毕设 无极调速电机控制器设计

桂林电子科技大学实训说明书专用纸编号：嵌入式系统综合实训说明书题目：无极调速电机控制器设计院（系）：信息与通信学院专业：电子信息工程学生姓名：学号：指导教师：2014年12月31日摘要脉冲宽度调制(PWM)，是英文“PulseWidthModulation”的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。直流电动机是将直流电能转换为机械能的电动机，因其良好的调速性能而在电力拖动中得到广泛应用。本课题设计PWM信号发生器控制直流电机，采用新唐Nuc140开发板的PWM模块、LCD液晶显示模块和键盘输入模块，利用按键输入控制PWM输出到直流电机，控制直流电机的无级调速，并在液晶LCD上显示。两个按键分别调节直流电机的速度增加和速度减小。关键字：PWM；nuc140开发板；直流电机；按键；LCD；无级调速

AbstractThePulseWidthModulation(PWM),isEnglish"WidthModulation"abbreviationofpoints,abbreviationPulseWidthModulationistheuseofthemicroprocessordigitaloutputtoanalogcircuitstocontrolaneffectivetechnology,widelyusedinfrommeasurement,communicationtopowercontrolandtransforminmanyareas.DCmotorisaDCelectricenergyintomechanicalenergyofthemotor,duetoitsgoodspeedperformanceandhasbeenwidelyusedinelectricdrive.ThedesignofPWMsignalgeneratortocontroltheDCmotor,usingtheNuvotonNuc140developmentboardchipPWMmodule,LCDdisplaymoduleandakeyboardinputmodule,usingthekeyinputcontrolPWMoutputtoaDCmotor,steplessspeedcontrolofDCmotor,anddisplayedintheLCD.ThetwokeysareadjustingthespeedofDCmotorspeedincreaseanddecrease.Keywords：PWM;Nuc140developmentboard;Dcmotor;Button;LCD；steplessspeedregulation目录引言 引言脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。随着电力半导体交流技术的日益发展成熟，直流电机在许多领域已被整流装置代替，但直流电动机具有良好的启动、调速和正反转特性，能满足生产过程中的各种特殊要求，因而在需要宽广调速的场合及特殊要求的自动化控制系统中占有一定得应用地位。

1设计任务(1)输出PWM信号。(2)PWM信号频率通过按键（周期）可调。(3)PWM信号输出控制电机无级调速。(4)PWM信号频率通过LCD显示。2设计平台2.1开发板NU-LB-NUC140介绍NU-LB-NUC140是基于NUC100系列单片机为新唐科技的的Cortex™-M0电路板，并提供了完整的开发环境，NUC140微控制器具有4K/8K/16K字节的内部SRAM和32K/64K/128K字节的嵌入式闪存，内置的1.8VLDO，集成定时器，看门狗定时器，RTC，PDMA，UART，SPI/SSP，I2C，PWM定时器，GPIO，LIN，CAN，USB2.0FS设备，12位ADC，模拟比较器，低电压探测器和欠压检测功能。它支持掉电检测。NU-LB-NUC140学习板类似于其他开发板。用户可以用它来开发和验证应用程序来模拟真实的行为。本用户手册提供有关硬件的功能和有关使用该学习板信息。下图显示了NU-LB-NUC140开发板。