基于LPC2132 控制步進(jìn)電機(jī)在康復(fù)機(jī)器人中的應(yīng)用

0 引言

LPC2132 是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)防真的嵌入式跟蹤的32/16 位ARM7TDMI-STM CPU 的微控制器，并帶有32 KB,64 KB,512 KB的嵌入的高速FLASH存儲(chǔ)器。其內(nèi)部有1 個(gè)10 位8 路A/D 轉(zhuǎn)換器可用于采集傳感器信號(hào)，并具有建立在標(biāo)準(zhǔn)定時(shí)器0/1之上的脈寬調(diào)制器，用于對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。步進(jìn)電機(jī)作為數(shù)字化元件，與LPC2132相結(jié)合，可以達(dá)到精確控制。

1 步進(jìn)電機(jī)的特性

步進(jìn)電機(jī)是一種用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制的電動(dòng)機(jī)，它將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，因此非常適合于單片機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)的角位移或線位移量與電脈沖個(gè)數(shù)成正比，它的轉(zhuǎn)速或線速度與電脈沖頻率成正比，在負(fù)載能力范圍內(nèi)這些關(guān)系不因電源電壓、負(fù)載大小、環(huán)境條件的波動(dòng)而變化。通過(guò)改變脈沖頻率的高低可以在很大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速，并能進(jìn)行快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。

本設(shè)計(jì)針對(duì)目前各個(gè)領(lǐng)域?qū)ψ詣?dòng)化的需要，采用LPC2132處理器與步進(jìn)電機(jī)結(jié)合，并將其應(yīng)用于康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域，能夠極大的減輕醫(yī)師的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高對(duì)患者的治療效率。

2 LPC2132 控制芯片的主要功能及應(yīng)用

(1)LPC2132 芯片當(dāng)中具有建立在標(biāo)準(zhǔn)定時(shí)器0/1上的脈寬調(diào)試器(PWM)。通過(guò)設(shè)置不同的匹配寄存器，可以獨(dú)立的控制上升沿和下降沿的位置，進(jìn)而可以控制多相位電機(jī)。

(2)具有一個(gè)逐次逼近的A/D轉(zhuǎn)換器。其中8個(gè)管腳復(fù)用為輸入腳，可將從角度傳感器和力傳感器獲得的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量并進(jìn)行處理。

(3)具有異步串行口?？梢耘c計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)信息交互。

(4)具有穩(wěn)定的時(shí)鐘電路以及JTAG下載電路。

3 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)控制原理

由于腦卒中患者腿部不具有正常的支撐能力，所以在康復(fù)訓(xùn)練的時(shí)候，需要對(duì)患者進(jìn)行減重[7-8].減重控制平臺(tái)搭建在下肢外骨骼康復(fù)訓(xùn)練平臺(tái)的上方，它通過(guò)吊繩(含力傳感器)和馬甲與患者相連，并且可以跟隨患者在設(shè)定的軌道上移動(dòng)，能夠?qū)崟r(shí)的對(duì)患者進(jìn)行恒力減重。正常情況下，減重平臺(tái)在患者的正上方，吊繩與減重平臺(tái)是垂直的，當(dāng)患者在康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練平臺(tái)上進(jìn)行康復(fù)行走訓(xùn)練時(shí)，會(huì)帶動(dòng)吊繩偏離豎直方向。角度傳感器檢測(cè)出這個(gè)角度，驅(qū)動(dòng)偏移電機(jī)動(dòng)作，從而平復(fù)這個(gè)角度?？刂圃韴D如圖1所示。

3.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

減重平臺(tái)上有兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，分別為偏移電機(jī)和減重電機(jī)。偏移電機(jī)上連有尼龍繩，尼龍繩連接在減重平臺(tái)的兩端，從而帶動(dòng)減重平臺(tái)左右移動(dòng)。而減重電機(jī)通過(guò)一對(duì)錐齒輪連接到滾筒上，通過(guò)控制滾筒上繩子的收放來(lái)調(diào)節(jié)繩子的張力，以實(shí)現(xiàn)減重。

減重平臺(tái)的結(jié)構(gòu)俯視圖如圖2所示。

3.3 硬件電路設(shè)計(jì)

減重控制平臺(tái)采用雙閉環(huán)控制，分別為力閉環(huán)控制和角度閉環(huán)控制。主控芯片采用Phlips 公司的LPC2132 芯片[9].配備外圍控制電路模塊如圖3 所示。

為了消除外接電路的干擾，采用光電耦合電路，將核心控制電路和驅(qū)動(dòng)器電路隔離開(kāi)來(lái)，避免外接電路干擾或破壞核心控制電路[10].本設(shè)計(jì)選擇了TOSHIBA公司的TLP521-4光電耦合芯片。光電隔離電路如圖4所示，左側(cè)PWM 作為輸入斷與芯片的管腳相連，右側(cè)PW 作為輸出端與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器相連。

3.4 軟件設(shè)計(jì)

(1)控制系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)的處理拉力傳感器和角度傳感器采集的信號(hào)，并將這些模擬量通過(guò)A/D模塊轉(zhuǎn)化成數(shù)字量。以角度傳感器為例，本系統(tǒng)選用的角度傳感器是將旋轉(zhuǎn)的角度轉(zhuǎn)換成動(dòng)態(tài)的電壓。

如圖5為A/D轉(zhuǎn)換流程圖，由于控制芯片滿額度電壓為3.3 V,且轉(zhuǎn)換精度為10 位，即2^10=1 024 級(jí)，若從A/D轉(zhuǎn)換寄存器中讀到的電壓值為V,則實(shí)際電壓U 為：

(2)要想使步進(jìn)電機(jī)能夠運(yùn)轉(zhuǎn)，需要控制系統(tǒng)提供相應(yīng)的脈沖信號(hào)。通過(guò)設(shè)置LPC2132芯片中的不同匹配寄存器來(lái)獲得相應(yīng)的脈沖信號(hào)。通過(guò)設(shè)置不同的脈沖頻率來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。軟件用C語(yǔ)言編寫(xiě)并在ADS開(kāi)發(fā)環(huán)境中完成，將編寫(xiě)好的程序轉(zhuǎn)換成Hex文件，將文件導(dǎo)入到Protues軟件當(dāng)中進(jìn)行仿真。如圖6所示。

(3)通過(guò)設(shè)置串口，可以與計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)交互。

LPC2132 具有2 個(gè)異步串行口，分別為UART0 和UART1.在串口初始化的時(shí)候，必須設(shè)置除數(shù)鎖存器，它保存了用于產(chǎn)生波特率時(shí)鐘的VPB 時(shí)鐘分頻值，波特率時(shí)鐘必須是波特率的16倍，計(jì)算公式如下：

軟件部分需要?jiǎng)澐植煌某绦蚰K，包括串口程序，信息采集程序，脈沖調(diào)試程序。本軟件的編寫(xiě)在適合ARM 芯片的ADS開(kāi)發(fā)環(huán)境中進(jìn)行，并用匯編語(yǔ)言作為啟動(dòng)代碼，各程序模塊用C語(yǔ)言進(jìn)行編程。為了消除系統(tǒng)誤差，增加系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的控制精度，本系統(tǒng)引進(jìn)了PID算法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)以下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人為研究背景，從工程實(shí)際出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種康復(fù)機(jī)器人減重平臺(tái)。通過(guò)LPC2132控制步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)力閉環(huán)和角度閉環(huán)雙閉環(huán)控制。達(dá)到對(duì)患者的實(shí)時(shí)跟隨，并且恒力減重功能。從而減少了康復(fù)醫(yī)師的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了患者康復(fù)訓(xùn)練的效率。