1、基于 ARM 触摸屏的无刷直流电动机控制系统设计摘 要：介绍了一种基于 32 位 ARM7 微处理器 LPC2290、嵌入式实时操作系统COS-II 和 p,CGUI图形库的刷直流电动机控制系统设计方案。分析了无刷直流电动机驱动原理和 LPC2290 在液晶显示、触摸屏技术中的应，给出了硬件原理图、软件设计原理和实验结果。实验表明，该控制系统具有较好的控制效果。关键词：无刷直流电动机；ARM；COS-II；ICGUI；触摸屏技术Brushless DC Motor Control System Based on the ARM Touch Screen WANG Yahwei，LI Sheng
2、-Jin，LU ，ZHOU (Northewestern Polytechnical University，Xi an 710072，China)Abstract：A control system design proposal based on a 32-bit ARM7 microprocessor LPC2290，embedded realtimeoperating system trCOSII and tzCGUI graphics library for brushless DC motor was introducedThe brushless DC motordriving pr
3、inciple and LPC2290 in LCD display and touch screen technology were analyzedThe schematic diagram of hard-ware，software design principle and experiment resuhs were givenThe experiment results show that control system has bettercontrol efectKey words：bmshless DC motor；ARM ；C OSII ；ICGUI；touch screen
4、technology0 引 言无刷直流电动机具有结构简单、线性机械特性、易于维修、调速范围较宽、稳定性高、起动转矩大等诸多优点，在军事、精密加工等对电机性能要求较高的场合应用日益广泛。由于采用霍尔位置传感器、旋转变压器等技术，便于实现无刷直流电动机的换向，而且将采集的位置信号传至控制单元以实现闭环控制，系统性能得到大大提高。目前，无刷直流电动机的控制大都采用了功能较少的微处理器芯片，无刷直流电动机的控制技术基本停留在前台操作后台运行模式。随着系统复杂性的增加，除了系统的可靠性之外，系统对扩展性、操作简单化、实时性、可视化操作提出了更高要求。8 位或 16 位微处理器难以满足上述性能的要求，而采
5、用 LPC2290 之后不仅可以实现对无刷直流电动机的控制，更重要的可以实现电机控制的可视化，而且在移植COSII后，更容易扩展系统功能、提高系统可靠性和加快软件开发周期。为了系统操作简单化、电机运行可视化和便于系统功能扩展，本文给出了一种基于 32 位ARM7 微处理器 LPC2290、通用型嵌入式应用图形软件CGUI 和实时操作系统 lxCOSU 的无刷直收稿日期：20110905改稿日期：20111013流电动机数字控制方法，将运动控制、故障检测和人；机交互集成于一体，实现系统控制。1 硬件设计 ：11 LPC2290 结构特点LPC2290 是一款基于 ARM7TDMIS 内核的 32
6、 i位 RISC 嵌人式微处理器，具有功耗低、价格便宜、性能高的特点。LPC2290 带有 256 k 字节嵌入的高速 Flash 存储器可以使得芯片达到较高的读写速度；多个物理接口，便于应用于工业现场控制；8 路 i 基AD 转换器；2 个 32 位定时器；最多可支持 76 个输输出口，这些引脚均可以用来驱动发光二极管、i 宝检测开关信号和键盘输入信号以及与片外信号通信；罄等；基于时钟匹配的 6 路脉宽调制器 PWM。i 屏LPC2290 同样有着 ARM 的其它特点，正是这些优点!芫使得它可以嵌入实时操作软件COSlI 和图形软件 ICGUI 。正是由于 LPC2290 的 6 路 PWM