图2.1NU-LB-NUC140开发板2.2NU-LB-NUC140板的框图图3.2显示了NU-LB-NUC140板的框图。图2.2NU-LB-NUC140板的框图2.3NU-LB-NUC140板的主要组成部分主要成分：（1）MCU：NuMicroTMNUC140MCU，它可以运行高达50MHz的运行速度。（2）GPIO扩展插槽：支持所有的GPI/O引脚接口，GPIO扩展插槽。（3）AUDIO：WAU8822音频编解码器。（4）I2CEEPROM：24LC64I2CE2PROM。（5）SPIFLASH：25Q16SPI串行FLASH用于数据存储。（6）UART：UART端口0连接到DSUB-9连接器。（7）SD卡插槽：通过SPI端口1支持一个SD卡插槽。（8）LCD连接器：支持LCD模块。（9）直流电源插孔：5V/1A电源适配器输入。（10）LDO：5V至支持NUC140和车载设备3.3V/1ALDO。（11）USB：USB连接功能。（12）蜂鸣器。（13）按键矩阵。（14）7段LED。（15）CAN接口。（16）可变电阻。（17）PWM/Capture。（18）4K/8K/16K字节内建SRAM。3硬件设计3.1总体设计方案与系统构成本次实训课题——基于嵌入式ARM的无极调速电机控制器设计。软件程序从下载口接入Nu-LB-NUC140开发板，通过PWM专用的标准定时器还有匹配器以及按键控制电路来实现PWM的输出控制直流电机的转动。电路系统构成框图如图2.1所示。LCD显示主控模块nuc140ve3cn芯片LCD显示主控模块nuc140ve3cn芯片驱动电机程序下载驱动电机程序下载按键输入按键输入图3.1电路系统构成3.2NUC140VE3CN芯片本系统主要由嵌入式ARMCortexM0芯片NUC140VE3CN构成，按键输入控制输出电机的无极调速，液晶LCD显示状态。芯片NUC140VE3CN是该系统的主要部分。3.2.1NUC140VE3CN管脚NUC140VE3CN芯片管脚图如图3.3.1所示图3.3.1NUC140VE3CN芯片管脚图3.2.2NUC140VE3CN芯片主要性能（1）ARMCortexM0内核最高运行50MHz的为微型处理器。（2）4K/8K/16K字节内建SRAM。（3）最多支持2组I2C设备，一组12Mbps的USB2.0FS设备，持4组SPI控制器。（4）EmbeddedICERT和嵌入式跟踪接口可实时调试和高速跟踪执行代码。（5）12位ADC，转换速率达700KSPS，最多8通道单端模式输入或4通道差分模式输入。（6）通过频率补偿寄存器(FCR)支持软件频率补偿功。（7）四个16位PWM产生器，可输出8路PWM或4组互补配对PWM，8路16位捕捉定时器（共享PWM定时器）提供8路输入的上升/下降沿的捕捉功能，。（8）支持4组32位定时器,每个定时器有一个24位向上计数定时器和一个8位预分频计数器。（9）支持EBI可访问的空间:8位模式为64KB或16位模式为128KB。（10）支持四级检测电压：4.5V/3.8V/2.7V/2.2V。（11）看门狗定时溢出的中断/复位选择。（12）通过片内PLL可实现最大为60MHz的CPU操作频率，PLL的稳定时间为100us。（13）支持一组PLL,高至50MHz,用于高性能的系统运行，外部4~24MHz晶振输入用于USB和精准的定时操作，外部32.768kHz晶振输入用于RTC及低功耗模式操作。（14）2组模拟比较器模块。（15）可通过个别使能/禁止外部功能和降低外部时钟来优化功耗。（16）通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒。（17）单个电源供电，含有上电复位（POR）和掉电检测（BOD）电路。3.2.3NUC140VE3CN的应用（1）工业控制（2）医疗系统（3）访问控制（4）军事设备（5）无线通讯领域（6）ARM开发（7）一般性应用（8）消费类电子产品3.3PWM模块NUC140有2组PWM，支持4组PWM发生器，这些发生器可以配置成8个独立的PWM输出PWM0~PWM7，或4组互补的PWM对，(PWM0,PWM1),(PWM2,PWM3),(PWM4,PWM5)和(PWM6,PWM7)带4个可编程的死区发生器。