基于ARM觸摸屏的無刷直流電動機控制系統(tǒng)設計

王嚴偉，盧 剛，李聲晉，周 勇

(西北工業(yè)大學，陜西西安710072)

0 引 言

無刷直流電動機具有結構簡單、線性機械特性、易于維修、調速范圍較寬、穩(wěn)定性高、起動轉矩大等諸多優(yōu)點，在軍事、精密加工等對電機性能要求較高的場合應用日益廣泛。由于采用霍爾位置傳感器、旋轉變壓器等技術，便于實現(xiàn)無刷直流電動機的換向，而且將采集的位置信號傳至控制單元以實現(xiàn)閉環(huán)控制，系統(tǒng)性能得到大大提高。目前，無刷直流電動機的控制大都采用了功能較少的微處理器芯片，無刷直流電動機的控制技術基本停留在前臺操作后臺運行模式。隨著系統(tǒng)復雜性的增加，除了系統(tǒng)的可靠性之外，系統(tǒng)對擴展性、操作簡單化、實時性、可視化操作提出了更高要求。8位或16位微處理器難以滿足上述性能的要求，而采用LPC2290之后不僅可以實現(xiàn)對無刷直流電動機的控制，更重要的可以實現(xiàn)電機控制的可視化，而且在移植μC/OS－II后，更容易擴展系統(tǒng)功能、提高系統(tǒng)可靠性和加快軟件開發(fā)周期。為了系統(tǒng)操作簡單化、電機運行可視化和便于系統(tǒng)功能擴展，本文給出了一種基于32位ARM7微處理器LPC2290、通用型嵌入式應用圖形軟件μC/GUI和實時操作系統(tǒng)μC/OS－Ⅱ的無刷直流電動機數(shù)字控制方法，將運動控制、故障檢測和人機交互集成于一體，實現(xiàn)系統(tǒng)控制。

1 硬件設計

1.1 LPC2290 結構特點

LPC2290是一款基于ARM7TDMI－S內核的32位RISC嵌入式微處理器，具有功耗低、價格便宜、性能高的特點。LPC2290帶有256 k字節(jié)嵌入的高速Flash存儲器可以使得芯片達到較高的讀寫速度;多個物理接口，便于應用于工業(yè)現(xiàn)場控制;8路A/D轉換器;2個32位定時器;最多可支持76個輸入/輸出口，這些引腳均可以用來驅動發(fā)光二極管、檢測開關信號和鍵盤輸入信號以及與片外信號通信等;基于時鐘匹配的6路脈寬調制器PWM。LPC2290同樣有著ARM的其它特點，正是這些優(yōu)點使得它可以嵌入實時操作軟件μC/OS－ Ⅱ 和 圖 形 軟 件 μC/GUI。正 是 由 于LPC2290的6路PWM使得實現(xiàn)無刷直流電動機控制成為了可能。

1.2 無刷電機驅動電路設計

主功率電路采用MOSFET三相全橋逆變電路。LPC2290輸出六路PWM信號至IR2130，然后經(jīng)過三相逆變電路到電機三相星型繞組，無刷直流電動機的霍爾傳感器將轉子位置信號傳回LPC2290實現(xiàn)閉環(huán)控制。圖1為逆變橋六個MOSFET中的Q1和Q4驅動電路。IR2130輸入端接有上拉電阻使得在無信號輸入時能夠準確關斷功率 MOSFET。FAULT管腳與ARM的外部中斷管腳連接，由ARM來實現(xiàn)故障中斷。三相逆變橋電路原理圖如圖2所示。由于逆變橋的Q4、Q5、Q6三個MOSFET是可以共地的，而Q1、Q2、Q3共地導致短路，故需要自舉電路來驅動。在MOSFET關斷時為了減小關斷損耗在逆變橋中與MOSFET并聯(lián)了RC串聯(lián)緩沖電路。

