基于LPC2124的直流電機調速系統(tǒng)Proteus仿真

1、嵌入式控制系統(tǒng)及應用綜合設計 第14頁 共15頁基于lpc2124的直流電機調速系統(tǒng)proteus仿真1 直流電機、減速器及傳感器選型設計要求驅動輪式機器人，兩輪的直徑相同為0.1m，驅動電機選用直流電機，為了滿足加速度需求，每個電機配備了減速裝置，且兩輪為獨立驅動。小車運行過程中自帶電池，電池的供電電壓為+24vdc，為滿足機器人比賽需要，經需求分析可得該機器人運動控制系統(tǒng)的最大速度為：5.0m/s，最大加速度為：20m/s2，控制方案采用閉環(huán)控制方案。通過計算可知，在沒有減速器的情況下，電機應達到955r/min才能實現(xiàn)最大轉速5.0m/s，啟動時間應該小于0.25s才能達到最大加速度20

2、m/s2的要求。所以，可以選擇額定電壓24v，空載轉速2500r/min的直流電機，采用調速比2.5的減速器，加速度要求通過軟件實現(xiàn)。系統(tǒng)要求采用閉環(huán)控制方案，本設計采用轉速單閉環(huán)控制，選用旋轉編碼器作為測速傳感器。旋轉編碼器不僅精度高，而且安全穩(wěn)定、維護方便，在proteus庫里有配套旋轉編碼器的直流電機，方便仿真。理論上旋轉編碼器的光柵數(shù)越大，測速越精確，但是光柵數(shù)的增大會增加制作難度和成本，本設計只是用于輪式機器人的測速，采用光柵數(shù)1024的旋轉編碼器足以，同時可以采用四倍頻電路提高轉速分辨率。在基于proteus仿真的直流電機調速系統(tǒng)中，由于各種限制，設計并不能達到系統(tǒng)的具體要求，但是

3、可以作為一個可供參考的調速模型。2 直流電機調速系統(tǒng)硬件設計2.1硬件系統(tǒng)結構圖直流電機轉速單閉環(huán)調速系統(tǒng)硬件結構圖如圖1 所示圖1 直流電機轉速單閉環(huán)調速系統(tǒng)硬件結構圖2.2 lpc2124簡介lpc2124是基于一個支持實時仿真和跟蹤的16/32位arm7tdmi-s cpu的微控制器，并帶有256kb嵌入的高速flash存儲器。128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行，且可使用16位thumb模式。lpc2124支持多種通信接口，包括uart，i2c 和spi等串行接口以及pwm輸出接口，外圍接口部分設計極為方便、靈活。2.3 電機驅動芯片l298介紹

4、l298n是st公司生產的一種高電壓、大電流電機驅動芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達46v；輸出電流大，瞬間峰值電流可達3a，持續(xù)工作電流為2a；額定功率25w。內含兩個h橋的高電壓大電流全橋式驅動器，可以用來驅動直流電動機和步進電動機、繼電器線圈等感性負載；采用標準邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，使內部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。使用l298n芯片驅動電機，該芯片可以驅動一臺兩相步進電機或四相步進電機，也可以驅動兩臺直流電機。芯片內部結構圖如圖

5、2所示。圖2 l298芯片的內部結構圖l298驅動直流電機參考表1表1 l298驅動直流電機參考表電機旋轉方式控制端in1控制端in2控制端in3控制端in4輸入pwm信號改變脈寬可調速調速端a調速端bm1正轉高低/高/反轉低高/高/停止低低/高/m2正轉/高低/高反轉/低高/高停止低低/高2.4 直流電機調速系統(tǒng)proteus仿真電路 proteus的元件庫中提供許多種類型的電機元件，從簡單的直流電機到步進電機、伺服電機都有，我們選取一個帶編碼器的電機motor-encoder來仿真，之所以用帶編碼器的，是因為我們需要用到編碼器的輸出信號來測量電機的轉速。motor-encoder的編碼輸出

6、與本系統(tǒng)所要求的增量式旋轉編碼具有同等功能，可提供兩路路具有90相位差的編碼脈沖，利用其中任何一個可實現(xiàn)對轉速的檢測。在motor-encoder的屬性中可設置其參數(shù)，本系統(tǒng)對motor-encoder的參數(shù)設置如表2所示。表2 motor-encoder參數(shù)表參數(shù)名參數(shù)值 額定電壓24 v線圈電阻12 線圈電感100 mh空載轉速1000 rpm負載率10 %每轉脈沖數(shù)60直流電機調速系統(tǒng)proteus仿真電路如圖2所示。圖2 直流電機調速系統(tǒng)proteus仿真電路 系統(tǒng)采用24mhz晶振提供外部時鐘，lpc2124的p0.6，p0.7輸出高低電平控制電機轉速方向；四個二極管作為續(xù)流二極管，