每组PWM发生器带有一个8-位预分频，一个提供5级时钟源(1,1/2,1/4,1/8,1/16)的时钟除频器，两个包含2个时钟选择的PWM定时器，两个用于PWM周期控制的16位PWM向下计数计数器，两个16位比较器用于PWM占空比控制及死区发生器。4组PWM发生器提供8个独立的由硬件置位的PWM中断标志，当相应的PWM向下计数周期达到0时触发中断。每个PWM中断源通过相应的使能位允许CPU来请求PWM中断。PWM发生器可以定义为产生单周期PWM周期信号的单触发模式或连续输出PWM波形的连续模式。PWM-定时器其中之一特性是数字输入捕捉功能。若捕捉功能使能，则PWM的输出管脚会被切换成捕捉输入模式。捕捉器0和PWM0共用PWM0中的定时器；捕捉器1和PWM1共用PWM1定时器，以此类推。因此用户在使用捕捉功能之前，必须预先配置PMW定时器。3.3.1PWM特性1.PWM功能特性：（1）PWM组有两个PWM发生器。每个PWM支持8-位预分频器，一个时钟除频器，两个PWM定时器（向下计数），一个死区发生器和两个PWM输出。（2）最高16-位解析度。（3）PWM中断请求与PWM周期同步（4）One-shot或Auto-reload模式（5）最高2个PWM组(PWMA/PWMB)可支持8路PWM通道或4对PWM通道2.捕捉功能特征：（1）与PWM发生器共用定时器模块。（2）支持8个捕捉输入通道，共享8个PWM输出通道。（3）每个通道支持1个上升沿锁存寄存器(CRLR)，一个下降沿锁存寄存器(CFLR)和捕捉中断标志(CAPIFx)。3.3.2PWM框图本系统只使用了PWM发生器0，下图3.4.2.1和图3.4.2.2分别为PWM发生器0时钟源控制框图和PWM发生器0结构框图。图3.3.2.1PWM发生器0时钟源控制框图图3.3.2.2PWM发生器0结构框图3.3.3PWM定时器操作PWM周期和占空比控制由向下计数的PWM寄存器(CNR)和PWM比较寄存器(CMR)配置。PWM-定时器工作时序如图5-42。脉宽调制的公式如下，PWM-定时器的图例如图5-41。注：在PWM功能使能前，MCU相应的GPIO管脚必须配置成PWM功能（使能POE并禁用CAPENR）。PWM频率=PWMxy_CLK/[(prescale+1)*(clockdivider)*(CNR+1)];xy代表01,23,45或67，取决于所选择的PWM通道。占空比=(CMR+1)/(CNR+1)CMR>=CNR:PWM输出为高CMR<CNR:PWM低脉宽=(CNR-CMR)unit[1];PWM高脉宽=(CMR+1)unitCMR=0:PWM低脉宽=(CNR)unit;PWM高脉宽=1unit下图3.3.3.1为PWM定时器内部比较器输出。图3.3.3.1PWM定时器内部比较器输出下图3.3.3.2为PWM定时器操作时序。图3.3.3.2PWM定时器操作时序3.3.4PWM双缓存，自动重载以及单触发模式PWM定时器具有双缓存功能。寄存器预先设定的值，在一个周期完成后，可以自动重载。PWM计数器的值写入CNRx，并可从PDRx读出当前PWM计数器的值。PWM控制寄存器(PCR)中CH0MOD位定义PWM0是自动重载模式或是单触发模式。如果CH0MOD设为1，当PWM计数器计到0，自动重载CNR0值到PWM计数器。如果CNR0设为0，PWM计数器计数到0后，将暂停运行。如果此时CH0MOD也设为0，计数器会立即停止。PWM1~PWM7运行状态与PWM0相同。下图3.3.4为PWM双缓存图解。图3.3.4PWM双缓存图解3.3.5可调占空比双缓存允许CMRx字在当前周期的任意时刻改写。导入值会在下一个周期生效。下图3.3.5为PWM控制输出占空比图。图3.3.5PWM控制输出占空比图3.3.6PWM定时器开启过程使用下列步骤用于启动PWM。1.设置时钟选择(CSR)。2.设置预分频器(PPR)。3.设置反转打开/关闭，死区发生器打开/关闭，自动重载/单触发模式以及停止PWM-定时器(PCR)。4.设置比较器寄存器(CMR)来设定PWM占空比。