基于ARM的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)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(shè)計(jì)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是智能小車的一個(gè)重要組成部分，直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要由S3C44B0X處理器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N構(gòu)成，主要功能是驅(qū)動(dòng)小車的兩個(gè)車輪，調(diào)節(jié)小車的行駛速，通過改變兩個(gè)車輪的轉(zhuǎn)速差調(diào)節(jié)行駛方向。

1  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。尤以ARM7TDMI系列應(yīng)用最廣，其性價(jià)比也是最高。

1.1  S3C44B0X簡(jiǎn)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(shè)，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(gè)16位定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器可以按照中斷模式或DMA模式運(yùn)行。定時(shí)器0，1，2，3，4具有PWM功能，定時(shí)器5是一個(gè)內(nèi)部定時(shí)器。定時(shí)器0和1，2和3，4和5分別共享一個(gè)8位的預(yù)分頻器(Prescaler)，預(yù)分頻值的范圍為0—255，通過寄存器TCFG0設(shè)定這三個(gè)預(yù)分頻器的值；定時(shí)器0，1，2，3還各擁有一個(gè)具有5個(gè)不同分頻信號(hào)（1/2，1/4，1/8，1/16，1/32）的時(shí)鐘分割器（Divider），定時(shí)器4和5則各具有一個(gè)包含4個(gè)分頻信號(hào)（1/2，1/4，1/8，1/16）的時(shí)鐘分割器。這6個(gè)定時(shí)器的分割值通過寄存器TCFG1設(shè)定。

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

1.2   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)部包含二個(gè)H橋的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)，可驅(qū)動(dòng)46伏、2安培以下的電機(jī)，工作溫度范圍從－25度到130度。其內(nèi)部的一個(gè)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(jī)的停轉(zhuǎn)， IN1、IN2腳接入控制電平，控制OUTl和OUT2之間電機(jī)的轉(zhuǎn)向。當(dāng)使能端EnA有效，IN1為低電平IN2為高電平時(shí)，三極管2，3導(dǎo)通，1，4截止，電機(jī)反轉(zhuǎn)。當(dāng)IN1和IN2電平相同時(shí)，電機(jī)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(guān)系。

圖1.  H橋原理圖

　　表1.電機(jī)運(yùn)行邏輯關(guān)系{{分頁}}

    由于S3C44B0X本身就帶有5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和2作為產(chǎn)生PWM的定時(shí)器。通過編程設(shè)定I／O口PE4和PE5作為定時(shí)器1，2輸出PWM的端口，接入L298N的EnA和EnB端口，根據(jù)定時(shí)器1，2輸出的PWM頻率分別控制兩個(gè)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 PE6設(shè)定為輸出端口連接IN1并通過一反向器連接IN2；同樣，PE7也設(shè)為輸出端口，接入IN3并經(jīng)一個(gè)反向器接入IN4。通過接入反向器，IN1和IN2，IN3和IN4就不會(huì)同時(shí)處于高電平或低電平，即不會(huì)因?yàn)镮N1和IN2，IN3和IN4電平相同而使電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。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)。這樣只需一路信號(hào)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(hào)得到減少，在一定程度上簡(jiǎn)化了系統(tǒng)。為保證L298N驅(qū)動(dòng)芯片正常工作，還要在其與直流電機(jī)之間加入四對(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。

　　圖2. 系統(tǒng)原理圖

2  系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 

2.1 定時(shí)器工作方式

    在S3C44B0X中，每個(gè)定時(shí)器具有一個(gè)倒計(jì)時(shí)器，通過定時(shí)器時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)16位倒計(jì)時(shí)寄存器TCNTn。定時(shí)器啟動(dòng)前，要向定時(shí)計(jì)數(shù)緩沖區(qū)寄存器（TCNTBn）寫入一個(gè)初始值，這個(gè)值在定時(shí)器啟動(dòng)時(shí)載入到倒計(jì)時(shí)器TCNTn中。在定時(shí)器的比較緩沖器寄存器（TCMPBn）中同樣也要寫入一初始值，運(yùn)行時(shí)用來載入到比較寄存器TCMPn中與倒計(jì)時(shí)器TCNTn的值相比較。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，需要通過置手動(dòng)刷新位的方式，將TCMPBn和TCNTBn這兩個(gè)緩沖區(qū)的值載入到TCMPn和TCNTn中。TCMPBn和TCNTBn這兩個(gè)緩沖區(qū)的應(yīng)用（即雙緩沖器）使定時(shí)器能夠在頻率和占空比同時(shí)變化時(shí)，仍然產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的輸出。一般啟動(dòng)定時(shí)器的步驟如下：

1），將初始值寫入到TCNTBn和TCMPBn中。

2），設(shè)置對(duì)應(yīng)定時(shí)器的自動(dòng)重載位

3），設(shè)置對(duì)應(yīng)定時(shí)器的手動(dòng)更新位,反向器置為off狀態(tài).

