基于ARM的变温空调伺服系统设计

论文摘要

变温空调是基于医疗气象学中“室内微气候”变化原理设计的温度随动空调系统，和传统空调不同的是，它不对室温设定参考值，而是依据外界温度的变化“智能”控制室温。变温空调以半导体制冷器为冷（热）源，无刷直流电机为温度调节执行机构，实现了室内温度对室外温度的快速跟随、调节。 温度伺服控制系统是变温空调的一个重要的子系统，是变温空调的执行机构。本文根据变温空调的工作原理，提出了一种基于ARM（Advanced RISC Machines）微控制器LPC2214的全数字式温度伺服控制系统。 本文首先在对温度伺服系统的整体组成结构、控制方案和各部分功能的实现方法进行了详细分析，对温度伺服系统的总体设计方案进行了可行性论证，并设计出了该系统的硬件电路。温度伺服系统硬件电路以基于LPC2214的数字温度控制器为核心，通过单线总线数字温度传感器DS1820对室内外温度进行采样，并使用液晶模块对温度伺服系统的各个运行参数进行实时显示和分析。 针对温度伺服系统的执行机构——稀土永磁无刷方波直流电动机，设计出了一种基于功率MOSFET和栅极驱动芯片IR2130的功率驱动电路。设计中通过合理的选用自举元件，正确的对功率器件进行保护，极大的提高了功率电路的整体性能，实现了对无刷直流电机的高效驱动。 根据温度伺服系统的控制特点，提出了一种基于室内温度、电机转速和电流的三闭环控制算法。采用通用的模块化设计方式，编写了温度伺服系统调速程序，并且使用C语言对程序进行了实现，在ADS（ARM Developer Suite）开发环境下编译、链接、运行通过。 用MATLAB仿真的方法建立了直流无刷电机双闭环控制系统模型，依据Ziegler-Nichols法对转速环、电流环的PID参数进行整定，为实际的设计过程提供了重要的参考。 设计完成后，进行了系统的软、硬件的联调，调试结果证明该温度伺服控制系统工作协调、稳定、可靠，实现了温度伺服系统的基本功能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 论文选题的背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 论文的主要研究内容和关键技术
• 1.3.1 论文的主要研究内容
• 1.3.2 论文的关键技术
• 第二章 系统总体方案
• 2.1 控制对象的描述
• 2.2 系统组成原理
• 2.3 系统主要部件及实现方案
• 2.3.1 半导体制冷器
• 2.3.2 驱动电机选择
• 2.3.3 数字式温度控制器
• 2.3.4 功率驱动电路
• 2.4 系统控制方案
• 2.4.1 电机原理及控制方式
• 2.4.2 直流无刷电机调速控制方案
• 2.5 本章小结
• 第三章 控制系统设计与实现
• 3.1 控制部分硬件总体设计
• 3.2 基于ARM的最小系统设计
• 3.2.1 微控制器LPC2214
• 3.2.2 电源系统
• 3.2.3 时钟系统
• 3.2.4 复位系统
• 3.2.5 JTAG调试接口
• 3.3 温度采集模块
• 3.3.1 工作原理
• 3.3.2 寄生电源
• 3.3.3 温度信号的采集和计算
• 3.3.4 DS1820工作过程及时序
• 3.4 液晶接口模块设计
• 3.4.1 液晶控制器T6963C
• 3.4.2 液晶模块和LPC2214应用连接
• 3.5 本章小结
• 第四章 驱动系统设计与实现
• 4.1 功率驱动单元器件的选取
• 4.1.1 功率器件
• 4.1.2 功率驱动芯片
• 4.2 自举元件的选择
• 4.3 功率驱动电路工作原理
• 4.4 电流采样电路
• 4.5 过流保护电路
• 4.6 数字信号接口电路
• 4.7 驱动电路寄生效应及对策
• 4.7.1 驱动芯片的保护
• 4.7.2 功率管的保护
• 4.8 电路板抗干扰设计
• 4.9 本章小结
• 第五章 控制系统程序设计
• 5.1 ARM软件开发概述
• 5.2 系统初始化和主程序设计
• 5.2.1 主程序结构
• 5.2.2 系统初始化
• 5.3 转速调节模块
• 5.3.1 转速计算
• 5.3.2 换相控制
• 5.3.3 转速调节
• 5.4 电流调节模块
• 5.4.1 电流采样
• 5.4.2 电流调节
• 5.5 PWM更新模块
• 5.6 本章小结
• 第六章 系统调试
• 6.1 软件调试
• 6.2 硬件调试
• 6.3 本章小结
• 第七章 总结及展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢
• 附录A 驱动电路原理图
• 附录B 控制电路原理图