5.设置PWM向下计数计数器寄存器(CNR)来设定PWM周期。6.设置中断使能寄存器(PIER)。7.设置相应GPIO管脚为PWM功能（使能POE并禁用CAPENR）用于PWM通道。8.使能PWM定时器开始运行（设置PCR中的CHxEN=1）。3.3.7PWM定时器关闭过程本程序所使用的关闭方法为设置16-位向下计数计数器(CNR)为0，并查看PDR（16-位向下计数计数器的当前值）。当PDR达到0，禁用PWM-定时器（PCR的CHxEN位）。3.4直流电机和驱动模块3.4.1直流电机驱动模块驱动的实现本系统的直流电机驱动模块为L298电机驱动模块。板上有个三端稳压器L7805，当如果需要用电机的电源为控制部分供电的情况下可以把短路帽短路上，这样板上就可以输出一路5V电压为控制部分电，但这样的话隔离芯片就起不到隔离作用，所以短路帽就起到隔离使能的作用。该模块具有信号指示，可驱动直流5-30V之间电压的电机，最大输出电流2A（瞬间峰值电流3A)，最大输出功率25W；可输出l路5V电压为控制板供电；带光耦隔离，抗干扰能力强，具有续流保护等功能。3.4.2直流电机类型直流电机可按其结构、工作原理和用途等进行分类，其中根据直流电机的用途可分为以下几种：直流发电机（将机械能转化为直流电能）、直流电动机（将直流电能转化为机械能）、直流测速发电机（将机械信号转换为电信号）、直流伺服电动机（将控制信号转换为机械信号）。下面以直流电动机作为研究对象。3.4.3直流电机结构直流电机由定子和转子两部分组成。在定子上装有磁极（电磁式直流电机磁极由绕在定子上的磁绕提供〉，其转子由硅钢片叠压而成，转子外圆有槽，槽内嵌有电枢绕细，绕细通过换向器和电刷引出，直流电机结构如图3.4.2所示。图3.4.3直流电机结构3.4.4直流电机工作原理直流电机电路模型如下图3.4.4所示，磁极N、S间装着一个可以转动的铁磁圆柱体，圆柱体的表面上固定着一个线圈abed。当线圈中流过电流时，线圈受到电磁力作用，从而产生旋转。根据左手定则可知，当流过线圈中电流改变方向时，线圈的受方向也将改变，因此通过改变线圈电路的方向实现改变电机的方向。图3.4.4直流电机电路模型3.4.5直流电机主要技术参数直流电机的主要额定值有：额定功率Pn：在额定电流和电压下，电机的负载能力。额定电斥Ue：长期运行的最高电压。额定电流le：长期运行的最大电流。额定转速n：单位时间内的电机转动快慢。以r/min为单位。励磁电流E：施加到电极线圈上的电流。3.5按键模块和液晶显示模块本设计系统使用了NU140开发板的3×3键盘的K1和K2两个按键作为电机控制输入，以及显示所需要的128×64点阵LCD面板。4软件设计4.1软件设计流程及分析总体软件设计流程图如图4.1所示。开始转速减小，松开停留转速增大，松开停留K1按下K2按下设置PWM寄存器产生PWM信号并输出初始化程序扫描按键LCD显示输出开始转速减小，松开停留转速增大，松开停留K1按下K2按下设置PWM寄存器产生PWM信号并输出初始化程序扫描按键LCD显示输出图4.1总体软件设计流程图系统总体的设计开始初始化系统，设置PWM寄存器产生PWM信号并输出，检测按键，若K1按下，输出改变控制直流电机的转速持续减小，松开按键，电机转速停留在此刻速度不改变，LCD显示输出；当按下K2，输出改变控制直流电机的转速持续增大，松开按键，电机转速停留在此刻速度不改变，LCD显示输出。4.2初始化程序初始化程序如下#include<stdio.h>#include"PWM.h"#include"LCD.h"#include"Scankey.h" init_LCD(); clear_LCD(); print_Line(0,"PWM_DCmotor"); OpenKeyPad(); init_PWM(0,0,119,4);//初始化PWM0（GPA12）输出1MHz的方波 Clock=12000000; PreScaler=119; ClockDivider=1; DutyCycle=50; tone=0;4.3PWM频率的设定uint32_tFrequency;uint32_ttone;uint32_tClock; uint8_tPreScaler; uint8_tClockDivider; uint8_tDutyCycle; uint16_tCNR,CMR;init_PWM(0,0,119,4); Clock=12000000; PreScaler=119; ClockDivider=1; DutyCycle=50; tone=7000;Frequency=tone;初始化PWM0输出1Mhz的方波，设定初始PWM频率为7000。