3），設(shè)置對(duì)應(yīng)定時(shí)器的啟動(dòng)位來啟動(dòng)定時(shí)器，同時(shí)清除手動(dòng)更新位。

    此時(shí)定時(shí)器TCNTn開始倒計(jì)數(shù)，當(dāng)TCNTn具有與TCMPn相同的值時(shí)，TOUTn的邏輯電平由低變高。當(dāng)計(jì)數(shù)器TCNTn到達(dá)0時(shí)將產(chǎn)生定時(shí)器中斷請(qǐng)求，通知CPU定時(shí)器操作已經(jīng)完成。此時(shí)，如果自動(dòng)重載控制位使能，TCNTBn的值會(huì)自動(dòng)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(shí)器使能位等方法使定時(shí)器停止，計(jì)數(shù)值將不會(huì)自動(dòng)重載。{{分頁}}

2.2  調(diào)制PWM

    脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation—PWM)是指將輸出信號(hào)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(duì)于一個(gè)定時(shí)器來說，其時(shí)鐘源輸入頻率一般不變，即TCFG0（定時(shí)器預(yù)分頻值）和TCFG1（定時(shí)器分割值）的值設(shè)定后就不需改變。這樣對(duì)于PWM提供了一個(gè)穩(wěn)定的時(shí)鐘源。電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電機(jī)兩端的電壓成比例，而電機(jī)兩端的電壓與控制波形的占空比成正比，因此電機(jī)的速度與占空比成比例，占空比越大，電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速下降，即得到一個(gè)比較低的PWM脈寬輸出值，可以減少TCMPBn的值；要使電機(jī)轉(zhuǎn)速增加，即得到一個(gè)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(gè)PWM周期的TCMPBn值可以通過ISR（中斷服務(wù)程序）或其他手段在當(dāng)前PWM周期中低電平時(shí)的任何一點(diǎn)寫入,即在程序中可以通過中斷重新設(shè)定TCMPBn的值來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。緩沖區(qū)TCMPBn，TCNTBn的值不一定等于這個(gè)周期的TCMPn，TCNTn的值，但一定是TCMPn，TCNTn的下一個(gè)周期的值。

2.3  程序代碼

    本文中的應(yīng)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(yùn)行的。程序代碼（以定時(shí)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(yīng)位的電阻上拉使能

}

//啟動(dòng)A號(hào)電機(jī)，此電機(jī)由定時(shí)器1控制

void  Start_MotorA ( )

{

 rTCNTB1=Motor_CONT;//給兩個(gè)緩沖器//賦值

 rTCMPB1=Motor_cont;

 rTCON |=(0x01<<11); //定時(shí)器1自動(dòng)重載

 rTCON |=(0x01<<9); //手動(dòng)刷新置位

 rTCON &= ~ (0x01<<10); //關(guān)反向器

 rTCON |=(0x01<<8); //啟動(dòng)定時(shí)器1

 rTCON &= ~ (0x01<<9); //清手動(dòng)刷新位

}

//A電機(jī)停止

void  Stop_Motor1()

{

 rTCON &= ~ (0x01<<8); //清定時(shí)器1使能位

}

//改變電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)向

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

}{{分頁}}

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

    在對(duì)比了100Hz，1KHz，10KHz的PWM輸出驅(qū)動(dòng)電機(jī)的情況發(fā)現(xiàn)：當(dāng)頻率為100 Hz時(shí)，電機(jī)運(yùn)行呈間隙轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)頻率為10KHz時(shí)，電機(jī)運(yùn)行不平穩(wěn)；當(dāng)頻率為1KHz時(shí)，不同占空比下電機(jī)運(yùn)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(jī)反轉(zhuǎn)情況下的調(diào)制波形。

　　圖3占空比為30％，電機(jī)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(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)的調(diào)制波形。

　　圖4占空比為30％，電機(jī)反轉(zhuǎn)

3  結(jié)束語

    本文中所設(shè)PWM的輸出頻率為1KHZ，所用直流電機(jī)是120轉(zhuǎn)/分鐘，額定電壓為12V（電機(jī)外不加其他感性負(fù)載）。本課題最終實(shí)現(xiàn)的是基于ARM的嵌入式智能小車系統(tǒng)，而直流電機(jī)的PWM調(diào)速控制是其中一個(gè)重要的子系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)證明，Samsung公司的16/32位RISC處理器S3C44B0X對(duì)調(diào)制PWM實(shí)現(xiàn)方便，可編程，電機(jī)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(wù)。

參考文獻(xiàn)：

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