基于 LPC2124 的直流电机调速系统 Proteus 仿真1 直流电机、减速器及传感器选型设计要求驱动轮式机器人，两轮的直径相同为0.1m，驱动电机选用直流电机，为了满足加速度需求，每个电机配备了减速装置，且两轮为独立驱动。小车运行过程中自带电池，电池的供电电压为+24VDC，为满足机器人比赛需要，经需求分析可得该机器人运动控制系统的最大速度为：5.0m/s，最大加速度为：20m/ ，控制方案采用闭环控制方案。2通过计算可知，在没有减速器的情况下，电机应达到955r/min才能实现最大转速5.0m/s，启动时间应该小于0.25s才能达到最大加速度20m/ 的要求。所2以，可以选择额定电压24V，空载转速2500r/min的直流电机，采用调速比2.5的减速器，加速度要求通过软件实现。系统要求采用闭环控制方案，本设计采用转速单闭环控制，选用旋转编码器作为测速传感器。旋转编码器不仅精度高，而且安全稳定、维护方便，在Proteus库里有配套旋转编码器的直流电机，方便仿真。理论上旋转编码器的光栅数越大，测速越精确，但是光栅数的增大会增加制作难度和成本，本设计只是用于轮式机器人的测速，采用光栅数1024的旋转编码器足以，同时可以采用四倍频电路提高转速分辨率。在基于Proteus仿真的直流电机调速系统中，由于各种限制，设计并不能达到系统的具体要求，但是可以作为一个可供参考的调速模型。2 直流电机调速系统硬件设计2.1 硬件系统结构图直流电机转速单闭环调速系统硬件结构图如图 1 所示嵌入式控制系统及应用综合设计 第 1 页 共 15 页图 1 直流电机转速单闭环调速系统硬件结构图2.2 LPC2124 简介LPC2124 是基于一个支持实时仿真和跟踪的 16/32 位 ARM7TDMI-S CPU 的微控制器，并带有 256KB 嵌入的高速 Flash 存储器。128 位宽度的存储器接口和独特的加速结构使 32 位代码能够在最大时钟速率下运行，且可使用 16 位Thumb 模式。LPC2124 支持多种通信接口，包括 UART， 和 SPI 等串行接口以及 PWM2输出接口，外围接口部分设计极为方便、灵活。2.3 电机驱动芯片 L298 介绍L298N 是 ST 公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用 15脚封装。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达 46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达 3A，持续工作电流为 2A；额定功率 25W。内含两个 H 桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。使用 L298N 芯片驱动电机，该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。芯片内部结构图如图 2 所示。嵌入式控制系统及应用综合设计 第 2 页 共 15 页图 2 L298 芯片的内部结构图L298 驱动直流电机参考表 1表 1 L298 驱动直流电机参考表输入 PWM 信号改变脉宽可调速电机 旋转方式 控制端 IN1 控制端 IN2 控制端 IN3 控制端 IN4调速端 A 调速端 B正转 高 低 / / 高 /反转 低 高 / / 高 /M1停止 低 低 / / 高 /正转 / / 高 低 / 高反转 / / 低 高 / 高M2停止 低 低 / / / 高2.4 直流电机调速系统 Proteus 仿真电路Proteus 的元件库中提供许多种类型的电机元件，从简单的直流电机到步进电机、伺服电机都有，我们选取一个带编码器的电机 MOTOR-ENCODER 来仿真，之所以用带编码器的，是因为我们需要用到编码器的输出信号来测量电机的转速。MOTOR-ENCODER 的编码输出与本系统所要求的增量式旋转编码具有同等功能，可提供两路路具有 90 相位差的编码脉冲，利用其中任何一个可实现对转速的检测。嵌入式控制系统及应用综合设计 第 3 页 共 15 页在 MOTOR-ENCODER 的属性中可设置其参数，本系统对 MOTOR-ENCODER 的参数设置如表 2 所示。表 2 Motor-Encoder 参数表参数名 参数值 额定电压 24 V线圈电阻 12 线圈电感 100 mH空载转速 1000 rpm负载率 10 %每转脉冲数 60直流电机调速系统 Proteus 仿真电路如图 2 所示。图 2 直流电机调速系统 Proteus 仿真电路系统采用 24MHz 晶振提供外部时钟，LPC2124 的 P0.6，P0.7 输出高低电平控制电机转速方向；四个二极管作为续流二极管，起保护作用；四个按键通过上拉电阻与 LPC 通用端口相连，按键按下，低电平有效，另外通过一个四输入与门与外部中断 EINT0 相连，通过外部中断方式判断是否有按键按下,四个按键分别实现电机加速、减速、反转、制动的功能。3 直流电机调速系统软件设计嵌入式控制系统及应用综合设计 第 4 页 共 15 页3.1 直流电机调速系统软件设计流程图直流电机调速系统软件设计流程图如图 3 所示，中断程序如图 4、图 5 所示。图 3 调速系统软件 图 4 按键中断 图 5 测速中断设流程图 程序流程图 程序流程图3.2 PWM 模块系统采用 PWM 方法调整电动机的速度，首先应确定合理的脉冲频率。脉冲宽度一定时，频率对电机运行的平稳性有较大影响，脉冲频率高电动机运行的连续性好，但带负载能力差；脉冲频率低则反之。