圖1 MOSFET驅動電路原理圖

圖2 三相逆變橋電路原理圖

1.3 彩色液晶觸摸屏驅動電路設計

本設計要對電機運行狀態(tài)進行圖形顯示和滑動條框初始化設置，故采用5.2英寸彩色液晶屏。S1D13503F為液晶驅動芯片，該驅動芯片支持在液晶屏上顯示文本和圖形，最多可支持640×256點陣的液晶屏，完全兼容本設計采用的320×240液晶屏。彩色液晶驅動電路圖如圖3所示。電路主要包括控制部分、接口部分、地址總線和時鐘晶振等。為了有良好的圖形顯示效果，選用了20 MHz晶振。本設計采用了8 bit數(shù)據(jù)總線，故沒將VD0接上拉電阻。由于LPC2290發(fā)出的圖像數(shù)據(jù)不能夠達到顯示滿屏的要求，需要外擴存儲器。IS61C1024是一種高速低功耗8位COMS靜態(tài)存儲器，讀寫速度可以達到40 MHz，滿足對數(shù)據(jù)顯示的要求。當圖形數(shù)據(jù)從LPC2290傳至顯示模塊時首先存儲到IS61C1024，達到一屏數(shù)據(jù)時由S1D13503F驅動顯示到液晶屏上。

圖3 彩色液晶驅動電路原理圖

在觸摸屏控制中，采用FM7843觸摸屏控制芯片，該芯片最大可達125 kHz模數(shù)轉換速率完全達到對系統(tǒng)實時性的要求。需要采集觸摸屏信號時，LPC2290要提供時鐘信號CLK、片選信號CS和數(shù)據(jù)信號DIN，當模數(shù)轉換完成后中斷信號INT使得產(chǎn)生中斷數(shù)據(jù)通過DOUT傳至LPC2290完成觸摸屏信號采集。觸摸屏接口電路圖如圖4所示。

2 軟件設計

觸摸屏、液晶顯示及電機控制需要一個很好的操作內核和圖形顯示軟件。圖5給出了總體軟件系統(tǒng)分層體系結構圖。最上層為協(xié)調控制層，主要實現(xiàn)觸摸屏信號捕捉、液晶屏的顯示等。中間層為運動控制層，主要實現(xiàn)PWM信號輸出，控制電機轉速、正轉、反轉等。最下層為傳感反饋層，主要將無刷直流電動機霍爾位置傳感器的反饋信號經(jīng)過AD轉換回傳至 LPC2290，此時信號經(jīng)過微處理器解算，發(fā)出信號，控制電機和實現(xiàn)液晶屏顯示，達到閉環(huán)控制的目的。

圖4 觸摸屏接口電路圖

圖5 軟件系統(tǒng)分層體系結構

系統(tǒng)采用μC/OS－II操作系統(tǒng)作為軟件應用平臺，μC/GUI用于圖形用戶接口。實時多任務的操作內核μC/OS－II的優(yōu)點很多文獻資料都有論述，本文不再敘述。μC/GUI軟件設計思想是模塊化分層，使用ANSI C語言編寫，因此具有很強的移植性，幾乎適用于所有的CPU。

2.1 應用軟件的移植

編寫應用軟件之前要移植μC/OS－II和μC/GUI圖形庫軟件。系統(tǒng)中的LPC2290微處理器和開發(fā)環(huán)境ADS 1.2完全滿足移植要求。由于μC/OS－II操作系統(tǒng)自身的特點，要移植到一個微處理器上時一般要修改三個文件:OS_CPU.H(C語言頭文件)，OS_CPU_A.S(匯編語言源文件)和OS_CPU_C.C(C程序源文件)。在這些文件中要修改的包括數(shù)據(jù)類型、常量、函數(shù)、中斷服務程序等。

由于μC/GUI提供了源代碼，可以很容易地移植到LPC2290平臺下。μC/GUI的系統(tǒng)構架從上至下分為用戶層、μC/GUI系統(tǒng)層、LCD驅動層和硬件操作層。μC/GUI的移植需要配置的文件有GUIConf.h 和 LCDConf.h。在 GUIConf.h 中，需要配置好指定的開關參數(shù)，包括一些最基本的GUI圖形預定義控制。在LCDConf.h文件中指定了LCD屏的寬高320×240、使用8位來表示一個像素。