4.4PWM占空比的计算CNR=Clock/Frequency/(PreScaler+1)/ClockDivider-1;CMR=(CNR+1)*DutyCycle/100-1; PWM_Out(0,CNR,CMR);计算占空比并调用库函数PWM_Out（）进行输出。4.5程序的实现init_PWM(0,0,119,4); Clock=12000000; PreScaler=119; ClockDivider=1; DutyCycle=50; tone=7000; while(1) { number=ScanKey(); if(number==1) { print_Line(2,"Speeddecreasing"); tone=tone+100; if(tone>18000) tone=18000; } if(number==2) { print_Line(2,"Speedincreasing"); tone=tone-100; if(tone<0) tone=0; } DrvSYS_Delay(10000000);设定初始PWM输出频率为7000，此时电机转速为中等速度，若K1键按下输出频率增加，占空比改变，输出电压持续减小，电机转速减小，松开，输出频率不变，电机转速不变；若K2键按下输出频率减小，占空比改变，输出电压持续增大，电机转速增加，松开，输出频率不变，电机转速不变，实现简单的无极电机转速的控制。结论这次实训匆忙的结束了。由于学期末考试的原因使得这次实训时间有点仓促，且在这个过程中遇到了好多困难，但总的来说，我基本按要求完成了无极调速电机控制器设计的要求。尽管这次基本能完成了设计的要求，但我觉得我还有很多需要改进的地方，以后很长一段时间，还需加强这方面的学习。在这实训中，把理论和实践相结合，我学到了许多新的知识。首先，完成这次实训之前选择性地学习了本次实训所使用的开发板的相关知识，同时深刻认识到自己很多知识的不足，比如C语言相关编程等知识的薄弱，查阅和复习了很多有关的知识。设计过程，首先考虑的是使用直流电机还是步进电机，因为自己是第一次使用嵌入式芯片，直流电机相对简单，因此选择了直流电机。在编写程序的时候，遇到的问题最多，由于我是第一次嵌入式芯片，刚开始只是先学习开发板的相关例程，然后才一点点地从例程出发，不断地修改编写，遇到困难和、老师讨论，不断地克服困难，并且恶补了自己的C语编程知识。经过这次设计，我觉得自己真的学到了不少东西。同时学会了怎样查阅资料和利用工具书。在这次设计过程中经常遇到一些不曾学过的东西，但能有针对性地查找资料，然后加以吸收利用，提高了自己的应用能力，而且还增长了自己的见识，补充了专业知识，增强了自己的动手能力，而且还磨练了自己的耐性。收获颇多。

谢辞通过本次设计不仅是对我们的专业知识的检查与总结，而且是对今后学习研究的一种的激励。过程中得到刘争红老师的悉心指导，多次询问研究进程，并为我提供了大量宝贵的建议和相关的文献资料，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。同时也要感谢热心帮助我的同学，帮助我克服了很多困难。紧张的日子也总算告一段落，回味起来,感触颇多。在此过程中，我遇到了许多问题，通过老师和同学的帮助以及自己查阅资料等多种途径，解决了许多问题，也提高了自己独立思考问题、分析问题、解决问题的能力，同时也提高了实践能力。最后我要感谢这段时间来所有帮助过我的老师、同学和朋友，是你们让我的不断发现自己的不足并帮助我解决一个个设计上的问题，给我留下了美好的回忆。非常感谢！

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