调脉宽的方式有三种：定频调宽、定宽调频和调宽调频。我们采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定；并且在采用 LPC2124 产生 PWM 脉冲的软件实现上比较方便。PWM 输出频率采用系统时钟频率，通过转速调节器调节 PWM 占空比，实现嵌入式控制系统及应用综合设计 第 5 页 共 15 页直流电机的调速驱动。PWM 初始化子程序流程如图 6 所示。图 6 PWM 初始化流程图3.3 测速模块本系统采用 T 法测速，旋转编码器输出的脉冲由 LPC2124 的 P0.28 捕获，电机每转一圈旋转编码器输出 60 个脉冲，每捕获一个编码器输出脉冲，则进入中断读取定时器的值，计算测速时间，通过公式（1-2 ）计算转速(1-1)=60T 法测速原理如图 7 所示。图 7 T 法测速原理图定时器 0 初始化流程图如图 8 所示。嵌入式控制系统及应用综合设计 第 6 页 共 15 页图 8 定时器 0 初始化流程图3.4 数字 PI 调节器模块在微机数字控制系统中，当采样频率足够高时，可以先按模拟系统的设计方法设计调节器，然后再离散化，就可以得到数字控制器的算法，这就是模拟调节器的数字化。当输入时误差函数 e(t)、输出函数是 u(t)时，PI 调节器的传递函数如下：(1-2)tstpiKsEUspiW1)()( 式中：K pi 为 PI 调节器比例部分的放大系数；t 为 PI 调节器的积分时间常数。式子(1-2)的时域表达式可写成：(1-3) dteIKtePdtettepiKtu )()()(1)()(其中， 为比例系数， 1/t 为积分系数。K=K K=将上式离散化成差分方程，其第 k 拍输出为：嵌入式控制系统及应用综合设计 第 7 页 共 15 页(1-4)1()()()()()(1 kueTKkeukeKiTkeKu IsamIPIkiPsamIP其中， 为采样周期。T式(1-4)表述的差分方程为位置式算法，u(k)为第 k 拍的输出值。由式子看出，比例部分只与当前的偏差有关，而积分部分则是系统过去所有偏差的累积。位置式 PI 调节器的结构清晰，P 和 I 两部分作用分明，参数调整简单明了。为了安全起见，常须对调节器的输出实行限幅。在数字控制算法中，要对 u 限幅，只须在程序内设置限幅值 um,当 u(k)um时，便以限幅值 um 作为输出。而位置式算法必须要同时设积分限幅和输出限幅。带有积分限幅和输出限幅的位置式数字 PI 调节程序框图如图 9 所示。嵌入式控制系统及应用综合设计 第 8 页 共 15 页图 9 位置式数字 PI 调节流程图本系统只采用了 P 调节器，即令 PI参数为零，经过仿真发现系统可以较稳定地运行。3.5 直流电机制动直流电机要达到快速制动，必须采用反压制动方式，所以制动过程采用另外独立的程序设计。因为原先采用统一的调速程序发现，制动过程反转超调后就向反方向加速，导致系统不稳定。采用独立的程序设计实现电机逐级制动，随转速降低减小 PI 参数，最后置高 P0.6、P0.7，保证超调也不会反转加速。4 直流电机调速系统 Proteus 仿真结果本系统采用简单的按键操作，实现电机的加速、减速、制动、反转功能，由于时间仓促，在判断按键过程，我们只考虑了只有一个按键按下的情况。本系统各按键的共能如下 加速键用于电机加速，每按一次电机转速增加 10r/min。 减速键用于电机减速，每按一次电机转速减小 10r/min。 制动键用于电机制动，停止电机旋转。 反转键用于电机反转，每按一次电机反转。按键仿真图如图 10 所示。图 10 按键仿真图当连接好仿真图和载入 LPC2124 的执行文件后，单击 Proteus 的仿真启动嵌入式控制系统及应用综合设计 第 9 页 共 15 页按钮，则开始对本系统的仿真。其运行流程如下：（1） 按 20 次加速键让电机启动正转，达到 200r/min，所需时间大致在1.3s 左右，如图 11 所示。图 11 加速正转（2） 按一次减速键，电机转速减小 10r/min，到达 190r/min，如图 12 所示。图 12 减速（3） 按一次反转按键，电机反转，到达-190r/min，如图 13 所示。图 13 反转（4） 按一次制动键，电机制动，转速较大时，电机可以快速制动到接近零，之后缓慢减速，如图 14 所示。图 14 制动经过仿真调试，发现系统可以实现基本的调速功能，并且可以较快速地启动，系统具有较好的稳定性，误差范围在 。1/5 结束语嵌入式控制系统及应用综合设计 第 10 页 共 15 页本设计采用 ARM7 LPC2124 及外部扩展设备实现对直流电机的转速监控，在硬件上采用了基于 PWM 技术的 H 型桥式驱动电路，解决了电机驱动的效率问题，在软件上也采用较为合理的系统结构及算法，提高了 ARM 的使用效率。以往的数字化直流调速系统中转速常用测速发电机来检测，这种测速方法的精度不够高，在低速时更为严重，很难保障生产的高效、安全运行，所以在本次设计中测速采用了目前较先进的旋转编码器测速，即数字测速。数字测速不仅精度高，而且安全稳定、维护方便。本系统的直流调速系统采用单闭环 P调节器控制。用软件编程完成转速驱动，转速检测，实现了对转速的最优化调节。同时还实现了转速的按键输入控制。通过本次设计，加强了我对 ARM 应用知识的掌握，同时了解了目前工业生产中数字化系统的重要性，使我对使用 ARM 实现自动化控制的设计过程有了全面地了解。通过学习控制系统工作原理以及如何利用 ARM 实现各种功能，我查阅了大量相关资料，学会了许多知识，培养了我独立解决问题的能力。同时在对硬件电路设计的过程中，巩固