2.2 液晶觸摸屏驅動程序設計

液晶觸摸屏程序主要包含基準點的測試、觸摸屏校準、觸摸屏信號的濾波、以及將觸摸點顯示在液晶屏上。觸摸程序采用兩次觸摸坐標，如果兩次采樣的坐標相差超過設定閾值，那么坐標值被拋棄;如果在設定閾值內，那么這兩個坐標值均值濾波后返回。只要有數(shù)據(jù)到達控制寄存器，驅動器就會選通液晶控制器內部寄存器片選信號，依次向16個內部控制寄存器中寫入正確的參數(shù)。圖6為液晶觸摸屏起動和設置界面，設置電機轉速信號。圖7為速度實時顯示和數(shù)據(jù)保存界面，顯示電機轉速信息和數(shù)據(jù)保存。實際測試表明，界面上各控件均能對觸摸筆作出反應，回調函數(shù)能夠及時得到執(zhí)行，速度信號能及時在顯示界面上顯示。

圖6 液晶觸摸屏起動和設置界面

圖7 速度實時顯示和數(shù)據(jù)保存界面

顯示屏系統(tǒng)模塊初始化后，首先用示波器檢測三個信號，分別是FLM處的掃描起動脈沖信號、XSCL處的X軸驅動數(shù)據(jù)移位時鐘信號、CL1處的鎖存脈沖信號。待檢測到的信號正確后，便可以對液晶顯示屏操作。一個FLM幀信號表示更新一屏數(shù)據(jù)，一個CL1信號表示更新一行數(shù)據(jù)，每更新一行數(shù)據(jù)需要120個CL2時鐘信號。編寫液晶顯示程序首先要找出需要顯示數(shù)據(jù)的目標地址(a，b)，定義最左上角為坐標原點，然后向指的坐標點寫入要顯示的數(shù)據(jù)。目標地址的計算公式和輸出數(shù)據(jù)的格式如下:

(1)需要顯示數(shù)據(jù)的目標地址

addr=b*320+a;

DAT_Point=(void*)S1D13503F_DAT;

DAT_Point+=addr;

(2)輸出數(shù)據(jù)

*DAT_Point=gui_disp_buf［y］［x］;

2.3 電機驅動程序設計

圖8 無刷直流電動機轉速控制軟件框圖

無刷直流電動機轉速控制軟件框圖如圖8所示。觸摸屏給出轉速控制信號后與霍爾位置傳感器上傳的信號在LPC2290中解算，將信號傳給PWM模塊，此時MOSFET驅動電路輸出觸發(fā)電壓，三相逆變橋中相應功率管導通，實現(xiàn)無刷直流電動機轉速的位置閉環(huán)控制。

3 實驗測試

在實驗室中系統(tǒng)進行了測試，試驗中得到了初步的驗證，電機調速、正反轉及實現(xiàn)觸摸屏控制液晶顯示。為了實現(xiàn)電機轉速閉環(huán)控制，系統(tǒng)使用雙極性PWM控制。功率器件斬波頻率為20 kHz，時基計數(shù)為向上向下模式，設定死區(qū)時間。電機的PWM雙極性控制中，同一橋臂的PWM(如PWM1H和PWM1L、PWM2H 和 PWM2L、PWM3H 和 PWM3L)是互補輸出的，示波器測得的PWM波形如圖9所示。為了防止逆變器中同一橋臂的功率MOSFET在開關過程中出現(xiàn)同一橋臂的兩個MOSFET都處于開通狀態(tài)，在這種情況下將會出現(xiàn)短路現(xiàn)象，電路中電流劇增、器件損壞需要在其間插入一個死區(qū)時間，確保不發(fā)生短路，如圖10所示。

圖9 同一橋臂MOSFET柵極PWM互補驅動信號

圖10 IR2130輸出的PWM死區(qū)時間

4 結 語

本文給出了基于觸摸屏的無刷直流電動機控制系統(tǒng)硬件電路圖、液晶觸摸屏驅動程序和電機驅動程序設計方案，移植圖形庫軟件μC/GUI和實時多任務操作系統(tǒng)μC/OS－II到LPC2290中，使無刷電機控制與操作簡單化、可視化。由于嵌入式特有的優(yōu)點，在此基礎上完成功能擴展，結合具體工程要求可以應用于數(shù)控機床和各種電機控制等。

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