基于A(yíng)RM的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)

摘要：ARM已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制和生產(chǎn)生活方面，本文設(shè)計(jì)一種基于ARM為核心的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)單片機(jī)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(diǎn)。
關(guān)鍵詞：ARM；L298N；電機(jī)控制；步進(jìn)電機(jī)

在現(xiàn)代的工業(yè)控制系統(tǒng)中步進(jìn)電機(jī)是一個(gè)重要的執(zhí)行器件，其被廣泛地應(yīng)用于自動(dòng)化工業(yè)控制系統(tǒng)和機(jī)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(jìn)電機(jī)為動(dòng)力核心，如工業(yè)機(jī)器人、打印機(jī)、數(shù)控機(jī)床、繪圖儀等。隨著對(duì)產(chǎn)品的要求越來(lái)越高，對(duì)其控制也要求越來(lái)越高，以前的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的控制能力無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)在的要求，因此，提出一種更高效、實(shí)用性更強(qiáng)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(jī)為控制內(nèi)核，其價(jià)格便宜、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，容易滿(mǎn)足一般控制要求，但是該單片機(jī)存儲(chǔ)空間小，外設(shè)資源較少，往往需要與PC機(jī)聯(lián)合控制才能實(shí)現(xiàn)，這樣帶來(lái)的問(wèn)題是實(shí)時(shí)性較差，人機(jī)交互較為復(fù)雜，操作麻煩等問(wèn)題。采用功能較為強(qiáng)大的32位ARM為控制核心，把電源、電機(jī)控制板、步進(jìn)電機(jī)和人機(jī)界面集成一體將形成一個(gè)更為強(qiáng)大的嵌入式一體化控制系統(tǒng)。其優(yōu)勢(shì)是控制性能強(qiáng)，實(shí)時(shí)控制強(qiáng)、人機(jī)界面友好、總體成本低、外設(shè)資源豐富、控制精度高，可以根據(jù)控制情況適時(shí)地調(diào)整控制參數(shù)以實(shí)現(xiàn)更優(yōu)化控制。本文提出的是基于A(yíng)RM7內(nèi)核的LPC2131為控制核心的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和速度準(zhǔn)確控制，并具有很好的人機(jī)界面。

1 LPC2131概述
根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)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(jià)格便宜的RISC處理器，具有豐富的片上外設(shè)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(kāi)發(fā)。其主要特點(diǎn)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(guò)片內(nèi)PLL可實(shí)現(xiàn)60 MHz的主頻；
(5)對(duì)片內(nèi)FLASH支持三種編程方式：ISP，IAP，JTAG在線(xiàn)仿真調(diào)試；
(6)具有兩個(gè)低功耗模式：空閑和掉電模式；
(7)2路32位定時(shí)器，6路PWM，實(shí)時(shí)時(shí)鐘和看門(mén)狗；
(8)具有2路工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的異步串口(UART)、高速I(mǎi)2C和2個(gè)SPI接口；
(9)8路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，轉(zhuǎn)換時(shí)間可低至2．44 m；
(10)通過(guò)配置可有112個(gè)GPIO。
綜上所述，LPC2131非常適合于該步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并且具有很好的功能擴(kuò)展性。

2 步進(jìn)電機(jī)的工作原理
步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的角度或者位移的執(zhí)行器件。如果電機(jī)沒(méi)有超載，電脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)決定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電機(jī)的位移長(zhǎng)度，負(fù)載的變化對(duì)其沒(méi)有影響。也就是說(shuō)只要給電機(jī)一個(gè)脈沖，那么電機(jī)就轉(zhuǎn)一個(gè)對(duì)應(yīng)的角度；按照步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)時(shí)序給脈沖，那么電機(jī)就正轉(zhuǎn)，如果給的是反轉(zhuǎn)時(shí)序，那么電機(jī)就反轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)的種類(lèi)很多，按其結(jié)構(gòu)可分為永磁式、激勵(lì)式和反應(yīng)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(jìn)電機(jī)的主要特征
(1)步進(jìn)電機(jī)需要驅(qū)動(dòng)電路才能轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電脈沖信號(hào)，如果沒(méi)有脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)靜止不動(dòng)，如果按照電機(jī)的驅(qū)動(dòng)時(shí)序驅(qū)動(dòng)電機(jī)，則電機(jī)按照一定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度與脈沖的頻率正比關(guān)系，不受負(fù)載影響。
(2)步進(jìn)電機(jī)可以方便地實(shí)現(xiàn)瞬間啟動(dòng)、急速停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，并且速度響應(yīng)特性好。
(3)步進(jìn)電機(jī)沒(méi)有累計(jì)誤差，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差，完成一周以后誤差清零。
(4)步進(jìn)電機(jī)可以通過(guò)改變電脈沖信號(hào)的順序?qū)崿F(xiàn)改變其轉(zhuǎn)動(dòng)方向。
(5)當(dāng)步進(jìn)電機(jī)停止時(shí)可以實(shí)現(xiàn)自鎖。
(6)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)一般要專(zhuān)門(mén)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(dòng)。步進(jìn)電機(jī)必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)方可使用。
2．2 步進(jìn)電機(jī)的測(cè)速辦法
將驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移或者線(xiàn)位移，這樣的測(cè)速優(yōu)勢(shì)是：
(1)過(guò)載性好：由于步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不受負(fù)載的影響，即當(dāng)負(fù)載加大時(shí)電機(jī)的速度保持不變。
(2)容易控制：由于步進(jìn)電機(jī)是一步一步的運(yùn)轉(zhuǎn)，可以按角度來(lái)對(duì)其控制。
(3)整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單：由于測(cè)速是將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電壓，并傳遞到輸入端實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，整體結(jié)構(gòu)減少了傳統(tǒng)的機(jī)械部分和位置控制結(jié)構(gòu)部分。