7、 使得；鎏实现无刷直流电动机控制成为了可能。 动12 无刷电机驱动电路设计 !鞋主功率电路采用 MOSFET 三相全桥逆变电路。LPC2290 输出六路 PWM 信号至 IR2130，然后经过；篓三相逆变电路到电机三相星型绕组，无刷直流电动 i 讦机的霍尔传感器将转子位置信号传回 LPC2290 实!现闭环控制。图 1 为逆变桥六个 MOSFET 中的 Q1和 Q4 驱动电路。IR2130 输入端接有上拉电阻使得 45基于室触摸屏的无刷直流电动驱动笋 触持电棚 2ol2 年第 40 卷第 1 期 c， ， 一 一 ：一 在无信号输入时能够准确关断功率 MOSFET。FAULT 管脚与 ARM
8、的外部中断管脚连接，由 ARM来实现故障中断。三相逆变桥电路原理图如图 2 所示。由于逆变桥的 Q4、Q5、Q6 三个 MOSFET 是可VsoLO3：。乜图 1 MOSFET 驱动电路原理图才 叶 Q ；Q R7Q|S 0 鬻 I L 三 J I 迮 。=： 寸 j 一 R10 R26 0COM图 2 三相逆变桥电路原理图以共地的，而 Q1、Q2、Q3 共地导致短路，故需要自举电路来驱动。在 MOSFET 关断时为了减小关断损耗在逆变桥中与 MOSFET 并联了 串联缓冲电路。13 彩色液晶触摸屏驱动电路设计本设计要对电机运行状态进行图形显示和滑动条框初始化设置，故采用 52 英寸彩色液晶屏
9、。S1D13503F 为液晶驱动芯片，该驱动芯片支持在液晶屏上显示文本和图形，最多可支持 640x256 点阵的液晶屏，完全兼容本设计采用的 320240 液晶屏。彩色液晶驱动电路图如图 3 所示。电路主要包括控制部分、接口部分、地址总线和时钟晶振等。为了有良好的图形显示效果，选用了 20 MHz 晶振。本设计采用了 8 bit 数据总线，故没将 接上拉电阻。由于 LPC2290 发出的图像数据不能够达到显示满屏的要求，需要外扩存储器。IS61C1024 是一种高速低功耗 8 位 COMS 静态存储器，读写速度可以达到 40 MHz，满足对数据显示的要求。当图形数据从 LPC2290 传至显示
10、模块时首先存储到 IS61C1024，达到一屏数据时由 S1D13503F 驱动显示到液晶屏上。VA3VA4VA5VA6VA7VA8VA9VAlOVD0 LEDNEBVD1 XSCLVD2 WFVD3 LPVD4 YDVD5 LDO餮髓 萋 巨懿互 宝 拿雪莹拿拿拿拿宝宝 I 畲售量昏 罾图 3 彩色液晶驱动电路原理图! 在触摸屏控制中，采用 FM7843 触摸屏控制芯j 片，该芯片最大可达 125 kHz 模数转换速率完全达到对系统实时性的要求。需要采集触摸屏信号时，：LPC2290 要提供时钟信号 CLK、片选信号 cs 和数据；信号 DIN，当模数转换完成后中断信号 INT 使得产 i
11、生中断数据通过 DOUT 传至 LPC2290 完成触摸屏 46；信号采集。触摸屏接口电路图如图 4 所示。2 软件设计C，9hH卜jCl 蛐MEMES I R3sICS2l卜Cn I触摸屏、液晶显示及电机控制需要一个很好的操作内核和图形显示软件。图 5 给出了总体软件系统分层体系结构图。最上层为协调控制层，主要实现触摸屏信号捕捉、液晶屏的显示等。中间层为运动控制层，主要实现 PWM 信号输出，控制电机转i 8222 333 l 肿 2 肿 肿 墨豢鳍 鼢 露嚣 皿；毁终 挎5 4 3 2 l 0 S 0 1 2C：2 c 765 3 w韪艚怒微持电棚 2012 年第 40 卷第 l 期 驱动