7、起保護作用；四個按鍵通過上拉電阻與lpc通用端口相連，按鍵按下，低電平有效，另外通過一個四輸入與門與外部中斷eint0相連，通過外部中斷方式判斷是否有按鍵按下,四個按鍵分別實現(xiàn)電機加速、減速、反轉、制動的功能。3 直流電機調速系統(tǒng)軟件設計3.1 直流電機調速系統(tǒng)軟件設計流程圖直流電機調速系統(tǒng)軟件設計流程圖如圖3所示，中斷程序如圖4、圖5所示。 圖3 調速系統(tǒng)軟件 圖4 按鍵中斷 圖5 測速中斷設流程圖 程序流程圖 程序流程圖3.2 pwm模塊系統(tǒng)采用pwm方法調整電動機的速度，首先應確定合理的脈沖頻率。脈沖寬度一定時，頻率對電機運行的平穩(wěn)性有較大影響，脈沖頻率高電動機運行的連續(xù)性好，但帶負載能

8、力差；脈沖頻率低則反之。調脈寬的方式有三種：定頻調寬、定寬調頻和調寬調頻。我們采用了定頻調寬方式，因為采用這種方式，電動機在運轉時比較穩(wěn)定；并且在采用lpc2124產生pwm脈沖的軟件實現(xiàn)上比較方便。pwm輸出頻率采用系統(tǒng)時鐘頻率，通過轉速調節(jié)器調節(jié)pwm占空比，實現(xiàn)直流電機的調速驅動。pwm初始化子程序流程如圖6所示。圖6 pwm初始化流程圖3.3測速模塊本系統(tǒng)采用t法測速，旋轉編碼器輸出的脈沖由lpc2124的p0.28捕獲，電機每轉一圈旋轉編碼器輸出60個脈沖，每捕獲一個編碼器輸出脈沖，則進入中斷讀取定時器的值，計算測速時間，通過公式（1-2）計算轉速n=60ztt (1-1)t法測速原

9、理如圖7所示。圖7 t法測速原理圖定時器0初始化流程圖如圖8所示。圖8 定時器0初始化流程圖3.4 數(shù)字pi調節(jié)器模塊在微機數(shù)字控制系統(tǒng)中，當采樣頻率足夠高時，可以先按模擬系統(tǒng)的設計方法設計調節(jié)器，然后再離散化，就可以得到數(shù)字控制器的算法，這就是模擬調節(jié)器的數(shù)字化。當輸入時誤差函數(shù)e(t)、輸出函數(shù)是u(t)時，pi調節(jié)器的傳遞函數(shù)如下：(1-2)式中：kpi為pi調節(jié)器比例部分的放大系數(shù)；t為pi調節(jié)器的積分時間常數(shù)。式子(1-2)的時域表達式可寫成：(1-3)其中，kp=kpi為比例系數(shù)，ki=1/t為積分系數(shù)。將上式離散化成差分方程，其第k拍輸出為： (1-4)其中，tsam為采樣周期。

10、式(1-4)表述的差分方程為位置式算法，u(k)為第k拍的輸出值。由式子看出，比例部分只與當前的偏差有關，而積分部分則是系統(tǒng)過去所有偏差的累積。位置式pi調節(jié)器的結構清晰，p和i兩部分作用分明，參數(shù)調整簡單明了。為了安全起見，常須對調節(jié)器的輸出實行限幅。在數(shù)字控制算法中，要對u限幅，只須在程序內設置限幅值um,當u(k)>um時，便以限幅值um作為輸出。而位置式算法必須要同時設積分限幅和輸出限幅。帶有積分限幅和輸出限幅的位置式數(shù)字pi調節(jié)程序框圖如圖9所示。圖9位置式數(shù)字pi調節(jié)流程圖本系統(tǒng)只采用了p調節(jié)器，即令pi參數(shù)為零，經過仿真發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)可以較穩(wěn)定地運行。3.5 直流電機制動直流電機

