基于ARM的直流電機調(diào)速系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

0  引言

    在智能小車的研制開發(fā)中，很重要的一部分就是智能小車要能根據(jù)周圍障礙物的情況自主的調(diào)節(jié)行駛速度和行駛方向。本文中所設計的直流電機調(diào)速系統(tǒng)是智能小車的一個重要組成部分，直流電機調(diào)速系統(tǒng)主要由S3C44B0X處理器和電機驅(qū)動芯片L298N構成，主要功能是驅(qū)動小車的兩個車輪，調(diào)節(jié)小車的行駛速，通過改變兩個車輪的轉(zhuǎn)速差調(diào)節(jié)行駛方向。

1  硬件設計

    由ARM公司設計的采用RISC架構的ARM處理器性能強，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％以上的市場份額。尤以ARM7TDMI系列應用最廣，其性價比也是最高。

1.1  S3C44B0X簡介

    S3C44B0X是由Samsung公司推出的基于ARM7TDMI核的16/32位RISC處理器。此款處理器提供了豐富的通用的片上外設，大大減少了系統(tǒng)電路中除處理器以外的元器件配置。S3C44B0X具有6個16位定時器，每個定時器可以按照中斷模式或DMA模式運行。定時器0，1，2，3，4具有PWM功能，定時器5是一個內(nèi)部定時器。定時器0和1，2和3，4和5分別共享一個8位的預分頻器(Prescaler)，預分頻值的范圍為0—255，通過寄存器TCFG0設定這三個預分頻器的值；定時器0，1，2，3還各擁有一個具有5個不同分頻信號（1/2，1/4，1/8，1/16，1/32）的時鐘分割器（Divider），定時器4和5則各具有一個包含4個分頻信號（1/2，1/4，1/8，1/16）的時鐘分割器。這6個定時器的分割值通過寄存器TCFG1設定。

    定時器輸入時鐘頻率＝MCLK/Prescaler/Divider。其中MCLK＝60MHz是系統(tǒng)的主頻。

1.2   硬件實現(xiàn)

     為提高系統(tǒng)效率、降低功耗，功放驅(qū)動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)部包含二個H橋的高電壓大電流橋式驅(qū)動器，接收標準TTL邏輯電平信號，可驅(qū)動46伏、2安培以下的電機，工作溫度范圍從－25度到130度。其內(nèi)部的一個H橋原理圖如圖1所示。EnA是控制使能端，控制OUTl和OUT2之間電機的停轉(zhuǎn)， IN1、IN2腳接入控制電平，控制OUTl和OUT2之間電機的轉(zhuǎn)向。當使能端EnA有效，IN1為低電平IN2為高電平時，三極管2，3導通，1，4截止，電機反轉(zhuǎn)。當IN1和IN2電平相同時，電機停轉(zhuǎn)。表1是其使能引腳，輸入引腳和輸出引腳之間的邏輯關系。

圖1.  H橋原理圖

表1.電機運行邏輯關系

    由于S3C44B0X本身就帶有5個PWM輸出口，直接輸出控制信號到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器1和2作為產(chǎn)生PWM的定時器。通過編程設定I／O口PE4和PE5作為定時器1，2輸出PWM的端口，接入L298N的EnA和EnB端口，根據(jù)定時器1，2輸出的PWM頻率分別控制兩個直流電機的轉(zhuǎn)速。 PE6設定為輸出端口連接IN1并通過一反向器連接IN2；同樣，PE7也設為輸出端口，接入IN3并經(jīng)一個反向器接入IN4。通過接入反向器，IN1和IN2，IN3和IN4就不會同時處于高電平或低電平，即不會因為IN1和IN2，IN3和IN4電平相同而使電機停止轉(zhuǎn)動。電機的停止操作可以通過調(diào)制脈沖寬度為0即占空比為0或者關閉定時器的使能位實現(xiàn)。這樣只需一路信號PE6就可控制IN1和IN2的狀態(tài)，PE7控制IN3和IN4的狀態(tài)，從而使得系統(tǒng)的控制信號得到減少，在一定程度上簡化了系統(tǒng)。為保證L298N驅(qū)動芯片正常工作，還要在其與直流電機之間加入四對續(xù)流二極管用以將電機中反向電動勢產(chǎn)生的電流分流到地或電源正極，以免反向電動勢對L298N產(chǎn)生損害。

圖2. 系統(tǒng)原理圖

2  系統(tǒng)的軟件設計 

2.1 定時器工作方式

    在S3C44B0X中，每個定時器具有一個倒計時器，通過定時器時鐘源驅(qū)動16位倒計時寄存器TCNTn。定時器啟動前，要向定時計數(shù)緩沖區(qū)寄存器（TCNTBn）寫入一個初始值，這個值在定時器啟動時載入到倒計時器TCNTn中。在定時器的比較緩沖器寄存器（TCMPBn）中同樣也要寫入一初始值，運行時用來載入到比較寄存器TCMPn中與倒計時器TCNTn的值相比較。系統(tǒng)啟動時，需要通過置手動刷新位的方式，將TCMPBn和TCNTBn這兩個緩沖區(qū)的值載入到TCMPn和TCNTn中。TCMPBn和TCNTBn這兩個緩沖區(qū)的應用（即雙緩沖器）使定時器能夠在頻率和占空比同時變化時，仍然產(chǎn)生一個穩(wěn)定的輸出。一般啟動定時器的步驟如下：

1），將初始值寫入到TCNTBn和TCMPBn中。

2），設置對應定時器的自動重載位

3），設置對應定時器的手動更新位,反向器置為off狀態(tài).

