基于ARM CortexM3控制器的直流电机驱动技术研究Word格式文档下载.docx
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背极接法；
Abstract
Inrecentyears,thegeneral-purposeBLDCmotorsarewidelyusedinoptoelectronicdevicesdrivesystem.Ithasfeaturesincludingstartingfast,brakingintime,maybeintherangeofadvantagessuchassmoothspeedcontrol,commonlyusedinoptoelectronicmodulation,zoomin,scanningthefieldofinstitutions,suchasphotovoltaic.
ARMistheUnitedKingdomtheworld'
sleading32-bitembeddedRISCcorechipdesigncompanies,isalsoatrademarkofARMproducts,anditsembeddedARMcoreproductshasbeentheworld'
smajorchipmanufacturerstouse,basedonthedevelopmentofARMtechnologyswepttheworldofembeddedmarket,hasbecomeoneofthemainstreamembeddedsystems.ThelatestreleaseofCortex-M3processorisparticularlyapplicabletohigh-performance,extremelylow-costrequirementsofembeddedapplications,suchas:
micro-controllers,automotivesystems,largehomeappliances,networkdevices.Thispaper,inthecaseoftheabovebackground,raisesanARMCortexM3-basedDCmotorcontrollercontrolsystem.
InthehardwaredesignoftheBLDCmotorcontrolsystem,thecoreofthesystemisARMCortexM3,includingcontrolPWMoutputmodule,basedonthePCF8576chipmodules,chipFT2232-basedJTAGporttotheUSBmodule,LMD18200drivermodules.Insoftwaredesign,thesystemmakesfulluseofLuminaryprovidedARMCotexM3driverlibrary,usingaverysimplemethodofCortexprogrammedtocontroltheoperationofthemotor.Finally,thecontrolsystemhaspassthroughacombinationofsoftwareandhardwaretest.
ThedevelopmentoftheBLDCmotorcontrolsystemprovidesagoodexperimentalplatformforperformancetestingofphotoelectricity
technology,anditsfeasibilityhasbeenprovedbyexperiments，thetestresultsindicatethatallparametersandfunctionsofthesystemsatisfythedesignrequirement.
KeyWords:
ARMCortexM3;
PWM;
LMD18200;
Faulhaber2342BLDCmotor;
FT2232;
USBTOJTAG;
PCF8576;
Backpanel
目录
摘要1
Abstract2
目录3
第1章引言5
1.1应用背景5
1.1.1无刷电机的发展5
1.1.2微控制器的发展6
1.2无刷直流电机的介绍8
1.2.1无刷直流电机特点9
1.2.2无刷直流电机应用9
1.3直流电机控制器的介绍12
1.3.1直流电机控制器的分类12
1.3.2ARM的分类13
1.3.3ARM的应用14
第2章系统总体方案设计16
2.1方案论证16
2.2核心部件选型17
2.2.1LuminaryARMCortexM317
2.2.2功率控制器件LMD1820018
2.2.3显示驱动芯片PCF857620
2.2.4USB转JATG口芯片FT223221
2.3硬件框架图与实验设计22
2.4软件实验设计24
2.5系统总体方案定型25
2.6系统开发环境25
第3章系统硬件设计与实现26
3.1硬件开发环境简介26
3.2ARMCortex最小系统27
3.3LMD18200驱动模块29
3.4PCF8576显示模块33