11、要達到快速制動，必須采用反壓制動方式，所以制動過程采用另外獨立的程序設計。因為原先采用統(tǒng)一的調速程序發(fā)現(xiàn)，制動過程反轉超調后就向反方向加速，導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。采用獨立的程序設計實現(xiàn)電機逐級制動，隨轉速降低減小pi參數(shù)，最后置高p0.6、p0.7，保證超調也不會反轉加速。4 直流電機調速系統(tǒng)proteus仿真結果本系統(tǒng)采用簡單的按鍵操作，實現(xiàn)電機的加速、減速、制動、反轉功能，由于時間倉促，在判斷按鍵過程，我們只考慮了只有一個按鍵按下的情況。本系統(tǒng)各按鍵的共能如下 加速鍵用于電機加速，每按一次電機轉速增加10r/min。 減速鍵用于電機減速，每按一次電機轉速減小10r/min。 制動鍵用于電機制動，

12、停止電機旋轉。 反轉鍵用于電機反轉，每按一次電機反轉。按鍵仿真圖如圖10所示。圖10 按鍵仿真圖當連接好仿真圖和載入lpc2124的執(zhí)行文件后，單擊proteus的仿真啟動按鈕，則開始對本系統(tǒng)的仿真。其運行流程如下：（1） 按20次加速鍵讓電機啟動正轉，達到200r/min，所需時間大致在1.3s 左右，如圖11所示。圖11 加速正轉 （2） 按一次減速鍵，電機轉速減小10r/min，到達190r/min，如圖12所示。圖12 減速 （3） 按一次反轉按鍵，電機反轉，到達-190r/min，如圖13所示。圖13 反轉 （4） 按一次制動鍵，電機制動，轉速較大時，電機可以快速制動到接近零，之后緩

13、慢減速，如圖14所示。圖14 制動 經過仿真調試，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)可以實現(xiàn)基本的調速功能，并且可以較快速地啟動，系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性，誤差范圍在±1r/min。5 結束語本設計采用arm7 lpc2124及外部擴展設備實現(xiàn)對直流電機的轉速監(jiān)控，在硬件上采用了基于pwm技術的h型橋式驅動電路，解決了電機驅動的效率問題，在軟件上也采用較為合理的系統(tǒng)結構及算法，提高了arm的使用效率。以往的數(shù)字化直流調速系統(tǒng)中轉速常用測速發(fā)電機來檢測，這種測速方法的精度不夠高，在低速時更為嚴重，很難保障生產的高效、安全運行，所以在本次設計中測速采用了目前較先進的旋轉編碼器測速，即數(shù)字測速。數(shù)字測速不僅精度高，而且

14、安全穩(wěn)定、維護方便。本系統(tǒng)的直流調速系統(tǒng)采用單閉環(huán)p調節(jié)器控制。用軟件編程完成轉速驅動，轉速檢測，實現(xiàn)了對轉速的最優(yōu)化調節(jié)。同時還實現(xiàn)了轉速的按鍵輸入控制。通過本次設計，加強了我對arm應用知識的掌握，同時了解了目前工業(yè)生產中數(shù)字化系統(tǒng)的重要性，使我對使用arm實現(xiàn)自動化控制的設計過程有了全面地了解。通過學習控制系統(tǒng)工作原理以及如何利用arm實現(xiàn)各種功能，我查閱了大量相關資料，學會了許多知識，培養(yǎng)了我獨立解決問題的能力。同時在對硬件電路設計的過程中，鞏固了我的專業(yè)課知識，使自己受益匪淺。當然在本次設計中還有需要完善的地方，比如可以增加一個顯示模塊，顯示系統(tǒng)運行的狀態(tài)，還可以改善調節(jié)器，采用pi

15、d調節(jié)器使轉速穩(wěn)定無超調，另外還可以改善按鍵輸入為數(shù)字鍵盤輸入，這樣可以給定具體的轉速?？傊?，通過本次設計不僅進一步強化了專業(yè)知識，還掌握了設計系統(tǒng)的方法、步驟等，為今后的工作和學習打下了堅實的基礎。由于時間倉促，本論文中或多或少會存在一些缺點，所設計的軟件難免存在一些不足，懇請老師批評和指正。附錄 基于lpc2124的直流電機調速系統(tǒng)源代碼/*file: main.c*功能: 使用pwm6輸出pwm信號,通過key1,key2,key3控制電機轉速，key1按一次加速10r/min,key2按一下減速10r/min,key3按一下制動，key4按一下反轉*/#include "lp

16、c21xx.h"typedef unsigned int uint32;typedef int int32;#define pwmdata 240000 /*pwm周期*/#define f0 1000000 /*計數(shù)器頻率*/#define z 60 /*電機每轉一圈產生z個脈沖*/#define kp 0.1 /*pi調節(jié)器比例系數(shù)*/#define ki 0 /*pi調節(jié)器積分系數(shù)*/#define key 0x0b800000 /*p0.23,p0.24,p0.25,p0.27引腳連有按鍵*/#define key1 0x00800000 /*p0.23引腳連接key1*/#