12、 一 一 一 一 c， ， z ：图 4 触摸屏接口电路图速、正转、反转等。最下层为传感反馈层，主要将无刷直流电动机霍尔位置传感器的反馈信号经过 AD 转换回传至 LPC2290，此时信号经过微处理器解算，I 塑墼剑星 l触摸控制液晶显示lI 重麴丝 星 l无刷电机驱动l 生堕星堕星 I电机位置传感检测图 5 软件系统分层体系结构发出信号，控制电机和实现液晶屏显示，达到闭环控制的目的。系统采用COSII 操作系统作为软件应用平台，xCGUI 用于图形用户接口。实时多任务的操作内核COSII 的优点很多文献资料都有论述，本文不再叙述。pCGUI 软件设计思想是模块化分层，使用 ANSI C 语言
13、编写，因此具有很强的移植性，几乎适用于所有的 CPU。21 应用软件的移植编写应用软件之前要移植COSII 和 pCGUI 图形库软件。系统中的 LPC2290 微处理器和开发环境 ADS 12 完全满足移植要求。由于 pC OSII 操作系统自身的特点，要移植到一个微处理器上时一般要修改三个文件：OSCPU H(c 语言头文件 )，OSCPU AS(汇编语言源文件)和 OSCPUCC(C 程序源文件)。在这些文件中要修改的包括数据类型、常量、函数、中断服务程序等。由于IxCGUI 提供了源代码，可以很容易地移植到 LPC2290 平台下。pCGUI 的系统构架从上至下分为用户层、pCGUI
14、系统层、LCD 驱动层和硬件操作层。 IxCGUI 的移植需要配置的文件有 GUIConfh 和LCDConfh。在 GUIConfh 中，需要配置好指定的开关参数，包括一些最基本的 GUI 图形预定义控制。在LcDC0nfh 文件中指定了 LCD 屏的宽高 320x240、使用 8 位来表示一个像素。22 液晶触摸屏驱动程序设计液晶触摸屏程序主要包含基准点的测试、触摸屏校准、触摸屏信号的滤波、以及将触摸点显示在液晶屏上。触摸程序采用两次触摸坐标，如果两次采样的坐标相差超过设定阈值，那么坐标值被抛弃；如果在设定阈值内，那么这两个坐标值均值滤波后返回。只要有数据到达控制寄存器，驱动器就会选通液晶
15、控制器内部寄存器片选信号，依次向 16 个内部控制寄存器中写入正确的参数。图 6 为液晶触摸屏起动和设置界面，设置电机转速信号。图 7 为速度实时显示和数据保存界面，显示电机转速信息和数据保存。实际测试表明，界面上各控件均能对触摸笔作出反应，回调函数能够及时得到执行，速度信号能及时在显示界面上显示。 _ 图 6 液晶触摸屏起动和设置界面图 7 速度实时显不和数据保存界面显示屏系统模块初始化后，首先用示波器检测三个信号，分别是 FLM 处的扫描起动脉冲信号、XSCL 处的 x 轴驱动数据移位时钟信号、CL1 处的锁存脉冲信号。待检测到的信号正确后，便可以对液晶显示屏操作。一个 FLM 帧信号表示
16、更新一屏数据，一个 CL1 信号表示更新一行数据，每更新一行数据需要 120 个 CL2 时钟信号。编写液晶显示程序首先要找出需要显示数据的目标地址(口，b)，定义最左上角为坐标原点，然后向指的坐标点写入要显示的数据。目标地址的计算公式和输出数据的格式如下：(1)需要显示数据的目标地址addr=b 320+a：DAT_ Point=(void$)s1D13503F_DAT；DAT_ Point+=addr；(2)输出数据DAT_Point=gui disp_ bufyx； 23 电机驱动程序设计无刷直流电动机转速控制软件框图如图 8 所示。触摸屏给出转速控制信号后与霍尔位置传感器，匦雯圈_豳圃
17、 ,电动 Jl t基于堇触摸屏的无刷直流电动机控制系图 8 无刷直流电动机转速控制软件框图 蘩上传的信号在 LPC2290 中解算，将信号传给 PWM 计模块，此时 MOSFET 驱动电路输出触发电压，三相逆变桥中相应功率管导通，实现无刷直流电动机转速的位置闭环控制。 (下转第 57 页) 47皈特电棚 20l2 年第 4o 卷第 1 期 驱动 一 一 c， ， 的控制效果，图 8 同时给出了直接转矩控制与电流斩波控制的磁链轨迹图。从图中可以看出，前者幅值被限定在滞环宽度内，磁链轨迹是一个圆形，磁链幅值基本恒定，达到了直接转矩控制的目的；后者磁链轨迹接近四边形，达不到磁链幅值恒定的原则。从而证