3.5FT2232USB转JTAG和串口模块36
第4章系统软件设计与实现39
4.1ARMCortexM3软件开发概述39
4.2软件开发环境简介39
4.3系统软件流程图40
4.3.1概述40
4.3.2主程序设计及流程图40
4.3.3中断程序设计及流程图46
第5章系统调试49
5.1检查PCB电路板49
5.2焊接基本元件50
5.3分模块调试系统50
第6章总结与展望52
6.1总结52
6.2技术展望52
致谢54
参考文献55
第1章引言
1.1应用背景
1.1.1无刷电机的发展
1831年，法拉第发现了电磁感应现象，奠定了现代电机的基本理论基础。
从19世纪40年代研制成功第一台直流电机，经过大约17年的时间，直流电机技术才趋于成熟。
随着应用领域的扩大，对直流电机的要求也就越来越高，有接触的机械换向装置限制了有刷直流电机在许多场合中的应用。
为了取代有刷直流电机的电刷－换向器结构的机械接触装置，人们曾对此作过长期的探索。
1915年，美国人Langnall发明了带控制栅极的汞弧整流器，制成了由直流变交流的逆变装置。
20世纪30年代，有人提出用离子装置实现电机的定子绕组按转子位置换接的所谓换向器电机，但此种电机由于可靠性差、效率低、整个装置笨重又复杂而无实用价值。
科学技术的迅猛发展，带来了电力半导体技术的飞跃。
开关型晶体管的研制成功，为创造新型直流电机——无刷直流电机带来了生机。
1955年，美国人Harrison首次提出了用晶体管换相线路代替电机电刷接触的思想，这就是无刷直流电机的雏形。
它由功率放大部分、信号检测部分、磁极体和晶体管开关电路等组成，其工作原理是当转子旋转时，在信号绕组中感应出周期性的信号电动势，此信号电动势分别使晶体管轮流导通实现换相。
问题在于，首先，当转子不转时，信号绕组内不能产生感应电动势，晶体管无偏置，功率绕组也就无法馈电，所以这种无刷直流电机没有起动转矩；
其次，由于信号电动势的前沿陡度不大，晶体管的功耗大。
为了克服这些弊病，人们采用了离心装置的换向器，或采用在定子上放置辅助磁钢的方法来保证电机可靠地起动。
但前者结构复杂，而后者需要附加的起动脉冲。
其后，经过反复的试验和不断的实践，人们终于找到了用位置传感器和电子换相线路来代替有刷直流电机的机械换向装置，从而为直流电机的发展开辟了新的途径。
⒛世纪60年代初期，接近开关式位置传感器、电磁谐振式位置传感器和高频耦合式位置传感器相继问世，之后又出现了磁电耦合式和光电式位置传感器。
半导体技术的飞速发展，使人们对1879年美国人霍尔发现的霍尔效应再次发生兴趣，经过多年的努力，终于在1962年试制成功了借助霍尔元件（霍尔效应转子位置传感器）来实现换相的无刷直流电机。
在⒛世纪70年代初期，又试制成功了借助比霍尔元件的灵敏度高千倍左右的磁敏二极管实现换相的无刷直流电机。
在试制各种类型的位置传感器的同时，人们试图寻求一种没有附加位置传感器结构的无刷直流电机。
1968年，德国人W·
Mieslinger提出采用电容移相实现换相的新方法。
在此基础上，德国人R·
Hanitsch试制成功借助数字式环形分配器和过零鉴别器的组合来实现换相的无位置传感器无刷直流电机。
无刷直流电机是近几年小电机行业发展最快的品种，随着视听产品“小、轻、薄”化和家电产品的静音化以及豪华型轿车需求量增多，无刷直流电动机需要量迅速增加。
无刷直流电机用电子换向替代了电刷和换向器，具有高可靠、高效率、寿命长、调速方便的优点。
各国都加快了开发新产品的速度和占领市场的力度。
日本不少公司已将无刷直流电机应用到数码照相机、微型收录机、摄影机、打印机、存储驱动器、手机以及汽车空调、洗衣机、吸尘器、电动车、心脏泵等领域。
图1-1各种无刷直流电机
1.1.2微控制器的发展
Ø
ARM的前身-单片机
微控制器全称为单片微型计算机（MicrocontrollerUint）,又称单片机（SingleChipMicrocomputer）或嵌入式控制器（EmbeddedController）。
它是将计算机的基本部件微型化并集成到一块芯片上的微型计算机，通常片内都含有CPU、ROM、RAM、并行I/O、串行I/O、定时器/计数器、中断控制、系统时钟及系统总线等。
随着技术的发展，单片机片内集成的功能越来越强大，并朝着SoC（片上系统）方向发展。
单片机诞生于20世纪70年代，象Fairchild公司研制的F8单片微型计算机。
所谓单片机是利用大规模集成电路技术把中央处理单元（CenterProcessingUnit,也即常称的CPU）和数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM）及其他I/O通信口集成在一块芯片上，构成一个最小的计算机系统，而现代的单片机则加上了中断单元，定时单元及A/D转换等更复杂、更完善的电路，使得单片机的功能越来越强大，应用更广泛。
20世纪70年代，微电子技术正处于发展阶段，集成电路属于中规模发展时期，各种新材料新工艺尚未成熟，单片机仍处在初级的发展阶段，元件集成规模还比较小，功能比较简单，一般均把CPU、RAM有的还包括了一些简单的I/O口集成到芯片上，象Fairchild公司就属于这一类型，它还需配上外围的其他处理电路方才构成完整的计算系统。
