基于ARM触摸屏的无刷直流电动机控制系统设计

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~C／OS-II和p,C／GUI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；~C／OS-II；I~C／GUI；触摸屏技术
Brushless DC Motor Control System Based on the ARM Touch ScreenWANG Yah—wei，LI Sheng-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 real—time
operating system trC／OS—II and tzC／GUI graphics library for brushless DC motor was introduced．The brushless DC motor
driving principle and LPC2290 in LCD display and touch screen technology were analyzed．The schematic diagram of hard-
ware，software design principle and experiment resuhs were given．The experiment results show that control system has better
control efect．
Key words：bmshless DC motor；ARM；~C／OS—II；I~C／GUI；touch screen technology
0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X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~C／OS—II
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~C／GUI和实时操作系统lxC／OS—U的无刷直
收稿日期：2011—09—05
改稿日期：2011—10—13
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：
1．1 LPC2290结构特点
LPC2290是一款基于ARM7TDMI—S内核的32 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
A／D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~C／OS—lI和图形软
件I~C／GUI。

正是由于LPC2290的6路PWM使得；鎏
实现无刷直流电动机控制成为了可能。

动
1．2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
Vso
LO3
：。

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 0
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。

1．3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5．2英寸彩色液晶屏。

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320×240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S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。

VA3
VA4
VA5
VA6
VA7
VA8
VA9
VAlO
VD0 LEDNEB
VD1 XSCL
VD2 WF
VD3 LP
VD4 YD
VD5 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，9
h
H
卜．j
Cl蛐
MEMES I R3s
I
CS2
l
卜
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2Ⅶ肿Ⅶ肿∞
墨豢
鳍鼢露嚣皿
；{毁终挎
5 4 3 2 l 0 S 0 1 2
C
：2 c ¨765 {3 w
韪
艚怒
微持电棚2012年第40卷第l期驱动
…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
l
I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~C／OS—II操作系统作为软件应用平台，~xC／GUI用于图形用户接口。

实时多任务的操作内核~C／OS—II的优点很多文献资料都有论述，本文不再叙述。

p~C／GUI软件设计思想是模块化分层，使用ANSI C语言编写，因此具有很强的移植性，几乎适用于所有的CPU。

2．1应用软件的移植
编写应用软件之前要移植~C／OS—II和pC／
GUI图形库软件。

系统中的LPC2290微处理器和
开发环境ADS 1．2完全满足移植要求。

由于pC／OS—II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：OS—CPU．H(c语言头文件)，OS—CPU—A．S(汇编语言源文件)和OS—CPU—
C．C(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IxC／GUI 提供了源代码，可以很容易地移植到LPC2290平台下。

p~C／GUI的系统构架从上至下分为用户层、p~C／GUI 系统层、LCD驱动层和硬件操作层。

IxC／GUI的移植需要配置的文件有GUIConf．h和LCDConf．h。

在GUIConf．h 中，需要配置好指定的开关参数，包括一些最基本的GUI图形预定义控制。

在LcDC0nf．h文件中指定了LCD 屏的宽高320x240、使用8位来表示一个像素。

2．2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_ buf[y][x]；2．3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,~＼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。

0．5
W
(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]．：机械工业
，1995．
吴建华．开关磁阻电机设计与应用[M]．：机械工业出版
社，2000．
于力，欧阳红林．一种基于单神经元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)：89—92．
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)：1711—1713．
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)：274—278．
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)：51～54．
黄友锐，曲立国．PID控制器参数整定与实现[M]．：科学
，2010．
作者简介：X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10所示。

…
z l j 。

Z j Z j
图9同一桥臂MOSFET栅极图11]IR2130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IxC／GUI和实时多任务操作系统~C／OS—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)：42—47．
[2] 陈荣，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)：
37—39．
[3]韩山，郭云．ARM微处理器应用开发技术详解与实例分析[M]．：清华大学，2007：268—299．
[4] 周立功．ARM嵌入式MiniGUI初步与应用开发X例[M]．：航空航天大学，2006：129—247．[5]徐军．嵌
入式~C／GUI的移植与平台开发[J]．自动化与仪表，2007(3)：76-79．
[6]X滨，X静静，曹旭阳．嵌入式图形接13~C／GUI在~C／OS II
上的移植[J]．2007，23(2)：23—25．
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。