基于ARM的步進電機控制系統(tǒng)

摘要：ARM已經(jīng)被廣泛應用于工業(yè)控制和生產(chǎn)生活方面，本文設計一種基于ARM為核心的步進電機控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)單片機控制系統(tǒng)，具有處理速度快，外圍接口資源豐富，控制方便，精度高等特點。
關鍵詞：ARM；L298N；電機控制；步進電機

    在現(xiàn)代的工業(yè)控制系統(tǒng)中步進電機是一個重要的執(zhí)行器件，其被廣泛地應用于自動化工業(yè)控制系統(tǒng)和機電一體化的產(chǎn)品。在現(xiàn)代的大部分電子產(chǎn)品和工業(yè)產(chǎn)品中都是以步進電機為動力核心，如工業(yè)機器人、打印機、數(shù)控機床、繪圖儀等。隨著對產(chǎn)品的要求越來越高，對其控制也要求越來越高，以前的步進電機控制系統(tǒng)的控制能力無法滿足現(xiàn)在的要求，因此，提出一種更高效、實用性更強的控制系統(tǒng)變得更加重要。
    傳統(tǒng)的工業(yè)控制大多數(shù)是采用8位單片機為控制內(nèi)核，其價格便宜、設計簡單，容易滿足一般控制要求，但是該單片機存儲空間小，外設資源較少，往往需要與PC機聯(lián)合控制才能實現(xiàn)，這樣帶來的問題是實時性較差，人機交互較為復雜，操作麻煩等問題。采用功能較為強大的32位ARM為控制核心，把電源、電機控制板、步進電機和人機界面集成一體將形成一個更為強大的嵌入式一體化控制系統(tǒng)。其優(yōu)勢是控制性能強，實時控制強、人機界面友好、總體成本低、外設資源豐富、控制精度高，可以根據(jù)控制情況適時地調(diào)整控制參數(shù)以實現(xiàn)更優(yōu)化控制。本文提出的是基于ARM7內(nèi)核的LPC2131為控制核心的步進電機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對步進電機的驅(qū)動和速度準確控制，并具有很好的人機界面。

1 LPC2131概述
    根據(jù)系統(tǒng)的實際需要和成本，該系統(tǒng)選擇了NXP公司生產(chǎn)的基于LPC2131，它的CPU是ARM7TDMI，是一種高性能、低功耗、價格便宜的RISC處理器，具有豐富的片上外設資源，可在3．3 V的電壓下工作，非常適合于嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)。其主要特點如下：
    (1)32位144引腳的ARM7TDMI內(nèi)核；
    (2)L／O電壓是3．3 V，CPU工作電壓是1．8 V；
    (3)有16K字節(jié)的SRAM，8K的片內(nèi)Flash；
    (4)通過片內(nèi)PLL可實現(xiàn)60 MHz的主頻；
    (5)對片內(nèi)FLASH支持三種編程方式：ISP，IAP，JTAG在線仿真調(diào)試；
    (6)具有兩個低功耗模式：空閑和掉電模式；
    (7)2路32位定時器，6路PWM，實時時鐘和看門狗；
    (8)具有2路工業(yè)標準的異步串口(UART)、高速I2C和2個SPI接口；
    (9)8路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，轉(zhuǎn)換時間可低至2．44 m；
    (10)通過配置可有112個GPIO。
    綜上所述，LPC2131非常適合于該步進電機的控制系統(tǒng)的設計，并且具有很好的功能擴展性。