类似的单片机还有Zilog公司的Z80微处理器。
1976年INTEL公司推出了MCS-48单片机，这个时期的单片机才是真正的8位单片微型计算机，并推向市场。
它以体积小，功能全，价格低赢得了广泛的应用，为单片机的发展奠定了基础，成为单片机发展史上重要的里程碑。
在MCS-48的带领下，其后，各大半导体公司相继研制和发展了自己的单片机，象Zilog公司的Z8系列。
到了80年代初，单片机已发展到了高性能阶段，象INTEL公司的MCS-51系列，Motorola公司的6801和6802系列，Rokwell公司的6501及6502系列等等。
80年代，世界各大公司均竞相研制出品种多功能强的单片机，约有几十个系列，300多个品种，此时的单片机均属于真正的单片化，大多集成了CPU、RAM、ROM、数目繁多的I/O接口、多种中断系统，甚至还有一些带A/D转换器的单片机，功能越来越强大，RAM和ROM的容量也越来越大，寻址空间甚至可达64kB，可以说，单片机发展到了一个新的平台。
ARM的诞生及发展
随着单片机的迅速发展，ARM也开始登上历史舞台。
ARM即AdvancedRISCMachines的缩写,既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。
ARM公司是专门从事基于RISC技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供应商，本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片，世界各大半导体生产商从ARM公司购买其设计的ARM微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的ARM微处理器芯片进入市场。
目前，全世界有几十家大的半导体公司都使用ARM公司的授权，因此既使得ARM技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，又使整个系统成本降低，使产品更容易进入市场被消费者所接受，更具有竞争力。
1990年成立了AdvancedRISCMachinesLimited（后来简称为ARMLimited，ARM公司）。
20世纪90年代，ARM32位嵌入式RISC（ReducedlnstructionSetComputer）处理器扩展到世界范围，占据了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系统应用领域的领先地位，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于ARM技术的微处理器应用约占据了32位RISC微处理器75％以上的市场份额。
ARM技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。
图1-2LuminaryMicrot推出的ARM芯片
1.2无刷直流电机的介绍
本次毕业设计的题目是基于ARMCortex-M3控制器的直流电机控制系统的研究。
基本任务是用ARMCortex-M3控制器对无刷直流电机进行精确的速度控制。
无刷直流电机作为该系统的被控对象并不是研究的重点，需要了解无刷直流电机的特点和应用。
1.2.1无刷直流电机特点
无刷直流电机的最大特点是没有换向器（曾称整流子）和电刷组成的机械接触机构。
它通常采用永磁体为转子，没有激磁损耗，同时发热的电枢绕组又通常安装在外面的定子上。
因此，无刷直流电机没有换向火花，寿命长，运行可靠，维护简便。
此外，其转速不受机械换向的限制，如采用磁悬浮轴承或空气轴承等，可实现每分钟几万到几十万转的超高转速运行。
由于无刷直流电机具有上述一系列优点，因此，它的用途比有刷直流电机更加广泛，尤其适用于航空航天、电子设备、采矿、化工等特殊工业部门。
1.2.2无刷直流电机应用
无刷直流主要应用在如下领域:
⏹信息处理设备用电机
信息处理设备包括信息输入、存储、处理、输出、传递等环节，涉及微型计算机、软盘驱动器、硬盘驱动器、光盘驱动器、打印机、传真机、复印机、手机等等，这些设备使用的小电机主要有：
永磁直流电机、无刷直流电机、步进电机、无刷直流风机、微型同步电机等几类，信息处理设备所应用的小电机约占小电机总产量的30%。
⏹视听设备用电机
人们通常把收录机、组合音响、电唱机、汽车音响、随身听、激光唱机、录像机、摄影机、碟式电唱机、数字激光视盘以及各种照相机等设备称为视听设备。
随着经济不断发展，人们生活水平迅速提高，视听设备需求量增加，为小电机提供了广阔市场。
据有关资料报道，为视听设备配套的电机，约占小电机总产量的25%。
⏹家用电器用电机
家用电器产品种类繁多，主要产品有空调器、电冰箱、洗衣机、吸尘器、冷冻柜、空气清洁机、电风扇、干衣机、电气取暖炉等等。
随着全球经济发展和人们生活水平日益提高，家用电器的应用普及率快速增长，其配套用电机的需要量也相应快速增长。
⏹车辆用电机
汽车和电动摩托车、电动自行车配套用的电机约占小电机总产量的15%。
每台汽车至少有15台小电机，每辆豪华轿车使用小电机超过80台，如发动机冷却风扇电机、空调器电机、DVD电机、摇窗电机、门锁电机、油泵电机、刮水器电机、座椅电机等等。
