基于ARM的PWM直流调速系统的研究doc-基于ARM的

基于ARM的PWM直流调速系统的研究文亚凤（华北电力大学电气与电子工程学院，北京，102206）摘要：本文设计的直流PWM调速系统采用的是调压调速，整个系统采用了转速、电流双闭环控制结构。系统主电路采用大功率GTR为开关器件、H桥双极式电路为功率放大电路的结构,即可完成不可逆调速同时也可完可逆调速。PWM调制部分是在ARM嵌入式开发平台之上，运用C语言编程控制S3C2410X芯片的定时器来产生两路互补的宽度可调的矩形波。通过调节这两路波形的宽度来控制H电路中的GTR通断时间，以达到调节电机速度的目的。增加了系统的灵活性和精确性，使整个PWM脉冲的产生过程得到了大大的简化。关键字：双闭环系统，脉冲宽度调制，ARM嵌入式系统，S3C2410X芯片PWMmotorspeedcontrolsystemBasedonARMWenYafengSchool.ofElectricandElectronicalEngineering,,NCEPU(BJ)102206Abstract:ThePWMmotorspeedcontrolsysteminmyprojectisdesignedwiththemodeofvoltagecontrol,andtheentiresystemisbasedonthedoubleClosed-Loopstructure.ThemaincircuitofthesystemismadeupoflargepowerGTRwhichisusedasswitchandbipolarH-bridgecircuitwhichisusedaspoweramplifier.Suchkindofimplemetationcanperformirrevertableorreverablespeedcontrol.ThepartofPWMisbuiltontheplatformofARMembeddedsystem.ItcangeneratetwoadjustableimpulseswhichcancomplementeachotherthroughthecontrolofthetimersinS3C2410XchipbyCProgramming.InordertocontroltheopenorclosetimeofGTR，thewidthoftwochannelimpulsesareadjusted.Asaresult,thethespeedcontrolofmotorcanbereached.Suchimplemetationincreastheflexibilityandprecisionofthesystem,sotheprocedureofproducingPWMpulsesissimplfiedingreatdegree.KeyWords:doubleclosedloopgoverningsystems,pulsewidthmodulation(PWM),ARMembeddedsystem,chipS3C2410X1引言在如今的现实生活中，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。现在电动机的控制从简单走向复杂，并逐渐成熟成为主流。其应用领域极为广泛，例如：军事和宇航方面的雷达天线、火炮瞄准、惯性导航等的控制；工业方面的数控机床、工业机器人、印刷机械等设备的控制；计算机外围设备和办公设备中的打印机、传真机、复印机、扫描仪等的控制；音像设备和家用电器中的录音机、数码相机、洗衣机、空调等的控制[１]。随着电力电子技术的发展，开关速度更快、控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT成为主流，脉宽调制技术表现出较大的优越性：主电路线路简单，需要用的功率元件少；开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗和发热都较小；低速性能好，稳速精度高，因而调速范围宽；系统快速响应性能好，动态抗扰能力强；主电路元件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率较高；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。2系统框图整个系统上采用了转速、电流双闭环控制结构，如图1所示。在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，即以转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出作为PWM的控制电压。从闭环反馈结构上看，电流调节环在里面，是内环，按典型Ⅰ型系统设计；转速调节环在外面，成为外环，按典型Ⅱ型系统设计。为了获得良好的动、静态品质，调节器均采用PI调节器并对系统进行了校正。检测部分中，采用了霍尔片式电流检测装置对电流环进行检测，转速还则是采用了测速电机进行检测，达到了比较理想的检测效果。主电路部分采用了以GTR为可控开关元件、H桥电路为功率放大电路所构成的电路结构。控制部分采用C语言编程控制ARM－S3C2410X芯片的定时器产生两路互补的PWM脉冲波形，通过调节这两路波形的宽度来控制H电路中的GTR通断时间，便能够实现对电机速度的控制。图1转速、电流双闭环结构图3主回路在系统主电路部分，采用的是以大功率GTR为开关元件、H桥电路为功率放大电路所构成的电路结构。