18、明了此种方法的控制效果要远远好于电流斩波控制的方法。05W(b)电流斩波控制磁链轨迹本文充分利用 RBF 神经网络泛化能力强和计算速度快的优点，将直接控制控制技术与智能控制很好的结合起来，构成 SRD 控制器。仿真结果表明，该种控制方法具有较好的稳定性和动态响应能 (上接第 47 页)3 实验测试力；具有响应时间短、超调小的优点；系统动、静态性能良好，并且保证了系统的抗干扰能力，对系统具有较高的控制精度，对具体的工程实践有很好的指导意义。参考文献1王宏华开关磁阻电动机调速控制技术M 北京：机械工业出版社，1995吴建华开关磁阻电机设计与应用M北京：机械工业出版社，2000于力，欧阳红林一种基于
19、单神经元 PID 控制的多相永磁同步电动机矢量控制系统 J微电机，2007，40(8)：8992廖芳芳，肖建基于 BP 神经网络 PID 参数自整定的研究J系统仿真学报，2005，17(7)：17111713李丽娜，柳洪义模糊 PID 复合控制算法改进及应用J东北大学学报(自然科学版)，2009，30(2)：274278王勉华，梁媛嫒开关磁阻电机直接转矩模糊 PI 控制器的设计J电气传动，2010，40(1)：5154黄友锐，曲立国PID 控制器参数整定与实现M北京：科学出版社，2010作者简介：刘春元(1979 一)，男，讲师，在读博士生，主要研究方向为电机控制、电气工程。在实验室中系统进行
20、了测试，试验中得到了初步的验证，电机调速、正反转及实现触摸屏控制液晶显示。为了实现电机转速闭环控制，系统使用双极性 PWM 控制。功率器件斩波频率为 20 kHz，时基计数为向上向下模式，设定死区时问。电机的 PWM双极性控制中，同一桥臂的 PWM(如 PWM1H 和PWM1L、PWM2H 和 PWM2L、PWM3H 和 PWM3L)是互补输出的，示波器测得的 PWM 波形如图 9 所示。为了防止逆变器中同一桥臂的功率 MOSFET在开关过程中出现同一桥臂的两个 MOSFET 都处于开通状态，在这种情况下将会出现短路现象，电路中电流剧增、器件损坏需要在其间插入一个死区时间，确保不发生短路，如图
21、 10 所示。z l j 。Z j Z j图 9 同一桥臂 MOSFET 栅极 图 11IR2130 输出的PWM 互补驱动信号 PWM 死区时间4 结 语本文给出了基于触摸屏的无刷直流电动机控制系统硬件电路图、液晶触摸屏驱动程序和电机驱动程序设计方案，移植图形库软件 IxCGUI 和实时多任务操作系统COS II 到 LPC2290 中，使无刷电机控制与操作简单化、可视化。由于嵌入式特有的优点，在此基础上完成功能扩展，结合具体工程要求可以应用于数控机床和各种电机控制等。参考文献 1 田海波，方宗德，杨坤，等轮腿式机器人设计及其运动特性分析J 机械设计，2010，27(6) ：42472 陈荣
22、，芦刚，李声晋一种基于 ARM 的多任务的 BLDCM 控制系统设计J测控技术，2007，26(8) ：37393韩山，郭云ARM 微处理器应用开发技术详解与实例分析 M北京：清华大学出版社，2007：2682994 周立功ARM 嵌入式 MiniGUI 初步与应用开发范例 M北京：北京航空航天大学出版社，2006：129247 5徐军嵌入式CGUI 的移植与平台开发J自动化与仪表， 2007(3)：76-79 6刘滨，刘静静，曹旭阳嵌入式图形接 13CGUI 在C OS II上的移植J 2007 ，23(2) ： 2325作者简介：王严伟(1986 一)，男，硕士研究生，主要研究方向为无刷电机的数字控制技术