随着人们的生活水平不断提高，车辆需求量迅速增加，其配套用电机也相应增加。
⏹机器人用电机
工业机器人发展至今已成为一个新产业，它是当代技术革命的重要标志之一。
工业用机器人1962年初在美国出现，而正式普及则是1970年下半年以后的事。
工业机器人大多数有多个自由度，如伸缩、摆动、升降、旋转、弯曲、开闭等。
据有关资料报道，一台工业用机器人至少有10台以上各种小电机，完成驱动、伺服和速度、位置、声讯传感等功能。
据国际机器人协会预测，机器人需求量年增长30%，除了工业机器人外，近几年还开发了其他使用领域的机器人，如家庭医生机器人、照顾残疾人机器人、帮助康复机器人、打扫卫生机器人、按摩机器人、扫雷机器人、排雷机器人等等。
根据日本产业用机器人工业协会预测，机器人正处在旺盛时期，在21世纪，机器人将持续稳定发展，具有巨大的市场空间。
据报道，全世界1995年机器人约有200万台，按年增长30%推算，2005年将达到2700多万台。
机器人中广泛应用各类小电机，如直流伺服电动机、交流伺服电动机，感应同步电动机，测速发电机，自整角机，旋转变压器，直线电动机，力矩电机等等，按每台机器人应用10台小电机计算，2005年小电机需求量将达2.7亿多台。
⏹游戏机用电机
随着人们生活水平不断提高，游戏机产品需求量也急剧增多，各种游戏机日新月异地出现，每台游戏机应用各类小电机10台左右，有的甚至近百台。
各种游戏机应用的小电机主要有直流电机、PM型步进电机、HB型步进电机等等，以每台游戏机应用小电机5台测算，2005年需求量将近2亿台。
⏹美容电器产品用电机
在经济较发达的国家，家用美容电器已成为普及型的家庭用具。
目前各国发展很快，品种繁多，竞争激烈。
一般有以下几种美容电器：
剃须、理发、吹风、烫发、整发、修面、洁肤、口腔洗净等等。
其产品有电动剃须刀、理发刀、电吹风、剪毛器、电动牙刷、按摩式洁肤器、超声波洗脸器等等。
世界各国都在积极开发新的功能、更新造型、降低成本的美容电器产品。
这个市场更新变化极快，具有广阔的市场。
每个美容用电器至少用1台电机，随着人们不断提升生活质量，人们对美容用电器产品的需求量也快速增长。
如按2个人有1台美容电器产品计算，其占领小电机市场份额就相当可观。
⏹保健电器产品用电机
随着老龄人口增加和人们越来越关注自己的身体健康，医疗保健类电子产品已进入千家万户。
目前新颖的家用医疗保健用电器有各种款式，如电子血压计、脊背按摩器、按摩椅、腿肚按摩器、电子按摩器、跑步机等等。
随着计算机技术用医学科学水平不断发展，医疗保健类产品的种类必将日益增多，功能也日益齐全。
这些保健电器将取代部分目前只能由医院、医生、护士才能完成的功能，可预测保健用电器产品有着潜在的广阔市场。
每台保健用电器产品应用小电机最少1台，多则10多台，其所需电机的数量非常可观。
⏹厨卫电器产品用电机
人们生活条件的改善，引发了人们对高品质生活的不懈追求，厨房和卫生间也日趋使用大量各种款式的家用电器，如厨房用的热水器、洗碗机、排油烟机、碎骨机、豆浆机、打蛋机、消毒柜、面包机、榨汁机、光波机、微波炉等等，卫生间用的自动冲洗坐便器、电动按摩椅、排气扇、电吹风、带有刮水器的镜子、脚底按摩器等等，这些家用电器都广泛应用小电机，有的电器用1台小电机，有的用2台以上电机，其市场潜力相当大。
如我国城市居民家庭按1亿户计算，据有关资料报道，未来5年城市购买率为29%，即未来5年我国城市整体厨房预期购买总量为2900万套，平均每年580万套左右，每套配上10种家用电器，以每种电器配1台小电机测算，即每年需要配上5800万台小电机。
由于厨卫用电器更新换代节奏很快，新产品层出不穷，加上消费日益多样化，各种新颖舒适的厨卫电器产品备受青睐，在这些应用领域中的小电机需求量增长势头迅猛。
小电机应用领域十分广阔，除了上述应用领域外，小电机还大量应用在小孩玩具、老年玩具以及工业自动化、农业现代化、军事装置现代化等领域。
其需要量也相当之大。
可以预计，今后小电机市场是呈持续稳定发展趋势，小电机应用领域会越来越广，小电机需求量会越来越多。
相关链接信息处理设备用电机市场预测。
1.3直流电机控制器的介绍
ARMCortex-M3控制器作为控制元件，在整个直流电机控制系统中起着重要的作用，需要详细了解其特性。
1.3.1直流电机控制器的分类
对于无刷直流电机的控制器，当前主要有专用集成电路（ASIC）、微控制器（MCU）和数字信号处理器（DSP）三种控制方式。
对于专用集成电路控制芯片（ASIC–ApplicationSpecificIntegratedCircuit），现在几乎所有的先进工业国家的半导体厂商，都能提供自己开发的点击控制专用集成电路。
但使用时灵活性较差，受到的限制过多。
本次毕业设计即采用美国国家半导体（NationalSemiconductor）公司的LMD18200专用控制芯片控制电机运转，为了减少限制，使用ARMCortexM3作为主控制器，控制LMD18200专用运动控制芯片。
因此下面着重介绍ARM微控制器的相关特性。
1.3.2ARM的分类
当
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