)性能好；但步距角一般比較大?；旌喜竭M(jìn)電動機(jī)（HB）。它綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)，步距角小，出力大，動態(tài)性能好，是性能較好的一類步進(jìn)電動機(jī)。3）步進(jìn)電機(jī)的工作原理現(xiàn)以反應(yīng)式三相步進(jìn)電機(jī)為例說明其工作原理。定子鐵心上有六個形狀相同的大齒，相鄰兩個大齒之間的夾角為60度。每個大齒上都套有一個線圈，徑向相對的兩個線圈串聯(lián)起來成為一相繞組。各個大齒的內(nèi)表面上又有若干個均勻分布的小齒。轉(zhuǎn)子是一個圓柱形鐵心，外表面上圓周方向均勻的布滿了小齒。轉(zhuǎn)子小齒的齒距是和定子相同的。設(shè)計時應(yīng)使轉(zhuǎn)子齒數(shù)能被二整除。但某一相繞組通電，而轉(zhuǎn)子可自由旋轉(zhuǎn)時，該相兩個大齒下的各個小齒將吸引相近的轉(zhuǎn)子小齒，使電動機(jī)轉(zhuǎn)動到轉(zhuǎn)子小齒與該相定子小齒對齊的位置，而其它兩相的各個大齒下的小齒必定和轉(zhuǎn)子的小齒分別錯開正負(fù)1/3的齒距，形成“齒錯位”，從而形成電磁引力使電動機(jī)連續(xù)的轉(zhuǎn)動下去。和反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)不同，永磁式步進(jìn)電動機(jī)的繞組電流要求正，反向流動，故驅(qū)動電路一般要做成雙極性驅(qū)動。混合式步進(jìn)電動機(jī)的繞組電流也要求正，反向流動，故驅(qū)動電路通常也要做成雙極性。4）開發(fā)板中步進(jìn)電機(jī)控制的實現(xiàn)本開發(fā)板中使用的步進(jìn)電機(jī)為四相步進(jìn)電機(jī)。轉(zhuǎn)子小齒數(shù)為64。系統(tǒng)中采用四路I/O進(jìn)行并行控制，ARM控制器直接發(fā)出多相脈沖信號，在通過功率放大后，進(jìn)入步進(jìn)電機(jī)的各相繞組。這樣就不再需要脈沖分配器。脈沖分配器的功能可以由純軟件的方法實現(xiàn)。圖2-26四相步進(jìn)電機(jī)在開發(fā)板中的接法四相步距電機(jī)的控制方法有四相單四拍，四相單、雙八拍和四相雙四拍三種控制方式。步距角的計算公式為：θb＝（式2-1）其中：m為相數(shù)，孔制方法是四相單四拍和四相雙四拍時C為1，控制方法是四相單、雙八拍時C為2，Zk為轉(zhuǎn)子小齒數(shù)。本系統(tǒng)中采用的是四相單、雙八拍控制方法，所以步距角為360°/512。但步進(jìn)電機(jī)經(jīng)過一個1/8的減速器引出，實際的步距角應(yīng)為360°/512/8。UP-NETARM300開發(fā)平臺中使用EXI/O的高四位控制四相步進(jìn)電機(jī)的四個相。按照四相單、雙八拍控制方法，電機(jī)正轉(zhuǎn)時的控制順序為A→AB→B→BC→C→CD→D→DA。EXI/O的高四位的值參見表2-40。表2-40電機(jī)正轉(zhuǎn)時，EXI/O的高四位的值十六進(jìn)制二進(jìn)制通電狀態(tài)1H0001A3H0011AB2H0010B6H0110BC4H0100CCH1100CD8H1000D9H1001DA反轉(zhuǎn)時，只要將控制信號按相反的順序給出即可?？梢酝ㄟ^宏SETEXIOBITMASK(bit,mask)（）來設(shè)置擴(kuò)展I/O口，其中mask參數(shù)為0xf0。六、實驗步驟1．新建工程，將“Exp6電機(jī)轉(zhuǎn)動控制實驗”中的文件添加到工程。2．編寫直流電機(jī)初始化函數(shù)（），其流程圖如圖2-27所示。圖2-27直流電機(jī)初始化數(shù):#include"..\startup\"#include""#defineMOTOR_SEVER_FRE 1000 rTCON=0x19; DeadZone}voidSetPWM(intvalue){ rTCMPB0=MOTOR_MID+value;}3．控制直流電機(jī)的程序流程如圖2-28所示。圖2-28控制直流電機(jī)程序流程圖4．控制步進(jìn)電機(jī)的程序流程如圖2-29所示。：#include""#include""#include""#include""#include""#include""#include<>#pragmaimport(__use_no_semihosting_swi)t\tPressanykeytocontrolstepmotor.\n"); for(;;) { ADData=GetADresult(0); Delay(10); SetPWM((ADData-512)*MOTOR_CONT/1024); Delay(10); if((rUTRSTAT0&0x1)) tPressanykeytocontrolDCmotor.\n"); lastADData=GetADresult(0); Delay(10); for(;;) { loop: if((rUTRSTAT0&0x1)) //有輸入，則返回 { *Revdata=RdURXH0(); gotobegin; } Delay(10);ADData=GetADresult(0); if(abs(lastADData-ADData)<20) gotoloop;Delay(10);count=-(ADData-lastADData)*3; //(ADData-lastADData)*270/1024為ad旋鈕轉(zhuǎn)過的角度，360/512為步距角， //由于接了1/8減速器，兩者之商再乘以8為步進(jìn)電機(jī)相應(yīng)轉(zhuǎn)過的角度 if(count>=0) {//轉(zhuǎn)角大于零 for(j=0;j<count/8;j++) { for(i=0;i<=7;i++) { SETEXIOBITMASK(stepdata[i],0xf0); Delay(200); } } } else {//轉(zhuǎn)角小于零 count=-count; for(j=0;j<count/8;j++) { for(i=7;i>=0;i--