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3.4 电机转动控制实验
一、实验目的
1.熟悉ARM本身自带的六路即三对PWM,掌握相应寄存器的配置。
2.编程实现ARM系统的PWM输出和I/O输出,前者用于控制直流电机,后者用于控制步进电机。
3.了解直流电机和步进电机的工作原理,学会用软件的方法实现步进电机的脉冲分配,即用软件的方法代替硬件的脉冲分配器。
4.掌握带有PWM和I/O的CPU编程实现其相应功能的主要方法。
二、实验内容
学习步进电机和直流电机的工作原理,了解实现两个电机转动对于系统的软件和硬件要求。学习ARM知识,掌握PWM的生成方法,同时也要掌握I/O的控制方法。
1.通过超级终端来控制直流电机与步进电机的切换。
三、预备知识
1、用ARM ADS1.2集成开发环境,编写和调试程序的基本过程。
2、ARM应用程序的框架结构。
3、会使用Source Insight 3 编辑C语言源程序。
4、掌握通过ARM自带的A/D转换器的使用。
5、了解直流电机的基本原理。
6、了解步进电机的基本原理,掌握环形脉冲分配的方法。
四、实验设备及工具
硬件:ARM嵌入式开发平台、用于ARM920T的JTAG仿真器、PC机Pentium100以上。
软件:PC机操作系统Win2000或WinXP、ARM ADS1.2集成开发环境、仿真器驱动程序、超级终端通讯程序
五、实验原理及说明
1.直流电机
1)直流电动机的PWM电路原理
晶体管的导通时间也被称为导通角а,若改变调制晶体管的开与关的时间,也就是说通过改变导通角а的大小,如图6-1所示,来改变加在负载上的平均电压的大小,以实现对电动机的变速控制,称为脉宽调制 (PWM)变速控制。在PWM变速控制中,系统采用直流电源,放大器的频率是固定,变速控制通过调节脉宽来实现。
构成PWM的功率转换电路或者采用H桥式驱动,或者采用 T式驱动。由于T式电路要求双电源供电,而且功率晶体管承受的反向电压为电源电压的两倍。因此只适用于小功率低电压的电动机系统。而H桥式驱动电路只需一个电源,功率晶体管的耐压相对要求也低些,所以应用得较广泛,尤其用在耐高压的电动机系统中。
图6-1 脉宽调制 (PWM)变速原理
2)直流电动机的PWM等效电路
如图7-2-a所示:是一个直流电动机的PWM控制电路的等效电路。在这个等效电路中,传送到负载 (电动机)上的功率值决定于开关频率、导通角度及负载电感的大小。
开关频率的大小主要和所用功率器件的种类有关,对于双极结型晶体管(GTR),一般为lkHz至5kHz,小功率时(100W,5A以下)可以取高些,这决定于晶体管的特性。对于绝缘栅双极晶体管(IGBT),一般为5kHz至l2kHz;对于场效应晶体管(MOSFET),频率可高达2OkHz。另外,开关频率还和电动机电感有关,电感小的应该取得高些。
图6-2 a) 等效电路 b) PWM电路中电流和电压波讨论
当接通电源时,电动机两端加上电压UP,电动机储能,电流增加,当电源中断时,电枢电感所储的能量通过续流二极管VD继续流动,而储藏的能量呈下降的趋势。
除功率值以外,电枢电流的脉动量也与电动机的转速无关,仅与开关周期、正向导通时间及电机的电磁时间常数有关。
3)直流电动机PWM电路举例
图6-3为直流电动机PWM电路的一个例子。它属于H桥式双极模式PWM电路。
图6-3 直流电动机PWM电路举例
电路主要由四部分组成,即三角波形成电路、脉宽调制电路、信号延迟及信号分配电
路和功率电路。电路中各点波形如图6-4所示。其中信号延迟电路是为了防止共态直通而设置的。一般延迟时间调整在(10~30)ps之内,根据晶体管特性而定。其原理简单叙述如下:功率电路主要由四个功率晶体管和四个续流二极管组成。四个功率晶体管分为两组,V1与V4、V2与V3分别为一组,同一组的晶体管同时导通,同时关断。基极的驱动信号Ub1 = Ub2,Ub3=Ub4。其工作过程为:
·在t1’—t2 期间, Ub1 0与Ub4 0,V1与V4导通,V2与V3截止,电枢电流沿回路l流通。
·在t2— T+ t1’期间,Ub1 0与Ub4 0,V1与V4截止, Ub2 0 与U b 3 0但此时由于电枢电感储藏着能量,将维持电流在原来的方向上流动,此时电流沿回路2流通;经过跨接于V2与V3上的续流二极管VD4、VD5。受二极管正向压降的限制,V2与V3不能导通。
·T+ t1’之后,重复前面的过程。
·反向运转时,具有相似的过程。
图6-4 PWM电路中各点波形
4)开发平台中直流电机驱动的实现
开发板中的直流电机的驱动部分如图7-3所示;由于S3C2410X芯片自带PWM定时器,所以控制部分省去了三角波产生电路、脉冲调制电路和PWM信号延迟及信号分配电路,取而代之的是S3C2
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