2 步進電機的工作原理
    步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)換為對應的角度或者位移的執(zhí)行器件。如果電機沒有超載，電脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)決定步進電機的轉(zhuǎn)速和電機的位移長度，負載的變化對其沒有影響。也就是說只要給電機一個脈沖，那么電機就轉(zhuǎn)一個對應的角度；按照步進電機的正轉(zhuǎn)時序給脈沖，那么電機就正轉(zhuǎn)，如果給的是反轉(zhuǎn)時序，那么電機就反轉(zhuǎn)。步進電機的種類很多，按其結構可分為永磁式、激勵式和反應式三種，按其相數(shù)分可分為單相、兩相和多相三種。
2．1 步進電機的主要特征
    (1)步進電機需要驅(qū)動電路才能轉(zhuǎn)動，驅(qū)動電路產(chǎn)生驅(qū)動電脈沖信號，如果沒有脈沖信號，步進電機靜止不動，如果按照電機的驅(qū)動時序驅(qū)動電機，則電機按照一定的方向轉(zhuǎn)動。電機轉(zhuǎn)動的速度與脈沖的頻率正比關系，不受負載影響。
    (2)步進電機可以方便地實現(xiàn)瞬間啟動、急速停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，并且速度響應特性好。
    (3)步進電機沒有累計誤差，因為步進電機只有周期性的誤差，完成一周以后誤差清零。
    (4)步進電機可以通過改變電脈沖信號的順序?qū)崿F(xiàn)改變其轉(zhuǎn)動方向。
    (5)當步進電機停止時可以實現(xiàn)自鎖。
    (6)步進電機的驅(qū)動信號一般要專門的控制電路產(chǎn)生，不能直接使用普通的交流或直流電源驅(qū)動。步進電機必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成驅(qū)動控制系統(tǒng)方可使用。
2．2 步進電機的測速辦法
    將驅(qū)動信號的電脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移或者線位移，這樣的測速優(yōu)勢是：
    (1)過載性好：由于步進電機的轉(zhuǎn)速不受負載的影響，即當負載加大時電機的速度保持不變。
    (2)容易控制：由于步進電機是一步一步的運轉(zhuǎn)，可以按角度來對其控制。
    (3)整體結構簡單：由于測速是將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電壓，并傳遞到輸入端實現(xiàn)閉環(huán)控制，整體結構減少了傳統(tǒng)的機械部分和位置控制結構部分。
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3 控制系統(tǒng)設計
3．1 總體結構設計
    本系統(tǒng)是以LPC2131為控制器，用L298N電機驅(qū)動芯片設計的驅(qū)動電路，由于電機是12 V供電，那么還需要12 V的電壓，人機界面采用的是鍵盤顯示板，這樣可以實現(xiàn)良好的人機界面，方便現(xiàn)場調(diào)試與參數(shù)設定。
3．2 硬件設計
    該系統(tǒng)的整體硬件設計框圖如圖1所示，該硬件設計系統(tǒng)主要包括三個部分，第一部分是LPC2131最小系統(tǒng)，由于LPC2131的工作電壓必須是3．3 V，就得把輸入進來的電壓進行穩(wěn)壓，輸出所需要的電源電壓。一般采用的是電源穩(wěn)壓芯片實現(xiàn)。這部分還有控制器的復位電路，復位電路一般有阻容式復位和芯片復位兩種，根據(jù)該控制器的芯片手冊中對復位要求，故選擇了芯片復位電路。

