基于S3C2440A的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

直流電機(jī)作為一種動(dòng)力產(chǎn)生裝置，在工業(yè)及日常生活中得到了廣泛應(yīng)用。對(duì)直流電機(jī)的控制有兩方面：轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向。ARM是近年來發(fā)展非常迅速的處理器，有著很好的應(yīng)用前景。將ARM處理器應(yīng)用于直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，有極大的使用價(jià)值。本文將S3C2440A處理器應(yīng)用于直流電機(jī)的控制，對(duì)系統(tǒng)的工作原理及工作流程進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì)。

1 PWM功能簡(jiǎn)介
PWM(Pulse Width Modulation，脈寬調(diào)制器)功能是由處理器提供的一種定時(shí)器。通過對(duì)PWM功能寄存器的設(shè)置，就可以設(shè)定占空比的大小、定時(shí)頻率的高低，這樣就可以通過控制電路來實(shí)現(xiàn)PWM輸出。
PWM的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是從處理器到被控制系統(tǒng)的信號(hào)都是數(shù)字形式的，無需進(jìn)行數(shù)／模轉(zhuǎn)換。讓信號(hào)保持為數(shù)字形式可以將噪聲影響降到最小，噪聲只有在強(qiáng)到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或者將邏輯0改變?yōu)檫壿?時(shí)，才能對(duì)數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生影響。
對(duì)噪聲抵抗能力的增強(qiáng)是PWM相對(duì)于模擬控制的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，而且這也是在某些時(shí)候?qū)WM用于通信的主要原因。從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)向PWM可以極大地延長(zhǎng)通信距離。在接收端，通過適當(dāng)?shù)腞C或LC網(wǎng)絡(luò)可以濾除用于調(diào)制的高頻方波并將信號(hào)還原為模擬形式。
PWM廣泛應(yīng)用在多種系統(tǒng)中。這里將其應(yīng)用于直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。

2 硬件設(shè)計(jì)
由ARM公司設(shè)計(jì)的采用RISC架構(gòu)的ARM處理器性能強(qiáng)，功耗低，體積小，支持Thumb(16位)／ARM(32位)雙指令集，指令執(zhí)行速度快。目前ARM系列微處理器在32位RISC嵌入式產(chǎn)品中已經(jīng)占據(jù)75％以上的市場(chǎng)份額。現(xiàn)在ARM已經(jīng)發(fā)展到了ARM11系列，不過市場(chǎng)上應(yīng)用最多的還是ARM9系列，其性價(jià)比也占有優(yōu)勢(shì)。
2．1 S3C2440A簡(jiǎn)介
S3C2440A是由Samsung公司推出的基于ARM920T內(nèi)核的16／32位RISC處理器。此款處理器提供了豐富通用的片上外設(shè)，大大減少了系統(tǒng)電路中除處理器以外的元器件配置。S3C2440A有4路PWM定時(shí)器，1路內(nèi)部定時(shí)器，8路ADC和觸摸屏接口，130個(gè)通用I／O，24個(gè)外部中斷源。最高工作頻率可以達(dá)到400 MHz，完全能夠完成設(shè)計(jì)要求。
2．2 硬件實(shí)現(xiàn)
為提高系統(tǒng)效率，降低功耗，功放驅(qū)動(dòng)電路采用基于雙極型H橋型脈寬調(diào)制方式(PWM)的集成電路L298N。L298N是SGS公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含兩個(gè)H橋高電壓大電流橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，可以驅(qū)動(dòng)46 V，2 A以下的電機(jī)，工作溫度范圍-25～+130℃。L298N的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

L298N可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)2個(gè)直流電機(jī)，在這里只需要用到1個(gè)，將電機(jī)放在OUT1與OUT2之間即可。其中EnA是控制使能端，控制OUT1和OUT2之間電機(jī)的停轉(zhuǎn)。IN1，IN2腳接入控制電平，控制OUT1和OUT2之間直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。當(dāng)使能端EnA有效，IN1為低電平IN2為高電平時(shí)，三極管T2，T3導(dǎo)通，T1，T4截止，電機(jī)反轉(zhuǎn)；相反當(dāng)IN1為高電平IN2為低電平時(shí)，三極管T1，T4導(dǎo)通，T2，T3截止，電機(jī)正轉(zhuǎn)。當(dāng)IN1，IN2電平相同時(shí)，電機(jī)停轉(zhuǎn)。
由于S3C2440A本身就帶有4個(gè)PWM輸出口，直接輸出控制信號(hào)到L298N即可，無須另加電路。系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。系統(tǒng)中選用了工作在中斷模式下的定時(shí)器1作為產(chǎn)生PWM的定時(shí)器。通過編程設(shè)定I／O口GPB0作為定時(shí)器1輸出PWM的端口，接入L298N的EnA端口，根據(jù)定時(shí)器1輸出的PWM頻率分別控制2個(gè)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。端口IN1連接GPB5，IN2連接GPB6。通過改變GPB5與GPB6電平的高低實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。電機(jī)的停止操作可以通過調(diào)制脈沖寬度為0即占空比為0或者關(guān)閉定時(shí)器的使能位實(shí)現(xiàn)。為保證L298N驅(qū)動(dòng)芯片正常工作，還要在其與直流電機(jī)之間加入兩對(duì)續(xù)流二極管用以將電機(jī)中反向電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的電流分流到地或電源正極，以免反向電動(dòng)勢(shì)對(duì)L298N產(chǎn)生損害。