3），設置對應定時器的啟動位來啟動定時器，同時清除手動更新位。

    此時定時器TCNTn開始倒計數(shù)，當TCNTn具有與TCMPn相同的值時，TOUTn的邏輯電平由低變高。當計數(shù)器TCNTn到達0時將產(chǎn)生定時器中斷請求，通知CPU定時器操作已經(jīng)完成。此時，如果自動重載控制位使能，TCNTBn的值會自動載入到TCNTn寄存器中，并開始下一操作周期。如果通過清除定時器使能位等方法使定時器停止，計數(shù)值將不會自動重載。

2.2  調(diào)制PWM

    脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation—PWM)是指將輸出信號的基本周期固定，通過調(diào)整基本周期內(nèi)工作周期的大小來控制輸出功率。對于一個定時器來說，其時鐘源輸入頻率一般不變，即TCFG0（定時器預分頻值）和TCFG1（定時器分割值）的值設定后就不需改變。這樣對于PWM提供了一個穩(wěn)定的時鐘源。電機的轉(zhuǎn)速與電機兩端的電壓成比例，而電機兩端的電壓與控制波形的占空比成正比，因此電機的速度與占空比成比例，占空比越大，電機轉(zhuǎn)得越快。系統(tǒng)中PWM脈沖頻率就由TCNTBn決定，PWM脈沖寬度值則由TCMPBn的值來決定，而占空比即為TCMPn/TCNTn。如果要使電機轉(zhuǎn)速下降，即得到一個比較低的PWM脈寬輸出值，可以減少TCMPBn的值；要使電機轉(zhuǎn)速增加，即得到一個更高的PWM的輸出值，可以增加TCMPBn的值。由于雙緩沖器的特性，下一個PWM周期的TCMPBn值可以通過ISR（中斷服務程序）或其他手段在當前PWM周期中低電平時的任何一點寫入,即在程序中可以通過中斷重新設定TCMPBn的值來改變電機的轉(zhuǎn)速。緩沖區(qū)TCMPBn，TCNTBn的值不一定等于這個周期的TCMPn，TCNTn的值，但一定是TCMPn，TCNTn的下一個周期的值。

2.3  程序代碼

    本文中的應用程序是在ADS1.2的開發(fā)環(huán)境下交叉編譯后下載到Flash中運行的。程序代碼（以定時器1為例）:

//初始化端口

void  Init_PortE( )

{

rPCONE=0x5a00; //定義I/O口//PE4,PE5,PE6,PE7的//功能

rPUPE=0xf8; //禁止相應位的電阻上拉使能

}

//啟動A號電機，此電機由定時器1控制

void  Start_MotorA ( )

{

 rTCNTB1=Motor_CONT;//給兩個緩沖器//賦值

 rTCMPB1=Motor_cont;

 rTCON |=(0x01<<11); //定時器1自動重載

 rTCON |=(0x01<<9); //手動刷新置位

 rTCON &= ~ (0x01<<10); //關反向器

 rTCON |=(0x01<<8); //啟動定時器1

 rTCON &= ~ (0x01<<9); //清手動刷新位

}

//A電機停止

void  Stop_Motor1()

{

 rTCON &= ~ (0x01<<8); //清定時器1使能位

}

//改變電機占空比和轉(zhuǎn)向

void SetPWM (int valueA, int drct)

{

rPDATE=drct; // drct定義PE6口輸出高電平還是低電平，控制電機轉(zhuǎn)向

rTCMPB1=Motor_COUNT*valueA/0x64;//valueA為占空比,亦可設置valueA為0使電機A停//止轉(zhuǎn)動。

}

    另一電機的相關設置同上。小車行進過程中可以同時改變兩組PWM的占空比來調(diào)節(jié)小車的行駛速度；通過設置兩組不同的占空比形成兩個車輪的轉(zhuǎn)速差達到改變行駛方向的目的。

    在對比了100Hz，1KHz，10KHz的PWM輸出驅(qū)動電機的情況發(fā)現(xiàn)：當頻率為100 Hz時，電機運行呈間隙轉(zhuǎn)動狀態(tài)；當頻率為10KHz時，電機運行不平穩(wěn)；當頻率為1KHz時，不同占空比下電機運行都很平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向改變迅速。圖3是由示波器產(chǎn)生的PWM頻率為1KHz，占空比為30％，電機反轉(zhuǎn)情況下的調(diào)制波形。

圖3占空比為30％，電機反轉(zhuǎn)

圖4是由示波器產(chǎn)生的PWM頻率為1KHz，占空比80%，電機正轉(zhuǎn)時的調(diào)制波形。

圖4占空比為30％，電機反轉(zhuǎn)

3  結束語

    本文中所設PWM的輸出頻率為1KHZ，所用直流電機是120轉(zhuǎn)/分鐘，額定電壓為12V（電機外不加其他感性負載）。本課題最終實現(xiàn)的是基于ARM的嵌入式智能小車系統(tǒng)，而直流電機的PWM調(diào)速控制是其中一個重要的子系統(tǒng)。實驗證明，Samsung公司的16/32位RISC處理器S3C44B0X對調(diào)制PWM實現(xiàn)方便，可編程，電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向的改變迅速，無停頓，可以很好的為智能小車服務。

參考文獻：

[1]  杜春雷  ARM體系結構與編程[M]  北京:  清華大學出版社   2003
[2] S3C44B0X USER MANUAL. SAMSUNG  ELECTRONICS
[3]  田澤    嵌入式系統(tǒng)與應用[M]   北京：北京航空航天大學出版社  2005
[4]  李洪科 吳漢松等   基于RTW的無刷直流電機控制系統(tǒng)仿真的新方法      微計算機信息2005,06(006),P12-14