    第二部分是設計該系統(tǒng)的重點——步進電機驅(qū)動電路，采用的是L298N電機驅(qū)動芯片設計的驅(qū)動電路。該芯片是SGS公司的美國國家半導體公司生產(chǎn)的。L298N是一個高電壓，高電流全橋驅(qū)動電路，其支持TTL邏輯標準電平，是驅(qū)動步進電機的良好方案。其工作的最大電壓可以達到46V，電流可達到4A，具有過電流保護，低功耗芯片。其有15個引腳，內(nèi)含兩個H橋電路，能夠驅(qū)動兩個直流電機和一個四相的步進電機。它接受PWM脈沖波，輸出為跟輸入PWM波占空比一樣的脈沖波驅(qū)動電機，這樣如果需要改變步進電機的轉(zhuǎn)速，可以通過調(diào)整PWM的占空比和頻率實現(xiàn)。該驅(qū)動電路可以控制電機的轉(zhuǎn)動方向，只需要用GPIO控制L298N的方向引腳，設置其為低電平或者高電平這樣方可改變其方向。這部分還需要12 V的直流電源，可通過電壓穩(wěn)壓芯片實現(xiàn)。
    第三部分是鍵盤顯示部分，這部分主要是用來顯示電機的速度和給定，左邊顯示了速度的給定，右邊顯示電機當前的速度，其中按鍵用來設定電機調(diào)速的調(diào)整參數(shù)。其設計原理是利用ARM的SPI進行串行通信實現(xiàn)每次傳送兩個字節(jié)，其中第一個字節(jié)是段碼，該段碼是八段數(shù)碼管的段碼值，它是8個數(shù)碼管公用的段碼；第二個字節(jié)是位碼，該位碼的8位分別對應8個數(shù)碼管的公共端。用兩個74HC164移位寄存器實現(xiàn)數(shù)據(jù)的移位傳輸，并且把8個按鍵連接到8個數(shù)碼管的公共端，這樣實現(xiàn)動態(tài)掃描顯示數(shù)碼管。
3．3 軟件設計
    軟件設計主要是包含三個部分，分別是系統(tǒng)初始化模塊、電機調(diào)速控制模塊和鍵盤顯示模塊。設計流程如圖2所示，其中第一部分系統(tǒng)初始化模塊。主要實現(xiàn)LPC2131的啟動設置，包括初始化中斷向量表、初始化堆棧、系統(tǒng)變量初始化、中斷系統(tǒng)初始化、I／O初始化、外圍設備初始化、存儲器初始化和地址重映射初始化等操作，這部分主要是用ARM匯編實現(xiàn)的，為C語言的運行提供一個良好的環(huán)境。

    第二部分是電機調(diào)速模塊。這部分是該系統(tǒng)設計的重點，其中需要PWM初始化，定時器捕獲初始化、I／O初始化和PID算法實現(xiàn)。對于PWM模塊的初始化需要兩路PWM以實現(xiàn)四相電機時序來控制電機的轉(zhuǎn)動，其中PWM的占空比實現(xiàn)電機電壓的速度控制。I／O實現(xiàn)電機的方向控制，通過設置低電平和高電平設置不同的電機轉(zhuǎn)向。定時器捕獲模塊實現(xiàn)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，用定時器捕獲電機轉(zhuǎn)動時電機葉子切割紅外線產(chǎn)生的脈沖數(shù)進而算出電機的轉(zhuǎn)速，不過計算電機轉(zhuǎn)速時得注意電機的減速比。PID算法以實現(xiàn)電機的智能控制，通過設置給定轉(zhuǎn)速和捕獲回來的轉(zhuǎn)速，計算出下次需要給出的PWM占空比，以實現(xiàn)電機速度的準確控制。
    第三部分是鍵盤顯示模塊。該模塊主要是實現(xiàn)通過鍵盤實時的調(diào)整PID參數(shù)，那么左邊顯示的是給定的電機轉(zhuǎn)速，右邊顯示的是當前的電機轉(zhuǎn)速。在該模塊中需要定時器模塊、SPI模塊，其中定時器模塊實現(xiàn)對數(shù)碼管的動態(tài)掃描和獲取按鍵的鍵值；SPI模塊實現(xiàn)把數(shù)碼管的段碼和位碼串行發(fā)送出去。其中按鍵的功能主要實現(xiàn)加法、減法、修改和確定，這樣就可以實時的根據(jù)當前的轉(zhuǎn)速修改PID參數(shù)，以實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的實時控制。

4 結束語
    為了提出一種更高效、實用性更強、更優(yōu)化的控制系統(tǒng)，本文的控制系統(tǒng)是基于ARM LPC2131來設計的步進電動機控制系統(tǒng)，其通過ARM的高速和豐富的外設資源對步進電機實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的精確控制和實時監(jiān)測控制，具有對步進電機實時控制、數(shù)據(jù)處理速度快、精度高、良好的人機界面、操作簡單和易于維修等特點。