17、define key2 0x01000000 /*p0.24引腳連接key2*/#define key3 0x02000000 /*p0.25引腳連接key3*/#define key4 0x08000000 /*p0.27引腳連接key4*/uint32 t1=0,t2=0,i=0;uint32 flag=0; /*制動標志，flag=1轉速接近0*/uint32 fv=0; /*正反轉標志，fv=0正轉，fv=1反轉*/ int32 nu=0,n=0; /*nu給定轉速，n檢測轉速*/_irq void irq_t0(void) t2=t0cr2; /讀取捕獲寄存器 t0cr2=0; /捕

18、獲寄存器清零 if(t1<t2) n=1.236*60*f0/(z*(t2-t1); /t法測速 else if(t1>t2) n=1.236*60*f0/(z*(t2-t1+f0); /1.236為修正系數(shù) t1=t2; t0ir=0x40; /清除捕捉0中斷標志（向6位寫1） vicvectaddr=0x00; /中斷結束_irq void irq_eint0(void) uint32 i; ioclr0=0x00000001; for(i=0;i<50;i+); /延時去抖 if(iopin0&key)!=key) if(iopin0&key1)=0)

19、/key1按鍵按下，加速 flag=0; if(nu>=0) nu+=10; else nu-=10; else if(iopin0&key2)=0) /key2按鍵按下，減速 if(nu>10) nu-=10; else if(nu<-10) nu+=10; else nu=0; else if(iopin0&key3)=0) nu=0;/key3按鍵按下，制動 else if(iopin0&key4)=0) /key4按鍵按下，反轉 if(fv=0) fv=1; else fv=0; nu=-nu; while(iopin0&key)!=k

20、ey); /等待按鍵放開 extint=0x01; /清楚eint0中斷標志 vicvectaddr=0x00; /中斷結束void targetinit(void) /*管腳配置初始化*/ pinsel0=0x00080000; /設置pwm6連接到p0.9引腳 pinsel1=0x02000000; /p0.28捕捉 iodir0=0x000002c0; /p0.6,p0.7,p0.9輸出 /*pwm初始化*/ pwmpr=0x00; /不分頻,計數(shù)頻率為fpclk pwmmcr=0x02; /設置pwmmr0匹配時復位pwmtc pwmmr0=pwmdata; /設置pwm周期 pwmm

21、r6=120000; /設置pwm占空比 pwmler=0x40; /pwmmr6鎖存 pwmpcr=0x4000; /允許pwm6輸出,單邊pwm pwmtcr=0x09; /啟動定時器,pwm使能 /*eint0中斷初始化*/ pinsel1=(pinsel1&0xfffffffc)|0x01; /選擇p0.16為eint0 extmode=extmode&0x0e; /電平觸發(fā) extpolar=extpolar&0x0e; /低電平中斷 /*定時器0初始化*/ t0tc=0; /清除 t0計數(shù)值 t0pr=23; /24分頻（24mhz分頻后變成1mhz） t0

22、mr0=1000000; /計數(shù)匹配值 t0ccr=0x0140;/第七位寫1進入捕捉模式 (上升沿捕捉，進入中斷) t0mcr=0x00000002; /匹配后復位t0（不停止） t0tcr=0x00000002; /復位計數(shù)器 t0tcr=0x00000001; /計數(shù)器使能 /*中斷向量初始化*/ vicintselect=0x00000000; /中斷向量寄存器選擇0,irq中斷 vicvectcntl0=0x20|4; /定時器0中斷分配為向量irq通道0 vicvectaddr0=(uint32)irq_t0; /向量irq通道0的中斷服務程序地址為irq_t0 vicvectcn

23、tl1=0x20|14; /eint0中斷分配為向量irq通道1 vicvectaddr1=(uint32)irq_eint0; /向量irq通道1的中斷服務程序地址為irq_eint0 vicintenable=(1<<4)|(1<<14); /定時器0和eint0中斷使能 extint=0x07; /清楚外部中斷標志 /*名稱: main()*功能: 使用pwm6輸出占空比可調的pwm波形，控制直流電機*/int main(void) float pi=0,sum=0; int32 es=0; targetinit(); while(1) if(nu=0) /制動 if(fv=0)/如果正轉 if(n>50) pi=-0.8; else if(n>20) pi=-0.5; else if(n>10) pi=-0.3; else if(n>3) pi=-0.1; else pi=0;flag=1; else /如果反轉 if(n>50) p