如图2所示。图中，四只GTR分为两组，1VT和4VT为一组，2VT和3VT为另一组。同一组中的两只GTR同时导通，同时关断，且两组晶体管之间可以是交替的导通和关断。欲使电动机M向正方向转动，则要求控制电压kU为正，各三极管基极电压波形如图3所示。欲使电动机反转，则使控制电压kU为负即可]2[。GTR是一种双极性大功率高反压晶体管，它大多用作功率开关使用,而且GTR是一种具有自关断能力的全控型电力半导体器件，这一特性可以使各类变流电路的控制更加方便和灵活，线路结构大为简化。图2双极式H型PWM变换电路图3双极式PWM变换电路的电压、电流波形（a）,(b)三极管基极电压波形(c)电枢电压波形（d）电枢电流波形(e)重负载时ai波形(f)ESU时ai波形设矩形波的周期为T，正向脉冲宽度为1t，并设λ=1t/T为占空比。则电枢电压U的平均值avU=（2λ-1）SU=（21t/T-1）SU，并定义双极性双极式脉宽放大器的负载电压系数为ρ=avU/SU=21t/T-1即avU=ρSU可见，ρ可在-1到+1之间变化。双极式PWM变换器的优点：1、电流一定连续；2、可使电机在四象限中运行；3、电动机停止时有微振电流，能消除正、反向时的静摩擦死区；4、低速时，每个晶体管的驱动脉冲仍较宽，有利于保证晶体管可靠导通；5、低速平稳性好，低速范围可达20000左右。]5[4PWM控制电路经典的模拟控制电路主要由PWM电路、延时电路和驱动电路组成。而PWM发生电路是采用三角波发生器产生的三角波放大后与一路可调直流电压（电流调节器输出的uk）进行比较，则电压比较器输出的是一系列方波信号。如果改变uk的大小,那么方波脉冲宽度将会改变,从而达到脉宽调制的目的。其基本电路结构和调制原理如图4。脉宽调制信号的质量，对于PWM调速系统是十分重要的。然而它的质量主要取决于三角波信号的质量。如果三角波的线性度不好，那么PWM的输出将得不到对称的波形。这对调速系统来说，将大大地降低系统的性能，出现正反转不平衡。(a）(b)图4PWM基本电路结构和调制原理(a)基本电路结构(b)脉宽调制原理随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法的应用，PWM控制技术获得了空前的发展。在本设计中，是基于ARM嵌入式开发平台之上，运用C语言编程来实现PWM控制的，主要功能芯片为S3C2410X，由于该芯片自带定时器，所以控制部分省去了三角波产生电路、脉冲调制电路以及PWM信号延迟分配电路，取而代之的是S3C2410X芯片的定时器0、1组成的双极性PWM发生器。采用这种芯片控制可以增加调速的灵活性和精确性，同时又可以在实现调速功能之外实现其他的功能。S3C2410X有5个16位的定时器，定时器0、1、2、3具有脉宽调制的功能。定时器4是一个没有输出管脚的内部定时器。定时器有一个死区发生器，它一般用于大功率设备。PWM发生器用到的寄存器主要有以下几个：1)TCFG0定时器配置寄存器0该寄存器用于设定定时器的输入时钟频率。输入时钟频率的计算公式为定时器输入时钟频率＝MCLK/{预分频值}/{分割值}2)TCFG1定时器配置寄存器1该寄存器用于设置定时器的工作模式及时钟源。时钟输入频率＝PCLK/(重新调节值+1)/(分离值),重新调节值由TFCG0决定；分离值由TFCG1决定。3)TCON定时器控制寄存器该寄存器可进行定时器的自动重载、手动更新、启动/停止、输入反转及死区使能的设置功能。4)0TCNTB&0TCMPB定时器计数缓冲区寄存器和比较缓冲器寄存器比较缓冲寄存器用于设置输出波形的占空比。0TCNTB决定了脉冲的频率，0TCMPB决定了正脉冲的宽度。当0TCMPB=0TCNTB/2时，正负脉冲宽度相同；当TCMPB0由0变到TCNTB0时，负脉冲宽度不断增加]3[。直流电机初始化与控制直流电机流程如图5、图６所示。图5直流电机初始化图6控制直流电机具体实现方法与步骤：1)I/O口设置：对PE口的工作方式进行设置，使之工作在定时器输出状态。2)定时器时钟源频率的设定。3)设置输出波形频率。4)设置占空比。5)设置定时器控制寄存器并启动定时器。定时器启动后可以采用示波器观察输出波形是否满足要求]4[。5结论在本文的直流调速系统设计中，从整体上看，为了达到无静差的效果其结构仍然是采用的转速、电流双闭环结构。从局部上看，首先主电路采用的双极式H桥电路即可完成不可逆调速同时也可完可逆调速，而且达到的效果也比较理想。在PWM控制部分采用了在ARM式嵌入式系统上用C语言编程实现，这是一种现在比较新的PWM技术，充分利用了现有的集成芯片的强大功能，省去了原有的许多硬件电路，使整个PWM脉冲的产生过程得到了大大的简化。参考文献：[１]王晓明.电动机的单片机控制.第一版.北京：北京航空航天大学出版社，2002[２]张立.现代电力电子技术基础.第一版.北京：高等教育出版社，1999[３]周亦敏.嵌入式系统设计与实例开发实验教材.第一版.北京：清华大学出版社,2005[４]孙天泽,袁文菊,张海峰.嵌入式设计及LINUX驱动开发指南－基于ARM9处理器.第一版.北京：电子工业出版社,2005[5]周渊深.交直流调速系统与MATLAB仿真.北京：中国电力出版社,2003作者简介：文亚凤，1968年生，女,黑龙江呼兰县人；华北电力大学电气与电子工程学院副教授，硕士；主要研究方向:信息电子技术、电力电子器件及应用通信地址：北京德胜门外朱辛庄华北电力大学信息工程系邮编：102206电话：6974189813683074717Emal:[e-mail]